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Die Erfindung betrifft ein Regelventil zur Einstellung eines Drucks und/oder eines Durchflusses eines fluidischen Druckmediums an einem Arbeitsausgang eines Ventilgehäuses des Regelventils, wobei das Ventilgehäuse einen Arbeitseingang aufweist, über den das Druckmedium in das Ventilgehäuse einströmen kann und der über einen Arbeitskanal mit dem Arbeitsausgang kommuniziert, wobei zwischen einem mit dem Arbeitseingang strömungsverbundenen Primärkanalabschnitt des Arbeitskanals und einem mit dem Arbeitsausgang strömungsverbundenen Sekundärkanalabschnitt des Arbeitskanals ein Ventilsitz für ein Ventilglied angeordnet ist, wobei das Ventilglied durch ein bewegliches Wandelement einer in dem Ventilgehäuse angeordneten Vorsteuerkammer in Abhängigkeit von einem Druck eines Vorsteuerfluids in der Vorsteuerkammer betätigbar ist, wobei die Vorsteuerkammer einen Vorsteuereingang zum Befüllen der Vorsteuerkammer mit dem Vorsteuerfluid und einen Vorsteuerausgang zum Ablassen des Vorsteuerfluids aus der Vorsteuerkammer aufweist, und wobei der Vorsteuereingang mit dem Arbeitseingang strömungsverbunden ist.
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Ein derartiges Regelventil ist beispielsweise in
DE 10 2009 015 999 A1 beschrieben. Das bekannte Regelventil ist ein pneumatisches Regelventil, bei dem das Wandelement durch eine Membran gebildet ist. Durch Veränderung des Druckes des Vorsteuerfluids in der Vorsteuerkammer kann das Ventilglied gegen die Kraft einer Federanordnung in eine Durchlassstellung verstellt werden, in der das Druckmedium vom Arbeitseingang in Richtung des Arbeitsausgangs strömen kann. Der Druck in der Vorsteuerkammer ist durch ein Einlassventil, das mit dem Arbeitseingang des Regelventils strömungsverbunden ist, und ein Auslassventil zum Auslassen des Vorsteuerfluids aus der Vorsteuerkammer zur Umgebung hin einstellbar. Die Einstellgenauigkeit ist beispielsweise durch das Druckgefälle zwischen dem Arbeitseingang und der Umgebung, durch die Qualität des Einlassventils und des Auslassventils und dergleichen begrenzt. Wenn die Anforderungen an die Genauigkeit des Ausgangsdrucks oder des Durchflusses des Druckmediums am Arbeitsausgang des Regelventils hoch sind, reicht das bekannte Regelventil nicht aus.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Regelventil bereitzustellen.
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Zur Lösung der Aufgabe ist bei einem Regelventil der eingangs genannten Art vorgesehen, dass es eine Rückkopplungsleitung zwischen dem Vorsteuerausgang und dem mit dem Arbeitsausgang verbundenen Sekundärkanalabschnitt des Arbeitskanals oder dem Arbeitsausgang aufweist.
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Vorteilhaft steht der am Arbeitsausgang bereitstehende Druck des Druckmediums zur Einstellung des Drucks am Vorsteuerausgang bereit.
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Es ist ein Grundgedanke der Erfindung, dass das Regelventil auch auf Seiten des Vorsteuerausgangs ein definiertes Druckniveau vorfindet. Das Druckgefälle zwischen dem Vorsteuereingang und dem Vorsteuerausgang ist optimal zur Einstellung des Drucks in der Vorsteuerkammer geeignet. Die Druckdifferenz zwischen Vorsteuereingang und Vorsteuerausgang ist im Wesentlichen konstant, vorzugsweise über den gesamten Arbeitsbereich des Regelventils.
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Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass an dem Vorsteuereingang ein Einlassventil zum Einlassen des Vorsteuerfluids vorhanden ist. Am Vorsteuerausgang ist zweckmäßigerweise ein Auslassventil zum Auslassen des Vorsteuerfluids angeordnet. Das Einlassventil und/oder das Auslassventil sind zweckmäßigerweise Stell- oder Schließventile, d. h. es ist vorteilhaft, wenn das Einlassventil und/oder das Auslassventil in Abhängigkeit von einem jeweiligen Druck des Vorsteuerfluids im Sekundärkanalabschnitt des Arbeitskanals und/oder in der Vorsteuerkammer einstellbar sind. Es ist aber auch denkbar, dass beispielsweise das Einlassventil und/oder das Auslassventil eine Drossel umfassen oder durch eine Drossel gebildet sind.
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Vorteilhaft bildet das Einlassventil und/oder das Auslassventil einen integralen Bestandteil des Regelventils.
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Eine bevorzugte Variante der Erfindung sieht vor, dass die Rückkopplungsleitung mit einem Auslassventil, beispielsweise einer Drossel, einen Ventil oder dergleichen, strömungsverbunden ist, über welches das Druckmedium in die Umgebung des Regelventils ausströmen kann. Somit ist also auch der Druck am Vorsteuerausgang einstellbar. Beispielsweise handelt es sich bei dem Auslassventil um eine Leckluftbohrung, so dass ein konstantes Regelverhalten möglich ist.
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Das Auslassventil, beispielsweise die Drossel, ist vorzugsweise einstellbar. Der Durchfluss des Druckmediums aus der Rückkopplungsleitung oder einem mit der Rückkopplungsleitung strömungsverbunden Volumen kann auf diesem Wege eingestellt werden.
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Durch das kontrollierte Abfließen des Druckmediums aus der Rückkopplungsleitung oder beispielsweise auch dem Sekundärkanalabschnitt ist ein stabiles Regelungsverhalten einstellbar. Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass das Ventilglied vom Ventilsitz dauerhaft zumindest in einem geringen Umfang abgehoben ist, so dass Druckmedium vom Primärkanalabschnitt in den Sekundärkanalabschnitt strömen kann. Der Regler oder das Regelventil hat auf diesem Wege z. B. einen günstigen Arbeitsbereich.
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Die Rückkopplungsleitung verläuft vorteilhaft innerhalb des Ventilgehäuses.
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Mithilfe eines Drucksensors, der vorteilhaft direkt mit dem Arbeitskanal des Regelventils kommuniziert, wird das Auslassventil und/oder das Einlassventil durch eine geeignete Steuerung angesteuert.
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Bei dem durch das Regelventil regelbaren oder einstellbaren Druckmedium handelt es sich zweckmäßigerweise um Druckluft. Mithin ist also das erfindungsgemäße Regelventil zweckmäßigerweise ein pneumatisches Regelventil. Auch das Vorsteuerfluid ist zweckmäßigerweise Druckluft. Selbstverständlich könnte das Druckmedium und das Vorsteuerfluid oder beides auch durch ein sonstiges Gas gebildet sein oder ein sonstiges Gas enthalten. Aber auch Flüssigkeiten, beispielsweise medizinische Flüssigkeiten oder pharmazeutische Flüssigkeiten, könnten das Druckmedium und/oder das Vorsteuerfluid bilden.
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Vorteilhaft ist bei dem Regelventil vorgesehen, dass es ein thermisches Stellmittel zur Einstellung einer Temperatur des Vorsteuerfluids aufweist, so dass in Abhängigkeit von der Temperatur des Vorsteuerfluids die Stellung des Wandelements und somit die Stellung des Ventilglieds zum Einstellen des Durchflusses und/oder des Drucks des Druckmediums am Arbeitsausgang einstellbar ist.
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Es ist dabei ein Grundgedanke, dass das in der Vorsteuerkammer eingekammerte Vorsteuerfluid definiert temperiert wird, d. h. also erwärmt oder abgekühlt wird oder je nach Bedarf beides, so dass die Stellung des Wandelements, das die Vorsteuerkammer begrenzt, sehr fein einstellbar ist und somit auch die Stellung des Ventilglieds, mit dem Druck und Durchfluss oder beides des Druckmediums, dass man auch als ein Arbeitsmedium bezeichnen könnte, einstellbar sind.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das thermische Stellmittel eine Heizung, beispielsweise eine Heizfolie, einen elektrischen Heizwiderstand oder beides, aufweist.
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Weiterhin kann das thermische Stellmittel auch eine Kühlungsanordnung, zum Beispiel mit einer Kühlleitung, die von einem Kühlmittel durchströmt ist, aufweisen.
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Eine in der Zeichnung noch näher erläuterte Ausführungsform der Erfindung sieht vorteilhaft vor, dass das thermische Stellmittel mindestens ein Peltierelement aufweist. Anhand des Peltierelements ist es möglich, das Vorsteuerfluid wahlweise zu kühlen oder zu erwärmen, in Abhängigkeit der Polarität der am Peltierelement angelegten elektrischen Spannung.
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Bevorzugt ist es, wenn das thermische Stellmittel mindestens einen innerhalb der Vorsteuerkammer angeordneten, das Vorsteuerfluid direkt beaufschlagenden thermischen Stellkörper aufweist. Beispielsweise kann das vorgenannte Peltierelement direkt in der Vorsteuerkammer angeordnet sein oder zumindest eine Oberfläche aufweisen, die mit der Vorsteuerkammer direkt oder über einen thermischen Transmissionskörper kommuniziert. Es ist aber auch möglich, dass das Stellmittel einen außen am Ventilgehäuse angeordneten thermischen Stellkörper umfasst.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Stellmittel an einer Öffnung der Vorsteuerkammer angeordnet ist und diese in der Art eines Deckels verschließt. Beispielsweise kann ein thermischer Transmissionskörper, z. B. ein Rippenkörper, vorgesehen sein, der einen Bestandteil des thermischen Stellmittels bildet und die Öffnung des Ventilgehäuses verschließt. Dadurch ist jedenfalls das thermische Stellmittel gut zugänglich, beispielsweise zu Montagezwecken oder Reparaturzwecken.
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Das thermische Stellmittel weist zweckmäßigerweise mindestens einen Rippenkörper zur Übertragung von Wärme oder Kälte auf. Ein derartiger Rippenkörper kann beispielsweise zur Übertragung von Wärme oder Kälte in die Umgebung des Regelventils und/oder in die Vorsteuerkammer vorgesehen sein. Eine in der Zeichnung erläuterte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass zwei Rippenkörper oder auch Transmissionskörper vorgesehen sind, von denen einer der Vorsteuerkammer zugeordnet ist und der andere zu Umgebung hin orientiert ist. Beispielsweise ragen die Rippen des Rippenkörpers für die Vorsteuerkammer in die Vorsteuerkammer hinein, während die Rippen des anderen Rippenkörpers zu Umgebung hin vor das Ventilgehäuse vorstehen.
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Das thermische Stellmittel weist zweckmäßigerweise mindestens einen Ventilator auf. Mit dem Ventilator ist es möglich, eine Luftströmung beispielsweise zu dem Peltierelement hin oder von diesem weg zu erzeugen.
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Der Ventilator kann beispielsweise vom Peltierelement erzeugte Wärme oder Kälte in die Umgebung weg führen. Dadurch entsteht eine Temperaturdifferenz zwischen der Vorsteuermedium zugeordneten Seite des Peltierelements und der der Umgebung bzw. dem Ventilator zugeordneten Seite des Peltierelements, wodurch das Peltierelement einen günstigeren Arbeitsbereich hat.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Ventilator zur Herstellung einer Luftströmung an dem Rippenkörper oder einem sonstigen, insbesondere aus Metall bestehenden thermischen Transmissionskörper angeordnet ist. Mithilfe des Rippenkörpers oder des möglicherweise auch keine Rippen aufweisenden thermischen Transmissionskörpers kann beispielsweise Wärme aus der Vorsteuerkammer heraus oder in die Vorsteuerkammer hinein gebracht werden.
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Die Vorsteuerkammer ist zweckmäßigerweise mit einer thermischen Isolation versehen. Dadurch ist der thermische Einfluss des thermischen Stellmittels weniger von den Umgebungsbedingungen abhängig. Beispielsweise kann die thermische Isolation am Ventilgehäuse angeordnet sein oder dadurch gebildet sein. Es ist beispielsweise möglich, dass das Ventilgehäuse im Wesentlichen aus Metall besteht, jedoch im Bereich der Vorsteuerkammer thermisch isolierender Kunststoff verwendet ist. Beispielsweise kann ein Deckel, der die Vorsteuerkammer verschließt, aus einem derartigen Kunststoff bestehen.
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Die Vorsteuerkammer kann mehrteilig sein bzw. verschiedene Abschnitte aufweisen. Beispielsweise umfasst die Vorsteuerkammer einen neben dem Wandelement angeordneten Betätigungsabschnitt und einen mit dem thermischen Stellmittel kommunizierenden und zum Temperieren des Vorsteuerfluids vorgesehenen Temperierabschnitt, die durch einen Verbindungskanal miteinander verbunden sind. In dem Temperierabschnitt ist beispielsweise ein verhältnismäßig großes Volumen des Vorsteuerfluids eingekammert und kann durch das Stellmittel temperiert, d. h. gekühlt und/oder erwärmt, werden. Durch den Verbindungskanal, der beispielsweise auch einen kleinen Querschnitt aufweisen kann, strömt das Vorsteuerfluid vom Temperierabschnitt zum Betätigungsabschnitt oder auch wieder zurück.
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Das Wandelement kann beispielsweise durch einen Betätigungskolben oder dergleichen gebildet sein. Bevorzugt ist das Wandelement biegeflexibel. Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass das Wandelement eine Membran aufweist oder durch eine Membran gebildet ist.
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Zwischen der Membran und dem Ventilglied ist zweckmäßigerweise ein Schutzkörper und/oder eine Dichtung für einen das Ventilglied durchsetzenden Entlüftungskanal angeordnet.
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Es ist auch möglich, dass das Wandelement und das Ventilglied fest verbunden sind oder auch einstückig.
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Das Ventilglied ist zweckmäßigerweise durch eine Ventilglied-Federanordnung in eine den Arbeitskanal verschließende Stellung belastet. Somit arbeitet sozusagen das Vorsteuerfluid in an sich bekannter Weise gegen die Kraft der Ventilglied-Federanordnung. Die Wirkung des Vorsteuerfluids ist also in an sich bekannter Weise unidirektional, jedoch vorzugsweise durch das thermische Stellmittel einstellbar.
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Das Wandelement ist in einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform durch eine Wandelement-Federanordnung in eine das Ventilglied im Sinne eines Schließens des Arbeitskanals entlastende oder auch umgekehrt im Sinne des Schließens des Arbeitskanals belastende Stellung belastet.
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Das erfindungsgemäße Regelventil bildet zweckmäßigerweise einen Bestandteil einer Kaskadenanordnung mit einem dem Regelventil vorgeschalteten Vorregelventil. Das Vorregelventil stellt an seinem Arbeitsausgang einen geregelten Ausgangsdruck des Druckmediums für den Arbeitseingang des Regelventils bereit, das sozusagen den Hauptregler darstellt. Der Arbeitsausgang des Vorregelventils ist mit dem Arbeitseingang des erfindungsgemäßen Regelventils verbunden.
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Auch bei dem Vorregelventil sind die vorgenannten Maßnahmen des erfindungsgemäßen Regelventils zweckmäßig, das heißt im Prinzip kann auch das Vorregelventil ähnlich aufgebaut sein wie das erfindungsgemäße Regelventil. Jedenfalls ist es vorteilhaft, wenn auch das Vorregelventil eine Vorsteuerkammer aufweist, die einen Vorsteuereingang und/oder einen Vorsteuerausgang aufweist. An dem Vorsteuereingang ist zweckmäßigerweise ein Einlassventil, am Vorsteuerausgang vorteilhaft ein Auslassventil angeordnet. Mithilfe eines Drucksensors, der beispielsweise direkt mit dem Arbeitskanal des Vorregelventils kommuniziert, wird das Auslassventil und/oder das Einlassventil durch eine geeignete Steuerung zweckmäßigerweise angesteuert.
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Eine zweckmäßige Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Ventilglied von einem Entlüftungskanal durchsetzt ist, der einerseits mit dem Sekundärkanalabschnitt kommunizieren kann, andererseits mit der Umgebung. Im Sekundärkanalabschnitt eingekammertes Druckvolumen kann durch den Entlüftungskanal in die Umgebung abfließen. Das Druckvolumen ist im Sekundärkanalabschnitt z. B. eingekammert, wenn das Ventilglied am Ventilsitz anliegt bzw. geschlossen ist. Der Entlüftungskanal ist zweckmäßigerweise dann, wenn das Ventilglied an dem beweglichen Wandelement oder einer daran angeordneten Dichtung anliegt, geschlossen. Wenn das bewegliche Wandelement jedoch eine Distanz zum Ventilglied hat, ist der Entlüftungskanal geöffnet. An dem beweglichen Wandelement ist beispielsweise eine Dichtung für den Entlüftungskanal vorgesehen. Wenn das Ventilglied an der Dichtung anliegt, beispielsweise direkt an der Membran, wenn das Wandelement durch eine Membran gebildet ist, oder an einer einen dem beweglichen Wandelement angeordneten Dichtung, ist der Entlüftungskanal geschlossen. Ein anderer Bereich des Ventilglieds, an dem der Entlüftungskanal ausmündet, ist vorteilhaft in einer Öffnung des Ventilgehäuses aufgenommen, so dass der Entlüftungskanal in die Umgebung ausmünden kann. Das bewegliche Wandelement bildet oder umfasst also zweckmäßigerweise einen Dichtsitz für den Entlüftungskanal.
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Ein bevorzugter Anwendungsbereich der Erfindung ist die Prüftechnik. Beispielsweise bildet das erfindungsgemäße Regelventil einen Bestandteil einer Prüfeinrichtung zur Messung einer Leckage einer zu prüfenden, insbesondere mit dem Ausgang des Regelventils direkt oder über eine Stellkaskade verbundenen oder verbindbaren pneumatischen Prüfkomponente. Beispielsweise ist ein Ventil-Prüfling an das Regelventil angeschlossen, wobei das erfindungsgemäße Regelventil einen sehr genauen Druck und einen sehr genauen Durchfluss des Druckmediums bereitstellen kann, mit dem der Prüfling zu prüfen ist. Somit kann z. B. eine Leckage des Ventil-Prüflings ermittelt werden.
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Es gibt jedoch auch andere vorteilhafte Anwendungsgebiete für ein erfindungsgemäß exakt arbeitendes Regelventil, beispielsweise die Dosiertechnik. Das Regelventil kann beispielsweise auch einen Bestandteil einer Dosiereinrichtung zur Dosierung eines beispielsweise pharmazeutischen oder medizinischen Produktes bilden.
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Das erfindungsgemäße Regelventil arbeitet auch so genau, dass es beispielsweise zur Bereitstellung eines konstanten Prüfdruckes dienen kann. Beispielsweise bildet es einen Bestandteil eines Kalibrierreglers zur Bereitstellung eines konstanten Prüfdruckes. Der konstante Druck oder Durchfluss eignet sich auch optimal für eine Luftlagerung. Auch eine Massenstrommessung lässt sich mit dem erfindungsgemäß exakt arbeitenden Regelventil vorteilhaft betreiben.
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Das erfindungsgemäße Regelventil kann in der Luft- und Raumfahrttechnik, der Prozesstechnik und der Automatisierungstechnik angewendet werden.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
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1 eine Prüfeinrichtung, die erfindungsgemäße Regelventile umfasst,
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2 eine Querschnittsansicht durch eine Kaskadenanordnung bestehend aus einem Regelventil als Hauptregelventil und einem Vorregelventil, die Bestandteile der Prüfeinrichtung gemäß 1 sein können, und
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3 eine Querschnittsansicht durch ein erfindungsgemäßes Regelventil.
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In 1 ist eine Prüfeinrichtung 10 zur Prüfung einer schematisch dargestellten Prüfkomponente 11, beispielsweise eines Prüfventils, dargestellt.
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An einem Eingang 12 einer Durchflusskaskade 13 stellt eine Regleranordnung 14 einen Prüfdruck P3 zur Verfügung. Die Durchflusskaskade 13 umfasst Durchflusssensoren 15–18, die eingangs mit einer Leitung 19, an der der Prüfdruck P3 zur Verfügung steht, verbunden sind und ausgangsseitig mit jeweils einem Schließventil 20, 21, 22, 23, welche wiederum mit einer Leitung 24 verbunden sind, an der ein Anschluss 25 für die Prüfkomponente 11 vorhanden ist. Die Leitung 24 kann über einen Entlüftungsausgang 26 entlüftet werden. Zwischen dem Entlüftungsausgang 26 und der Leitung 24 sind ein Prüfdrucksensor 27 sowie ein Schließventil 28 angeordnet.
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Mit der Durchflusskaskade 13 kann ein definierter Durchfluss eines Druckmediums D eingestellt werden, wobei die Schließventile 20–23 unterschiedlichen Durchfluss-Volumina zugeordnet sind, beispielsweise 900 l/h, 100 l/h, 10 l/h sowie 1 l/h. Dadurch ist eine Leckage bei der Prüfkomponente 11, ermittelbar. Der Druck P3 am Eingang 12 der Durchflusskaskade 13 ist mithilfe der Regleranordnung 14 optimal einstellbar.
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Die Regleranordnung 14 umfasst ein Vorregelventil 30, ein Hauptregelventil 130 sowie ein thermisches Regelventil 230, die hintereinander angeordnet sind. Das Vorregelventil 30, das Hauptregelventil 130 sowie das thermische Regelventil 230 umfassen ebenso wie das in 3 dargestellte thermische Regelventil 330 teilweise gleiche oder ähnliche Komponenten, die zur Verdeutlichung von Übereinstimmungen mit denselben Bezugsziffern versehen sind, teilweise jedoch auch zur Verdeutlichung von Unterschieden mit um jeweils 100 verschiedenen Bezugsziffern, d. h. dass die Bezugsziffern des Hauptregelventils 130 im Zahlenraum von 100–199, die Bezugsziffern des thermischen Regelventils 230 im Zahlenraum von 200–299 und die Bezugsziffern des Regelventils 330 im Zahlenraum von 300–399 angesiedelt sind.
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Das Vorregelventil 30, das Hauptregelventil 130 und die thermischen Regelventile 230 und 330 weisen Vorsteuerkammern 31, 131, 231, 331 auf, die über einen Vorsteuereingang 32, 132, 232, 332 mit einem Vorsteuerfluid, vorliegend Druckluft, befüllbar sind und aus denen über einen Vorsteuerausgang 33, 133, 333 Vorsteuerfluid ausströmen kann. bei thermischen Regelventil 230 bildet der Vorsteuereingang 232 gleichzeitig den Vorsteuerausgang.
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Das Vorregelventil 30 und das Hauptregelventil 130 bilden eine Kaskadenanordnung 90, die in 2 detaillierter dargestellt ist. Auch das Hauptregelventil 130 kann ein thermisches Regelventil sein oder als ein thermisches Regelventil ausgestaltet sein, was später noch deutlich wird.
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Das Regelventil 330 gemäß 3 vereint integral die Funktionen eines Hauptregelventils und eines thermischen Regelventils, beispielsweise die Funktionen der beiden Regelventile 130 und 230, was ebenfalls noch erläutert wird.
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Am Vorsteuereingang 32–332 ist ein Einlassventil 34, 134, 234, 334 angeordnet, während am Vorsteuerausgang 33–333 ein Auslassventil 35, 135, 335 angeordnet ist. Die Einlassventile 34, 134, 234, 334 und die Auslassventile 35, 135, 335 sind ausgangsseitig bzw. eingangsseitig über eine Leitung 36–336 mit der Vorsteuerkammer 31–331 verbunden.
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Die Einlassventile 34, 134, 234, 334 und die Auslassventile 35, 135, 335 weisen Antriebe 37 auf, beispielsweise elektromagnetische Antriebe, mit denen sie jeweils antreibbar sind, nämlich zwischen einer Sperrstellung, in der sie die Verbindung zwischen der Leitung 36–336 und dem Vorsteuereingang 32–332 oder dem Vorsteuerausgang 33–333 verschließen, sowie einer Durchlassstellung, in der die jeweilige Verbindung zwischen der Leitung 36–336 und dem Vorsteuereingang 32–332 oder dem Vorsteuerausgang 33–333 geschaltet ist, so dass über den Vorsteuereingang 32–332 einströmendes Vorsteuerfluid V über die Leitung 36–336 in die Vorsteuerkammer 31–331 einströmen kann oder im Falle der Auslassventile 35, 135, 335 aus der Vorsteuerkammer 31–331 ausströmen kann.
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Die Vorsteuerkammern 31–331 sind in Ventilgehäusen 38–338 der Regelventile 30–330 angeordnet. Die Ventilgehäuse 38–338 umfassen weiterhin einen Arbeitskanal 39–339, der sich zwischen einem Arbeitseingang 40–340 und einem Arbeitsausgang 41–341 erstreckt.
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Zwischen dem Arbeitseingang 40–340 und dem Arbeitsausgang 41–341 ist ein Ventilsitz 42–342 für ein Ventilglied 43–343 ausgebildet, das zwischen einer Schließstellung, in der sie den Durchfluss des Druckmediums vom Arbeitseingang 40–340 zum Arbeitsausgang 41–341 verschließt und einer Durchlassstellung verstellbar ist, in der der Durchgang am Ventilsitz 42–342 für das Fluid oder Druckmedium offen ist.
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Die Ventilsitze 42–342 und/oder die Ventilglieder 43–343 weisen in an sich bekannter Weise zweckmäßigerweise Dichtungen, beispielsweise O-Ringe, Dichtmanschetten oder dergleichen.
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Der Ventilsitz 42–342 unterteilt den Arbeitskanal 39–339 in einen mit dem Arbeitseingang 40–340 strömungsverbundenen Primärkanalabschnitt 44–344 und einen Sekundärkanalabschnitt 45–345, der mit dem Arbeitsausgang 41–341 strömungsverbunden ist.
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Die Ventilglieder 43–343 sind durch Federanordnungen 46–346 in die Schließstellung belastet. Beispielsweise sind Schraubenfedern vorgesehen, die sich einerseits am Ventilgehäuse 38–338 und andererseits am Ventilglied 43–343, beispielsweise an einem Flanschvorsprung oder dergleichen des Ventilglieds 43–343, abstützen.
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In Richtung der Durchlassstellung sind die Ventilglieder 43–343 durch Wandelemente 47–347 betätigbar. Die Wandelemente 47–347 trennen den Arbeitskanal 39–339 und die Vorsteuerkammer 31–331 voneinander. Mithin bilden also die Wandelemente 47–347 Wandabschnitte der Vorsteuerkammern 31–331.
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Die Wandelemente 47–347 sind als flexible Glieder oder Membranglieder ausgestaltet, d. h. durch Erhöhung des Drucks des Vorsteuerfluids V in der Vorsteuerkammer 31–331 durch beispielsweise Einlassen des Vorsteuerfluid V durch das jeweilige Einlassventil 34–334, werden die Wandelemente 47–347 in Richtung des jeweiligen Ventilglieds 43–343 betätigt, so dass das Ventilglied 43–343 in Abhängigkeit von der Stellung des Wandelements 47–347 vom Ventilsitz 42 abhebt und einen höheren Durchlass des Druckmediums D ermöglicht. Beispielsweise durch Auslassen des Vorsteuerfluids V durch das Auslassventil 35, 135, 335 aus der Vorsteuerkammer 31–331 verringert sich der Druck des Vorsteuerfluids V in der Vorsteuerkammer 31–331, so dass das jeweilige Ventilglied 43–343 wieder in Richtung der Schließstellung durch die Ventilglied-Federanordnung 46–346 zurück verstellt wird.
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Bei den Regelventilen 30 und 130 ist eine lokale Regeleinrichtung 48, 148 vorgesehen, die die Antriebe 37 der Einlassventile 34, 134 und der Auslassventile 35, 135 direkt ansteuert, um den Druck des Druckmediums D, der im Sekundärkanalabschnitt 45, 145 und somit auch am Arbeitsausgang 41, 141 ansteht, zu regeln. Die Regeleinrichtung 48, 148 ist mit einem Drucksensor 49, 149 verbunden, der den Druck im Sekundärkanalabschnitt 45, 145 erfasst, beispielsweise über eine Leitung 50, 150.
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Die lokalen Regeleinrichtungen 48 und 148 sind jedoch nicht unbedingt notwendig. Beispielsweise könnte eine zentrale Steuerung 51, die beim Ausführungsbeispiel die lokalen Regeleinrichtungen 48 und 148 ansteuert, direkt auf die Antriebe 37 der Einlassventile 34, 134 und oder der Auslassventil 35, 135 einwirken. Eine alternative Drucksensorik könnte auch außerhalb der jeweiligen Regelventile 30 und 130 vorgesehen sein, die dann wiederum mit der zentralen Steuerung 51 oder den Regeleinrichtungen 48 und 148 kommuniziert. Selbstverständlich können auch die Drucksensoren 49 direkt mit der Steuerung 51 kommunizieren. Durch Pfeile ist angedeutet, dass die Steuerung 51 beispielsweise die Regeleinrichtungen 48 und 148, aber auch den Antrieb 237 am thermischen Regelventil 230 ansteuert.
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Weiterhin kommuniziert die Steuerung 51 mit einer bei der Durchflusskaskade 13 angeordneten Messeinrichtung 52, die beispielsweise die Drücke und/oder den jeweiligen Durchfluss an den Leitungen 19 und/oder 24 erfasst und an die Steuerung 51 meldet.
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Die Einlassventile 34, 134 und 334 bzw. die Vorsteuereingänge 32, 132 und 332 des Vorregelventils 30, des Hauptregelventils 130 sowie des thermischen Regelventils 330 sind über Leitungen 53, 153 und 353 mit ihren jeweiligen Arbeitseingängen 40, 140 sowie 340 verbunden, so dass die an den Arbeitseingängen 40, 140 sowie 340 anstehende Eingangsdrücke zur Regelung des Drucks in der Vorsteuerkammer 31, 131, 331 bereitstehen.
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Beim Vorregelventil 30 ist der Vorsteuerausgang 33 zur Atmosphäre hin offen, beispielsweise über einen Schalldämpfer 54.
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Beim Hauptregelventil 130 sowie dem thermischen Regelventil 330 ist jedoch der Vorsteuerausgang 133, 333 mit dem Druck, der am Arbeitsausgang 141, 341 ansteht, verbunden, beispielsweise über eine extern am Hauptregelventil 130 angeordnete Rückkopplungsleitung 55 oder eine intern im Ventilgehäuse 338 des Regelventils 330 verlaufende Rückkopplungsleitung 355.
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Somit regeln also die Vorsteuerungen des Hauptregelventils 130 sowie des thermischen Regelventils 330 vorsteuer-ausgangsseitig auf Basis eines gegenüber der Atmosphäre in der Regel höheren Druckniveaus, was die Regelgenauigkeit deutlich erhöht.
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Es ist möglich, dass an der Rückkopplungsleitung 55 oder 355, jedenfalls am im Sekundärkanalabschnitt 145 anstehenden Druckniveau, ein Auslassventil, beispielsweise eine separate, insbesondere einstellbare, Drossel 56 (1) angeordnet ist.
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Es kann auch eine gezielte Leckage, vorgesehen sein, beispielsweise eine Leckluftbohrung 156 am Ventilgehäuse 138, über die der Sekundärkanalabschnitt 145 mit der Umgebung kommuniziert.
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Die Prüfeinrichtung 10 funktioniert nun folgendermaßen:
Der Arbeitseingang 40 des Vorregelventils 30 ist an ein konventionelles Druckluftnetz N angeschlossen, so dass das Druckmedium D, vorliegend Druckluft, mit einem Eingangsdruck P1 in das Vorregelventil 30 einströmt.
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Das Vorregelventil 30 regelt den Druck des Druckmediums D an seinem Arbeitsausgang 41 auf einen Ausgangsdruck P2. Der Arbeitsausgang 41 ist über eine Leitung 57 mit dem Arbeitseingang 140 des Hauptregelventils 130 verbunden. weiterhin ist der Arbeitseingang 240 des thermischen Regelventils 230 mit der Leitung 57 verbunden. Mithin steht also der Druck P2 sowohl am Arbeitseingang 140 des Hauptregelventils 130, als auch am Arbeitseingang 240 des thermischen Regelventils 230 an.
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Die Steuerung 51 gibt der Regeleinrichtung 148 des Hauptregelventils 130 beispielsweise einen Druck-Sollwert P2soll zur Einstellung an seinem Arbeitsausgang 141 vor. Damit nunmehr das Hauptregelventil 130 einen ausreichenden Arbeitsbereich hat, ist der Druck-Sollwert P1soll für das Vorregelventil 30 etwas höher, beispielsweise mit einem Offset von 1 Bar. Beispielsweise gibt die Steuerung 51 einen entsprechenden höheren Druck-Sollwert P1soll vor oder erhöht die Regeleinrichtung 48, falls ihr ebenfalls der niedrigere Druck-Sollwert P2soll vorgegeben wird, diesen Druck-Sollwert P2soll um den vorgenannten Offset und bildet sozusagen den Druck-Sollwert P1soll selbstständig.
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Eine vorteilhafte Maßnahme sieht vor, dass die Steuerung 51 den Antrieb 37 des Auslassventils 135 direkt über eine Verbindung 59 ansteuert, das heißt dass also hier nicht die Regeleinrichtung 148 aktiv wird, um das Entlüften des Hauptregelventils 130 zentral zu steuern. Dies ist beispielsweise vorteilhaft im Zusammenhang mit dem nachfolgend detailliert beschriebenen thermischen Regelventil 230:
Der Vorsteuereingang 232 des thermischen Regelventils 230 ist über eine Leitung 58 mit der Vorsteuerkammer 131 des Hauptregelventils 130 verbunden. Somit steht also das optimal über die Rückkopplungsleitung 55 in der Vorsteuerkammer 131 einstellbare Druckniveau des Vorsteuerfluids V zur Einstellung des Drucks des Vorsteuerfluids in der Vorsteuerkammer 231 des thermischen Regelventils 230 zur Verfügung. Über das beispielsweise als Membranverschlussventil ausgestaltete Einlassventil 234 kann das Vorsteuerfluid V aus der Vorsteuerkammer 131 in die Vorsteuerkammer 231 gezielt eingelassen werden und dort auch eingekammert werden.
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Das Regelventil 230 kann nunmehr auf Basis dieses Druckniveaus, das die Steuerung 51 beispielsweise über die Verbindung 59 dem Hauptregelventil 130 vorgibt, an sich seinen Ausgangsdruck P3 am Arbeitsausgang 241 optimal einstellen. Mit dem Arbeitsausgang 241 bzw. dem Sekundärkanalabschnitt 245 kann weiterhin eine Leckluftbohrung 256 kommunizieren, die im Prinzip die gleiche Funktion hat wie die Leckluftbohrung 156. Der Regler wird durch diese Maßnahme in einem günstigen Arbeitsbereich gehalten. Der Regler arbeitet stabil. Der Regler hat einen günstigen unteren Arbeitspunkt.
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Vorteilhaft ist vorgesehen, dass das Ventilglied 243 aufgrund des stetig durch die Leckluftbohrung 156 abfließenden Druckvolumens stets etwas vom Ventilsitz 242 abgehobenen bleibt.
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An der Leckluftbohrung 156 könnte auch ein Stellelement, beispielsweise ein Schieber oder ein sonstiges Ventilglied, zur Einstellung der sozusagen gezielten Leckage vorgesehen sein.
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Der Ausgangsdruck P3 ist zugleich der Prüfdruck am Eingang der Durchflusskaskade 13. Der Druck in den Vorsteuerkammern 131 und 231 des Hauptregelventils 130 und des thermischen Regelventils 230 definiert den Prüfdruck P3. Die kaskadenartige Anordnung aus Vor- und Hauptregler ermöglicht hierbei schon eine sehr hohe Genauigkeit. Das thermische Regelventil 230 erhöht diese Genauigkeit noch weiter:
Außen am Ventilgehäuse 238 ist ein thermisches Stellmittel 260 angeordnet, dass das Ventilgehäuse 238 im Bereich der Vorsteuerkammer 231 thermisch beeinflusst, beispielsweise erwärmt und/oder abkühlt. Beispielsweise ist ein Heizwiderstand oder eine Heizfolie vorgesehen, die innen und/oder außen auf das Ventilgehäuse 238, beispielsweise dessen Ventildeckel 280 aufgebracht ist.
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Vorzugsweise handelt es sich bei dem thermischen Stellmittel um ein Peltierelement 261, das über eine Leitung 62 direkt von der Steuerung 51 ansteuerbar ist. Je nachdem, welche Polarität der Spannung die Steuerung 51 am Peltierelement 261 anlegt, kühlt das Peltierelement 261 das Ventilgehäuse 238 und somit die Vorsteuerkammer 231, so dass das dort eingekammerte Vorsteuerfluid V einen geringeren Druck auf die Membrane bzw. das Wandelement 247 ausübt, oder erwärmt das Vorsteuerfluid V, wodurch sich ein fein einstellbarer höherer Druck des Vorsteuerfluids V ergibt, so dass das Regelventil 230 weiter öffnet und somit ein höherer Druck am Arbeitsausgang 241 ansteht und/oder der Durchfluss des Druckmediums am Arbeitsausgang 241 höher wird.
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Der Regelbereich der thermischen Einstellung liegt beispielsweise bei +/–3% oder +/–10% oder dergleichen des eingekammerten Drucks des Vorsteuermediums V.
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Auch das Hauptregelventil 130 kann optional mit einem thermischen Stellmittel 160 versehen sein, das vorzugsweise im Innenraum der Vorsteuerkammer 131 angeordnet ist, dort also direkt auf das Vorsteuerfluid einwirken kann. Beispielsweise handelt es sich bei dem thermischen Stellmittel 160 um einen Heizwiderstand 161.
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In 1 ist nicht dargestellt, dass zweckmäßigerweise am Peltierelement 261 ein zusätzlicher thermischer Übertragungskörper, beispielsweise ein Rippenkörper, sowie vorzugsweise noch ein Lüfter oder Ventilator vorgesehen ist, der die vom Peltierelement 261 produzierte Wärme oder Kälte in die Umgebung weg führt. Somit kann das Peltierelement 261 in einem günstigeren Arbeitsbereich arbeiten bzw. leichter eine Temperaturdifferenz herstellen, die zur Kühlung oder Erwärmung des Vorsteuerfluids in der Vorsteuerkammer 231 führt.
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Derartige vorteilhafte Maßnahmen sind jedoch beim Regelventil 330 dargestellt werden nachfolgend erläutert:
Das thermische Regelventil 330 kann anstelle beispielsweise des Hauptregelventils 130 und des thermischen Regelventils 230 bei der Prüfeinrichtung 10 verwendet werden. Vorteilhaft ist die Rückkopplungsleitung 355 beim Regelventil 330 vorhanden.
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Beim Regelventil 330 weist das Ventilgehäuse 338 einen Ventildeckel 380 auf, der an seiner von dem Wandelement 340 abgewandten Seite eine Öffnung 381 aufweist. In dieser Öffnung ist ein Peltierelement 361 eines thermischen Stellmittels 360 angeordnet. Die Öffnung 381 umfasst oder definiert zudem einen Temperierabschnitt 382 der Vorsteuerkammer 331. Das Peltierelement 361 ist nämlich in diesem Temperierabschnitt 382 angeordnet und kann dort unmittelbar das Vorsteuerfluid V kühlen oder erwärmen.
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Ein optimaler Wärmeübertritt oder Kälteübertritt wird zudem noch durch einen Rippenkörper 363, allgemeiner gesagt einem thermischen Transmissionskörper, verbessert. Die Rippen 366 des Rippenkörpers 363 werden vom Vorsteuerfluid V umspült, so dass dieses Wärme oder Kälte an die Rippen 366 abgeben oder von den Rippen 366 aufnehmen kann.
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Ein weiterer Rippenkörper 364 ist außenseitig am Ventildeckel 380 angeordnet und verschließt die Öffnung 381. Die Rippen des äußeren Rippenkörpers 364, den man allgemein auch als einen thermischen Transmissionskörper bezeichnen könnte stehen zu Umgebung hin ab.
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An dieser Stelle sei bemerkt, dass anstelle des Rippenkörpers 364 auch ein anderer thermischer Transmissionskörper, beispielsweise aus Metall, vorgesehen sein kann, der nicht unbedingt Rippen haben muss.
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Weiterhin sei erwähnt, dass das Grundmaterial des Ventildeckels 380 zweckmäßigerweise aus Kunststoff oder einem sonstigen thermisch isolierenden Material besteht, das heißt dass der Ventildeckel 380 das Vorsteuerfluid V in der Vorsteuerkammer 331 zweckmäßigerweise thermisch gegenüber der Umgebung isoliert und somit der Einfluss des Stellmittels 360 auf das Vorsteuerfluid V in der Vorsteuerkammer 331 optimal ist.
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Nur beispielhaft sei erwähnt, dass auch weitere Maßnahmen vorteilhaft sein können, so zum Beispiel ein Schutzkörper 385, der zwischen einem freien Ende 386 des Ventilglieds 343 und dem Wandelement 347 angeordnet ist und somit die Membran bzw. das Wandelement 347 mechanisch schützt.
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Der Schutzkörper 385 könnte auch durch eine Dichtung gebildet sein. Es könnte auch anstelle des Schutzkörpers 385 eine Dichtung vorgesehen sein. Mit anderen Worten kann das Bezugszeichen 385 auch eine Dichtung bezeichnen oder eine Dichtung kann die Funktion eines Schutzkörpers entfalten. Der Schutzkörper 385 bzw. die Dichtung bildet zweckmäßigerweise einen Ventilsitz für einen Entlüftungskanal 387, der das Ventilglied 343 durchsetzt. Durch den Entlüftungskanal 387 kann ein eventuell im Sekundärkanalabschnitt eingekammertes Druckvolumen zur Atmosphäre hin entweichen, wenn das Ventilglied 343 am Ventilsitz 342 anliegt, mithin also das Regelventil 330 seine Schließstellung einnimmt.
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Ein unterer Abschnitt 389 des Ventilglieds 343 durchsetzt einen zur Umgebung offenen Kanal 390 des Ventilgehäuses 338. Zwischen dem Kanal 390 und dem Abschnitt 389 kann eine Dichtung 391 vorgesehen sein. Am freien Ende des unteren Abschnitts 389 des Ventilglieds 343 mündet der Entlüftungskanal 387 in die Umgebung aus. An dieser Stelle sei bemerkt, dass auch bei den in den 1 und 2 dargestellten Regelventilen 30, 130, 230 jeweils ein derartiger Entlüftungskanal vorhanden sein kann. Dies ist beispielsweise in Gestalt von Entlüftungskanälen 87 und 187 bei den Ventilen 30 und 130 in 2 eingezeichnet.
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Das andere Ende des Entlüftungskanals 387 mündet im Bereich der Dichtung bzw. des Schutzkörpers 385 aus. Selbstverständlich könnte auch die Membran oder das Wandelement 347 als Dichtung oder Verschluss für den Entlüftungskanal 387 wirken.
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Das Regelventil 330 kann ebenfalls eine gezielte, im Bereich der Rückkopplungsleitung 355 und/oder des Sekundärkanalabschnitts 345 wirksame Leckage aufweisen, beispielsweise eine Leckluftbohrung 356.
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Im Rahmen dieser Maßnahme kann vorgesehen sein, dass das Ventilglied 343 stets ein wenig vom Ventilsitz 342 abgehoben bleibt, damit die durch die Leckluftbohrung 356 entweichende Druckluft oder das sonstige Druckvolumen sozusagen kompensiert wird. Der Regler kommt sozusagen nie zur Ruhe, sondern entfaltet stets seine Regelungsfunktion. Ein unterer Arbeitspunkt des Regelventils ist dadurch günstig einstellbar.
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Weiterhin können auch beispielsweise direkt auf das Wandelement des erfindungsgemäßen Ventilglieds wirkende Federn vorgesehen sein, beispielsweise eine in 3 eingezeichnete Wandelement-Federanordnung 388.
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Zusätzlich zu den unteren Federn der Ventilglied-Federanordnungen 46–246 können auch weitere Federn 70 vorgesehen sein (in 2 näher bezeichnet).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009015999 A1 [0002]
