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Die Erfindung betrifft ein druckentlastetes Ventil, mit einem Ventilgehäuse, das eine Ventilkammer definiert, in die mehrere Ventilkanäle einmünden, wobei die Kanalmündung eines ersten Ventilkanals dieser mehreren Ventilkanäle von einem Ventilsitz umrahmt ist, dem in der Ventilkammer eine axial orientierte Verschlussfläche gegenüberliegt, die an einer vorderen Stirnseite eines eine Längsachse aufweisenden Ventilgliedes angeordnet ist, das im Rahmen einer Steuerbewegung zwischen einer unter Abdeckung der Kanalmündung des ersten Ventilkanals mit seiner Verschlussfläche an dem Ventilsitz anliegenden und dadurch den ersten Ventilkanal fluiddicht von der Ventilkammer abtrennenden Schließstellung und mindestens einer von dem Ventilsitz abgehobenen und dadurch eine Fluidverbindung zwischen dem ersten Ventilkanal und der Ventilkammer freigebenden Offenstellung axial bewegbar ist, wobei das Ventilglied eine axial entgegengesetzt zu der Verschlussfläche orientierte Kompensationsfläche aufweist, die eine in dem Ventilgehäuse ausgebildete Kompensationskammer begrenzt, die ständig über mindestens einen das Ventilglied durchsetzenden und mit mindestens einer Abgriffsöffnung in einem vom Zentrum der Verschlussfläche radial beabstandeten Bereich an der vorderen Stirnseite des Ventilgliedes ausmündenden Kompensationskanal mit dem der vorderen Stirnseite des Ventilgliedes axial vorgelagerten Bereich kommuniziert, wobei die mindestens eine Abgriffsöffnung bezüglich der Längsachse des Ventilgliedes radial orientiert ist, derart, dass durch sie ein in dem der vorderen Stirnseite des Ventilgliedes axial vorgelagerten Bereich herrschender statischer Druck abgreifbar ist Ein aus der
DE 10 2007 050 151 A1 bekanntes Ventil ist mit Druckentlastungsmaßnahmen ausgestattet, die einen Beitrag dazu leisten, dass das Ventilglied des Ventils mit einer relativ geringen Kraft betätigt werden kann. Das Ventilglied kann zwischen einer an einem Ventilsitz anliegenden Schließstellung und einer von dem Ventilsitz abgehobenen Offenstellung bewegt werden, wobei es in der Schließstellung einen ersten Ventilkanal von einer mit einem weiteren Ventilkanal verbundenen Ventilkammer fluiddicht abtrennt. Die Druckentlastungsmaßnahmen umfassen eine rückseitig dem Ventilglied zugeordnete Kompensationskammer, die durch einen Kompensationskanal hindurch ständig mit dem der vorderen Stirnseite des Ventilgliedes vorgelagerten Bereich in Fluidverbindung steht. Auf diese Weise herrscht in der Schließstellung des Ventilgliedes in der Kompensationskammer der gleiche Druck wie im ersten Ventilkanal, sodass die Schließstellung mit einer niedrigen Federkraft festgehalten werden kann, die sich mittels einer ebenfalls niedrigen Betätigungskraft überwinden lässt, um das Ventilglied in die Offenstellung umzuschalten. Da eine Antriebseinrichtung des Ventils im zentralen Bereich des Ventilgliedes angreift, ist die mit dem ersten Ventilkanal kommunizierende Abgriffsöffnung des Kompensationskanals in einem vom Zentrum des Ventilgliedes radial beabstandeten Bereich an der vorderen Stirnseite des Ventilgliedes angeordnet. Nimmt das Ventilglied eine Offenstellung ein, tritt zwar weiterhin eine gewisse Druckkompensation auf, wenngleich festgestellt wurde, dass die zum Offenhalten des Ventilgliedes aufzubringende Betätigungskraft um einiges größer ist als die zum Hervorrufen des Öffnungsvorganges benötigte Kraft.
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Die
DE 92 02 519 U1 offenbart ein druckentlastetes Ventil der eingangs genannten Art, das ein in einem Ventilgehäuse verschiebbar angeordnetes Ventilglied aufweist, das durch eine Feder in eine an einem Ventilsitz anliegende Schließstellung vorgespannt ist und durch die Betätigung eines entgegengesetzt wirkenden Proportionalmagneten in eine von dem Ventilsitz abgehobene Offenstellung verschiebbar ist. Auf diese Weise ist die Fluidverbindung zwischen einem Primäranschluss und einem Sekundäranschluss steuerbar. Um einen gewissen Druckausgleich zu erzielen, weist ein Längenabschnitt des Ventilgliedes, der sich im Bereich des Sekundäranschlusses erstreckt und der durch den Proportionalmagnet beaufschlagbar ist, eine radial orientierte Querbohrung auf, die dafür sorgt, dass der am Sekundäranschluss anstehende Druck auch auf der Seite des Primäranschlusses in einer von dem Ventilschieber begrenzten Kammer wirksam ist und dadurch das Ventilglied zusätzlich zu der Feder in der Schließrichtung beaufschlagt.
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Aus der
DE 10 2008 060 889 A1 ist ein Druckregelventil bekannt, dessen Ventilglied von einem axial beweglichen Anker eines Elektromagneten gebildet ist, der von einer stirnseitig mit axialer Orientierung ausmündenden Innenbohrung durchsetzt ist, durch die ein Druckausgleich hervorgerufen wird.
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Die
DE 25 10 857 A1 offenbart ein Ventil mit einer steuerbaren Druckentlastung, das über einen becherförmigen Drosselkörper verfügt, dessen Wandung von radialen Bohrungen durchsetzt ist. Ein dem Drosselkörper axial vorgelagerter Druckraum steht durch zwei den Drosselkörper axial durchsetzende axiale Bohrungen hindurch mit zwei Kammern eines Druckentlastungsraumes in Verbindung, die ihrerseits durch eine Leitung verbunden sind, in die ein Steuerventil eingeschaltet ist.
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Ein aus der
DE 44 06 048 A1 bekanntes Ventil weist zur Steuerung einer Fluidströmung einen Kolben auf, der während der Öffnungs- und Schließbewegung auf den herrschenden Fluiddruck anspricht. Dem Kolben ist ein Tellerventil zugeordnet, das mittels eines Stellantriebes geöffnet werden kann, um einen dem Kolben vorgelagerten Bereich mit einer sich rückseitig an den Kolben anschließenden Kammer fluidisch zu verbinden.
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Aus der
DE 27 21 705 A1 ist ein druckausgeglichenes Ventil bekannt, das einen mit einem Dichtsitz zusammenwirkenden Ventilteller aufweist, der stirnseitig eine mit einer Ablenkplatte ausgestattete Ablenkvorrichtung aufweist, die dazu dient, den Einfluss des Geschwindigkeitsdruckes zu vermindern und die über eine Mehrzahl von radial verlaufenden Bohrungen verfügt, die gewährleisten, dass das zu steuernde Fluid unabhängig von der Ausrichtung des Ventiltellers in eine in dem Ventilteller ausgebildete axiale Öffnung eintreten kann.
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Aus der
DE 37 22 479 C2 ist ein Magnetventil bekannt, das als 3/2-Wegeventil konzipiert ist und das über ein Ventilglied verfügt, das mittels einer elektrisch aktivierbaren Antriebseinrichtung zwischen unterschiedlichen Schaltstellungen bewegbar ist. Bei diesem Magnetventil sind keine Druckentlastungsmaßnahmen verwirklicht.
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Die
DE 43 24 555 A1 schließlich befasst sich mit einer Regeleinrichtung zum Verstellen von Ventilen, bei der das Prinzip des Prandtl'schen Staurohrs zur Erzeugung unterschiedlicher Drücke an entgegengesetzten Körperflächen genutzt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, Maßnahmen zu treffen, die auch in der Offenstellung des Ventilgliedes eine Beeinflussung der erforderlichen Betätigungskräfte durch den anstehenden Druck verringern.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist in Verbindung mit den eingangs genannten Merkmalen vorgesehen, dass die vom Ventilsitz der Kanalmündung des ersten Ventilkanals umrahmte Fläche gleich groß ist wie die Kompensationsfläche des Ventilgliedes.
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Wenn sich bei dem erfindungsgemäßen Ventil das Ventilglied in der Schließstellung befindet, herrschen in dem ersten Ventilkanal und in der über den Kompensationskanal damit verbundenen Kompensationskammer der gleiche Druck, woraus eine vollständige Kompensation der Druckkraft resultiert, da die vom Ventilsitz der Kanalmündung des ersten Ventilkanals umrahmte Fläche gleich groß gewählt ist wie die am Ventilglied ausgebildete Kompensationsfläche. Hinzu kommt, dass auch in jeder Offenstellung des Ventilgliedes eine wirksame kräftemäßige Kompensation des am Ventilglied anstehenden Druckes eintritt. Die mit radialem Abstand zum Zentrum der Verschlussfläche an- geordnete und dabei zudem radial orientierte mindestens eine Abgriffsöffnung des Kompensationskanals greift in dem der vorderen Stirnseite des Ventilgliedes vorgelagerten Bereich im Wesentlichen nur den statischen Druck ab, sodass auch nur dieser abgegriffene statische Druck in der Kompensationskammer ansteht. Dieser abgegriffene statische Druck ist geringer als der Gesamtdruck beziehungsweise Systemdruck, weil das in der Offenstellung zwischen dem ersten Ventilkanal und der Ventilkammer überströmende Druckmedium einen dynamischen Druck hervorruft, der mit zunehmender Nähe zum Rand der Kanalmündung des ersten Ventilkanals zunimmt und dort aufgrund eines Anstieges der Strömungsgeschwindigkeit für eine entsprechende Absinkung des statischen Druckes sorgt. Mithin wirkt auf die Verschlussfläche des Ventilgliedes insgesamt eine nichtlineare statische Druckverleitung, die zur Folge hat, dass der in der Öffnungsrichtung wirksame statische Druck in der Offenstellung des Ventilgliedes geringer ist als der Gesamtdruck. Indem nun der Kompensationskammer mit Hilfe der radial orientierten Abgriffsöffnung ein statischer Druck auferlegt wird, der geringer ist als der Gesamtdruck, ergibt sich eine Verringerung der auf das Ventilglied einwirkenden und aus dem Fluiddruck resultierenden Schließkraft. Folglich kann das Ventilglied mit einer geringen Betätigungskraft in der Offenstellung festgehalten werden.
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Bevorzugt wird die radial orientierte Abgriffsöffnung derart mit radialem Abstand zum Zentrum der Verschlussfläche platziert, dass sie einen statischen Druck abgreift, der zumindest im Wesentlichen dem die gesamte Verschlussfläche beaufschlagenden durchschnittlichen statischen Druck entspricht, sodass sich zumindest annähernd eine vollständige Druckkraftkompensation in den Offenstellungen des Ventilgliedes einstellt. Die geeignete Position wird entweder versuchsweise oder mittels geeigneter Berechnungsmethoden bestimmt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Vorzugsweise ist an der vorderen Stirnseite des Ventilgliedes mindestens ein im Folgenden als Druckabgriffsvorsprung bezeichneter Axialvorsprung ausgebildet, an dem in seinem radial nach außen orientierten Bereich die mindestens eine Abgriffsöffnung ausmündet. Auf diese Weise lässt sich die Abgriffsöffnung sehr einfach in der gewünschten Weise realisieren. Es besteht zudem die Möglichkeit, zwischen der Abgriffsöffnung und der Verschlussfläche bei Bedarf einen Abstand vorzusehen, um Totwassereinflüsse zu vermeiden.
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Der Druckabgriffsvorsprung ist zweckmäßigerweise im Zentrum der Verschlussfläche angeordnet. Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn das Ventilglied mit nur einem einzigen Druckabgriffsvorsprung ausgestattet ist.
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Vorzugsweise sind in dem Druckabgriffsvorsprung mehrere entlang seines Außenumfanges verteilt angeordnete Abgriffsöffnungen vorgesehen, wobei sich insbesondere eine Anzahl von drei oder vier Stück empfiehlt. Diese mehreren Abgriffsöffnungen kommunizieren vorzugsweise mit ein und demselben Kompensationskanal. Es liegt zweckmäßigerweise eine gleichmäßige Umfangsverteilung der Mehrzahl von Abgriffsöffnungen vor.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung verfügt über einen Kompensationskanal, der sich axial in den stirnseitig geschlossenen Druckabgriffsvorsprung hinein erstreckt, wobei jede Abgriffsöffnung von einer radialen Durchgangsöffnung gebildet ist, die eine periphere Wandung des Druckabgriffsvorsprunges durchsetzt.
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Die dem ersten Ventilkanal zugewandte axiale Außenfläche der den Kompensationskanal stirnseitig verschließenden Abschlusswand des Druckabgriffsvorsprunges ist ein Bestandteil der Verschlussfläche und ist dem Druck ausgesetzt, der in dem der vorderen Stirnseite des Ventilgliedes vorgelagerten Bereich herrscht. Die entgegengesetzte axiale Innenfläche dieser Abschlusswand ist hingegen dem durch die mindestens eine Abgriffsöffnung abgegriffenen statischen Druck ausgesetzt und bildet einen Bestandteil der Kompensationsfläche. Die übrigen Bestandteile der Kompensationsfläche befinden sich zweckmäßigerweise an der rückwertigen Stirnseite des Ventilgliedes.
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Die zur Längsachse des Ventilgliedes rechtwinkelige Querschnittsfläche des Druckabgriffsvorsprunges ist vorzugsweise kleiner als ein ringförmiger Flächenabschnitt der Verschlussfläche, der sich in der Schließstellung des Ventilgliedes radial zwischen dem Druckabgriffsvorsprung und dem Rand der Kanalmündung des ersten Ventilkanals erstreckt. Es ist insgesamt zweckmäßig, den Querschnitt des Druckabgriffsvorsprunges so klein wie möglich zu halten, damit er den freien Strömungsquerschnitt in der Offenstellung des Ventilgliedes nicht oder nur unwesentlich beeinträchtigt.
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Die Verschlussfläche und jede Abgriffsöffnung gehören zweckmäßigerweise zu einem Verschlusskörper des Ventilgliedes, der an einem diesbezüglichen separaten Hauptkörper des Ventilgliedes befestigt ist. Während der Hauptkörper zweckmäßigerweise aus einem starren Material besteht, ist der Verschlusskörper vorzugsweise aus einem Elastomerematerial hergestellt. Auf diese Weise ergibt sich eine optimale Dichtwirkung, wenn der Verschlusskörper mit der Verschlussfläche auf dem Ventilsitz aufliegt.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Ventils ist die Kompensationskammer in einem Bereich angeordnet, der der hinteren Stirnseite des Ventilgliedes zugeordnet ist.
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Die Erfindung lässt sich prinzipiell bei Ventilen beliebiger Funktionalität realisieren. Besonders vorteilhaft erweist sich die erfindungsgemäße Ausgestaltung in Verbindung mit einem 2/2-Wegeventil, bei dem außer dem ersten Ventilkanal nur noch ein zweiter Ventilkanal in die Ventilkammer einmündet.
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Die Erfindung lässt sich sowohl bei Schaltventilen als auch bei Proportionalventilen vorteilhaft verwirklichen.
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Damit in der Schließstellung des Ventils keine externe Energie aufzuwenden ist, ist es vorteilhaft, wenn das Ventilglied durch Federmittel ständig in Richtung seiner Schließstellung vorgespannt ist. Eine Antriebseinrichtung des Ventils hat die Kraft der Federmittel zu überwinden, um das Ventilglied in eine Offenstellung umzuschalten und in der gewünschten Offenstellung festzuhalten.
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Vorzugsweise ist das Ventil mit einer elektrisch betätigbaren Antriebseinrichtung zur Erzeugung der Steuerbewegung des Ventils ausgestattet. Es handelt sich dabei insbesondere um eine mit einer elektrischen Spuleneinheit ausgestattete Antriebseinrichtung. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Ventil um ein Magnetventil. Insbesondere bei einer Ausgestaltung als Proportionalventil ist es vorteilhaft, wenn die elektrische Antriebseinrichtung eine elektromagnetische Antriebseinrichtung ist, die nach dem elektrodynamischen Wirkprinzip arbeitet.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:
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1 eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ventils in einem Längsschnitt entlang der Längsachse des Ventilgliedes, wobei die Schließstellung des Ventilgliedes illustriert ist,
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2 das Ventil aus 1 in einer vergleichbaren Darstellungsweise in einer Offenstellung des Ventilgliedes,
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3 den in 2 strichpunktiert umrahmten Bereich in einer vergrößerten Darstellung, und
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4 einen Ausschnitt des Ventils im Querschnitt gemäß Schnittlinie V-V aus 3, wobei die Schnittebene den Druckentlastungsvorsprung durchquert.
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Das in seiner Gesamtheit mit Bezugsziffer 1 bezeichnete Ventil verfügt über ein Ventilgehäuse 2, das bevorzugt mehrteilig ausgebildet ist und das in seinem Innern eine Ventilkammer 3 aufweist.
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In die Ventilkammer 3 münden mehrere Ventilkanäle, bei denen es sich exemplarisch um einen ersten Ventilkanal 4 und um einen zweiten Ventilkanal 5 handelt. Jeder Ventilkanal 4, 5 mündet andernends über eine Anschlussöffnung 6 zu einer Außenfläche des Ventilgehäuses 2 aus, sodass die Möglichkeit besteht, eine weiterführende Fluidleitung anzuschließen.
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Von den beiden Ventilkanälen 4, 5 wird bei einer typischen Betriebsweise der eine als Einlasskanal und der andere als Auslasskanal verwendet. Exemplarisch fungiert der erste Ventilkanal 4 als ein im Betrieb mit einer externen Druckquelle P verbundener Einlasskanal, während der zweite Ventilkanal 5 ein im Betrieb des Ventils 1 mit einem Verbraucher V verbundener Auslasskanal ist. Eine umgekehrte Nutzung der beiden Ventilkanäle 4, 5 ist allerdings ebenfalls möglich.
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Das Ventil 1 erlaubt eine Steuerung der Fluidströmung zwischen dem ersten Ventilkanal 4 und dem zweiten Ventilkanal 5. Bevorzugt wird das Ventil 1 zur Steuerung von Druckluft eingesetzt, wenngleich es sich auch zur Steuerung anderer fließfähiger Medien eignet.
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Der erste Ventilkanal 4 mündet mit einer im Folgenden zur besseren Unterscheidung als erste Kanalmündung 7 bezeichneten Kanalmündung in die Ventilkammer 3 ein. Die erste Kanalmündung 7 ist von einem der Ventilkammer 2 zugewandten ringförmigen Ventilsitz 8 umrahmt.
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Der zweite Ventilkanal 5 mündet abseits der ersten Kanalmündung 7 in die Ventilkammer 3 ein, wobei seine entsprechende Kanalmündung als zweite Kanalmündung 12 bezeichnet sei. Während die Fluidverbindung zwischen der Ventilkammer 3 und der zweiten Kanalmündung 12 ständig offen ist, ist die Fluidverbindung zwischen der ersten Kanalmündung 7 und der Ventilkammer 3 mittels eines Ventilgliedes 13 des Ventils 1 steuerbar.
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Das Ventilglied 13 hat vorzugsweise eine längliche Gestalt und verfügt über eine imaginäre Längsachse 14. Es ist so ausgerichtet, dass seine Längsachse 14 mit einer ebenfalls imaginären Längsachse 15 der ersten Kanalmündung 7 zusammenfällt.
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Das Ventilglied 13 erstreckt sich in einer Ventilgliedaufnahme 16, die in die Ventilkammer 3 übergeht. Folglich schließt sich die Ventilgliedaufnahme 16 an die Ventilkammer 3 an. Das Ventilglied 13 hat einen vorderen Endabschnitt 17, mit dem es aus der Ventilgliedaufnahme 16 in die Ventilkammer 3 hineinragt. Dabei ist eine axial orientierte vordere Stirnseite 18 des Ventilgliedes 13 der ersten Kanalmündung 7 beziehungsweise dem dieser zugeordneten Ventilsitz 8 zugewandt.
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Die Ventilgliedaufnahme 16 ist peripher und an der der Ventilkammer 3 axial entgegengesetzten Rückseite durch das Ventilgehäuse 2 verschlossen. Ein der Ventilkammer 3 axial entgegengesetzter Endabschnitt der Ventilgliedaufnahme 16 bildet eine hinsichtlich ihrer Funktion noch zu erläuternde Kompensationskammer 22. Sie ist einerseits vom Ventilgehäuse 2 und andererseits von einem hinteren Endabschnitt 23 des Ventilgliedes 13 begrenzt. Letzteres bildet praktisch eine bewegliche Wand der Kompensationskammer 22. Das Ventilglied 13 hat eine axial orientierte hintere Stirnseite 24, die der vorderen Stirnseite 18 axial entgegengesetzt ist und die dem hinteren Endabschnitt 23 zugeordnet ist.
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Ein zwischen dem Ventilglied 13 und dem Ventilgehäuse 2 angeordnetes Dichtelement 25, das zweckmäßigerweise am Ventilglied 13 gehalten ist, bildet eine dynamische Abdichtung und sorgt für eine fluiddichte Abschottung der Kompensationskammer 22.
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An seiner vorderen Stirnseite 18 verfügt das Ventilglied 13 über eine axial orientierte Stirnfläche, die auf Grund ihrer Funktion im Folgenden als Verschlussfläche 26 bezeichnet sei. Die Verschlussfläche 26 erstreckt sich über der ersten Kanalmündung 7, wobei sie dem Ventilsitz 8 zugewandt ist. Auf Veranlassung einer Antriebseinrichtung 27 des Ventils 1, die zweckmäßigerweise von elektrisch betätigbarer Art ist, kann das Ventilglied 13 zu einer linearen Steuerbewegung 28 angetrieben werden, die in der Zeichnung durch einen Doppelpfeil illustriert ist. Dabei kann das Ventilglied 13 wahlweise in einer ersten oder in einer entgegengesetzten zweiten Bewegungsrichtung bewegt werden.
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Im Rahmen der Steuerbewegung 28 kann das Ventilglied 13 in unterschiedlichen Schaltstellungen positioniert werden. Eine dieser Schaltstellungen ist die aus 1 ersichtliche Schließstellung, in der das Ventilglied 13 mit seiner Verschlussfläche 26 an dem Ventilsitz 8 unter Abdichtung anliegt und dabei gleichzeitig die erste Kanalmündung 7 abdeckt. Auf diese Weise ist der erste Ventilkanal 4 von der Ventilkammer 3 und dem damit ständig verbundenen zweiten Ventilkanal 5 abgetrennt. Beim Ausführungsbeispiel ist dadurch der Verbraucher V von der Druckquelle P abgekoppelt.
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Vorzugsweise ist das Ventil 1 mit Federmitteln 32 ausgestattet, die das Ventilglied 13 ständig in Richtung der Schließstellung vorspannen. Die Federmittel 32 sind insbesondere so ausgelegt, dass das Ventilglied 13 im deaktivierten Zustand der Antriebseinrichtung 27 in der Schließstellung festgehalten wird, auch wenn im ersten Ventilkanal 4 der Systemdruck ansteht. Die Antriebseinrichtung 27 ist daher so auszulegen, dass sie in der Lage ist, die Federkräfte zu überwinden, um das Ventilglied 13 in eine Offenstellung zu bewegen.
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Bei den Federmitteln 32 handelt es sich insbesondere um mechanische Federmittel. Exemplarisch sind sie von einer Druckfeder gebildet. Von Vorteil ist es, wenn die Federmittel 32 der hinteren Stirnseite 24 des Ventilgliedes 13 zugeordnet sind, wie dies beim Ausführungsbeispiel der Fall ist. Exemplarisch sind die Federmittel 32 axial zwischen den hinteren Endabschnitt 23 des Ventilgliedes 13 und eine die Kompensationskammer 22 stirnseitig begrenzende Begrenzungswand 33 des Ventilgehäuses 2 eingegliedert.
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Bei einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Federmittel 32 von einer Luftfeder gebildet.
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Die Antriebseinrichtung 27 ist bevorzugt von elektrisch betätigbarer Art. Durch Anlegen einer externen Betätigungsspannung kann die Antriebseinrichtung 27 eine Betätigungskraft hervorrufen, die die Steuerbewegung 28 bewirkt.
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Vorzugsweise verfügt die elektrisch betätigbare Antriebseinrichtung über eine elektrische Spuleneinheit 34, deren Bestromung ein Magnetfeld hervorruft. Die Spuleneinheit 34 ist beim Ausführungsbeispiel am Ventilgehäuse 2 angeordnet und kooperiert mit einem am Ventilglied 13 angeordneten oder unmittelbar von einem Abschnitt des Ventilgliedes 13 gebildeten Kooperationspartner 35. Bei dem Kooperationspartner 35 handelt es sich beispielsweise um eine Permanentmagneteinheit, die nach dem elektrodynamischen Wirkprinzip mit der Spuleneinheit 34 kooperiert. Es ist aber auch möglich, den Kooperationspartner 35 als ferromagnetische Einheit zu konzipieren, die nach dem Reluktanzprinzip mit der Spuleneinheit 34 zusammenwirkt. Abweichend vom Ausführungsbeispiel kann die Spuleneinheit 34 auch am Ventilglied 13 und der Kooperationspartner 35 am Ventilgehäuse 2 angeordnet sein.
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Es versteht sich, dass auch andere Bauformen von Antriebseinrichtungen 27 zur Betätigung des Ventilgliedes 13 vorgesehen sein können.
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Durch entsprechende Betätigung der Antriebseinrichtung 27 kann das Ventilglied 13 aus der Schließstellung in mindestens eine Offenstellung bewegt werden, in der es unter Ausführung der Steuerbewegung 28 von dem Ventilsitz 8 abgehoben und entfernt ist. Auf diese Weise ist die erste Kanalmündung 7 offen und eine Fluidverbindung zwischen dem ersten Ventilkanal 4 und der Ventilkammer 3 beziehungsweise dem damit verbundenen zweiten Ventilkanal 5 freigegeben. Ein Verbraucher V wird nun aus der Druckquelle P mit Druckmedium versorgt.
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Das Ventil 1 kann als Schaltventil ausgeführt sein, das nur eine einzige Offenstellung aufweist, wobei das Ventilglied 13 wahlweise entweder in der Schließstellung oder in der einzigen Offenstellung positionierbar ist. Hiervon abweichend ist das Ventil 1 des Ausführungsbeispiels als ein Proportionalventil ausgebildet, bei dem das Ventilglied 13 in Abhängigkeit von der Höhe der angelegten Betätigungsspannung in unterschiedlichen Offenstellungen positionierbar ist, die sich durch den axialen Abstand zwischen der Verschlussfläche 26 und dem Ventilsitz 8 voneinander unterscheiden. Dieser Abstand bestimmt den freien Strömungsquerschnitt, der dem Druckmedium für den Übertritt zwischen dem ersten Ventilkanal 4 und der Ventilkammer 3 zur Verfügung steht. Auf diese Weise lassen sich mittels des Ventils 1 unterschiedliche Strömungsraten vorgeben.
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Das Ventil 1 des Ausführungsbeispiels ist ein 2/2-Wegeventil. Es kann allerdings auch mit einer anderen Funktionalität ausgebildet sein und beispielsweise mehr als nur zwei Ventilkanäle 4, 5 aufweisen, die durch das Ventilglied 13 hinsichtlich ihrer Fluidverbindung steuerbar sind.
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Das Ventilglied 13 ist in seiner axialen Richtung von mindestens einem und bevorzugt von genau einem Fluidkanal durchsetzt, der auf Grund seiner Wirkungsweise im Folgenden als Kompensationskanal 36 bezeichnet sei. Der Kompensationskanal 36 mündet einerseits zur vorderen Stirnseite 18 und andererseits zur hinteren Stirnseite 24 des Ventilgliedes 13 aus.
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Im Bereich der hinteren Stirnseite 24 kommuniziert der Kompensationskanal 36 ständig mit der Kompensationskammer 32. Er hat eine hintere Kanalmündung 37, die in demjenigen Bereich der hinteren Stirnseite 24 liegt, mit der das Ventilglied 13 die Kompensationskammer 22 begrenzt. Bevorzugt ist die hintere Kanalmündung 37 koaxial zum Ventilglied 13 ausgerichtet.
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An der vorderen Stirnseite 18 des Ventilgliedes 13 mündet der Kompensationskanal 36 mit mindestens einer vorderen Kanalmündung aus, die im Folgenden auf Grund ihrer Funktion als Abgriffsöffnung 38 bezeichnet sei. Die mindestens eine Abgriffsöffnung 38 greift einen im Folgenden nur noch als Druck bezeichneten Fluiddruck aus dem der vorderen Stirnseite 18 des Ventilgliedes 13 vorgelagerten Bereich ab, sodass der abgegriffene Druck in gleicher Höhe auch in der Kompensationskammer 22 im Bereich der Rückseite des Ventilgliedes 13 ansteht.
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Bei dem durch die mindestens eine Abgriffsöffnung 38 abgreifbaren beziehungsweise abgegriffenen Druck handelt es sich um einen statischen Druck, was im Folgenden noch näher erläutert wird.
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Das beispielshaft illustrierte Ventil 1 ist mit mehreren Abgriffsöffnungen 38 ausgestattet, könnte aber auch mit nur einer einzigen Abgriffsöffnung 38 versehen sein. Zur Vereinfachung wird im Folgenden in der Regel nur von der Abgriffsöffnung 38 die Rede sein, auch wenn mehrere Abgriffsöffnungen 38 angesprochen werden.
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Der Kompensationskanal 36 bewirkt, dass in der Kompensationskammer 22 der durch die Abgriffsöffnung 38 abgegriffene Druck herrscht. Dies hat den Effekt, dass das Ventilglied 13 in beiden axialen Richtungen von einem Fluiddruck beaufschlagt ist, was eine gewisse Kompensation der fluidischen Druckkräfte bewirkt und den Effekt hat, dass zum Bewegen und Festhalten des Ventilgliedes 13 eine sehr geringe Betätigungskraft notwendig ist. Dementsprechend kann das Ventil 1 energiesparend und ohne ausgeprägte Wärmeentwicklung betrieben werden.
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Befindet sich das Ventilglied 13 in der Schließstellung ergibt sich die in 1 illustriert Konstellation, bei der keine Fluidströmung zwischen dem ersten Ventilkanal 4 und der Ventilkammer 3 stattfindet. Folglich ist die Verschlussfläche 26 in demjenigen Flächenabschnitt, der vom Ventilsitz 8 der ersten Kanalmündung 7 umrahmt ist, von einem statischen Druck PS1 beaufschlagt, der dem Gesamtdruck beziehungsweise Systemdruck entspricht, der mangels Fluidströmung keine dynamischen Druckanteile hat. Der gleiche statische Druck PS1 wirkt hier durch den Kompensationskanal 36 hindurch auch in der Kompensationskammer 32 und beaufschlagt eine axial entgegengesetzt zu der Verschlussfläche 26 orientierte Kompensationsfläche 42 des Ventilgliedes 13. Die Kompensationsfläche 42 ist diejenige axial orientierte Fläche des Ventilgliedes 13, die die Kompensationskammer 22 axial begrenzt.
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Bevorzugt ist die Kompensationsfläche 42 gleich groß oder zumindest annähernd gleich groß wie die vom Ventilsitz 8 umrahmte Fläche. Dadurch egalisieren sich die einander entgegengesetzt wirkenden und auf dem statischen Druck PS1 basierenden Druckkräfte. Folglich muss die Antriebseinrichtung 27 nur die Federkraft der Federmittel überwinden, um das Ventilglied 13 in eine Offenstellung zu bewegen.
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Man kann das Ventil 1 auch so auslegen, dass die Kompensationsfläche 42 geringfügig größer ist als die im Folgenden auch als Mündungsfläche bezeichnete, vom Ventilsitz 8 umrahmte Fläche des ersten Ventilkanals 4. Auf diese Weise lässt sich ein Sicherheitsaspekt verwirklichen, da das Ventilglied 13 auch dann mit einer vorbestimmten, bevorzugt geringen Kraft in die Schließstellung gedrückt wird, falls die Federmittel 32 ausfallen sollten.
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Eine Besonderheit des Ventils 1 wird in der Ausgestaltung und Anordnung der Abgriffsöffnung 38 gesehen. So befindet sich die Abgriffsöffnung 38 in einem vom Zentrum 43 der Verschlussfläche 26 radial beabstandeten Bereich und ist bezüglich der Längsachse 14 des Ventilgliedes 13 radial und insbesondere radial nach außen orientiert. Das Zentrum 43 liegt auf der Längsachse 14.
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Diese besondere Art der Anordnung und Ausgestaltung der Abgriffsöffnung 38 hat den Effekt, dass die Abgriffsöffnung 38 auch dann, wenn das Ventilglied 13 gemäß 2 und 3 eine Offenstellung einnimmt, nur einen statischen Druck misst. Gemessen wird der statische Druck in einem der vorderen Stirnseite 18 des Ventilgliedes 13 vorgelagerten Bereich, der zu dem Zentrum 43 beziehungsweise zur Längsachse 14 radial beabstandet ist.
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In der Schließstellung gemäß 1 hat die Platzierung der Abgriffsöffnung 38 keine Bedeutung. Der hier abgegriffene Druck ist der dem Gesamtdruck entsprechende statische Druck PS1.
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In der Offenstellung hingegen wirkt auf die Verschlussfläche 26 im Mittel ein statischer Druck PS2, der geringer ist als der Gesamtdruck beziehungsweise der in der Schließstellung herrschende statische Druck PS1. Die Ursache dafür ist, dass sich auf Grund des nun strömenden Druckmediums vor der Verschlussfläche 26 eine in 2 und 3 gestrichelt angedeutete nichtlineare statische Druckverteilung 44 ausbildet. Sie rührt daher, dass der Druck im Bereich des strömenden Druckmediums über dynamische Druckanteile verfügt, womit eine Herabsetzung des statischen Druckes einhergeht. Die dynamischen Druckanteile sind im Zentrumsbereich der Verschlussfläche 26 am geringsten und zumindest annähernd gleich null und nehmen zum Rand der ersten Kanalmündung 7 hin zu. Dementsprechend ergibt sich eine nichtlineare statische Druckverteilung 44, bei der der statische Druck im Bereich des Zentrums 43 ein Maximum hat und zumindest im Wesentlichen dem Gesamtdruck beziehungsweise Systemdruck entspricht, wohingegen er mit zunehmenden radialem Abstand zu diesen Zentrum 43 abnimmt. Das Resultat ist der in 2 und 3 angedeutete gemittelte statische Druck PS2, der in der Öffnungsrichtung auf die Verschlussfläche 26 einwirkt und eine auf das Ventilglied 13 wirkende Öffnungskraft hervorruft.
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Die weiter oben erwähnte besondere Platzierung und Ausrichtung der Abgriffsöffnung 38 hat zur Folge, dass der von ihr abgegriffene Druck niedriger ist als der Gesamtdruck und insbesondere auch niedriger als der dem Gesamtdruck entsprechende maximale statische Druck PS1. Dieser ist in 2 und 3 nur zum besseren Vergleich nochmals mit einer strichpunktierten Linie angedeutet. Wäre die Abgriffsöffnung 38 im Zentrum 43 der Verschlussfläche 26 angeordnet und axial orientiert, würde in der Kompensationskammer 22 der höhere statische Druck PS1 herrschen und eine resultierende Schließkraft auf das Ventilglied 13 hervorrufen, da der in der Öffnungsrichtung wirkende mittlere statische Druck PS2 geringer ist. Diese Kräftedifferenz müsste durch die Antriebseinrichtung 27 mit entsprechendem Energieverbrauch kompensiert werden.
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Erfindungsgemäß ergibt sich nun aber auch in der Kompensationskammer 22 ein reduzierter statischer Druck, weil der Druckabgriff vor der vorderen Stirnseite 18 in einem Bereich stattfindet, in dem der statische Druck auf Grund zusätzlicher dynamischer Druckanteile im Vergleich zum Gesamtdruck reduziert ist. Somit ergibt sich eine Reduktion der schließend wirksamen Druckkräfte.
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Bevorzugt wird das System so ausgelegt, dass der radiale Druckabgriff durch die Abgriffsöffnung 38 in einem solchen, vom Zentrum 43 radial beabstandeten Bereich erfolgt, in dem der statische Druck größenmäßig zumindest im Wesentlichen dem mittleren statischen Druck PS2 entspricht. Dann kann auch in der mindestens einen Offenstellung des Ventilgliedes 13 unter Berücksichtigung der oben geschilderten Flächengleichheit zwischen der Öffnungsfläche der ersten Kanalmündung 7 und der Kompensationsfläche 42 ein zumindest annähernd vollständiger Druckkraftausgleich erzielt werden.
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Bevorzugt ist die Abgriffsöffnung 38 radial außen an mindestens einem und vorzugsweise an genau einem an der vorderen Stirnseite 18 vom Ventilglied 13 axial abstehenden Axialvorsprung ausgebildet, der im Folgenden als Druckabgriffsvorsprung 45 bezeichnet sei. Der Druckabgriffsvorsprung 45 hat vorzugsweise eine zylindrische Außenkontur und ragt über einen ihn radial benachbarten äußeren Flächenabschnitt 26a der Verschlussfläche 26 axial hinaus. Der Druckabgriffsvorsprung 45 hat eine der ersten Kanalmündung 7 zugewandte axiale Außenfläche 46, die einen inneren Flächenabschnitt 26b der Verschlussfläche 26 bildet. Der Druckabgriffsvorsprung 45 ist also stirnseitig auch verschlossen, sodass seine axiale Außenfläche 46 wirkungsmäßig zu der Verschlussfläche 26 gehört.
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Vorzugsweise ist der Druckabgriffsvorsprung 45 im Bereich des Zentrums 43 der Verschlussfläche 26 angeordnet. Er ist insbesondere koaxial zur Längsachse 14 ausgerichtet.
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Der Kompensationskanal 36 erstreckt sich zweckmäßigerweise von der Rückseite des Ventilglieds 13 her axial in den stirnseitig vorne geschlossenen Druckabgriffsvorsprung 45 hinein. Folglich endet der Druckabgriffsvorsprung 45 mit einem axialen Endabschnitt 47 nach Art eines Sackloches im Innern des Druckabgriffsvorsprunges 45. An der vorderen Stirnseite ist dieser axiale Endabschnitt 47 von einer stirnseitigen Abschlusswand 48 des Druckabgriffsvorsprungs 45 begrenzt, der die axiale Außenfläche 46 aufweist.
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Axial zwischen der stirnseitigen Abschlusswand 48 und dem äußeren Flächenabschnitt 26a der Verschlussfläche 26 erstreckt sich ein peripherer, insbesondere rohr- oder hülsenartiger Seitenwandabschnitt 52 des Druckabgriffsvorsprungs 45. Dieser Seitenwandabschnitt 52 ist zur Bildung einer oder mehrerer Abgriffsöffnungen 38 entsprechend einmal oder mehrmals durchbrochen. Jede dieser radialen Durchbrechungen 53 des Seitenwandabschnittes 52 bildet eine Abgriffsöffnung 38.
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Vorzugsweise sind in dem Druckabgriffsvorsprung 45 mehrere Durchbrechungen 53 ausgebildet, die um die Längsachse 14 herum in der Umfangsrichtung des Druckabgriffsvorsprunges 45 verteilt sind, wobei vorzugsweise eine gleichmäßige Verteilung vorliegt. Exemplarisch verfügt der Druckabgriffsvorsprung 45 über vier Durchbrechungen 53 und mithin über vier Abgriffsöffnungen 38.
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Die Mehrzahl von über den Umfang der Längsachse 13 verteilten Abgriffsöffnungen 38 bewirkt eine automatische Mittelwertbildung des an unterschiedlichen Stellen abgegriffenen statischen Druckes, sodass die Druckkompensation wenig anfällig ist für lokale Strömungsunregelmäßigkeiten. Alle der mehreren Abgriffsöffnungen 38 führen in ein und denselben Kompensationskanal 36.
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Zur Kompensationsfläche 42 zählt nicht nur die dem hinteren Endabschnitt 23 zugeordnete hintere Stirnfläche 42a des Ventilgliedes 13, die die Kompensationskammer 22 begrenzt, sondern auch die der axialen Außenfläche 46 entgegengesetzte axiale Innenfläche 42b der stirnseitigen Abschlusswand 48 des Druckabgriffsvorsprunges 45.
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Vorzugsweise ist die Abgriffsöffnung 38 mit einem gewissen axialen Abstand „a” zum benachbarten äußeren Flächenabschnitt 26a der Verschlussfläche 26 angeordnet. Auf diese Weise können Totwassereinflüsse vermieden werden, die im unmittelbaren Nahbereich des äußeren Flächenabschnittes 26a eventuell einen lokalen Anstieg des statischen Druckes hervorrufen.
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Wenn der Druckabgriffsvorsprung 45 im zentralen Bereich des Ventilgliedes 13 platziert ist, weist er einen relativ großen radialen Abstand zum Rand 54 der ersten Kanalmündung 7 auf und mithin auch zum Ventilsitz 8. Dadurch wird der freie Strömungsquerschnitt in der Offenstellung des Ventilgliedes 13 nicht beeinträchtigt. Von Vorteil ist es, wenn die axiale Länge des Druckabgriffsvorsprunges 45 zumindest im Wesentlichen dem maximalen Hub des Ventilgliedes 13 zwischen der Schließstellung und der maximalen Offenstellung entspricht.
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Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die zur Längsachse 14 des Ventilgliedes 13 rechtwinklige Querschnittsfläche des Druckabgriffsvorsprunges 45, die vom peripheren Außenumfang des Druckabgriffsvorsprunges 45 begrenzt ist, kleiner ist als ein ringförmiger Flächenabschnitt der Verschlussfläche 26, der sich in der Schließstellung des Ventilgliedes 13 radial zwischen dem Druckabgriffsvorsprung 45 und dem oben geschilderten Rand 54 der der ersten Kanalmündung 7 erstreckt.
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Bevorzugt ist die Verschlussfläche 26 einschließlich des gegebenenfalls vorhandenen mindestens einen Druckabgriffsvorsprunges 45 Bestandteil eines separaten Verschlusskörpers 55 des Ventilgliedes 13, der an einem Hauptkörper 56 des Ventilgliedes 13 befestigt ist. Beim Ausführungsbeispiel ist dies der Fall. Der Verschlusskörper 55 besteht zweckmäßigerweise in seiner Gesamtheit aus einem Elastomermaterial und ist stirnseitig an dem Hauptkörper 56 fixiert, beispielsweise durch eine Klebeverbindung. Der Hauptkörper 56 repräsentiert vorzugsweise einen Bestandteil der Antriebseinrichtung 17 und kann beispielsweise die Spuleneinheit 34 oder den Kooperationspartner 35 aufweisen.
