DE102012004845A1

DE102012004845A1 - Stromloses Ventil zur Drucksteuerung

Info

Publication number: DE102012004845A1
Application number: DE201210004845
Authority: DE
Inventors: Roman Mayer; Reinhold Von Bank; Jochen Schobloch
Original assignee: WMF Group GmbH
Current assignee: WMF GmbH
Priority date: 2012-03-13
Filing date: 2012-03-13
Publication date: 2013-09-19
Anticipated expiration: 2032-03-14
Also published as: DE102012004845B4

Abstract

Stromloses Ventil zur Drucksteuerung mit einer Führungseinheit (1), einem in der Führungseinheit (1) beweglich gelagerten Schließkörper (2), und einem Ventilzufluss (3), über den der Schließkörper (2) mit einem Fluid (F) anströmbar ist, wobei der Ventilzufluss (3) im verschlossenen Zustand des Ventils durch den Schließkörper (2) verschlossen ist und wobei der Ventilzufluss (3) durch fluiddruckbedingtes Bewegen des Schließkörpers (2) in der Führungseinheit (1) weg vom Ventilzufluss (3) eröffnet werden kann, so dass ein Durchströmen des Ventils mit dem Fluid (F) ermöglicht ist, dadurch gekennzeichnet, dass beim Überschreiten eines vorbestimmten Fluiddruckes im Ventilzufluss (3), der nachfolgend als Öffnungsdruck p0 bezeichnet ist, ein schlagartiges Vergrößern der Druckangriffsfläche A am Schließkörper (2) erfolgt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein stromloses Ventil zur Drucksteuerung gemäß des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Der Stand der Technik unterscheidet Ventile ohne externe Energieversorgung und Ventile mit externer Energieversorgung.
Ventile ohne externe Energieversorgung aus dem Stand der Technik sind zumeist federbelastete, sprich mechanisch betätigte Ventile. Bei dieser Bauart wird das Ventil mittels eines Schließkörpers, der über eine Feder vorgespannt wird, verschlossen. Die aus dem Fluid resultierende Kraft wirkt der Federkraft entgegen. Aufgrund des Einsatzes einer Feder erfolgt eine stetige Ventilöffnung. Abhängig vom vorliegenden Fluiddruck ist das Ventil unterschiedlich weit geöffnet.
Ventile mit externer Energieversorgung aus dem Stand der Technik sind in der Regel Magnetventile oder pneumatische Ventile. Die Ventilöffnung erfolgt durch das Zugeben externer Energie. Dies ist elektrische Energie bei den Magnetventilen; bei den pneumatischen Ventilen erfolgt die Energieübertragung durch ein Fluid.
Ausgehend vom Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Ventil ohne externe Energieversorgung (nachfolgend auch vereinfacht als stromloses Ventil bezeichnet) zur Verfügung zu stellen, das auf einfache Art und Weise aufgebaut ist und dennoch sehr schnell schaltet, das also schneller schalten kann als die Ventile ohne externe Energieversorgung, die aus dem Stand der Technik bekannt sind. Aufgabe der Erfindung ist es insbesondere auch solche Ventile zur Verfügung zu stellen, die ein quasi schlagartiges, sofortiges Öffnen bei einem definierten Druckpunkt ermöglichen. Aufgabe ist es darüber hinaus, einen Milchaufschäumer (insbesondere eines Kaffeevollautomaten) zur Verfügung zu stellen, in dem ein solches erfindungsgemäßes Ventil eingesetzt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein stromloses Ventil gemäß Anspruch 1 sowie durch einen Milchaufschäumer gemäß Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsvarianten des erfindungsgemäßen Ventils oder des erfindungsgemäßen Milchaufschäumers lassen sich jeweils den abhängigen Ansprüchen entnehmen.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung zunächst allgemein, dann anhand von mehreren Ausführungsbeispielen beschrieben. Die in den einzelnen Ausführungsbeispielen in Kombination miteinander verwirklichten Einzelmerkmale bzw. einzelnen Bauelemente der erfindungsgemäßen Ventile müssen dabei im Rahmen der Erfindung nicht genau in den in den Ausführungsbeispielen gezeigten Kombinationen miteinander verwirklicht werden, sondern können auch in anderen Kombinationen zusammengeschaltet bzw. zusammengebaut sein. Insbesondere können einzelne der gezeigten Bauelemente auch weggelassen werden oder auf andere Art und Weise mit Bauteilen desselben oder auch anderer Ausführungsbeispiels/e kombiniert werden. Insbesondere kann jedes der gezeigten Bauteile eines Ausführungsbeispiels bereits für sich eine Verbesserung des Standes der Technik darstellen.
Die Grundidee der vorliegenden Erfindung ist es, ein Ventil zur Verfügung zu stellen, welches mittels eines geeigneten Schließkörpers (beispielsweise einer Kugel) sowie einer geeigneten Vorspannkraft (nachfolgend auch als Anpresskraft bezeichnet – diese Vorspannkraft kann beispielsweise durch eine Spiralfeder erzeugt werden) gesteuert wird. Das – bei geöffnetem Ventil – zum Durchströmen des Ventils vorgesehene Medium (nachfolgend auch als Fluid bezeichnet, es kann sich hierbei grundsätzlich um eine Flüssigkeit, um ein Gas oder auch um eine Mischung daraus, beispielsweise Dampf, handeln) wirkt dabei direkt auf den Schließkörper und bewirkt auf diesen eine Kraft. übersteigt der Fluiddruck die Schließkraft, so öffnet das Ventil schlagartig, also sehr schnell. Dies bedeutet, dass sich das erfindungsgemäße stromlose Ventil mit einer Schaltzeit z. B. im Zeitintervall zwischen 0 und 500 Millisekunden, bevorzugt im Zeitintervall zwischen 0 und 200 Millisekunden, besonders bevorzugt zwischen 0 und 100 Millisekunden öffnen lässt.
Das erfindungsgemäße Ventil kann in einem (erfindungsgemäßen) Milchaufschäumer, insbesondere in einem Milchaufschäumer eines Kaffeevollautomaten, der nach dem Dampfstrahlkondensationspumpenprinzip arbeitet, eingesetzt werden. Das Ventil kann dabei in eine Dampfleitung des Milchaufschäumers bzw. des Kaffeevollautomaten integriert werden. Arbeitet der Milchaufschäumer nach dem Dampfstrahlkondensationspumpenprinzip (Venturidüsen-Prinzip und Kondensationspumpen-Prinzip), so ist es vorteilhaft, das Ventil in die Zuleitung der Venturidüse zu integrieren. Der Einsatz des erfindungsgemäßen stromlosen Ventils in einem solchen Milchaufschäumer bzw. Kaffeevollautomaten hat insbesondere den Vorteil, dass im Milchaufschäumer quasi ein Dampfstoß (anstelle einer vergleichsweise langsamen Steigerung des Dampfstromes, wie dies bei einem normalen Federventil realisiert werden würde) erzeugt wird, so dass ein optimales Milchaufschäumen sichergestellt werden kann. Dies ist dabei ohne eine externe Energieversorgung (z. B. über das Stromnetz oder eine Batterie) möglich; die erfindungsgemäßen Ventile arbeiten somit stromlos.
Ein erfindungsgemäßes stromloses Ventil zur Drucksteuerung umfasst eine Führungseinheit, einen in der Führungseinheit beweglich gelagerten Schließkörper und einen Ventilzufluss (im einfachsten Fall ein Rohr samt entsprechender Mündung in die als geeignet geformtes Gehäuse ausgebildete Führungseinheit), über den der Schließkörper mit dem Fluid (z. B. dem im Ventilzufluss aufsteigenden Dampf eines Milchaufschäumers) anströmbar ist. Das stromlose Ventil bzw. dessen einzelne Bauelemente Führungseinheit, Schließkörper und Ventilzufluss sind so ausgebildet, ausgeformt und relativ zueinander positioniert, dass der Ventilzufluss unterhalb eines vorbestimmten Fluiddruckes (der nachfolgend auch als Öffnungsdruck bezeichnet und mit der Bezeichnung p₀ versehen ist) im Ventilzufluss durch den Schließkörper verschlossen ist. Der Ventilzufluss wird dann eröffnet, das heißt es wird ein Durchströmen des Ventils mit dem Fluid ermöglicht, wenn der Druck im Ventilzufluss soweit angestiegen ist, dass er größer oder gleich dem vorgenannten Öffnungsdruck p₀ wird. Das Eröffnen wird dadurch realisiert, dass der Schließkörper, der in der Führungseinheit beweglich gelagert ist, beim Überschreiten des Öffnungsdruckes p₀ fluiddruckbedingt in der Führungseinheit in Richtung weg vom Ventilzufluss bewegt wird.
Wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung ist nun, die Bauelemente des stromlosen Ventils, also die Führungseinheit, den Schließkörper und den Ventilzufluss so auszubilden, auszuformen und relativ zueinander zu positionieren, dass beim Überschreiten des vorgenannten Öffnungsdruckes p₀ (gemessen im Ventilzufluss) ein schlagartiges Vergrößern der Druckangriffsfläche (die nachfolgend mit A bezeichnet ist) am Schließkörper erfolgt.
Schlagartig bedeutet dabei, dass z. B. die Größe der vor dem Öffnen vorhandenen Druckangriffsfläche A_zu innerhalb eines Zeitintervalls von maximal 500 Millisekunden, bevorzugt von maximal 200 Millisekunden auf eine bereits im Moment nach dem anfänglichen Wegbewegen des Schließkörpers bzw. im Moment nach dem ersten Anheben des Schließkörpers vorhandene Druckangriffsfläche A_offen vergrößert wird, die eine Mehrfaches der Druckangriffsfläche A_zu vor dem Öffnen beträgt. A_offen ist somit diejenige Fläche des Druckangriffs am Schließkörper, an der das Fluid im Moment nach dem anfänglichen Wegbewegen des Schließkörpers vom Ventilzufluss am Schließkörper anströmt. A_zu ist somit diejenige Fläche des Druckangriffs, an der das Fluid im verschlossenen Zustand des Ventilzuflusses am Schließkörper anströmt. In einer ersten vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung ist das erfindungsgemäße Ventil (insbesondere durch die geometrische Ausgestaltung sowie die Materialien der Führungseinheit, des Ventilzuflusses und des Schließkörpers) so ausgestaltet, dass der Ventilzufluss nach seinem schlagartigen Öffnen beim Überschreiten des Öffnungsdruckes p₀ im Ventilzufluss noch solange im eröffneten Zustand verbleibt, bis der Fluiddruck p im Ventilzufluss wieder auf einen vorbestimmten Bruchteil des Öffnungsdruckes p₀ abgefallen ist. Vorzugsweise ist die Ausgestaltung des Ventils dergestalt, dass der Druck p im Ventilzufluss wieder auf 90%, bevorzugt auf 70%, besonders bevorzugt auf 50% des Druckes p₀ abgefallen sein muss, bevor das Ventil den eröffneten Zustand verlässt, also wieder schließt.
Alternativ oder in Ergänzung dazu kann die Ausgestaltung auch so erfolgen, dass der Ventilzufluss nach seinem schlagartigen Öffnen beim bzw. nach dem Überschreiten des Öffnungsdruckes p0 im Ventilzufluss für eine vorbestimmte Zeitdauer, bevorzugt für eine Zeitdauer im Bereich zwischen 3 und 45 Sekunden, besonders bevorzugt für eine Zeitdauer im Bereich zwischen 5 und 30 Sekunden (je nachdem wie lange ein Aufschäumen der Milch erreicht werden soll) im eröffneten Zustand verbleibt.
Vorteilhafterweise können zum Realisieren des schlagartigen Vergrößerns der Druckangriffsfläche A beim Überschreiten des Öffnungsdrucks p₀ im Ventilzufluss der Schließkörper und der Ventilzufluss so ausgebildet und positioniert sein, dass das Verhältnis V = A_offen/A_zu aus der Druckangriffsfläche A_offen, an der das Fluid im Moment nach dem anfänglichen Wegbewegen des Schließkörpers vom Ventilzufluss am Schließkörper anströmt, und derjenigen Druckangriffsfläche A_zu, an der das Fluid im verschlossenen Zustand des Ventilzuflusses am Schließkörper anströmt, maximiert ist oder zumindest oberhalb eines vordefinierten Wertes liegt. Dieser vordefinierte Wert für V beträgt vorzugsweise mindestens 6, vorzugsweise mindestens 10, besonders bevorzugt mindestens 15.
Das Einstellen des Öffnungsdruckes p₀ (auf z. B. 1.3 bar) erfolgt über das Anpassen der Schließkräfte (Gewichtskraft des Schließkörpers ggf. samt Federkraft und/oder Magnetkraft, siehe nachfolgend) an die Druckangriffsfläche A_zu im verschlossenen Zustand (Druck = Kraft pro Fläche).
Die geometrische Ausgestaltung der einzelnen Bauelemente, deren Größe und deren Positionierung sowie die (z. B. durch die/den nachfolgend noch beschriebene(n) Feder(n) und/oder Permanentmagneten und/oder das Eigengewicht des Schließkörpers realisierten) Kraft- und Druckverhältnisse sind erfindungsgemäß dabei so, dass das Verhältnis V = A_offen/A_zu möglichst groß ist, also oberhalb des vorbeschriebenen Grenzwertes liegt.
Im einfachsten Fall sind dazu der Schließkörper als Kugel und der Ventilzufluss als einfaches zylindrisches, also im Querschnitt kreisförmiges Rohr ausgebildet, wobei der Ventilzufluss am einen Rohrende im verschlossenen Zustand des Ventils durch Aufliegen des kugelförmigen Schließkörpers verschlossen ist.
Anhand dieses einfachsten Falls lassen sich auch die Grundgedanken der erfindungsgemäßen Lösung wie folgt veranschaulichen: Die Fläche A_zu, die die Kugel im Verschlusszustand des Ventils verschließt, beträgt A_zu = π × (0.5 × d)² = 0.25 × π × d², wobei d der Innendurchmesser des Ventilzuflussrohres ist. Wird die Kugel dann vom Rohrende (auf dem sie im geschlossenen Zustand des Ventils beispielsweise durch ihre eigene Gewichtskraft sowie durch eine zusätzliche Federkraft einer Spannfeder gehalten wird, siehe nachfolgend) aufgrund eines Fluiddruckes im Ventilzuflussrohr von p > p₀ um eine Strecke h angehoben, und hat die Kugel einen Durchmesser von 3 d, so hat das Verhältnis V näherungsweise den Wert V ≈ (3 d)²/d², also V ≈ 9. Mit anderen Worten nähern sich die Verhältnisse umso stärker einem ideal-schlagartigen Vergrößern, je kleiner der Durchmesser d des Ventilzuflusses im Vergleich zum Kugeldurchmesser ist: Bei kleinem d wird ja bereits bei sehr geringer Hubhöhe h eine Durchflussöffnung erzeugt, die für eine Druckangriffsfläche A_offen sorgt, die im Vergleich zur Druckangriffsfläche A_zu bei geschlossenem Ventil vergleichsweise groß ist. (Selbstverständlich kann in der Praxis der Durchmesser des Ventilzuflusses nicht beliebig klein gewählt werden, da ansonsten praktisch kein Fluiddurchsatz pro Zeiteinheit mehr möglich ist. Vorteilhafte Werte für d liegen im Bereich zwischen 3 mm und 5 mm.
Vorteilhafterweise steigt somit der Druck bis zu dem vorbestimmten Öffnungsdruck p₀ (von z. B. 1,3 bar) und das Ventil öffnet schlagartig (also z. B. mit einem Zeitbedarf von kleiner 500 Millisekunden). Danach bleibt das Ventil vorteilhafterweise zunächst geöffnet, auch wenn der Druck wieder unter p₀ abfällt. in diesem Fall erfolgt nicht nur ein schlagartiges Öffnen, um den Milchaufschäumvorgang zu starten, sondern das Ventil bleibt auch eine gewisse Zeit offen, auch wenn der Ventildruck wieder unter p₀ fällt, um einen Aufschäumvorgang über längere Zeit von z. B. zwischen 5 und 10 Sekunden zu ermöglichen (je nachdem wie lange ein Aufschäumen erfolgen soll bzw. wie viel Milch aufgeschäumt werden soll). Derjenige unterhalb des Druckes p₀ liegende Druck, bei dem das Ventil schließt (Schließdruck des Ventils), ist dabei von verschiedenen Faktoren abhängig, unter anderem von dynamischen Druck und von der Fließgeschwindigkeit sowie der Dichte des Fluides. Auch die Heizleistung der Vorrichtung (z. B. Herd) die zum Druckaufbau verwendet wird sowie der Füllstand beeinflussen die Fließgeschwindigkeit und somit auch den Schließdruck.
Vorteilhafterweise kann (in Ergänzung der vorstehend beschriebenen geometrischen Verhältnisse oder auch in Kombination damit) zum schlagartigen Vergrößern der Druckangriffsfläche A am Schließkörper im Moment des Überschreitens des Öffnungsdruckes p₀ auch in oder an der Führungseinheit und/oder dem Ventilzufluss mindestens ein Permanentmagnet vorgesehen sein. Dieser kann so positioniert sein, dass beim Eröffnen des Ventilzuflusses auf den Schließkörper eine letzeren vom Ventilzufluss wegstoßende oder wegziehende Kraft ausgeübt wird. Es ist jedoch auch möglich, die Durchflussöffnung des Ventilzuflusses durch den Permanentmagneten auszubilden, wobei dann im verschlossenen Zustand der geeignet geformte Schließkörper (z. B. in Kugelform) auf dem Permanentmagneten sitzend diese Öffnung verschließt. Wird der Schließkörper dann schlussendlich (nach Erreichen einer durch den Fluiddruck bedingten Kraft, die die Summe aus der Magnetanziehungskraft und der Gewichtskraft des Schließkörpers übersteigt) vom Permanentmagneten angehoben, so verliert sich (physikalisches Abstandsgesetz für die magnetische Kraftwirkung) die Wirkung des Permanentmagneten auf den Schließkörper bereits bei geringer Hubhöhe h sehr stark, so dass der (durch die Notwendigkeit des Überschreitens sowohl der magnetischen Anziehungskraft als auch der Gewichtskraft des Verschlusskörpers notwendigerweise vergleichsweise hohe) Druck p > p₀ im Ventilzufluss für ein sehr schnelles Öffnen des Ventils sorgt.
In den beiden vorbeschriebenen Varianten ist der Schließkörper aus einem ferromagnetischen Material ausgebildet oder enthält zumindest ein solches. Erfindungsgemäß kann der Schließkörper mit einer vorbestimmten Anpresskraft F_A gegen den Ventilzufluss (bzw. die diesen abschließende Öffnung der Querschnittsfläche A_zu) gepresst werden, um ein Verschließen des Ventilzuflusses durch den Schließkörper bei einem unterhalb des Öffnungsdrucks p₀ liegenden Fluiddruck im Ventilzufluss zu ermöglichen. Diese Anpresskraft kann vorzugsweise mittels einer Andruckfeder (z. B. Spiralfeder oder Gasdruckfeder) und/oder mittels der Gewichtskraft der Schließkörpermasse selbst und/oder auch mittels eines elastomeren Körpers erzeugt werden. Die Anpresskraft entspricht somit einer Vorspannung, die durch die vorgenannten Elemente erzeugt werden kann, um den Schließkörper im Verschlusszustand des Ventils gegen den Ventilzufluss zu drücken. Diese Vorspannung muss dann zunächst überwunden werden, um ein (schlagartiges) Öffnen des Ventils zu realisieren.
Um eine genau definierte (und somit schnelle) Öffnungsbewegung, also Bewegung des Schließkörpers weg vom Ventilzufluss im Moment des Überschreitens des Öffnungsdruckes p₀ zu ermöglichen (insbesondere um ein Abkippen des Schließkörpers vor dem vollständigen öffnen des Ventils zu verhindern) sind die Führungseinheit, der Ventilzufluss und der Schließkörper geometrisch und hinsichtlich ihrer Größe so ausgeformt und relativ zueinander so positioniert (insbesondere der Schließkörper in der Führungseinheit), dass zumindest für den initialen Bewegungsabschnitt der Bewegung des Schließkörpers in der Führungseinheit, also für die Anfangsbewegung des Schließkörpers weg von der Öffnung des Ventilzuflusses, eine formschlüssige Führung des Schließkörpers in der Führungseinheit ermöglicht ist. Dies kann beispielsweise durch ein passgenaues oder zumindest annäherungsweise passgenaues Einsetzen des Schließkörpers in eine im Wesentlichen zylinderförmige Führungseinheit realisiert werden.
Dabei (oder auch bei anderen vorbeschriebenen Ausführungsvarianten) kann/können eine oder mehrere Durchführung(en) (beispielsweise in Form eingebrachter Bohrungen) im Inneren des Volumens des Schließkörpers und/oder eine oder mehrere Vertiefung(en), beispielsweise rillenförmige Vertiefung(en), die in die äußere Oberfläche des Schließkörpers eingebracht ist/sind, vorgesehen sein. Die Durchführung(en) und/oder rillenförmige(n) Vertiefung(en) kann/können so ausgeformt und positioniert sein, dass diese lediglich im eröffneten Zustand des Ventilzuflusses, nicht aber im verschlossenen Zustand des Ventilzuflusses, mit dem Fluid durchströmt werden kann/können.
Alternativ dazu oder in Kombination damit ist es auch möglich, eine oder mehrere Durchführung(en) (insbesondere: Bohrung(en)), Vertiefung(en) und/oder Nut(en) in oder an der Führungseinheit so auszuformen und zu positionieren, dass diese lediglich im eröffneten Zustand des Ventilzuflusses (nicht jedoch im verschlossenen Zustand desselben) mit dem Fluid durchströmbar ist/sind und somit ein Ableiten des Fluides beim schlagartigen Öffnen des Ventils ermöglicht/en.
Der Schließkörper kann zumindest abschnittsweise (insbesondere: vollständig) als Kugel, Kegel (oder Kegelstumpf) oder als Zylinder ausgebildet sein.
Die Führungseinheit und/oder der Ventilzufluss kann/können insbesondere als Abschnitt(e) eines Gehäusekörpers (z. B. eines näherungsweise zylinderförmigen Gehäusekörpers, der bis auf den Ventilzufluss und einen an dem diesem gegenüberliegenden Ende des Gehäusekörpers aus dem Ventil abführenden Abfluss fluiddicht verschlossen ist) des Ventils ausgebildet sein.
Beim erfindungsgemäßen Milchaufschäumer handelt es sich vorzugsweise um einen Milchaufschäumer, der nach dem Dampfstrahlkondensationspumpenprinzip arbeitet und/oder um einen Milchaufschäumer, der Bestandteil eines Kaffeevollautomaten ist. Dieser Automat umfasst ein stromloses Ventil zur Drucksteuerung gemäß einer der vorbeschriebenen Ausführungsvarianten, wobei das Ventil in einer Dampfleitung des Milchaufschäumers, bevorzugt in der Dampfzuleitung zur Venturidüse, angeordnet ist.
Der erfindungsgemäße Ablauf beim Verschließen, Öffnen und Widerverschließen des stromlosen Ventils kann wie folgt sein:
Bei einem geringen Fluiddruck wird der Schließkörper durch die Schließkräfte bzw. die Vorspannung entgegen des Fluiddrucks auf den Dichtsitz (Öffnung des Ventilzuflusses) gedrückt. Das Ventil ist druckdicht verschlossen. Steigt der Druck des Fluids und somit die auf den Schließkörper wirkende Kraft an, so wird der Schließkörper vom Dichtsitz abgehoben, das Ventil öffnet sich schlagartig. Reduziert sich der Fluiddruck, so wird das Ventil über die Schließkräfte bzw. die Vorspannung wieder geschlossen.
Der Schließkörper, der vorzugsweise eine Kugel oder auch ein Zylinder, Kegelstumpf usw. sein kann, sitzt auf der Dichtfläche und dichtet das Ventil druckdicht ab. Die Vorspannung wird z. B. durch eine Spiralfeder oder auch durch eine Gasdruckfeder, einen Permanentmagneten oder ein Elastomer oder auch lediglich durch die Gewichtskraft eines sehr massiven, schweren Schließkörpers selbst, der alleine durch sein Gewicht genügend Kraft aufbringt, erzeugt. Die Kraft- bzw. Gewichtsverhältnisse können dabei insbesondere so gewählt werden, dass sich Öffnungsdrücke p₀ im Bereich zwischen 1 und 4 bar, bevorzugt zwischen 1.0 und 1.5 bar, ergeben. Das Fluid wirkt, je nach vorliegendem Fluiddruck, mit einer definierten Kraft auf den Schließkörper. Wird die resultierende Kraft auf den Schließkörper größer als die durch die Vorspannung erzeugte Schließkraft, so löst sich der Schließkörper aufgrund der vorbeschriebenen Ausführungsformen quasi schlagartig von der Dichtfläche. Hierzu ist es entscheidend, die Verhältnisse (Form der einzelnen Bauelemente, Größe der Bauelemente, ggf. Gewicht der einzelnen Bauelemente usw.) so auszubilden, dass bereits bei einem geringen Anhub h des Schließkörpers der Fluiddruck p eine sehr viel größere Druckangriffsfläche A am Schließkörper hat als im verschlossenen Ventilzustand, was dann keinen zusätzlichen Druck erforderlich macht, um das Ventil weiter zu öffnen. Da sich ein Druck proportional zu einer Kraft geteilt durch eine Fläche verhält, führt die erfindungsgemäße schlagartige Flächenvergrößerung zu einem sehr geringen, zusätzlich zum Öffnungsdruck p₀ benötigten Druck, um das Ventil sehr schnell zu Öffnen, so dass das schlagartige öffnen gewährleistet werden kann. Das schlagartige Öffnen kann durch eine schlagartige Vergrößerung der Druckangriffsfläche nach dem ersten überschreiten der Schließkräfte durch den Öffnungsdruck p₀ gewährleistet werden.
Der Schließkörper ist dabei so zu gestalten, dass nach dem Abheben desselben vom Dichtsitz der Fluidstrom durch das Ventil strömen kann. Dies kann beispielsweise durch eine zwar passgenaue, jedoch geeignete Randspalte und/oder Nuten belassende Führungseinheit zur Führung des Schließkörpers gewährleistet sein. Zusätzlich oder alternativ ist es möglich, Bohrungen in den Dichtkörper einzubringen, die relativ zur Führungseinheit so positioniert sind, dass sie (bzw. der Schließkörper) nur im geöffneten Zustand durchströmt werden können. Sind solche Bohrungen vorhanden, so sind keine Randspalte notwendig. Ebenso sind geeignet relativ zur Führungseinheit positionierte Rillen bzw. Vertiefungen an der Oberfläche des Schließkörpers denkbar, die nur im geöffneten Zustand des Ventils durchströmt werden können.
Vorteilhafterweise wird der Schließkörper in einer exakten Führung (formschlüssig oder nahezu formschlüssig) geführt, um ein Abkippen des Schließkörpers vor dem vollständigen Öffnen des Ventils zu verhindern. Ansonsten könnte es ggf. passieren, dass das Ventil nicht schlagartig komplett öffnet, sondern lediglich einen geringen Überdruck (bezogen auf den Öffnungsdruck p₀) ablassen kann, um sich danach sofort wieder zu schließen oder auch langsam und stetig weiter zu öffnen. Diese Führung kann durch einen geeignet geformten Schließkörper, eine geeignet geformte Führungseinheit (insbesondere eine geeignet geformte, in das Ventilgehäuse integrierte Führungseinheit) oder beides realisiert werden. Hilfreich ist es hierbei, wenn der Schließkörper ein strömungsgünstiges Verhalten aufweist (z. B. Kugel oder Kegelform) und innerhalb der Führungseinheit zur Bewegung innerhalb derselben so positioniert ist, dass er strömungsgünstig angeströmt werden kann ohne zu kippen.
Um ein schlagartiges Öffnen gemäß der Erfindung zu erzwingen, ist somit eine exakte Führung des Schließkörpers vorteilhaft, um den i. d. R. notwendigen großen Flächenunterschied zwischen Druckangriffsfläche am Schließkörper im geschlossenen Ventilzustand einerseits und der Druckangriffsfläche am Schließkörper im offenen Ventilzustand andererseits zu erzielen.
Das Schließen des Ventils erfolgt selbstständig bei einem geringeren Druck als p₀: Wenn die Schließkräfte (Vorspannkräfte) die Kraft des Fluidstroms übersteigen, so schließt sich das Ventil dadurch, dass der Schließkörper auf den Dichtsitz zurückkehrt, also den Ventilzufluss wieder druckdicht verschließt.
Ein erfindungsgemäßes Ventil hat insbesondere auch die Vorteile einer kostengünstigen Bauweise und der Öffnungsdruck ist z. B. durch Wahl der Masse und/oder Form des Schließkörpers und/oder der zusätzlichen Vorspannkräfte (z. B. durch Federelemente) einfach festlegbar. Es ist keine externe Energieversorgung notwendig, um das schlagartige Öffnen zu erzielen.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung im Detail anhand einiger Ausführungsbeispiele beschrieben.
Dabei zeigen:
1a bis 1g einen Querschnitt durch eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform eines stromlosen Ventils sowie die Druck- und Zustandsverhältnisse am selbigen.
2a und 2b einen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ventils.
3a und 3b einen Querschnitt durch eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ventils im geschlossenen Zustand (3a) und im offenen Zustand (3b).
4a und 4b einen Querschnitt durch eine vierte Ausführungsform gemäß der Erfindung im geschlossene Zustand (4a) bzw. im offenen Zustand (4b).
1a und 1b zeigen eine Skizze der wesentlichen Bauelemente eines ersten erfindungsgemäßen stromlosen Ventils im verschlossenen Zustand (1a) und im geöffneten Zustand (1b). Das Ventil umfasst einen hier zylindrischen Gehäusekörper 7, an dessen unterer Seite ein rohrförmiger Ventilzufluss 3 einmündet und an dessen oberer Seite ein rohrförmiger Ventilabfluss 8 ausmündet. Der Gehäusekörper 7 ist bis auf die vorbeschriebenen Ein- und Ausmündungen 7, 8 fluiddicht und druckdicht ausgebildet. Der Innendurchmesser des im Inneren des Gehäusekörpers 7 ausgebildeten, wie nachfolgend beschrieben die Feder 5 und den Schließkörper 2 beherbergenden lichten Volumens beträgt hier ca. das 3.3-fache des Innendurchmessers des Ventilzuflusses 3 sowie des Ventilabflusses 8 (letztere Durchmesser betragen hier ca. 3 mm), so dass sich hier etwa eine 11-fache Flächenvergrößerung, also für das Verhältnis V = A_offen/A_zu ungefähr der Wert 11 ergibt.
Der Schließkörper 2 ist hier als Edelstahlkugel mit einem Durchmesser von 10 mm ausgebildet und im verschlossenen Ventilzustand am unteren Ende des vorbeschriebenen lichten Volumens angeordnet. In diesem Zustand sitzt ein untenliegender Abschnitt der äußeren Kugeloberfläche des Schließkörpers 2 zentrisch so am oben liegenden Ende des Ventilzuflusses 3 auf letzterem auf, dass der Schließkörper 2 im in 1a) gezeigten Fall durch seine Masse sowie durch die Kraft der Federvorspannung (siehe nachfolgend) die Öffnung des Ventilzuflusses 3 in das Innere des Ventils bzw. in das lichte Volumen druckdicht verschließt. Im unteren Bereich des lichten Volumens ist der Durchmesser desselben entlang einer Strecke (gesehen entlang der Zylindersymmetrieachse des Ventils) von ca. zwei Dritteln des Kugelradius durch eine verdickte Innenwand des Gehäusekörpers 7 gegenüber dem Durchmesser im oberen Bereich des lichten Volumens verringert, um ein formschlüssiges Aufnehmen des Schließkörpers 2 im unteren Bereich des Innenvolumens im Schließzustand des Ventils zu gewährleisten. Der Innendurchmesser des lichten Volumens beträgt somit im unteren Bereich des lichten Volumens 10 mm (ggf. geringfügig größer, um eine reibungsfreie Kugelbewegung zu ermöglichen), so dass die Kugel 2 in der in 1a) gezeigten Lage (in der sie den Ventilzufluss 3 druckdicht abschließt) passgenau und ohne Randspalt zum verdickten Innenwandabschnitt innerhalb des lichten Volums aufliegt. Der Innendurchmesser des Gehäusekörpers 7 bzw. der Durchmesser des lichten Volumens beträgt im oberen Bereich des lichten Volumens aufgrund der dort fehlenden Wandverdickung 10.5 mm. Ein Anheben der Kugel 2 in den oberen Bereich innerhalb des lichten Volumens ermöglicht somit ein seitliches Vorbeiströmen von Flüssigkeit F (vergleiche 1b)) an der Kugel und somit den geöffneten Ventilzustand. Andererseits erfolgt durch die Anpassung der beiden Durchmesser des lichten Volumens an den Außendurchmesser der Kugel 2 ein formschlüssiges bzw. nahezu formschlüssiges Führen der Kugel 2 im Inneren des Gehäusekörpers 7 (bzw. in der von diesem im Bereich zwischen dem Ventilzufluss 3 und dem Ventilabfluss 8 ausgebildeten Führungseinheit 1 für den Schließkörper 2).
Zum Verstärken der durch die Gewichtskraft F_G2 der Kugel 2 bedingten Anpresskraft, mit der die Kugel 2 zum Verschluss des Ventilzuflusses 3 gegen letzteren gepresst wird, ist im oberen Bereich des lichten Volumens eine Spiralfeder 5 so positioniert, dass diese die Kugel 2 entsprechend ihrer Federkonstanten im in 1a) gezeigten Verschlusszustand des Ventils mit einer zusätzlichen Kraft gegen den Ventilzufluss 3 bzw. die Öffnung desselben zum lichten Innenvolumen (bzw. zur Führungseinheit 1) anpresst.
Nachfolgend wird nun die Betriebsweise des in 1 gezeigten Ventils beschrieben. Strömt von unten aus einem Druckbehälter eines Milchaufschäumers bzw. Kaffeevollautomaten (nicht gezeigt) Wasserdampf F als Fluid im Ventilzufluss 3 nach oben, so drückt dieser zunächst mit einem Druck p, der kleiner ist als der Öffnungsdruck p₀ des Ventils, von unten gegen den Schließkörper 2, ohne diesen jedoch entlang der Zylindersymmetrieachse anheben h zu können. A_zu bezeichnet dabei die im verschlossenen Zustand des Ventilzuflusses 3 innerhalb des Ventilzuflusses 3 vom Fluid F an der Kugel 2 angeströmte Fläche der Kugel 2, die hier, da der Kugeldurchmesser deutlich größer als der Innendurchmesser des Ventilzuflussrohres 3 ist, näherungsweise A_zu = π × (0.15 cm)² beträgt.
Bei weiterer Dampfproduktion im nicht gezeigten Druckbehälter steigt der Druck p innerhalb des Ventilzuflusses 3 an, bis der Öffnungsdruck p₀ des Ventils erreicht wird. Der Öffnungsdruck p₀ von hier 1.0 bis 1.5 bar wird dabei durch geeignete Wahl des Gewichts der Feder und der Kugel 2 (bzw. der Dichte derselben) und der Federvorspannung der Feder 5 wie gewünscht eingestellt.
Überschreitet der Druck des Fluids F im Kanal 3 den Öffnungsdruck p₀ (siehe 1b), bei der für diesen Druck p' gilt, dass p' > p₀ ist), so wird der Schließkörper 2 entgegen seiner Gewichtskraft und entgegen der Federkraft schlagartig entlang der Längsachse des Ventils angehoben h (Pfeil). Es erfolgt somit wie vorbeschrieben aufgrund der geometrischen Verhältnisse (insbesondere des Verhältnisses von A_offen ≈ π·(0.5 cm)² zu A_zu, das hier etwa V = 11 beträgt) der Bauelemente 1 bis 3 und 7 ein schlagartiges Öffnen des Ventils, nach dem der Wasserdampf F (wenn die Kugel 2 eine ausreichende Hubhöhe h aufweist) seitlich der Kugel 2 vorbeiströmen und über den Abfluss 8 das Ventil verlassen kann. (Im weiteren Abflussbereich 8 ist eine hier nicht gezeigte Dampfstrahlkondensationspumpe ausgebildet, über die mittels des aufsteigenden Dampfes F Milch angesaugt und aufgeschäumt werden kann.)
Sinkt der Druck p wieder auf einen Wert p < 0.5·p₀ (vgl. auch 1e), so bewirkt die Summe der Gewichtskraft der Kugel 2 und der Federkraft ein Schließen des Ventils.
1c (Verschlossener Zustand zu Beginn der Dampferzeugung, also wenn p < p₀ gilt) und 1d (offener Zustand nachdem der Druck p' im Ventilzufluss 3 den Öffnungsdruck p₀ gerade überschritten hat und das Ventil schlagartig eröffnet worden ist) zeigen Querschnitte durch ein konkretes Konstruktionsbeispiel für die in den 1a und 1b schematische skizzierte Ausführungsform gemäß des ersten Ausführungsbeispiels.
1e (die einen Schnitt durch das Ventil zeigt) und 1f (die einen Schnitt durch den unteren Teil des die Führungseinheit 1 ausbildenden Gehäusekörpers 7 zeigt) zeigen ebenfalls diese Ausführungsform der Erfindung. Wie 1e und 1f erkennen lassen, sind mehrere Nuten 9 in den unteren Teil des Gehäusekörpers 7 so eingebracht, dass der Abfluss des Fluides auch durch die eingebrachten Nuten 9 ermöglicht ist. Die Nuten 9 sind jedoch nicht notwendig, können also auch weggelassen werden.
Somit kann/können ergänzend (oder auch alternativ) zur Vergrößerung des Durchmessers im unteren Teil des Gehäusekörpers 7 auch eine oder mehrere Nute(n) 9 integriert werden, um ein Durchströmen des Fluides nach dem erstmaligen öffnen zu ermöglichen.
1g zeigt, dass der Druck bis zu dem eingestellten Öffnungsdruck p₀ (hier: 1.3 bar) zunächst ansteigt und dass das Ventil dann schlagartig aus dem geschlossenen Zustand „0” in den geöffneten Zustand „1” übergeht. Danach bleibt das Ventil zunächst geöffnet, auch wenn der Druck wieder unter den Öffnungsdruck p₀ abfällt. Hier bleibt das Ventil solange geöffnet, bis der Druck p₀ im Ventilzufluss 3 auf etwa 0.4 bar (also auf einen Wert kleiner 50% von p₀) abgefallen ist. Erst dann schließt das Ventil. Damit ist nicht nur ein schlagartiges Öffnen zum Milchaufschäumen ermöglicht, sondern auch eine längere Zeitdauer für das Milchaufschäumen Von z. B. von 5 bis 10 Sekunden oder auch länger.
Das schlagartige Vergrößern der Druckangriffsfläche A wird somit durch die spezielle Innenkontur des erfindungsgemäßen Ventils ermöglicht. Im Vergleich dazu haben „normale” Rückschlagventile, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, einen konischen Dichtsitz: bei diesen Ventilen aus dem Stand der Technik ist die Druckangriffsfläche A im geschlossenen Zustand einerseits und im offenen Zustand andererseits somit nahezu gleich, so dass hier gerade keine schlagartige Vergrößerung der Druckangriffsfläche erreichbar ist.
Beim erfindungsgemäßen Ventil ist die Hubhöhe nicht entscheidend, es ist lediglich darauf zu achten, dass die nach dem Öffnen durchströmte Fläche auch an ihrer kleinesten bzw. engsten Steile ausreichend groß ist, um den Druck abzubauen. Dabei sollte die kleinste bzw. engste Stelle eine Fläche aufweisen, die größer gleich der durchströmten Fläche des Ventilzuflusses (der hier einen Innendurchmesser von 3 mm aufweist) ist.
2a), die den verschlossenen Ventilzustand zeigt, und 2b), die den geöffneten Ventilzustand zeigt, zeigen eine zweite Bauform der Erfindung, die grundsätzlich wie die in 1 gezeigte Bauform ausgebildet ist, so dass nachfolgend lediglich die Unterschiede beschrieben werden.
Anstelle eines kugelförmigen Schließkörpers 2 ist in der Variante der 2 ein hinsichtlich seines Außendurchmessers exakt an den Innendurchmesser des lichten Volumens angepasster, zylindrischer Schließkörper 2 vorgesehen (der Innendurchmesser des lichten Volumens im Inneren des Gehäusekörpers 7 ist entlang der gesamten Hubstrecke h des Schließkörpers 2 bzw. entlang der Zylindersymmetrieachse der Anordnung gesehen über das gesamte lichte Volumen konstant, die im unteren Bereich des lichten Volumens von 1 ausgebildete Wandverdickung entfällt somit).
Konzentrisch um die Zylindersymmetrieachse der Anordnung und beabstandet von dieser Achse sind im zylinderförmigen Schließkörper 2 mehrere Bohrungen 6 ausgebildet (von denen hier lediglich zwei im Querschnitt gezeigt sind), die den Schließkörper 2 von dessen Unterseite zu dessen Oberseite vollständig durchbrechen. Die Bohrungen 6 sind dabei so positioniert und hinsichtlich Ihres Bohrdurchmessers ausgebildet, dass im verschlossenen Ventilzustand der 2a) die Öffnung des Ventilzuflusses 3 in das lichte Volumen durch einen oberhalb dieser Öffnung aufliegenden Bodenabschnitt des Schließkörpers 2 vollständig verschlossen ist. Dabei wird der zylindrische Schließkörper 2 mit seiner Gewichtskraft und der Vorspannkraft der Feder 5 gegen den Ventilzufluss 3 bzw. die Öffnung desselben gepresst und in diesem verschlossenen Ventilzustand kommunizieren die Bohrungen 6 und der Ventilzufluss 3 nicht. Andererseits ist nach der schlagartigen Öffnung des Ventils (also wenn der Druck p im Ventilzufluss 3 größer als der Öffnungsdruck p₀ des Ventils ist) durch die mehreren Bohrungen 6 ein ausreichender Strömungsquerschnitt ermöglicht, um dem druckbedingt aufsteigenden Fluid F ein Durchfließen durch das Innere des Schließkörpers 2 bzw. das Ventil und ein Abfließen über den Ventilabfluss 8 zu ermöglichen.
Wenn in den Ausführungsbeispielen der 1 und 2 der Druck p bzw. p' wieder unter den Öffnungsdruck p₀ abfällt (bevorzugt auf 0.5·p₀), überwiegt erneut die Vorspannkraft durch die Gewichtskraft des Schließkörpers 2 und durch die Feder 5, so dass sich dass Ventil automatisch, also ohne externe Energiezufuhr, schließt.
Die 3 und 4 zeigen zwei weitere Ausführungsformen der Erfindung, bei dem das schlagartige Öffnen des stromlosen Ventils durch das Vorsehen eines zusätzlichen Permanentmagneten 4 unterstützt wird. Der grundsätzliche Aufbau dieser beiden Ausführungsbeispiele folgt dabei dem bereits in den 1 und 2 beschriebenen (gleiche bzw. sich entsprechende Bauteile tragen daher identische Bezugszeichen), so dass nachfolgend erneut lediglich die Unterschiede beschrieben werden.
So ist in 3 der Gehäusekörper 7 hier in Form in eines zylindrischen Rohres ausgebildet (hier vertikal eingezeichnet), aus dessen Innenvolumen der Ventilabfluss 8 seitlich etwa auf halber Höhe horizontal abführt. Im unteren Abschnitt des vertikalen Zylinders des Ventils (also unterhalb der Abmündung des Abflusses 8) ist in horizontaler Lage im Inneren des Gehäusekörpers 7 eine Ringscheibe mit einer zentrischen, kreisförmigen Öffnung ausgebildet. Die Ringscheibe ist an den Innenwänden des Gehäusekörpers 7 fixiert. Ein kugelförmiger Schließkörper 2 aus Edelstahl, dessen Radius etwa das Doppelte des Radiuses der kreisförmigen Öffnung der vorbeschriebenen Ringscheibe beträgt, liegt zentrisch auf der Ringscheibe und verschließt aufgrund des vorbeschriebenen Radiusverhältnisses die Öffnung in der Ringscheibe druckdicht.
Auf ihrer der Ringscheibe gegenüberliegenden Seite ist die Schließkörperkugel 2 an einer symmetrisch um die Zylindersymmetrieachse des vertikalen Hohlzylinders 7 angeordnete, also zentrisch entlang der Zylindersymmetrieachse verlaufende Pleuelstange fixiert. Diese Pleuelstange ist mit einer im oben liegenden Bereich des vertikalen Zylinders 7 angeordneten Spiralfeder 5 verbunden, die über ein Widerlager am oberen Ende des Vertikalzylinders 7 an letzterem fixiert ist. Über die Pleuelstange wird somit die Vorspannkraft der Feder 5 an den kugelförmigen Schließkörper 2 übertragen.
Schließlich ist an der Innenwand des vertikalen Zylinders 7, zwischen der Spiralfeder 5 einerseits und der Ringscheibe sowie der Schließkugel 2 andererseits und zentrisch um die Pleuelstange ein mit einer zentralen Durchführung zum Hindurchführen der Pleuelstange versehener, scheibenförmiger Permanentmagnet 4 fixiert. Der Ventilabfluss 8 mündet dabei unterhalb des Permanentmagneten 4, also zwischen der Ringscheibe bzw. der Schließkugel 2 (im verschlossenen Ventilzustand gesehen) einerseits und dem Permanentmagneten 4 andererseits aus dem vertikalen Hohlzylinder 7 ab. Die Feder 5 und die an dieser befestigte Pleuelstange bilden hier die Führungseinheit 1. Die Ringscheibe und der darunter liegende Bereich des Zylinders 7 den Ventilzufluss.
Der Schließkörper 2 ist hier nicht aus Edelstahl, sondern aus einem ferromagnetischen Material (Eisen) mit Edelstahlüberzug (Rostschutz) ausgebildet.
Nachfolgend wird die Funktionsweise des Ventils aus 3 anhand der beiden 3a und 3b beschrieben. 3a zeigt dabei den geschlossenen Ventilzustand, 3b den offenen.
Im geschlossenen Ventilzustand (3a) wird der Schließkörper 2 mit seiner eigenen Gewichtskraft F_G2 und zusätzlich mit der Vorspannkraft der Feder F_Feder zum abdichtenden Verschließen des Ventilzuflusses 3 (unterhalb der vorbeschriebenen Ringscheibe, auf der die Kugel 2 aufsitzt) auf die Ringscheibe gepresst.
Dieser Vorspannkraft des Ventils wirken die Anziehungskraft des Permanentmagneten 4, hier mit F_Magnet bezeichnet, sowie die Kraft F_Fluid des von unten im Bereich der Öffnung der Ringscheibe des Ventilzuflusses 3 gegen die Kugel 2 anströmenden Fluids F entgegen. Im geschlossenen Ventilzustand ist somit die Summe aus F_Feder und F_G2, also die Vorspannkraft des Ventils, größer als die Summe aus F_Magnet und F_Fluid (die Anpresskraft bzw. Vorspannkraft des Ventils ist hier auch mit F_a bezeichnet). Es gilt somit p < p₀, wobei p der Druck im Ventilzufluss 3 ist und p₀ der durch die Gewichtskraft der Eisenkugel 2, durch die Anziehungskraft des Magneten 4 (in der gezeigten Lage der Eisenkugel 2 relativ zum Magneten 4, also wenn die Kugel 2 auf der Ringscheibe aufliegt) sowie durch die Federkonstante der Feder 5 bedingte Öffnungsdruck ist.
Überschreitet (3b) die Kraftsumme aus der anziehenden Kraft des Magneten sowie der durch das Fluid auf die Kugel ausgeübten Kraft F_Fluid die Anpresskraft F_a (gilt also p > p₀ für den Fluiddruck p im Ventilzufluss 3), so erfolgt ein schlagartiges Öffnen des Ventils h der Eisenkugel nach oben, bis die Eisenkugel an den Permanentmagneten 4 stößt (dessen zentrale Durchführung einen kleineren Durchmesser als die Eisenkugel aufweist, um den Hubweg h der Eisenkugel 2 zu begrenzen). Dampf F strömt demnach durch die zentrische Öffnung in der Ringscheibe des Ventilzuflusses 3 nach oben und seitlich durch den Ventilabfluss 8 aus dem Ventil (wobei der Gehäusekörper 7 im oberen Bereich, also auf Höhe des Permanentmagneten 4 und darüber durch das Anpressen der Eisenkugel 2 an die zentrische Öffnung im Permanentmagneten 4 fluiddicht abgeschlossen ist).
Das schlagartige Öffnen des Ventils erklärt sich hierbei wie folgt: Zunächst sitzt der ferromagnetische Körper 2 auf einer Dichtfläche (Ringscheibe) auf und dichtet damit das Ventil druckdicht ab. Der Körper 2 wird durch die Feder 5 (über eine starre Verbindung – Pleuelstange – mit dem Körper 2 verbunden) auf die Dichtfläche gedrückt. Durch eine Öffnung in der Dichtfläche bzw. Ringscheibe drückt das Medium F auf den Dichtkörper 2 bzw. die Kugel. Steigt der Druck des Mediums F an, so erhöht sich die Kraft entgegen der Feder 5. Wird die resultierende Kraft größer als die Anpresskraft F_a aus der Federkraft und der Gewichtskraft des ferromagnetischen Körpers 2, so löst sich dieser Körper von der Dichtfläche. Durch den Abhub des ferromagnetischen Körpers 2 von der Dichtfläche wird dieser näher zum Permanentmagneten 4 hingezogen. Der Körper 2 taucht somit mit zunehmender Hubhöhe h tiefer in das Magnetfeld des Permanentmagneten 4 ein und wird von diesem angezogen. Durch das sich (mit fallendem Abstand von Schließkörper 2 und Permanentmagnet 4 entlang der Hubachse) mit der dritten Potenz erhöhende Magnetfeld nimmt die Anziehungskraft des Permanentmagneten 4 auf den Körper 2 sehr stark zu. Bei einem definiert großen Abhub des Körpers wird diese Anziehungskraft auf sehr kurzer Strecke Δh so groß, dass die Federkraft überwunden wird und der Körper an den Magneten 4 angezogen wird. Der Abstand zwischen dem Magneten 4 und der ferromagnetischen Kugel 2 sowie die magnetischen Eigenschaften derselben sind dabei so zu wählen, dass bereits ein geringer, durch den Druck des Fluides F hervorgerufener Abhub des Körpers ausreicht, um das Anziehen des Körpers 2 an den Permanentmagneten 4 hervorzurufen.
Das Schließen des gezeigten Ventils kann dabei mechanisch handbetrieben (also ohne externe Energiequelle) erfolgen. Beispielsweise kann hierzu ein Stößel (nicht gezeigt) oder ein zweiter, nicht ortsfest angeordneter Magnet (nicht gezeigt) zum Zurücksetzen des Verschlusskörpers 2 verwendet werden.
Das in den 3a und 3b gezeigte erfindungsgemäße Ventil ist im oberen Abschnitt des Gehäusekörpers (nicht gezeigt) geschlossen, damit der in 3b gezeigte Fluidweg für das Fluid F (seitliche Ableitung) ermöglicht ist (ansonsten würde das Fluid nach oben statt seitlich entweichen). Auch hat die Pleuelstange eine exakte Führung (damit die Kugel nicht abkippt), die hier nicht gezeigt ist.
4a (geschlossener Ventilzustand) und 4b (geöffneter Ventilzustand) zeigen eine weitere Variante der Erfindung, die grundsätzlich wie die in 3 gezeigte aufgebaut ist, so dass nachfolgend wieder nur die Unterschiede beschrieben werden. Die Führung der Kugel (die verhindert, dass die Kugel zur Seite hin abkippt, statt nach oben abzuheben) ist in den 4a, 4b nicht gezeigt.
Dabei entfällt zunächst der seitlich abführende Kanal 8, der Gehäusekörper 7 ist hier in Form eines einfachen zylindrischen Rohres ausgebildet, dessen unteres Ende den Ventilzufluss 3 und dessen oberes Ende den Ventilabfluss 8 ausbildet. Ein Permanentmagnet 4 in der in 3 beschriebenen Form ist im unteren Drittel im Inneren des Gehäusekörpers 7 fixiert. Auch hier beträgt der Durchmesser des ferromagnetische Körpers 2 etwa das Doppelte des Innendurchmessers der zentrischen Durchführung des Permanentmagneten 4, so dass diese Kugel 2 im verschlossenen Ventilzustand auf der zentrischen Öffnung des Permanentmagneten aufsitzt und durch die Anziehungskraft des Permanentmagneten F_Magnet sowie die Gewichtskraft F_G2, also die durch die Summe dieser Kräfte gegebene Anpresskraft F_a, fluiddicht verschlossen wird. Die im verschlossenen Zustand des Ventils angeströmte Fläche A_zu am Schließkörper 2 ergibt sich somit durch den in der zentrischen Öffnung des Permanentmagneten 4 liegenden Oberflächenabschnitt der Kugel 2.
Am unteren Ende des oberen Drittels, also beabstandet von der Kugel 2 in der vorbeschriebenen Verschlusslage des Ventils, ist im Inneren des Gehäusekörpers 7 ein horizontales Gitter 1a ausgebildet, dessen Gitteröffnungen einen Öffnungsdurchmesser aufweisen, der deutlich kleiner ist, als der Durchmesser der Kugel 2 (jedoch insgesamt mindestens den Durchflussquerschnitt der zentrischen Öffnung des Permanentmagneten 4 erreichen). Die Kugel 2 ist somit vertikal beweglich zwischen den Elementen 1a und 4 im Inneren des Gehäuses 7 eingesperrt.
Erhöht sich der Dampfdruck des Wasserdampfes F im Ventilzufluss 3 durch zunehmende Dampfproduktion in einem hier nicht gezeigten, mit dem Ventilzufluss 3 verbundenen Druckgefäß, so steigt der Druck p im Ventilzufluss 3 so lange an, bis er den Öffnungsdruck p₀ des Ventils überschreitet (4b). Dieses überschreiten erfolgt dabei in dem Moment, wenn die durch den Fluiddruck nach oben bewirkte Kraft F_Fluid die nach unten wirkende Anpresskraft F_a überschreitet. Löst sich somit die Kugel 2 vom Permanentmagneten 4, so nimmt die Haltekraft des Magneten über eine sehr kurze Hubhöhe h aufgrund des sich mit der dritten Potenz verringernden Magnetfeldes sehr stark ab. Auch hier kann damit ein nahezu schlagartiges Öffnen des Ventils erreicht werden. Die Hubhöhe h des Körpers 2 in der durch die zwischen den Elementen 1a und 4 liegenden Abschnitte des Gehäusekörpers 7 ausgebildeten Führungseinheit 1 ist hier durch die Unterseite des Gitters 1a begrenzt.
Schließlich ist es in einer alternative Ausführungsform der 4a und 4b (nicht gezeigt) auch möglich, die Kugel 2 als Permanentmagnet auszubilden und den in den 4a und 4b als Permanentmagnet ausgebildeten Ring 4 als ferromagnetischen Ring auszubilden.

Claims

Stromloses Ventil zur Drucksteuerung mit einer Führungseinheit (1), einem in der Führungseinheit (1) beweglich gelagerten Schließkörper (2), und einem Ventilzufluss (3), über den der Schließkörper (2) mit einem Fluid (F) anströmbar ist, wobei der Ventilzufluss (3) im verschlossenen Zustand des Ventils durch den Schließkörper (2) verschlossen ist und wobei der Ventilzufluss (3) durch fluiddruckbedingtes Bewegen des Schließkörpers (2) in der Führungseinheit (1) weg vom Ventilzufluss (3) eröffnet werden kann, so dass ein Durchströmen des Ventils mit dem Fluid (F) ermöglicht ist, dadurch gekennzeichnet, dass beim Überschreiten eines vorbestimmten Fluiddruckes im Ventilzufluss (3), der nachfolgend als Öffnungsdruck p₀ bezeichnet ist, ein schlagartiges Vergrößern der Druckangriffsfläche A am Schließkörper (2) erfolgt.
Ventil nach dem vorhergehenden Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilzufluss (3) nach seinem schlagartigen Öffnen beim Überschreiten des Öffnungsdruckes p₀ im Ventilzufluss (3) solange im eröffneten Zustand verbleibt, bis der Fluiddruck p im Ventilzufluss (3) wieder auf einen vorbestimmten Bruchteil des Öffnungsdruckes P₀, bevorzugt auf 90% von p₀, bevorzugt auf 70% von p₀, bevorzugt auf 50% von p₀, abgefallen ist, und/oder dass der Ventilzufluss (3) nach seinem schlagartigen Öffnen beim Überschreiten des Öffnungsdruckes p₀ im Ventilzufluss (3) für eine vorbestimmte Zeitdauer, bevorzugt für eine Zeitdauer im Bereich zwischen 3 s und 45 s, besonders bevorzugt für eine Zeitdauer im Bereich zwischen 5 s und 30 s, im eröffneten Zustand verbleibt.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass zum schlagartigen Vergrößern der Druckangriffsfläche A beim Überschreiten des Öffnungsdrucks p₀ im Ventilzufluss (3) der Schließkörper (2) und der Ventilzufluss (3) so ausgebildet und positioniert sind, dass das Verhältnis V = A_offen/A_zu aus derjenigen nachfolgend auch als Druckangriffsfläche A_offen bezeichneten Fläche, an der das Fluid (F) im Moment nach dem anfänglichen Wegbewegen des Schließkörpers (2) vom Ventilzufluss (3) am Schließkörper (2) anströmt, und derjenigen nachfolgend auch als Druckangriffsfläche A_zu bezeichneten Fläche, an der das Fluid (F) im verschlossenen Zustand des Ventilzuflusses (3) am Schließkörper (2) anströmt, maximiert ist und/oder oberhalb eines vorbestimmten Wertes, bevorzugt oberhalb von 6, bevorzugt oberhalb von 10, bevorzugt oberhalb von 15 liegt.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass zum schlagartigen Vergrößern der Druckangriffsfläche A beim Überschreiten des Öffnungsdrucks p₀ im Ventilzufluss (3) in oder an der Führungseinheit (1) und/oder dem Ventilzufluss (3) ein Permanentmagnet (4) vorgesehen ist, wobei bevorzugt durch diesen Permanentmagneten (4) beim Eröffnen des Ventilzuflusses (3) eine den Schließkörper (2) vom Ventilzufluss (3) wegziehende Kraft auf den Schließkörper (2) ausübbar ist und/oder wobei bevorzugt der Schließkörper (2) aus einem ferromagnetischen Material ausgebildet ist oder ein solches enthält.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Schließkörper (2) mit einer vorbestimmten Anpresskraft F_a gegen den Ventilzufluss (3) pressbar ist oder gepresst ist, zum Verschließen des Ventilzuflusses (3) durch den Schließkörper (2) solange der Fluiddruck im Ventilzufluss (3) den Öffnungsdruck p₀ noch nicht überschritten hat.
Ventil nach dem vorhergehenden Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass die Anpresskraft F_a zumindest teilweise vermittels einer Andruckfeder (5), insbesondere einer Spiralfeder oder einer Gasdruckfeder, vermittels der Gewichtskraft der Schließkörpermasse und/oder vermittels eines elastomeren Körpers erzeugbar ist oder erzeugt ist.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass zumindest für einen Bewegungsabschnitt der Bewegung des Schließkörpers (2) in der Führungseinheit (1) eine formschlüssige Führung des Schließkörpers (2) in der Führungseinheit (1) ermöglicht ist.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bevorzugt nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Durchführung(en) (6), insbesondere Bohrung(en), im Inneren des Schließkörpers (2) und/oder eine oder mehrere Vertiefung(en), insbesondere rillenförmige Vertiefung(en), in der äußeren Oberfläche des Schließkörpers (2) so ausgeformt und positioniert ist/sind, dass diese lediglich im eröffneten Zustand des Ventilzuflusses (3), nicht jedoch im verschlossenen Zustand des Ventilzuflusses (3), mit dem Fluid (F) durchströmbar ist/sind und/oder dass eine oder mehrere Durchführung(en), insbesondere Bohrung(en), Vertiefung(en) und/oder Nut(en) (9) in der Führungseinheit (1) so ausgeformt und positioniert sind, dass diese lediglich im eröffneten Zustand des Ventilzuflusses (3), nicht jedoch im verschlossenen Zustand des Ventilzuflusses (3), mit dem Fluid (F) durchströmbar ist/sind.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Schließkörper (2) zumindest abschnittsweise kugelförmig, kegelförmig oder zylinderförmig ausgebildet ist.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Führungseinheit (1) und/oder der Ventilzufluss (3) als Abschnitt(e) eines Gehäusekörpers (7) des Ventils ausgebildet ist/sind.
Milchaufschäumer, insbesondere Milchaufschäumer nach dem Dampfstrahkondensationspumpen-Prinzip und/oder Milchaufschäumer eines Kaffeevollautomaten, umfassend ein stromloses Ventil zur Drucksteuerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ventil in einer Dampfleitung des Milchaufschäumers, bevorzugt in der Dampfzuleitung zur Venturidüse eines Milchaufschäumers nach dem Venturidüsenprinzip, angeordnet ist.