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Die Erfindung betrifft eine Ventil-Dämpfer-Kombination aus einem Rückschlagventil und einem Pulsationsdämpfer für eine Fluidleitung einer Heißgetränkezubereitungsmaschine, insbesondere für Haushaltszwecke.
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Insbesondere beim Einsatz von Hubkolbenpumpen werden Vorrichtungen benötigt, um aus der alternierenden Bewegung des Kolbens in einem Zylinder einen gerichteten Fluidstrom zu erzeugen. Gewöhnlich werden dazu Rückschlagventile eingesetzt. Gleichzeitig kommt es beim Einsatz solcher pulsweise fördernder Pumpen zu Druckstößen in den angeschlossenen Fluidsystemen. Solche Druckstöße oder Pulsationen sind unerwünscht, weil sie Vibrationen und Geräusche verursachen und eine Belastung der angeschlossenen Baugruppen darstellen.
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Die
DE 10 2009 046 578 A1 offenbart einen Pulsationsdämpfer umfassend eine Dämpferbasis mit einer Basisplatte mit einer Oberfläche mit einem Ein- und Auslass und mit Anschlüssen, einen Aufsatz und eine elastische Membran, die fluiddicht an einer Dichtfläche anliegt, wobei die Oberfläche der Basisplatte erhabene und/oder tieferliegende Bereiche aufweist.
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In Hinblick auf den Stand der Technik stellt sich die Erfindung die Aufgabe, ein Rückschlag-ventil und einen Pulsationsdämpfer zur Verfügung zu stellen, die sich aufgrund ihrer einfachen und kostengünstigen Bauweise für den Einsatz in Massenprodukten eignet, die mit pulsweise fördernden Pumpen ausgerüstet sind.
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Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch eine Ventil-Dämpfer-Kombination aus einem Rückschlagventil einerseits und einem Pulsationsdämpfer andererseits gelöst, die einen Ventilkörper und einen Ventilsitz im Rückschlagventil umfasst, auf den der Ventilkörper durch eine Federkraft dichtend andrückbar ist und eine in einem Gehäuse befestigte flexible Membran im Pulsationsdämpfer aufweist, wobei der Ventilkörper an der Membran ausgebildet ist, die zumindest mit einem Teilabschnitt auf den Ventilsitz fluiddicht andrückbar ist. Die Erfindung wendet sich also davon ab, ein Rückschlagventil einerseits und einen Pulsationsdämpfer andererseits voneinander getrennt anzuordnen. Sie verfolgt vielmehr das Prinzip, ein Rückschlagventil und einen Pulsationsdämpfer in einem gemeinsamen Gehäuse miteinander zu kombinieren, indem eine Membran bzw. ein Teilabschnitt von ihr sowohl als Ventilkörper mit einem Ventilsitz zusammenwirkt als auch aufgrund ihrer elastischen Eigenschaften als dämpfender Bestandteil eines Pulsationsdämpfers dient. Durch die Doppelfunktion der bzw. durch die Funktionenzusammenfassung in der Membran lässt sich die Ventil-Dämpfer-Kombination wesentlich kompakter aufbauen als separate Anordnungen. Die erfindungsgemäße Ventil-Dämpfer-Kombination zeichnet sich daher durch eine einfache und kostengünstige Bauweise und eine sehr gute Dämpfungswirkung und Verlässlichkeit aus. Sie eignet sich insbesondere für den Einsatz in Massenprodukten mit pulsweise fördernden Hubkolbenpumpen, wie insbesondere bei Heißgetränkezubereitungsmaschinen.
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Stromab des Rückschlagventils ist vorteilhafterweise ein Raum angeordnet, in den das zu fördernde Fluid eintritt, um anschließend dem Pulsationsdämpfer ausgesetzt zu werden. Die Membran als Ventilkörper kann dazu an ihrem dem Ventilsitz zugewandten Teilabschnitt eine Art Stempel aufweisen, der zylinderförmig, kubisch oder kalottenförmig ausgebildet sein kann, um dichtend mit dem Ventilsitz zusammen zu wirken. Durch den von der Membran abstehenden Stempel kann so stromauf der Membran und neben dem Stempel ein Raum entstehen, in den das Fluid nach Passieren des Rückschlagventils einströmen kann. Nach einer vorteilhaften, dazu alternativen Ausgestaltung kann sich ein kragenförmiger, zum Beispiel hohlzylinderstumpfförmiger Ventilsitz mit einer weitgehend ebenen Dichtfläche über eine Basisfläche erheben und einem dann scheibenförmigen Teilabschnitt der Membran als Ventilkörper zugewandt sein. Der kragenförmige Ventilsitz dient somit als Abstandshalter zwischen der Basisfläche und der weitgehend parallel dazu ausgerichteten Membran. Er schafft damit einen ersten Dämpfungsraum zwischen der Basisfläche und der Membran. Auch eine Mischform der beiden genannten Anordnungen ist denkbar, indem sich der Ventilsitz kragenförmig von der Basisplatte erhebt und mit einem gegenüberliegenden Stempel an der Membran zusammenwirkt. Jedenfalls mit dem kragenförmigen Ventilsitz lässt sich kostengünstig ein Raum stromab des Rückschlagventils schaffen, weil der Ventilsitz sich beispielsweise im Spritzgussverfahren einfach ausbilden lässt.
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Häufig wird der Ventilkörper eines Rückschlagventils durch die Federkraft eines Vorspann-elements auf den Ventilsitz gedrückt. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die elastische Membran in sich selbst in Richtung auf den Ventilsitz hin, also entgegen der Anströmrichtung des Fluids an der Membran, vorgespannt sein. Dadurch erübrigt sich ein separates federndes Vorspannelement. Mit ihm können Herstellungskosten und Montageaufwand entfallen.
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Die Membran als elastisches Element muss im Gehäuse der Ventil-Dämpfer-Kombination, das in der Regel aus Kunststoff besteht, lagegenau befestigt werden. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Membran zwischen zwei Gehäuseteilen des Gehäuses eingespannt und so umfangsseitig befestigt werden. Dazu kann das Gehäuse vorzugsweise in der Erstreckungsebene der Membran geteilt sein, womit sich deren Montage erleichtert.
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Als fluidführendes Gehäuse müssen seine Bestandteile gegeneinander abgedichtet werden. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Membran zusätzlich als ein Dichtelement zwischen den Gehäuseteilen wirken. Durch diese Funktionenkombination können die Teilezahl der Ventil-Dämpfer-Kombination und deren Montageaufwand weiter reduziert werden, da Herstellung und Montage einer zusätzlichen Dichtung entfallen.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die eine vorzugsweise scheibenförmige Membran mit einer randseitig umlaufenden Verdickung oder Wulst ausgestattet sein. Die Verdickung kann in entsprechende Nuten in den Gehäuseteilen eingelegt werden. Durch eine geeignete, aufeinander abgestimmte Dimensionierung der Verdickung einerseits und der Nuten andererseits kann die Verdickung die aneinander befestigten Gehäuseteile gegeneinander abdichten. Außerdem kann die Verdickung die Membran auch zwischen den Gehäuseteilen lagegerecht festhalten.
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Nach Passieren des Rückschlagventils strömt das pulsierende Fluid in den ersten Dämpfungsraum zwischen der Basisplatte und der Membran ein. Eine elastische Verformung der Membran unter einem Druckstoß des Fluids führt bereits zu dessen Dämpfung. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung können die den ersten Dämpfungsraum begrenzenden Wandungen mit Oberflächenstrukturen ausgestattet sein, die eine weitere Pulsationsdämpfung erreichen. Solche pulsationsdämpfende Oberflächenstrukturen mit rippen- oder sheddachförmiger Geometrie sind in der Patentanmeldung
DE 10 2009 046 578 A1 dargestellt. Sie soll insoweit als Bestandteil der vorliegenden Beschreibung gelten. Als derart gestaltete Wandungen des ersten Dämpfungsraums können sowohl die dem Ventilsitz zugewandte Seite der Membran als auch zumindest ein Abschnitt der Basisplatte mit pulsationsdämpfenden Oberflächenstrukturen ausgerüstet sein. Vorteilhafterweise werden die pulsationsdämpfenden Oberflächenstrukturen zumindest an der Basisplatte ausgebildet, weil sie sich als Spritzgussteil kostengünstig herstellen lässt.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung ist die Membran mit Durchgangsöffnungen versehen, welche vom Fluid durchströmt werden können. Durch ihre geometrische Anordnung in Bezug auf den Ventilsitz kann ein möglichst langer Fließweg des Fluids zwischen ihnen und dem Ventilsitz (wenn auch in Gegenrichtung) erreicht werden. Damit kann das Fluid möglichst lange den pulsationsdämpfenden Oberflächenstrukturen ausgesetzt sein, womit eine optimale Pulsationsdämpfung auf möglichst kurzer Fließstrecke erreicht werden kann.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform einer im Wesentlichen zylindrischen Ventil-Dämpfer-Kombination können der Ventilsitz in einer Hauptachse der Ventil-Dämpfer-Kombination und die Durchgangsöffnungen in einem koaxial zur Hauptachse verlaufenden Ring angeordnet sein. Dadurch lassen sich zum einen ein kompakter Aufbau und zum anderen eine gleichmäßige Strömungsverteilung im Ventil erreichen.
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Die erfindungsgemäße Ventil-Dämpfer-Kombination eignet sich insbesondere für den Einsatz in einfachen Systemen mit pulsweise fördernden Förderpumpen, wie beispielsweise bei Heißgetränkezubereitungsmaschinen, insbesondere in Kaffeevollautomaten, Kaffeekapsel- oder Kaffeepadmaschinen, und vor allem solche für Haushaltszwecke.
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Das Prinzip der Erfindung wird im Folgenden anhand einer Zeichnung beispielshalber noch näher erläutert. In der Zeichnung zeigt die einzige 1 eine geschnittene Seitenansicht einer Ventil-Dämpfer-Kombination aus einem Rückschlagventil und einem Pulsationsdämpfer.
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Die Ventil-Dämpfer-Kombination enthält einen Hohlzylinder 1, dessen Rotationsachse a die Hauptachse der Ventil-Dämpfer-Kombination darstellt. Der Hohlzylinder 1 ist an einer seiner Deckflächen mit einer kreisscheibenförmigen Basisplatte 2 abgedeckt. Koaxial auf der Basisplatte 2 sitzt ein kuppelförmiger Aufsatz 3. Er schließt mit der Basisplatte 2 einen Hohlraum 4 ein. Der Aufsatz 3 besitzt einen rohrförmigen Auslass 5, der koaxial zur Rotationsachse a angeordnet ist. Der Auslass 5 ist mit einem Schlauchanschluss 6 (oder alternativ mit einem Gewinde) ausgestattet und kann ggf. ein nicht dargestelltes angebautes Überdruckventil enthalten.
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Mit einem Kolben 7 im Hohlzylinder 1 lässt sich ein Wasserstrom erzeugen, indem der Kolben 7 im Hohlzylinder 1 entlang der Rotationsachse a in Richtung des Aufsatzes 3 geführt wird. In dieser Strömungsrichtung A strömt der Wasserstrom durch eine koaxiale Öffnung 8 in der Basisplatte 2. Die Öffnung 8 umzieht ein Kragen bzw. Hohlzylinderstumpf, der von der Basisplatte 2 in Strömungsrichtung absteht und einen Ventilsitz 9 bildet.
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Eine scheibenförmige, zur Rotationsachse a koaxial angeordnete und elastische Membran 10 unterteilt den Hohlraum 4 zwischen der Basisplatte 2 und dem Aufsatz 3 in zwei Teilhohl-räume, einen ersten Dämpfungshohlraum 11 unter bzw. stromauf der Membran 10 und einen zweiten Dämpfungshohlraum 12 oberhalb bzw. stromab der Membran 10.
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Entlang ihres Umfangs besitzt die Membran 10 eine Wulst 15, die etwa dreimal so dick ist wie die Membran 10 im verbleibenden Abschnitt. Mit der Wulst 15 liegt die Membran 10 in einander gegen-überliegenden Ringnuten 16 und 17 mit einem rechteckigen Querschnitt, die sowohl im Auf-satz 3 als auch in der Basisplatte 2 und dort mit gleichem Radius, koaxial und einander zu-gewandt angeordnet sind. Da die Wulst 15 in den Nuten 16, 17 zwischen den aneinander befestigten Hauptbauteilen der Ventil-Dämpfer-Kombination, dem Hohlzylinder 1 und dem Aufsatz 3, eingespannt ist, befestigt sie die Membran 10. Zugleich dient sie als Dichtelement zwischen dem Hohlzylinder 1 und dem Aufsatz 3 und gewährleistet die Dichtheit der Dämp-fungshohlräume 11, 12.
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Die Membran 10 ist in der Nähe der Wulst 15 mit zylindrischen Durchgangsöffnungen 14 ausgestattet, die konzentrisch um die Rotationsachse a angeordnet sind und eine Verbindung zwischen dem ersten Dämpfungshohlraum 11 und dem zweiten Dämpfungshohlraum 12 herstellen.
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Im zweiten Dämpfungshohlraum 12 stützt sich eine Schraubenfeder 13 koaxial zur Rotationsachse a zwischen einer Innenseite 18 des Aufsatzes 3 und der Membran 10 ab. Im Ruhezustand drückt die Schraubenfeder 13 die Membran 10 entgegen der Strömungsrichtung des Wasserstroms auf den Kragen 9, so dass die Membran 10 mit ihrem zentralen Teilab-schnitt 10a als Ventilkörper 10a den Kragen 9 und damit die Öffnung 8 dichtend verschließt.
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Die Ventil-Dämpfer-Kombination ist stromab einer Hubkolbenpumpe mit dem Kolben 7 angeordnet, die Wasser in Intervallen bzw. mit Druckstößen in der Strömungsrichtung A pumpt. Das periodische Ausstoßen des Kolbens 7 bildet die regelmäßigen Druckstöße eines pulsierenden Wasserstroms. Jeder Druckstoß hebt die elastische Membran 10 gegen die Kraft der Feder 13 vom Kragen 9 ab. Das Wasser strömt daher in den ersten Dämpfungshohlraum 11 unter der Membran 10. Beim Zurückfahren des Kolbens 7, also beim Ansaugen der Kolben-pumpe, verschließt die Membran 10 den Kragen 9 und damit die Öffnung 8 aufgrund der Federkraft der Feder 13. Der Teilbereich 10a der Membran 10 bildet somit zusammen mit dem Kragen 9 ein Rückschlagventil, so dass kein Wasser aus dem Hohlraum 4 in den Hohl-zylinder 1 zurückströmen kann.
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Mit dem nächsten Druckstoß strömt das Wasser aus dem ersten Dämpfungshohlraum 11 durch die Durchgangsöffnungen 14 der Membran 10 hindurch in den zweiten Dämpfungshohlraum 12. Von dort aus verlässt es die Ventil-Dämpfer-Kombination durch den Auslass 5 hindurch.
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Auf seinem Weg von dem Kragen 9 zu den Durchgangsöffnungen 14 passiert das Wasser die Membran 10. Zumindest ein Teil der Kraft der Druckstöße wird in der Membran 10 und der Feder 13 gespeichert, indem sie den Druckstößen unter Gegendruck nachgeben und sich in Richtung des Auslasses 5 verschieben lassen. Bei nachlassendem Druck wird die in der Feder 13 und in der Membran 10 gespeicherte Kraft an das Wasser zurückgegeben. Auf diese Weise werden die Druckstöße der Kolbenpumpe gedämpft.
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Da es sich bei den vorhergehenden, detailliert beschriebenen Ventil-Dämpfer-Kombination um ein Ausführungsbeispiel handelt, kann es in üblicher Weise vom Fachmann in einem weiten Umfang modifiziert werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Insbesondere können auch die geometrische Anordnung und die konkreten Ausgestaltungen der Durchgangsöffnungen in der Membran in anderer Form als in der hier beschriebenen erfolgen. Ebenso kann das Gehäuse der Ventil-Dämpfer-Kombination in einer anderen Form ausgestaltet werden, wenn dies aus Platzgründen bzw. designerischen Gründen notwendig ist. Weiterhin schließt die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht aus, dass die betreffenden Merkmale auch mehrmals oder mehrfach vorhanden sein können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hohlzylinder
- 2
- Basisplatte
- 3
- Aufsatz
- 4
- Hohlraum
- 5
- Auslass
- 6
- Schlauchanschluss
- 7
- Kolben
- 8
- Öffnung
- 9
- Ventilsitz
- 10
- Membran
- 10a
- Teilabschnitt der Membran 10
- 11
- erster Dämpfungshohlraum
- 12
- zweiter Dämpfungshohlraum
- 13
- Feder
- 14
- Durchgangsöffnung
- 15
- Dichtelement
- 16
- Nut im Aufsatz 3
- 17
- Nut in der Basisplatte 2
- 18
- Innenseite des Aufsatzes 3
- a
- Rotationsachse
- A
- Strömungsrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009046578 A1 [0003, 0011]
