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Die Erfindung betrifft einen Ventillinearantrieb zum Anschluss an einen Ventilkörper sowie ein Ventil mit einem Ventillinearantrieb und einem Ventilkörper.
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Aus dem Stand der Technik sind Ventile zur Steuerung oder Regelung von Fluiden bekannt, die einen Ventilkörper und einen vom Ventilkörper separat ausgebildeten Ventillinearantrieb aufweisen, an dem der Ventilkörper angeschlossen werden kann, um das Ventil auszubilden. Der Ventillinearantrieb weist typischerweise eine Antriebseinheit auf, die ein axial verschiebbares Betätigungselement verstellen kann, an dem ein Ventilverschlusselement typischerweise vorgesehen oder angeformt ist. Die Antriebseinheit kann das Betätigungselement zusammen mit dem Ventilverschlusselement in eine Schließstellung verfahren, bei der das Ventilverschlusselement auf einen im Ventilkörper ausgebildeten Ventilsitz aufliegt und diesen abdichtet, sodass kein Fluid durch das Ventil strömen kann.
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Ein Problem ist es, dass sich die Dichtschließkraft des Ventils verringern kann, wenn der Ventillinearantrieb ausgeschaltet bzw. leistungslos geschaltet wird. Dieses Problem kann auch dann auftreten, wenn sich die Komponenten des Ventillinearantriebs beispielsweise aufgrund von thermischen Veränderungen ausdehnen. Das zuvor exakt aufeinander abgestimmte Antriebssystem weist dann größere Toleranzen auf, die zu einer verminderten Dichtschließkraft führen können.
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Ein weiteres Problem ist es, dass der Ventillinearantrieb oder deren Antriebseinheit sich verkeilt oder verblockt, wenn das Betätigungselement in seine Schließstellung verstellt wird. Dies tritt insbesondere dann auf, wenn die Antriebseinheit überlastet wird. Beispielsweise kann dies der Fall sein, wenn das Betätigungselement gegen einen Anschlag gefahren wird, unter anderem den Ventilsitz oder einen internen Anschlag im Antriebssystem.
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Aus der
EP 2 222 524 B1 ist ein Magnetventil bekannt, das eine Einstellfeder zum Einstellen einer Vorspannkraft und eine Regelfeder aufweist, die gegeneinander wirken um eine Summenfederkraft des Federantriebs bereitzustellen, mit der ein Ventilstößel des Magnetventils verstellt wird. Beide Federn weisen eine konstante Federrate auf, sodass auch die Summenfederkraft eine über den Einfederweg konstante Federrate aufweist.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen Ventillinearantrieb bzw. ein Ventil bereitzustellen, mit einem einfachen, zuverlässigen und kostengünstigen Aufbau, der ein Verblocken des Ventillinearantriebs verhindert und mit dem die benötigte Dichtschließkraft bei ausgeschaltetem Ventillinearantrieb aufrecht erhalten werden kann.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Ventillinearantrieb zum Anschluss an einen einen Ventilsitz aufweisenden Ventilkörper gelöst, der wenigstens einen Strömungskanal mit wenigstens einem Einlass und wenigstens einem Auslass hat, wobei der Ventillinearantrieb ein Antriebsgehäuse mit einer darin untergebrachten Antriebseinheit, ein von der Antriebseinheit axial verschiebbares Betätigungselement, das mit einem an den Ventilsitz andrückbaren und den Strömungskanal optional schließenden Ventilverschlusselement gekoppelt ist, sowie eine das Betätigungselement umgebende Abstützeinheit umfasst, die am Ventilsitz befestigbar ausgeführt ist, wobei ein durch Betätigen des Ventillinearantriebs belastetes Federsystem an der Abstützeinheit vorgesehen ist, das in Abhängigkeit vom Einfederweg unterschiedliche Federraten aufweist.
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Der Grundgedanke der Erfindung ist es, einen Ventillinearantrieb bereitzustellen, der ein Federsystem hat, das aufgrund der wegabhängigen Federrate mehrere Sicherheitsfunktionen gleichzeitig bereitstellen kann. Das Federsystem kann beispielsweise einen Verblockungs- bzw. Überlastschutz umfassen und gleichzeitig eine benötigte Dichtschließkraft aufrechterhalten. Diese unterschiedlichen Funktionen können aufgrund der sich ändernden Federsteifigkeit des Federsystems durch ein einziges Federsystem bereitgestellt werden. Der Aufbau des Ventillinearantriebs ist dadurch einfach und kompakt, da das eine Federsystem die mehreren Funktionen aufweist und an einem gemeinsamen Ort bereitstellt. Hierdurch wird zudem die Wartung des Ventillinearantriebs erleichtert.
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Generell entspricht die Federrate der Steigung einer Funktion in einem Kraft-Weg-Diagramm. Die sich ändernde Federrate bzw. Federsteifigkeit des Federsystems in Abhängigkeit vom Einfederweg bedeutet, dass die Funktion der Federkraft in einem Kraft-Weg-Diagramm keine Gerade ist, sondern eine Kurve oder einen Sprung aufweist, also nicht linear ist.
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Der Ventillinearantrieb ist derart eingerichtet, dass das Federsystem die benötigte Dichtschließkraft aufrechthält. Auch wenn der Ventillinearantrieb ausgeschaltet bzw. leistungslos geschaltet ist oder thermische Veränderungen vorliegen, hält das Federsystem die Dichtschließkraft aufrecht. Hierbei auftretende Toleranzen werden vom Federsystem kompensiert.
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Zudem ist der Ventillinearantrieb derart eingerichtet, dass das Federsystem einen Überlastschutz für den Ventillinearantrieb bereitstellt. Der Überlastschutz kommt dann zu tragen, wenn sich der Ventillinearantrieb in seiner Schließstellung befindet und das Betätigungselement weiter in die Schließstellung betätigen würde.
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Ferner ist der Ventillinearantrieb derart eingerichtet, dass das Federsystem einen Verblockungsschutz für den Ventillinearantrieb bereitstellt. Ein Verkeilen oder Verblocken des Ventillinearantriebs wird somit verhindert. Dies gilt insbesondere auch dann, wenn der Ventillinearantrieb alleinstehend ist, also kein Ventilkörper angeschlossen ist.
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Dem Federsystem kommen demnach gleichzeitig drei sicherheitsrelevante Funktionen für den Betrieb des Ventillinearantriebs zu.
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Ein Aspekt sieht vor, dass längs des sich über die Abstützeinheit erstreckenden Kraftflusswegs von der Antriebseinheit zu einer Ankoppelstelle des Ventillinearantriebs an den Ventilkörper eine Linearlagerung vorgesehen ist, die eine axiale Relativverschiebung zweier Abschnitte des Ventillinearantriebs zueinander erlaubt, wobei das Federsystem bestrebt ist, die zwei Abschnitte in eine erste Richtung in eine Ausgangsstellung zu drücken, und wobei das Federsystem so angeordnet ist, dass es axiale Kräfte in einer maximal ausgefahrenen Stellung des Betätigungselements überträgt. Ein kompakter Aufbau des Ventillinearantriebs kann so gewährleistet werden. Das Federsystem wirkt in axialer Richtung und kann aktiv einfedern, wenn eine axiale Relativverschiebung auftritt. Hierdurch können über das Federsystem sowohl in axialer Richtung wirkende Kräfte zumindest teilweise aufgenommen als auch in axialer Richtung wirkende Federkräfte abgegeben werden. Ferner ist das Federsystem auch dann wirksam, wenn kein Ventilkörper angeschlossen ist und das Betätigungselement maximal ausgefahren ist, sodass zumindest eine Sicherheitsfunktion auch beim Ventillinearantrieb ohne daran angeschlossenen Ventilkörper gegeben ist.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Abstützeinheit ein gegenüber dem Antriebgehäuse separates Bauteil, wobei zwischen der Abstützeinheit und dem Antriebsgehäuse die Linearlagerung und das Federsystem angeordnet sind. Hierdurch können sich die Abstützeinheit und das Antriebsgehäuse relativ zueinander axial verschieben. An die Abstützeinheit kann der Ventilkörper fest angeschlossen werden, sodass dieser mit der Abstützeinheit relativ zum Antriebsgehäuse axial verschiebbar ist. Dadurch ergibt sich eine axiale relative Verschiebbarkeit zwischen dem Antriebsgehäuse und dem Ventilkörper, sofern dieser am Ventillinearantrieb angeschlossen ist.
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Ein weiterer Aspekt sieht vor, dass die Abstützeinheit ein das Betätigungselement umschließendes Rohr ist, welches sich in eine Öffnung in einer Stirnwand des Antriebsgehäuses erstreckt, um darin gelagert zu werden, insbesondere wobei am gehäuseseitigen Ende des Rohres das Federsystem angreift, welches an der Gehäuseinnenseite abgestützt ist. Das Federsystem ist somit direkt an der Schnittstelle zwischen der Abstützeinheit und dem Antriebsgehäuse angeordnet, wodurch eine axiale Relativverschiebung der Abstützeinheit in Bezug auf das Antriebsgehäuse über das Federsystem möglich ist. Des Weiteren ist hierdurch sichergestellt, dass die Abstützeinheit zumindest teilweise unverlierbar im Antriebsgehäuse gelagert ist. Die Abstützeinheit kann rotationssymmetrisch ausgebildet sein, beispielsweise dadurch, dass das Rohr einen kreiszylindrischen Querschnitt hat.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform hat die Abstützeinheit zumindest zwei zueinander axial bewegliche, über die Linearlagerung verbundene Abschnitte, zwischen denen das Federsystem wirkt. Gemäß dieser Ausführungsform ist die axiale Relativverschiebung zwischen den beiden Abschnitten der Abstützeinheit vorgesehen. Bei dieser Ausführungsform ist es insbesondere möglich, dass der dem Antriebsgehäuse zugeordnete Abschnitt der Abstützeinheit fest mit dem Antriebsgehäuse verbunden ist, wohingegen an den anderen Abschnitt der Ventilkörper anschließbar ist.
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Insbesondere können die zwei zueinander axial beweglichen Abschnitte teleskopartig ineinandergeschoben werden. Hierdurch kann ein Ventillinearantrieb bereitgestellt werden, der einen großen maximalen Verstellweg aufweist und dennoch kompakt ausgeführt ist.
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Das Federsystem kann wenigstens ein erstes Teilfedersystem und ein zweites Teilfedersystem umfassen, die unterschiedliche Federraten besitzen. Ein besonders einfach ausgebildetes Federsystem ist so geschaffen, welches zumindest zwei unterschiedliche Federraten hat. Das Federsystem kann so zwei Funktionen an einem einzigen Ort aufweisen. Ferner kann eines der beiden Teilfedersysteme in einfacher Weise getauscht bzw. durch ein anderes ersetzt werden, um die Charakteristik des Federsystems nachträglich zu verändern. Die Wartung ist hierdurch ebenfalls vereinfacht.
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Insbesondere können die Teilfedersysteme in Reihe geschaltet sein. Hierdurch ergibt sich ein besonders einfacher und kompakter Aufbau des Federsystems. Ferner kann die Federrate des Federsystems in einfacher Weise vom Einfederweg abhängig ausgebildet werden, da zunächst maßgeblich oder fast ausschließlich dasjenige Teilfedersystem mit der geringeren Federrate aktiv ist.
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Das Federsystem kann durch mehrere Teilfedersysteme aufgebaut sein. Die Teilfedersysteme liegen, insbesondere in einer Ausgangsstellung, vorzugsweise direkt aneinander an, also ohne zwischengeschaltete materialsteifere Elemente.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist das erste Teilfedersystem ein Schließsystem, das das Betätigungselement bei nicht aktivierter Antriebseinheit in Richtung Schließstellung drückt, und das zweite Teilfedersystem ein Überlastschutz, das einfedert, wenn der nicht mit einem Ventilkörper gekoppelte Ventillinearantrieb das Betätigungselement maximal nach außen und gegen einen internen Anschlag fährt. Die beiden Teilfedersysteme decken somit jeweils eine unterschiedliche Funktion des Federsystems ab. Die Teilfedersysteme sind derart angeordnet, dass zunächst maßgeblich fast nur das erste Teilfedersystem bei einem ersten, kürzeren Einfederweg aktiv ist und eine zusätzliche Kraft auf das Ventilverschlusselement ausübt. Dagegen federt das zweite Teilfedersystem merklich erst ein, wenn ein zuvor bestimmter Verstellweg überschritten ist. Das zweite Teilfedersystem dient insbesondere zur Aufnahme von Kräften, die von der Antriebseinheit ausgehen. Aufgrund der Ausgestaltung des zweiten Teilfedersystems ist darüber hinaus sichergestellt, dass dieses auch aktiv ist, wenn an den Ventillinearantrieb kein Ventilkörper angeschlossen ist. Die Überlastschutzfunktion ist somit beim separat ausgebildeten Ventillinearantrieb bereits vollständig funktionsfähig.
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Insbesondere weist das zweite Teilfedersystem eine höhere Federrate als das erste Teilfedersystem auf. Dies hängt mit den unterschiedlichen Funktionen zusammen, die die beiden Teilfedersysteme abdecken. Das zweite Teilfedersystem schützt den Ventillinearantrieb, insbesondere die darin untergebrachte Antriebseinheit, vor einer mechanischen Überlastung, weswegen es eine höhere Federrate aufweist. Dagegen hält das erste Teilfedersystem eine zusätzliche Dichtschließkraft aufrecht, wenn sich das Ventilverschlusselement in einer Schließstellung befindet und die Antriebseinheit ausgeschaltet ist. Die Antriebseinheit wird aufgrund der geringeren Federrate des ersten Teilfedersystems kaum belastet, wenn das Betätigungselement entgegen der Federkraft des ersten Teilfedersystems verstellt wird.
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Ein weiterer Aspekt sieht vor, dass das zweite Teilfedersystem eine Federrate zwischen 400 N/mm und 16000 N/mm aufweist, insbesondere bei etwa 500 N/mm, und/oder das erste Teilfedersystem eine Federrate zwischen 0,1 N/mm und 600 N/mm aufweist, insbesondere bei etwa 200 N/mm. Dies sind typische Federraten, die geeignet sind, um die unterschiedlichen Funktionen der Teilfedersysteme zu gewährleisten. Insbesondere hängen die gewählten Federraten von der Größe des Ventillinearantriebs sowie der Stärke der Antriebseinheit ab.
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Das erste und/oder das zweite Teilfedersystem können bzw. kann aus mehreren Federelementen gebildet sein, die insbesondere in Reihe geschaltet sind. Über die Anzahl der Federelemente kann die Federrate entsprechend eingestellt werden. Ferner kann so ein Teilfedersystem mit einer höheren Federrate in einfacher Weise bereitgestellt werden. Eine nachträgliche Änderung oder Anpassung der Federrate eines Teilfedersystems oder beider Teilfedersysteme ist ebenfalls möglich, indem ein Federelement getauscht oder ein zusätzliches hinzugefügt wird. Die Teilfedersysteme können generell als Federpakete ausgebildet sein.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel können das erste Teilfedersystem und das zweite Teilfedersystem aus jeweils zumindest einer das Betätigungselement umgebenden Tellerfeder gebildet sein, wobei die Tellerfedern der Teilfedersysteme übereinander gestapelt sind. Hierdurch ist ein rotationssymmetrischer sowie kompakter Aufbau des Federsystems geschaffen, da die beiden Teilfedersysteme direkt übereinander gestapelt sind. Ferner wird hierdurch die Kraftübertragung optimiert, da eine homogen verteilte Kraftübertragung vorliegt.
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Ein weiterer Aspekt sieht vor, dass zumindest ein zwischen den Federelementen vorhandener Federwegbegrenzer vorgesehen ist, der den Federweg des Federsystems begrenzt. Der Federwegbegrenzer stellt sicher, dass das Federsystem nur einen begrenzten Federweg zur Verfügung hat. Der Federwegbegrenzer ist hierfür vorzugsweise im ersten Teilfedersystem angeordnet, sodass ab einem bestimmten Federweg des gesamten Federsystems der Federweg des ersten Teilfedersystems durch den Federwegbegrenzer begrenzt wird. Dies hat zur Folge, dass ab diesem bestimmten Federweg nur noch das zweite Teilfedersystem aktiv ist und den Ventillinearantrieb vor einer Überlastung schützt. Der im ersten Teilfedersystem angeordnete Federwegbegrenzer stellt somit einen gezielten Übergang vom ersten zum zweiten Teilfedersystem sicher.
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Insbesondere kann das Betätigungselement ein Ventilstößel sein, an dessen Ende das Ventilverschlusselement vorgesehen ist. Hierdurch kann ein Ventilantrieb ausgebildet werden, bei dem das Betätigungselement und das Ventilverschlusselement insbesondere einteilig ausgebildet sind.
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Ein Aspekt sieht vor, dass die Linearlagerung zusätzlich ein Drehlager bildet, das zwei Abschnitte des Ventillinearantriebs relativ zueinander, verdrehbar lagert, vorzugsweise um mehr als 360°. Diese Funktion wird unter anderem durch das Federsystem ermöglicht, da das Federsystem rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Hierdurch kann der Ventillinearantrieb in verschiedenen Stellungen verwendet werden, wodurch eine höhere Flexibilität beispielsweise zur Ausrichtung der Anschlüsse des Ventilantriebs vorliegt.
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Die Aufgabe der Erfindung wird ferner durch ein Ventil mit einem Ventilkörper sowie einem Ventillinearantrieb gemäß der zuvor beschriebenen Art gelöst, wobei der Ventilkörper wenigstens einen Einlass, wenigstens einen Auslass, wenigstens einen Strömungskanal und wenigstens einen Ventilsitz aufweist. Die zuvor genannten Vorteile des Ventillinearantriebs sind in analoger Weise auf das Ventil übertragbar.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Abstützeinheit am Ventilkörper befestigt, wobei die Linearlagerung sowie das Federsystem zwischen der Abstützeinheit und dem Ventilkörper vorgesehen sind. Das derart ausgebildete Ventil zeichnet sich dadurch aus, dass die axiale Verschiebbarkeit zwischen dem Ventilkörper und dem gesamten Ventillinearantrieb vorgesehen ist, insbesondere zwischen dem Ventilkörper und der Abstützeinheit, die Teil des Ventillinearantriebs ist. Der Ventillinearantrieb an sich kann einteilig ausgebildet sein, sodass keine axiale Relativverschiebung der Komponenten möglich ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist das Federsystem derart ausgebildet, dass der Ventillinearantrieb relativ zum Ventilkörper um die Längsachse vorzugweise um mehr als 360°, d.h. insbesondere endlos, verdrehbar ist, insbesondere wobei die Linearlagerung auch ein Drehlager bildet. Die relative Drehbarkeit des Ventillinearantriebs, insbesondere des Antriebsgehäuses, in Bezug auf den Ventilkörper ist ebenfalls bei angeschlossenem Ventilkörper gegeben. Der gesamte Ventillinearantrieb kann demnach relativ zum Ventilkörper verdreht werden.
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Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine Perspektivansicht eines erfindungsgemäßen Ventils,
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2 eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Ventils aus 1 im Bereich der Abstützeinheit,
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3 eine Ansicht des in 2 gezeigten Ventils in einer geöffneten Stellung, wobei die Schnittebene leicht anders als die in 2 gewählt ist,
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4 die Detailansicht des in 2 gezeigten Ventils in einer Schließstellung, und
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5 eine Federkennlinie des verwendeten Federsystems.
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In 1 ist ein Ventil 10 gezeigt, das einen Ventillinearantrieb 12 mit einem Antriebsgehäuse 14 sowie einen Ventilkörper 16 umfasst.
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Der Ventilkörper 16 weist einen Einlass 18 und einen Auslass 20 auf. Zwischen dem Einlass 18 und dem Auslass 20 ist ein Strömungskanal 22 ausgebildet, durch den ein Fluid strömen kann, dessen Durchflussmenge durch das Ventil 10 eingestellt werden kann, insbesondere geregelt oder gesteuert.
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Der Ventilkörper 16 ist an dem separat ausgebildeten Ventillinearantrieb 12 über eine Ankoppelstelle 23 angeschlossen, die an einer Abstützeinheit 24 des Ventillinearantriebs 12 vorgesehen ist. Die Abstützeinheit 24 ist in der gezeigten Ausführungsform separat vom Antriebsgehäuse 14 sowie separat vom Ventilkörper 16 ausgebildet, wie unter anderem aus der 2 hervorgeht, in der das Ventil 10 in einer Schnittdarstellung im Bereich der Abstützeinheit 24 gezeigt ist.
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2 zeigt, dass der Ventillinearantrieb 12 eine Antriebseinheit 26 aufweist, die in der 2 gestrichelt dargestellt ist. Ein axial verschiebbares Betätigungselement 28 ist mit der Antriebseinheit 26 gekoppelt und kann durch die Antriebseinheit 26 angetrieben und so verstellt werden. Die Antriebseinheit 26 kann eine pneumatisch, hydraulisch oder elektrisch betätigbare Antriebseinheit sein. Alternativ kann es sich bei der Antriebseinheit 26 auch um eine manuell zu betätigende Antriebseinheit handeln.
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Die Antriebseinheit 26 oder allgemein der Ventillinearantrieb 12 können eine Übersetzung 27 aufweisen, die in der gezeigten Ausführungsform als Spindel-Mutter-Anordnung ausgebildet ist, die eine rotatorische Bewegung eines Elektromotors in eine lineare Bewegung des Betätigungselements 28 übersetzt.
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Das Betätigungselement 28 ist in der gezeigten Ausführungsform als eine Ventilspindel ausgebildet, die sich von der Übersetzung 27 durch die rohrförmig ausgebildete Abstützeinheit 24 bis in den Ventilkörper 16 erstreckt. Die Abstützeinheit 24 kann daher auch als Spindelrohr bezeichnet werden. Das Betätigungselement 28 weist ein axiales Ende 30 auf, das dem Ventilkörper 16 zugeordnet ist. An diesem axialen Ende 30 ist ein Ventilverschlusselement 32 am Betätigungselement 28 angeordnet, das separat von diesem ausgebildet sein kann.
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Das Ventilverschlusselement 32 kann mit einem im Ventilkörper 16 ausgebildeten Ventilsitz 34 zusammenwirken, um das Ventil 10 zu schließen. Hierzu wird das Betätigungselement 28 von der Antriebseinheit 26 in seine Schließstellung verstellt, sodass das Ventilverschlusselement 32 auf dem Ventilsitz 34 dichtend aufliegt. Das Fluid kann dann nicht mehr durch den Strömungskanal 22 strömen, da dieser versperrt ist.
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Am Ventilsitz 34 kann eine Dichtung 35a vorgesehen sein, die mit dem Ventilverschlusselement 32 zusammenwirkt, um die Dichtwirkung zu verbessern, wenn das Ventilverschlusselement 32 auf dem Ventilsitz 34 aufliegt. Alternativ oder ergänzend kann eine Dichtung 35b am Ventilverschlusselement 32 vorgesehen sein.
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Generell dient das Ventilverschlusselement 32 dazu, den Querschnitt durch den Strömungskanal 22 zu verändern, wodurch eine Durchflussmenge des Fluids eingestellt werden kann. Das Ventilverschlusselement 32 kann also verschiedene Zwischenpositionen zwischen der Offenstellung (3) und der Schließstellung (4) einnehmen.
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Das Betätigungselement 28 kann insbesondere als Ventilstößel ausgebildet sein, an dessen Ende das Ventilverschlusselement 32 einteilig ausgebildet ist.
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Ferner geht aus der 2 hervor, dass das Antriebsgehäuse 14 mehrteilig ist, da es ein stirnseitiges Deckelelement 14a mit einer Stirnwand 36 sowie ein mantelförmiges Gehäuseteil 14b umfasst, welches mit dem Deckelelement 14a gekoppelt ist. Ferner weist das Gehäuse 14 einen zum Deckelelement 14a gegenüberliegenden Gehäusedeckel 14c auf (siehe 1), der ebenfalls mit dem mantelförmigen Gehäuseteil 14b gekoppelt ist.
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Das Antriebsgehäuse 14, insbesondere das Deckelelement 14a, weist im Bereich der Stirnwand 36 eine Öffnung 38 auf, in die die Abstützeinheit 24 eingesetzt ist. Die Abstützeinheit 24 erstreckt sich teilweise durch die Öffnung 38 bis in das Antriebsgehäuse 14 hinein und ist dort axial verschiebbar geführt. Das in das Antriebsgehäuse 14 hineinragende axiale Ende 40 der Abstützeinheit 24 ist kragenartig geformt, wobei das Ende 40 beispielsweise derart hergestellt oder nachträglich umgeformt sein kann, insbesondere umgebogen.
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Am umgeformten Ende 40 der Abstützeinheit 24 liegt ein scheiben- bzw. ringförmiges Abstützelement 42 an, an dem sich ferner ein Federsystem 44 abstützt. Das Abstützelement 42 dient zur verbesserten Anlage des Federsystems 44 sowie zur Vorspannung des Federsystems 44, wie nachfolgend noch erläutert wird.
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Generell ist das Federsystem 44 im Kraftflussweg zwischen der Antriebseinheit 26 und der Ankoppelstelle 23 des Ventillinearantriebs 12 am Ventilkörper 16 vorgesehen, wodurch unter anderem die axiale Relativverschiebung zwischen zwei Abschnitten des Ventillinearantriebs 12 möglich ist. Die Antriebseinheit 26 ist mit dem Antriebsgehäuse 14 fest gekoppelt, insbesondere mit dem Gehäusedeckel 14c oder dem mantelförmigen Gehäuseteil 14b.
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In der gezeigten Ausführungsform ist das Federsystem 44 so angeordnet, dass es sich mit seinem ersten Ende über das Abstützelement 42 an der vom Antriebsgehäuse 14 separat ausgebildeten Abstützeinheit 24 sowie mit seinem zweiten Ende an einer Innenseite des Antriebsgehäuses 14 abstützt, insbesondere der Innenseite des Deckelelements 14a. Hierdurch liegt das Federsystem 44 federnd im axialen Kraftflussweg zwischen dem Ventilkörper 16 und dem Antriebsgehäuse 14, sodass axiale Druckkräfte übertragen werden können. Aufgrund der Anordnung des Federsystems 44 zwischen dem Antriebsgehäuse 14 und der Abstützeinheit 24 kann sich das Antriebsgehäuse 14 relativ zur Abstützeinheit 24 sowie dem daran fest angeschlossenen Ventilkörper 16 in axialer Richtung verschieben.
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Im Bereich des Federsystems 44 ist demnach eine Linearlagerung 45 ausgebildet, die die axiale Relativverschiebung der Abstützeinheit 24 in Bezug auf das Antriebsgehäuse 14 ermöglicht.
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Das Federsystem 44 umfasst in der gezeigten Ausführungsform ein erstes Teilfedersystem 46 sowie ein zweites Teilfedersystem 48, die in Reihe angeordnet und direkt aufeinanderliegend angeordnet sind. Die beiden Teilfedersysteme 46, 48 weisen zudem eine unterschiedliche Federrate auf, wie aus der 5 hervorgeht, auf die später Bezug genommen wird. Aufgrund der unterschiedlichen Federraten der in Reihe angeordneten Teilfedersysteme 46, 48 hat das gesamte Federsystem 44 eine federwegabhängige Federrate bzw. eine vom Einfederweg des Federsystems 44 abhängige Federrate.
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Alternativ kann das Federsystem 44 auch mehr als zwei Teilfedersysteme aufweisen, wodurch eine entsprechend feinere Einstellung der wegabhängigen Federrate des Federsystems 44 möglich ist.
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In einer weiteren alternativen Ausgestaltung kann das Federsystem 44 durch eine einzige Feder ausgebildet sein, die beispielsweise mehrere Stufen hat, wodurch die wegabhängige Federrate realisiert ist.
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In der gezeigten Ausführungsform sind die beiden Teilfedersysteme 46, 48 jeweils aus Tellerfedern gebildet, die übereinandergestapelt sind und das Betätigungselement 28 umgeben. Die Tellerfedern sind demnach im Wesentlichen scheiben- bzw. ringförmig ausgebildet und wirken in homogener Weise auf das Antriebsgehäuse 14 sowie das Abstützelement 42.
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Unter anderem aufgrund der rotationssymmetrischen Ausgestaltung des Federsystems 44 kann die Linearlagerung 45 gleichzeitig ein Drehlager bilden, wodurch die zueinander axial verschiebbaren Abschnitte des Ventillinearantriebs 12 zudem relativ zueinander verdrehbar gelagert sind. Das bedeutet, dass in der gezeigten Ausführungsform das Antriebsgehäuse 14 und die Abstützeinheit 24 mit dem daran angeschlossenen Ventilkörper 16 um mehr als 360 ° zueinander verdreht werden können. Dadurch kann der Ventillinearantrieb 12 sowie das Ventil 10 bei verschiedenen Einbaupositionen eingesetzt werden.
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Das erste Teilfedersystem 46 ist in der gezeigten Ausführungsform durch zwei Federelemente ausgebildet, die in Reihe geschaltet sind und somit ein Federpaket bilden. Das zweite Teilfedersystem 48 weist hingegen lediglich ein einziges Federelement auf. Das zweite Teilfedersystem 48 kann wie das erste Teilfedersystem 46 durch mehrere Federelemente gebildet sein oder das erste Teilfedersystem 46 wie das zweite Teilfedersystem 48 lediglich durch ein Federelement.
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Generell können anstatt oder ergänzend zu den gezeigten Tellerfedern Schraubenfedern, Blattfedern, Elastomerfedern oder Torsionsfedern verwendet werden, die auch miteinander kombiniert werden können, um die gewünschten Federraten und Eigenschaften zu erzielen.
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Aus der 2 geht ferner hervor, dass ein Federwegbegrenzer 50 im Federsystem 44 vorgesehen ist. Der Federwegbegrenzer 50 ist in der gezeigten Ausführungsform ein zwischen den beiden Federelementen des ersten Teilfedersystems 46 angeordneter Ring und begrenzt dadurch den Federweg des ersten Teilfedersystems 46, wie nachfolgend noch erläutert wird.
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Alternativ oder ergänzend kann ein Federwegbegrenzer auch im zweiten Teilfedersystem 48 vorgesehen sein.
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Die 3 zeigt, dass sich das Ventil 10 in seiner Offenstellung befindet. In dieser Stellung hat die Antriebseinheit 26 das Betätigungselement 28 vollständig eingefahren, sodass das Ventilverschlusselement 32 nicht mit dem Ventilsitz 34 in Kontakt steht. Der freie Strömungsquerschnitt im Strömungskanal 22 ist in der gezeigten Offenstellung maximal.
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In der Offenstellung liegt die Abstützeinheit 24 über eine Anschlagsfläche 52 an einem Anschlag 54 an, der am Gehäuse 14 ausgebildet ist. An dem Anschlag 54 ist zudem eine Dichtung 56 vorgesehen, die ringförmig ausgebildet ist. Der Anschlag 54 begrenzt somit die axiale Relativbewegung der Abstützeinheit 24 zum Gehäuse 14.
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Ein Vergleich der 2 und 3 zeigt, dass das Betätigungselement 28 und das daran angeordnete Ventilverschlusselement 32 bereits in der in 2 gezeigten Stellung fast in der Offenstellung gewesen sind. Dies erkennt man besonders gut an der Position des Abstützelements 42.
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In der 4 ist derselbe Ausschnitt wie in der 3 gezeigt, allerdings ist das Betätigungselement 28 sowie das daran angeordnete Ventilverschlusselement 32 von der Antriebseinheit 26 in die Schließstellung verstellt worden.
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In dieser Stellung wird die Gegenkraft zur axialen Verschlusskraft über die Abstützeinheit 24, das daran anliegende Abstützelement 42 und das sich am Abstützelement 42 abstützende Federsystem 44 auf das Antriebsgehäuse 14 übertragen, an dem die Antriebseinheit 26 befestigt ist. Entsprechend befindet sich das Federsystem 44 im axialen Kraftflussweg.
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Ferner liegt die Abstützeinheit 24 in der Schließstellung nicht mehr über seine Anschlagsfläche 52 am Anschlag 54 an, sodass ein Spalt zwischen dem Gehäuse 14 und der Abstützeinheit 24 im Bereich des Anschlags 54 ausgebildet ist.
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Mit Bezug auf die 5, in der die Federkennlinie des Federsystems 44 in einer normierten Darstellung gezeigt ist, wird die Funktionsweise des Federsystems 44 erläutert.
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In der in 3 gezeigten Offenstellung befindet sich der Ventillinearantrieb 12 in seiner Ausgangsstellung, in der das Betätigungselement 28 vollständig eingefahren ist. In dieser Stellung kann das Federsystem 44 je nach Auslegung und Anordnung des Abstützelements 42 vorgespannt werden. Diese Ausgangsstellung entspricht einem Verstellweg von +10 in dem in 5 dargestellten Diagramm.
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Wenn das Betätigungselement 28 mit dem Ventilverschlusselement 32 von der in 3 gezeigten Offenstellung in die Schließstellung überführt wird, welche in 4 gezeigt ist, so muss eine Kraft entgegen der in der 5 dargestellten Kraft A im Bereich des Wegs von +10 bis 0 aufgebracht werden.
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Sobald das Ventilverschlusselement 32 den Ventilsitz 34 erreicht, was dem Verstellweg bei 0 entspricht, steigt die benötigte Kraft an, um das Betätigungselement 28 weiter zu verstellen. Die an dieser Position herrschende Mindestdichtschließkraft B beträgt mindestens 100 % der auf das Ventilverschlusselement 32 wirkenden Kraft durch das Fluid. Dies garantiert, dass das Ventilverschlusselement 32 nicht aufgrund der auf das Ventilverschlusselement 32 wirkenden Fluidkraft verstellt und geöffnet werden kann. Vorzugsweise beträgt die Mindestdichtschließkraft B wenigstens 105 % der Fluidkraft.
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Von dieser Position aus verstellt die Antriebseinheit 26 das Betätigungselement 28 weiter axial in Richtung des Ventilsitzes 34, sodass die zwischen dem Ventilverschlusselement 32 und dem Ventilsitz 34 vorgesehenen Dichtung 35a und/oder 35b stärker zusammengedrückt werden bzw. wird.
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Wenn das Betätigungselement 28 über den Verstellweg bei 0 weiter axial verstellt wird, dann wird maßgeblich, d.h. fast nur das erste Teilfedersystem 46 komprimiert, wobei der Ventillinearantrieb 12 eine entsprechend höhere, gegen die Dichtschließfederkraft C wirkende Kraft über einen Weg S ausüben muss, wie aus dem Diagramm in 5 hervorgeht.
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Umso weiter das Betätigungselement 28 entlang des Verstellwegs S verstellt wird, desto stärker wird das erste Teilfedersystem 46 zusammengedrückt. Gleichzeitig bewegt sich das Antriebsgehäuse 14 in axialer Richtung relativ zur Abstützeinheit 24. Dies ist gut zu erkennen, wenn die 3 und 4 im Bereich der Öffnung 38 in der Stirnwand 36 oder die Position der Abstützelemente 42 verglichen werden.
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Das erste Teilfedersystem 46 ist so ausgebildet, dass die Dichtschließfederkraft C möglichst konstant über den Weg S ist. In der Praxis ergeben sich jedoch minimale Abweichungen von diesem theoretischen Idealfall. Die Federkraft des ersten Teilfedersystems 46 ist derart gewählt, dass sich eine Dichtschließfederkraft C einstellt, die ausreichend hoch ist, um die Dichtfunktion aufrechtzuerhalten und gleichzeitig nicht zu hoch ist, sodass die Antriebseinheit 26 und die Dichtung nicht unnötig belastet werden, wenn sie das Betätigungselement 28 entgegen der Dichtschließfederkraft C verstellt.
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Der Weg S wird typischerweise so lang gewählt, dass alle möglichen Längenänderungen aufgrund von thermischen Einflüssen, das Setzen der Dichtungen 35a, 35b und ein mögliches Spiel im Ventillinearantrieb 12 berücksichtigt werden, um sicherzustellen, dass diese ausgeglichen werden können. Üblicherweise beträgt der Weg S ungefähr 2 % bis 15 % des gesamten Verstellwegs des Ventils 10, insbesondere zwischen 5 % und 10 %. Der Weg S bzw. der Verstellweg entlang des Wegs S garantiert, dass die benötigte Dichtschließkraft dauerhaft aufgebracht werden kann, auch wenn die Antriebseinheit 26 ausgeschaltet ist.
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Im Normalbetrieb wird die Antriebseinheit 26 ungefähr bei der Hälfte des Wegs S ausgeschaltet, sodass das Ventilverschlusselement 32 in dieser Position verbleibt und eine ausreichende Dichtschließkraft über das erste Teilfedersystem 46 garantiert ist. Diese Stellung des Ventilverschlusselements 32 kann ferner aufgrund der Selbsthemmung der Komponenten des Ventillinearantriebs 12 gehalten werden.
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Sollte die Antriebseinheit 26 das Betätigungselement 28 mit dem Ventilverschlusselement 32 weiter als den im Normalbetrieb vorgesehen Punkt verstellen, so kann das erste Teilfedersystem 46 maximal komprimiert werden oder der im ersten Teilfedersystem 46 vorgesehene Federwegbegrenzer 50 kommt zum Einsatz. Dies ist in der 4 sowie in dem Diagramm der 5 gezeigt.
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Die Kraft wird ab dem Punkt D (siehe 5) nicht mehr über das erste Teilfedersystem 46 übertragen, da die beiden Federelemente des ersten Teilfedersystems 46 den dazwischenliegenden Federwegbegrenzer 50 kontaktieren. Das erste Teilfedersystem 46 ist somit nicht mehr komprimierbar, was zur Folge hat, dass das zweite Teilfedersystem 48 maßgeblich aktiv wird. Das zweite Teilfedersystem 48 federt demnach erst ein, wenn ein bestimmter Federweg des Federsystems 44 bzw. Verstellweg des Betätigungselements 28 erreicht ist. Über den Federwegbegrenzer 50 kann ein gezielter Übergang eingestellt werden, ab dem das zweite Teilfedersystem 48 einfedert.
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Wie bereits erwähnt, weisen die beiden Teilfedersysteme 46, 48 unterschiedliche Federraten auf, wodurch das Federsystem 44 eine federwegabhängige Federrate hat. Dies geht auch in anschaulicher Weise aus der 5 hervor.
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Das zweite Teilfedersystem 48 weist eine deutlich höhere Federkennlinie als das erste Teilfedersystem 46 auf. Beispielsweise kann das zweite Teilfedersystem 48 eine Federrate zwischen 400 N/mm und 16000 N/mm aufweisen, insbesondere liegt die Federrate des zweiten Teilfedersystems 48 bei etwa 500 N/mm. Dagegen kann das erste Teilfedersystem 46 eine Federrate zwischen 0,1 N/mm und 600 N/mm aufweisen. Insbesondere liegt die Federrate des ersten Teilfedersystems 46 bei etwa 200 N/mm.
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Aufgrund der höheren Federrate des zweiten Teilfedersystems 48 ist sichergestellt, dass die Antriebseinheit 26 vor einer mechanischen Überlastung geschützt ist. Diese Sicherheitsfunktion ist insbesondere beim schnellen Verstellen des Ventils 10 in seine Schließstellung von Bedeutung. Die Antriebseinheit 26 muss aufgrund des zweiten Teilfedersystems 48 gegen dessen höhere Federrate arbeiten und trifft nicht direkt auf einen Anschlag, wie den Ventilsitz 34 oder einen internen Anschlag. Bei dem ungebremsten Auftreffen könnte sich die Antriebseinheit 26 ansonsten mechanisch verkeilen bzw. blockieren.
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Das erste Teilfedersystem 46 stellt dagegen lediglich ein Schließsystem dar, welches das Betätigungselement 28 sowie das daran angeordnete Verschlusselement 32 bei nicht aktivierter Antriebseinheit 26 in Richtung Schließstellung beaufschlagt, sodass das Ventil 10 in seiner Schließstellung verbleibt, auch wenn die Antriebseinheit 26 ausgeschaltet ist.
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Demnach stellt das Federsystem 44 aufgrund der federwegabhängigen Federrate ein einheitliches Federsystem bereit, das zwei Funktionen beinhaltet, nämlich den Überlastschutz sowie die Aufrechterhaltung der benötigten Dichtungsschließkraft. Des Weiteren wird über das Federsystem 44 eine Verdrehbarkeit des Antriebsgehäuses 14 in Bezug auf den Ventilkörper 16 bzw. die Abstützeinheit 24 erreicht, wie bereits erwähnt worden ist. Das in der Ausführungsform dargestellte Federsystem 44 weist somit sogar drei Funktionen auf.
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Das Federsystem 44 ist auch wirksam, wenn kein Ventilkörper 16 am Ventillinearantrieb 12 angeschlossen ist. Hierbei würde das Betätigungselement 28 soweit nach unten verstellt, bis eine Anschlagsfläche der Mutter der Mutter-Spindel-Anordnung 27 mit dem Ende 40 der Abstützeinheit 24 in Kontakt käme (siehe 2). Das Federsystem 44 würde dann in analoger Weise zu 4 aktiviert werden und eine Verblockung der Antriebseinheit 26 wirksam verhindern.
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Ferner kann eine Steuerung vorgesehen sein, die die Stromaufnahme des Ventillinearantriebs 12 aufzeichnet, insbesondere der Antriebseinheit 26. Aufgrund der unterschiedlichen Federkennlinien der beiden Teilsysteme 46, 48 ergibt sich eine unterschiedliche Stromaufnahme. Mit Hilfe der aufgezeichneten und anschließend ausgewerteten Daten kann eine Betriebsoptimierung des Ventillinearantriebs 12 durchgeführt werden.
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Bei einer weiteren, hier nicht dargestellten Ausführungsform kann die Abstützeinheit 24 zweiteilig ausgebildet sein, wobei das Federsystem 44 zwischen zwei Abschnitten der Abstützeinheit 24 angeordnet ist. Die Linearlagerung findet dann zwischen den beiden Abschnitten der Abstützeinheit 24 statt, sodass die beiden Abschnitte zueinander axial beweglich sind. Der Abschnitt der Abstützeinheit 24, der dem Antriebsgehäuse 14 zugeordnet ist, kann mit dem Antriebsgehäuse 14 einstückig verbunden sein.
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Vorteilhafterweise können die beiden Abschnitte der Abstützeinheit 24 teleskopartig ineinandergeschoben werden, sodass ein kompakter Aufbau und dennoch großer Verstellweg des Ventillinearantriebs 12 möglich ist.
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In einer anderen, hier nicht dargestellten Ausführungsform ist das Federsystem 44 im Bereich der Ankoppelstelle 23 des Ventillinearantriebs 12 am Ventilkörper 16 vorgesehen, sodass auch dort die Linearlagerung ist. In dieser Ausführungsform kann die Abstützeinheit 24 einteilig mit dem Antriebsgehäuse 14 ausgebildet sein, insbesondere dem Deckelelement 14a.
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Die Abstützeinheit 24 sowie deren Abschnitte, das Federsystem 44 sowie die Ankoppelstelle 23 können insbesondere derart ausgebildet sein, dass die entsprechende Linearlagerung gleichzeitig ein Drehlager bildet.
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Erfindungsgemäß ist somit ein Ventillinearantrieb 12 sowie ein Ventil 10 geschaffen, das einen kompakten Aufbau aufweist, bei dem ein Federsystem 44 vorgesehen ist, das mehrere Funktionen an einem Ort vereint.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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