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Die Erfindung betrifft ein multistabiles Ventil, mit einem Ventilgrundkörper und einem mittels einer Betätigungseinrichtung des Ventils relativ zu dem Ventilgrundkörper bewegbaren und abwechselnd in mehreren unterschiedlichen Schaltstellungen positionierbaren Ventilglied, wobei die Betätigungseinrichtung in der Lage ist, das Ventilglied zu aufeinanderfolgenden Bewegungszyklen beliebiger Anzahl anzutreiben, die sich jeweils aus einer ersten Hubbewegung und einer diesbezüglich entgegengesetzt gerichteten zweiten Hubbewegung zusammensetzen, wobei das Ventilglied durch das Zusammenwirken zwischen einer an dem Ventilgrundkörper angeordneten ersten Positionierstruktur und einer an einem mit dem Ventilglied bewegungsgekoppelten Antriebskörper angeordneten zweiten Positionierstruktur nach jedem Bewegungszyklus eine andere stabile Schaltstellung als nach dem vorausgegangenen Bewegungszyklus einnimmt, und wobei die beiden Positionierstrukturen in ihrer Formgebung derart aufeinander abgestimmt sind, dass das Ventilglied durch die Bewegungszyklen in wenigstens drei sich voneinander unterscheidenden stabilen Schaltstellungen positionierbar ist.
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Ein aus der
DE 10 2008 038 437 A1 bekanntes Ventil ist als ein bistabiles Ventil konzipiert und enthält eine nach Art einer Kugelschreibermechanik ausgebildete Betätigungseinrichtung, die in der Lage ist, ein bewegliches Ventilglied abwechselnd in zwei unterschiedlichen stabilen Schaltstellungen zu positionieren. Ein Vorteil des konstruktiven Aufbaus besteht darin, dass zwischen den beiden stabilen Schaltstellungen mittels einer stets in der gleichen Richtung wirkenden Betätigungskraft einer Aktoreinheit umgeschaltet werden kann.
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Ein nach einem vergleichbaren Funktionsprinzip arbeitendes bistabiles Magnetventil ist aus der
AT 000353 U1 bekannt. Ein Ventilglied kann hier durch aufeinanderfolgende Aktivierung eines Elektromagneten abwechselnd in einer Schließstellung und in einer stabilen Offenstellung positioniert werden.
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Aus der
DE 10 2013 213 275 A1 ist ein als sanitäres Schaltventil realisiertes multistabiles Ventil der eingangs genannten Art bekannt, das ein scheibenförmiges Ventilglied aufweist, das von einer axialen Ventilöffnung durchsetzt ist. Das Ventilglied ist durch eine Weiterschalteinrichtung verdrehbar und dadurch in drei stabilen Schaltstellungen positionierbar, in denen die Ventilöffnung mit jeweils einem von drei Ventilauslässen fluchtet. Bei dem Weiterschaltvorgang wirkt das Ventilglied mit Zwangsführungsmitteln zusammen, sodass das Ventilglied auch eine hin und her gehende Hubbewegung ausführt.
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Die
EP 0 251 075 A2 offenbart ein Magnetventil mit einem als Ventilglied fungierenden Schieber, der in drei Schaltstellungen positionierbar ist. Eine mittlere Schaltstellung ist durch eine Schenkelfeder stabilisiert, zwei weitere Schaltstellungen können durch elektromagnetische Kräfte vorgegeben werden.
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Aus der
EP 2 159 461 A1 ist eine Anlage zum Heben und Senken eines Fahrzeugaufbaus bekannt, die mit einem Hebe-Senk-Ventil ausgestattet ist. Dabei kann über eine elektromagnetische Betätigungseinrichtung eine Einpresskraft eines Kulissenfingers in eine Kulisse einer Kulissenführung verändert werden, was unterschiedliche stabile Schaltstellungen hervorruft.
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Die
DE 29 43 996 A1 beschreibt einen Gashahn mit einem thermoelektrischen Sicherheitsventil, wobei eine Kurvensteuerung vorgesehen ist, die eine Drehbewegung des Hahngriffes in eine Vorschubbewegung eines axial verschiebbaren Stößels umsetzt. Somit kann ein zum öffnen des Sicherheitsventils herangezogener Öffnungshub erzeugt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein für ein breites Anwendungsspektrum geeignetes, kostengünstig herstellbares multistabiles Ventil zu schaffen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist in Verbindung mit den eingangs genannten Merkmalen bei einer ersten Variante der Erfindung vorgesehen, dass die eine Positionierstruktur unverdrehbar an dem Ventilgrundkörper und die andere Positionierstruktur zur Ermöglichung einer rotativen Vorschubbewegung verdrehbar an dem Antriebskörper angeordnet ist, oder dass die eine Positionierstruktur zur Ermöglichung einer rotativen getakteten Vorschubbewegung drehbar an dem Ventilgrundkörper und die andere Positionierstruktur unverdrehbar an dem Antriebskörper angeordnet ist.
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Zur Lösung der Aufgabe ist in Verbindung mit den eingangs genannten Merkmalen bei einer zweiten Variante der Erfindung vorgesehen, dass eine der Positionierstrukturen zwei Positionierkulissen mit sich jeweils quer zu den Bewegungsrichtungen der Hubbewegungen des Ventilgliedes erstreckendem Längsverlauf aufweist, deren Konturen als Positionierkonturen zur Vorgabe der Schaltstellungen des Ventilgliedes usgebildet sind, mit denen jeweils mindestens ein Positionierindexmittel der anderen Positionierstruktur zusammenwirkt, das bei den Bewegungszyklen des Ventilgliedes entlang der zugeordneten Positionierkulisse bewegbar ist.
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Auf diese Weise liegt ein Ventil vor, dessen Ventilglied durch aufeinanderfolgende Bewegungszyklen mit jeweils einer hin- und hergehenden Hubbewegung in mehr als zwei stabilen Schaltstellungen positionierbar ist. Die beiden Positionierstrukturen können beispielsweise so aufeinander abgestimmt sein, dass drei unterschiedliche stabile Schaltstellungen des Ventilgliedes möglich sind oder dass das Ventilglied sogar in einer noch größeren Anzahl von stabilen Schaltstellungen positionierbar ist. Die Bewegungsabfolge des Ventilgliedes beim Umschalten zwischen aufeinanderfolgenden Schaltstellungen ist stets die gleiche und umfasst einen Bewegungszyklus mit einer in einer ersten Bewegungsrichtung orientierten ersten Hubbewegung und einer zweiten Hubbewegung, die in einer zu der ersten Bewegungsrichtung entgegengesetzten zweiten Bewegungsrichtung orientiert ist. Dabei kann beispielsweise die einen Umschaltvorgang auslösende erste Hubbewegung durch gesteuerte Auferlegung einer Betätigungskraft, beispielsweise durch die Aktivierung einer elektrisch betätigbaren Aktoreinheit hervorgerufen werden, während die zweite Hubbewegung durch Deaktivierung dieser Aktoreinheit aufgrund einer auf das Ventilglied einwirkenden Federeinrichtung erzeugbar ist. Somit kann das Umschalten zwischen den einzelnen stabilen Schaltstellungen durch eine stets mit gleicher Wirkrichtung auf das Ventilglied einwirkende gesteuerte Betätigungskraft ausgelöst werden.
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Jede der mehreren Schaltstellungen ist bevorzugt dadurch definiert und stabilisiert, dass die beiden Positionierstrukturen durch eine Federkraft zur gegenseitigen Anlage aneinander angedrückt werden. Ausgehend hiervon können die Positionierstrukturen bevorzugt bei jedem Bewegungszyklus zunächst durch Aufbringung einer Betätigungskraft entgegen der Federkraft voneinander wegbewegt werden, um nach anschließender Wegnahme der Betätigungskraft durch Federkraft in eine aneinander anliegende Relativposition zurückzukehren, die wiederum eine stabile Schaltstellung definiert, sich aber von der zuvor eingenommenen Schaltstellung unterscheidet.
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Durch die mehr als zweifache multistabile Funktionalität verfügt das Ventil über ein sehr breites Anwendungsspektrum, wobei insbesondere die Möglichkeit besteht, durch mehrstufiges Umschalten zwischen einer Schließstellung und mehreren, unterschiedliche Strömungsquerschnitte freigebenden Offenstellungen zu wechseln, was man sich beispielsweise in Abfüllanlagen beim Abfüllen von Flüssigkeiten zunutze machen kann, um Behältnisse mit hoher Strömungsrate zunächst größtenteils zu füllen und anschließend die endgültige Feindosierung der Füllmenge mittels einer oder mehreren reduzierten Strömungsraten abzuschließen.
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Bei der ersten Erfindungsvariante ist eine der beiden Positionierstrukturen unverdrehbar am Ventilgrundkörper angeordnet, während die am Antriebskörper angeordnete und dessen Hubbewegungen mitmachende andere Positionierstruktur verdrehbar an dem Antriebskörper gelagert ist, sodass sie eine entsprechend orientierte rotative Vorschubbewegung ausführen kann, bei der es sich um eine getaktete Vorschubbewegung handelt, wobei jeder Vorschubtakt mit einem Bewegungszyklus des Ventilgliedes zusammenfällt. Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass der Antriebskörper oder ein den Antriebskörper aufweisendes Ventilglied selbst keine den Hubbewegungen überlagerte Querbewegungen ausführt, was dem Verschleißverhalten des Ventils zugutekommt. Eine vertauschte Anordnung, d. h. eine feste Anbringung der einen Positionierstruktur am Antriebskörper und eine quer zu den Hubbewegungsrichtungen des Ventilgliedes rotativ bewegliche Anbringung der anderen Positionierstruktur am Ventilgrundkörper ist ebenfalls möglich.
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Bei der zweiten Erfindungsvariante verfügt eine der Positionierstrukturen über zwei Positionierkulissen, die jeweils einen sich quer zu den Hubbewegungsrichtungen des Ventilgliedes erstreckenden Längsverlauf haben. Der Längsverlauf folgt vorzugsweise einem Kreisbogen. Die Konturen der Positionierkulissen fungieren als Positionierkonturen zur Vorgabe der Schaltstellungen des Ventilgliedes, indem sie jeweils mit mindestens einem Positionierindexmittel der anderen Positionierstruktur zusammenwirken. Bei den Bewegungszyklen des Ventilgliedes bewegen sich die Positionierindexmittel entlang der jeweils zugeordneten Positionierkulisse, wobei abhängig von der konstruktiven Ausgestaltung entweder die Positionierindexmittel stillstehen und sich die Positionierstrukturen bewegen, oder umgekehrt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Bevorzugt verfügt eine der beiden Positionierkulissen über eine in der Bewegungsrichtung der ersten Hubbewegung des Ventilgliedes weisende erste Positionierkontur, die mit einem ersten Positionierindexmittel zusammenwirkt. Die andere Positionierkulisse hat eine in der Bewegungsrichtung der zweiten Hubbewegung des Ventilgliedes weisende zweite Positionierkontur, die mit einem zweiten Positionierindexmittel zusammenwirkt. Bei jedem Bewegungszyklus kooperieren die beiden Positionierindexmittel untereinander abwechselnd mit der ihnen jeweils zugeordneten Positionierkulisse.
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Bevorzugt sind die mit den beiden Positionierkulissen zusammenarbeitenden Positionierindexmittel in der Richtung des Längsverlaufes der Positionierkulissen versetzt zueinander angeordnet.
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Schaltvorgänge und Positionierungen mit sehr hoher Präzision bei gleichzeitig kostengünstiger Herstellbarkeit ergeben sich, wenn die beiden Positionierkulissen derart konturiert sind, dass sie in der Richtung ihres Längsverlaufes eine abwechselnde Aufeinanderfolge von in der Bewegungsrichtung der Hubbewegungen des Ventilgliedes orientierten Vorsprüngen und Vertiefungen aufweisen, mit denen das jeweils zugeordnete Positionierindexmittel kraftschlüssig und/oder formschlüssig zusammenwirken kann. Vorzugsweise dienen die Vorsprünge zur Erzeugung einer in der Längsrichtung der Positionierkulissen orientierten relativen Vorschubbewegung und die Vertiefungen zur relativen Positionierung zwischen den beiden Positionierstrukturen. Bevorzugt sind die Positionierstrukturen sägezahnartig konturiert.
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Jede Positionierkontur verfügt vorzugsweise über eine der Anzahl der stabilen Schaltstellungen entsprechende Mindestanzahl von Vertiefungen, die in der Bewegungsrichtung der Hubbewegungen unterschiedlich tief sind, sodass das zugeordnete Positionierindexmittel abhängig von der Schaltstellung unterschiedlich tief in die Vertiefungen eintauchen kann.
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Die beiden Positionierkulissen können bezogen auf eine zur Achsrichtung der Hubbewegungen des Ventilgliedes rechtwinkelige Ebene spiegelsymmetrisch zueinander ausgebildet sein. Alternativ dazu ist allerdings auch eine zueinander asymmetrische Gestaltung der beiden Positionierkulissen vorteilhaft, wodurch die Vielfalt der Einflussnahmen auf das Schaltverhalten des Ventils noch weiter vergrößert wird. Sind asymmetrische Positionierkulissen als Bestandteile eines eigenständigen Positionierstruktur-Ringkörpers ausgebildet, besteht die Möglichkeit, durch einen um 180° verdrehten Einbau das Schaltverhalten des Ventils einfach und kostengünstig zu verändern.
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Der mit der zweiten Positionierstruktur ausgestattete Antriebskörper ist vorzugsweise ein fester Bestandteil des Ventilgliedes. Es kann sich bei diesem Antriebskörper beispielsweise um einen Schaftabschnitt eines auch als Ventilglied fungierenden beweglichen Ankers eines elektromagnetisch betätigbaren Ventils handeln. Bei einer abgewandelten Ausführungsform sind Antriebskörper und Ventilglied als voneinander gesonderte Komponenten ausgebildet, wobei allerdings der Antriebskörper in der Lage ist, zumindest zeitweilig auf das Ventilglied einzuwirken, um dessen Hubbewegungen hervorzurufen. Der Antriebskörper kann hier beispielsweise ein koaxial zu dem Ventilglied angeordneter Betätigungsstößel sein.
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Die beiden Positionierstrukturen sind in ihrer Formgebung zweckmäßigerweise so aufeinander abgestimmt, dass das Ventilglied bei seiner Betätigung sich wiederholende Abfolgen von Bewegungszyklen durchläuft, die jeweils mindestens drei aufeinanderfolgende Bewegungszyklen umfassen, aus denen eine der Anzahl der Bewegungszyklen entsprechende Anzahl sich voneinander unterscheidender Schaltstellungen resultiert. Bei den aufeinanderfolgenden Betätigungsvorgängen schließen sich demnach die unterschiedlichen Schaltstellungen in bevorzugt regelmäßiger Abfolge stets unmittelbar aneinander an, sodass bei einer beispielhaften Anwendung sich voneinander unterscheidende erste, zweite und dritte Schaltstellungen in dieser Reihenfolge fortlaufend durchschaltbar sind. Allerdings kann durch entsprechende Ausgestaltung der Positionierstrukturen eine beliebige Reihenfolge und auch eine wechselnde Reihenfolge des Durchschaltens der grundsätzlich möglichen, mindestens drei Schaltstellungen erreicht werden. Es kann für jeden Bewegungszyklus eine beliebige Positionierungshöhe eingestellt bzw. erreicht werden. Dadurch besteht beispielsweise die Möglichkeit, ein multistabiles Ventil so auszubilden, dass es zunächst aus seiner Schließstellung in eine erste Offenstellung umschaltet, um anschließend wieder in die Schließstellung zurückzuschalten und erst daran anschließend in eine sich von der ersten Offenstellung unterscheidende zweite Offenstellung umzuschalten.
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Das Ausführen einer rotativen getakteten Vorschubbewegung wird auf besonders einfache Weise dadurch ermöglicht, dass die betreffende Positionierstruktur ringförmig ausgebildet ist und Bestandteil eines Positionierstruktur-Ringkörpers ist, der am Ventilgrundkörper oder am Antriebskörper um seine zentrale Längsachse herum drehbar gelagert ist. Der Positionierstruktur-Ringkörper enthält zweckmäßigerweise einen ringförmigen Tragkörper, an dessen Außenumfang oder Innenumfang die zugeordnete Positionierstruktur ausgebildet ist, wobei diese Positionierstruktur ringförmig ausgebildet ist, also einen ringförmig in sich geschlossenen Längsverlauf hat.
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Eine ringförmig ausgebildete Positionierstruktur kann auch ortsfest am Ventilgrundkörper oder am Antriebskörper des Ventilgliedes angeordnet sein.
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Die Betätigungseinrichtung kann ohne weiteres zur Auferlegung einer manuellen oder einer fluidischen Betätigungskraft ausgebildet sein. Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn die Betätigungseinrichtung zur gesteuerten Erzeugung einer Betätigungskraft mit einer elektrisch betätigbaren Aktoreinheit ausgestattet ist, die gegen eine entgegengesetzte wirkende Federeinrichtung arbeitet. So kann die eine der beiden Hubbewegungen durch Aktivierung der Aktoreinheit und dabei erfolgende Überwindung der Federkraft der Federeinrichtung und die entgegengesetzte Hubbewegung durch deaktivieren der Aktoreinheit ausgelöst werden.
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Das Ventil ist vorzugsweise als Magnetventil ausgebildet, dessen Betätigungseinrichtung zum Antreiben des Ventilgliedes eine als Elektromagneteinheit ausgebildete Aktoreinheit enthält. Der Antriebskörper ist in diesem Fall bevorzugt von einem beweglichen Anker der Elektromagneteinheit gebildet, der in einer Richtung zweckmäßigerweise durch eine Federeinrichtung vorgespannt ist.
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Das multistabile Ventil kann ein Schieberventil sein, dessen Ventilglied nach Art eines Kolbenschiebers ausgebildet ist und mit radial orientierten Steuerflächen zusammenarbeitet. Als besonders vorteilhaft wird allerdings die Realisierung der Erfindung bei einem Sitzventil angesehen, dessen Ventilglied stabil alternativ in mehreren Schaltstellungen positionierbar ist, unter denen sich eine Schließstellung und mehrere Offenstellungen befinden. In der Schließstellung liegt das Ventilglied unter Absperrung eines Fluidkanals an einem eine Mündung dieses Fluidkanals umrahmenden Ventilsitz an, während es in den mehreren Offenstellungen unterschiedlich weit von dem Ventilsitz abgehoben ist, um unterschiedlich große Strömungsquerschnitte für das strömende Druckmedium freizugeben.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:
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1 einen Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen multistabilen Ventils,
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2 einen sich auf den Bereich der Positionierstrukturen konzentrierenden Ausschnitt des Ventils aus 1 in einer perspektivischen Darstellung,
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3 eine schematische Darstellung der miteinander kooperierenden Positionierstrukturen des in 1 und 2 illustrierten Ventils in einer Seitenansicht, wobei die an einem Antriebskörper des Ventils angeordnete Positionierstruktur über zwei zueinander symmetrische Positionierkulissen verfügt,
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4 eine modifizierte Bauform der Positionierstrukturen, bei denen die eine Positionierstruktur über zwei asymmetrisch zueinander ausgebildete Positionierkulissen verfügt,
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5 basierend auf einem Ventil der 1 bis 3 den getakteten Ablauf eines Bewegungszyklus zum Umschalten des Ventilgliedes zwischen einer bei (a) illustrierten ersten Schaltstellung und einer bei (e) illustrierten zweiten Schaltstellung, und
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6 einen sich an den Bewegungszyklus der 5 anschließenden weiteren Bewegungszyklus, bei dessen Ablauf das Ventilglied aus einer bei (e) illustrierten zweiten Schaltstellung in eine bei (i) illustrierte dritte Schaltstellung umgeschaltet wird.
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In der Zeichnung ist ein insgesamt mit Bezugsziffer 1 bezeichnetes Ventil illustriert, das über ein bezüglich einem Ventilgrundkörper 7 bewegliches Ventilglied 2 verfügt, das bezüglich dem Ventilgrundkörper 7 in mindestens drei unterschiedlichen Schaltstellungen positionierbar ist, die mechanisch durch miteinander kooperierende erste und zweite Anschlagmittel 5, 6 vorgegeben sind. Das Ventil 1 des Ausführungsbeispiels ermöglicht eine Positionierung des Ventilgliedes 2 in genau drei sich voneinander unterscheidenden Schaltstellungen, wobei in 1 eine erste Schaltstellung gestrichelt mit (a), eine zweite Schaltstellung strichpunktiert mit (e) und eine dritte Schaltstellung in durchgezogenen Linien mit (i) bezeichnet ist. Die gleichen Schaltstellungen sind auch nochmals in den 5 und 6 im Rahmen der dort illustrierten Bewegungsabläufe mit den gleichen Buchstaben kenntlich gemacht.
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Zur Veränderung seiner Schaltstellung ist das Ventilglied 2 in gesteuerter Weise zu zwei einander entgegengesetzt orientierten ersten und zweiten Hubbewegungen 8, 9 antreibbar, die durch Pfeile illustriert sind. Bei beiden Hubbewegungen 8, 9 handelt es sich vorzugsweise um Linearbewegungen, die der Längsrichtung einer imaginären Hauptachse 12 folgen.
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Hervorrufbar sind die beiden Hubbewegungen 8, 9 insbesondere durch eine bevorzugt elektrisch betätigbare Aktoreinheit 13 des Ventils 1, die zu einer allgemein mit Bezugsziffer 14 bezeichneten Betätigungseinrichtung des Ventils 1 gehört, die auch die beiden Positionierstrukturen 3, 4 umfasst. Bevorzugt gehört zu der Betätigungseinrichtung 14 auch noch eine Federeinrichtung 15, deren Wirkrichtung mit der Achsrichtung der Hauptachse 12 zusammenfällt.
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Die Erfindung soll im Folgenden hauptsächlich anhand eines sogenannten Sitzventils beschrieben werden, das sich dadurch auszeichnet, dass an dem Ventilgrundkörper 7 ein in der Achsrichtung der Hauptachse 12 orientierter Ventilsitz 16 ortsfest ausgebildet ist, der eine Kanalmündung 17 eines den Ventilgrundkörper 7 durchsetzenden ersten Fluidkanals 18 umrahmt. Dem Ventilsitz 16 liegt eine Verschlussfläche 22 des Ventilgliedes 2 gegenüber, die insbesondere stirnseitig an einem vorderen Endabschnitt 23 des Ventilgliedes 2 angeordnet ist. Vorzugsweise ist die Verschlussfläche 22 von einem gummielastischen Dichtelement 24 gebildet, das ein Bestandteil des Ventilgliedes 2 ist und das vorzugsweise in einen Ventilglied-Grundkörper 25 des Ventilgliedes 2 eingebettet ist.
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Das Ventilglied 2 erstreckt sich in einer in dem Ventilgrundkörper 7 ausgebildeten Aufnahmekammer 26, die ständig mit einem zweiten Fluidkanal 27 in Fluidverbindung steht und ansonsten, zumindest beim Ausführungsbeispiel, zur Atmosphäre hin abgedichtet ist.
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Im deaktivierten Zustand der Aktoreinheit 13 ist das Ventilglied 2 durch die zwischen ihm und dem Ventilgrundkörper 7 wirkende Federeinrichtung 15 mit einer Federkraft FF in eine Schließstellung vorgespannt, in der es mit der Verschlussfläche 22 an den Ventilsitz 16 angedrückt ist und dadurch die Fluidverbindung zwischen den beiden Fluidkanälen 18, 27 unterbricht. Beim Ausführungsbeispiel entspricht diese Schließstellung der dritten Schaltstellung (i). Die Federkraft FF ist in der Bewegungsrichtung der zweiten Hubbewegung 9 orientiert.
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Durch Aktivierung der Aktoreinheit 13 ist eine der Federkraft FF entgegengesetzt gerichtete Betätigungskraft FB auf das Ventilglied 2 ausübbar. Durch diese Betätigungskraft FB kann das Ventilglied 2 unter Überwindung der Federkraft FF zu der ersten Hubbewegung 8 angetrieben werden, bei der sich die Verschlussfläche 22 von dem Ventilsitz 16 entfernt. Ein anschließendes Deaktivieren der Aktoreinheit 13 hat zur Folge, dass die Betätigungskraft FB wegfällt und sich das Ventilglied 2 aufgrund der weiterhin wirksamen Federkraft FF unter Ausführung der zweiten Hubbewegung 9 wieder in Richtung der Schließstellung bewegt.
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Jeder sich aus einer ersten Hubbewegung 8 und einer sich daran anschließenden zweiten Hubbewegung 9 zusammensetzende Vorgang sei im Folgenden als Bewegungszyklus bezeichnet. Eine Besonderheit des Ventils 1 besteht darin, dass das Ventilglied 2 nach jedem solchen Bewegungszyklus eine von der zuvor eingenommenen Schaltstellung abweichende andere Schaltstellung bezüglich des Ventilgrundkörpers 7 einnimmt. Das Umschalten zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schaltstellungen geschieht also jeweils durch ein kurzzeitiges Aktivieren der Aktoreinheit 13. Der damit verbundene Energieaufwand ist sehr gering.
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Bei dem illustrierten Ausführungsbeispiel ist das Ventilglied 2 durch eine entsprechende Anzahl von Bewegungszyklen in drei unterschiedlichen Schaltstellungen positionierbar. Diese umfassen exemplarisch außer der schon angesprochenen, eine Schließstellung definierenden dritten Schaltstellung (i) eine zweite Schaltstellung (e) und eine erste Schaltstellung (a). Die Unterschiede zwischen der zweiten Schaltstellung (e) und der ersten Schaltstellung (a) bestehen darin, dass die Verschlussfläche 22 unterschiedlich weit von dem Ventilsitz 16 entfernt ist und dementsprechend einem zwischen den beiden Fluidkanälen 18, 27 überströmenden Druckmedium unterschiedlich große Strömungsquerschnitte zur Verfügung gestellt werden, woraus unterschiedliche Durchflussraten resultieren. Die zweiten Schaltstellung (e) und die erste Schaltstellung (a) repräsentieren beim Ausführungsbeispiel somit jeweils eine Offenstellung.
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Alle drei Schaltstellungen des Ventilgliedes 2 sind stabile Schaltstellungen, die das Ventilglied 2 aufgrund eines gegenseitigen mechanischen Zusammenwirkens der Anschlagmittel 5, 6 beibehält, ohne dass es einer externen Energiezuvor bedürfte. Exemplarisch ist jede Schaltstellung trotz deaktivierter Aktoreinheit 13 bis zur neuerlichen Auslösung eines Bewegungszyklus stabil.
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In welcher Reihenfolge die unterschiedlichen Schaltstellungen beim zyklischen Aktivieren und Deaktivieren der Aktoreinheit 13 eingestellt werden, hängt vom Aufbau der beiden Positionierstrukturen 3, 4 ab, auf den weiter unten noch näher eingegangen wird. Bevorzugt sind diese Positionierstrukturen 3, 4 so ausgebildet, dass die mehreren unterschiedlichen Schaltstellungen in sich wiederholender Weise immer in der gleichen Reihenfolge eingestellt werden. Beim Ausführungsbeispiel heißt dies, dass mit der ersten Schaltstellung (a) beginnend nach einem darauffolgenden Bewegungszyklus des Ventilgliedes 2 die zweite Schaltstellung (e), nach einem sich daran anschließenden weiteren Bewegungszyklus die dritte Schaltstellung (i) und nach einem weiteren sich daran anschließenden Bewegungszyklus erneut die erste Schaltstellung (a) vorliegt, wobei sich diese Reihenfolge fortlaufend wiederholt. Es ist allerdings durchaus möglich, die Positionierstrukturen 3, 4 so auszugestalten, dass sich die Reihenfolge der Schaltstellungen beim Durchschalten der einzelnen Bewegungszyklen in einem anderen Muster verändert.
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Es ist besonders vorteilhaft, eine Elektromagneteinheit 13a als Aktoreinheit 13 vorzusehen. Das Ventil 1 des Ausführungsbeispiels ist mit einer solchen Elektromagneteinheit 13a ausgestattet und als Magnetventil 1a konzipiert. Eine elektrische Aktivierung der Elektromagneteinheit 13a ruft hier eine magnetische Betätigungskraft FB hervor, die nach dem Deaktivieren der Elektromagneteinheit 13a wieder abfällt.
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Die Elektromagneteinheit 13a enthält zweckmäßigerweise eine die Aufnahmekammer 26 umschließende Spule 28, die mittels elektrischer Leiter 29 zur Aktivierung bestrombar ist. Außerdem enthält die Elektromagneteinheit 13a einen mit dem Ventilglied 2 bewegungsgekoppelten und insbesondere als fester Bestandteil des Ventilgliedes 2 ausgebildeten Antriebskörper 32, der als beweglicher Anker der Elektromagneteinheit 13a fungiert und magnetisch leitfähig ist, sodass er bei Bestromung der Spule 28 zu der ersten Hubbewegung 8 angetrieben wird.
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Alternativ zum Ausführungsbeispiel kann das Ventil 1 auch mit einer auf einem anderen Funktionsprinzip basierenden Aktoreinheit 13 ausgestattet sein, beispielsweise derart, dass die Betätigungskraft FB mittels einer Fluidkraft oder mechanisch oder manuell hervorrufbar ist.
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Von den beiden Positionierstrukturen 3, 4 ist die erste Positionierstruktur 3 in den Bewegungsrichtungen der beiden Hubbewegungen 8, 9 ortsfest am Ventilgrundkörper 7 angeordnet. Sie behält also bei dem Bewegungszyklen des Ventilgliedes 2 ihre Position bezüglich des Ventilgrundkörpers 7 in der Achsrichtung der Hauptachse 12 unverändert bei.
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Exemplarisch ist die erste Positionierstruktur 3 am radialen Außenumfang eines stabförmigen Haltekörpers 33 ausgebildet, der ein Bestandteil des Ventilgrundkörpers 7 ist und der beim Ausführungsbeispiel von der dem axial orientierten Ventilsitz 16 entgegengesetzten Stirnseite her in die Aufnahmekammer 26 hineinragt. Bevorzugt befindet sich die erste Positionierstruktur 3 an einem frei endenden Halteabschnitt 34 des Haltekörpers 33, der von der dem vorderen Endabschnitt 23 entgegengesetzten Rückseite des Ventilgliedes 2 her in eine sacklochartige Ausnehmung 35 des Antriebskörpers 32 eintaucht. Auf diese Weise kommt die erste Positionierstruktur 3 zumindest zum größten Teil innerhalb des Antriebskörpers 32 zu liegen.
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Die zweite Positionierstruktur 4 ist an dem Antriebskörper 32 und beim Ausführungsbeispiel somit unmittelbar am Ventilglied 2 angeordnet. Sie befindet sich insbesondere innerhalb der Ausnehmung 35 und ist bevorzugt ringförmig ausgebildet, sodass sie den mit der ersten Positionierstruktur 3 versehenen Halteabschnitt 34 des Haltekörpers 33 koaxial umschließt.
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Die zweite Positionierstruktur 4 ist an dem Antriebskörper 32 in den Bewegungsrichtungen der beiden Hubbewegungen 8, 9 ortsfest angeordnet, sodass sie die beiden Hubbewegungen 8, 9 mitmacht. Aus noch zu erläuternden Gründen ist es allerdings von Vorteil, wenn die zweite Positionierstruktur 4 quer zu den Bewegungsrichtungen der Hubbewegungen 8, 9 beweglich ist, sodass sie eine entsprechend orientierte Relativbewegung bezüglich des Antriebskörpers 32 ausführen kann, die als Vorschubbewegung 36 bezeichnet sei und die in der Zeichnung durch Pfeile illustriert ist. Die Vorschubbewegung 36 findet bevorzugt in einer zu der Hauptachse 12 rechtwinkeligen Ebene statt, wobei es sich exemplarisch um eine rotative Vorschubbewegung 36 um die Hauptachse 12 handelt, die besonders einfach dadurch ermöglicht ist, dass ein die ringförmig konfigurierte zweite Positionierstruktur 4 aufweisender Positionierstruktur-Ringkörper 42 um die Hauptachse 12 verdrehbar und axial unbeweglich gelagert ist.
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Beim Ausführungsbeispiel sitzt der Positionierstruktur-Ringkörper 42 innerhalb der Aufnahmekammer 26 in einer ringförmigen Erweiterung 43 der Aufnahmekammer 26, wobei er durch axiale Stirnflächen der ringförmigen Erweiterung 43 axial abgestützt ist, aufgrund ausreichend vorhandenen Bewegungsspiels jedoch seine freie Drehbarkeit bezüglich des Antriebskörpers 32 um die Hauptachse 12 gewährleistet ist.
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Die Möglichkeit zur Ausführung der Vorschubbewegung 36, die beim Ausführungsbeispiel eine Drehbewegung ist, begünstigt die angestrebte Interaktion der beiden Positionierstrukturen 3, 4 zum beliebig häufigen Umschalten des Ventilgliedes 2. Dadurch, dass die zweite Positionierstruktur 4 bezüglich dem Antriebskörper 32 drehbeweglich ist, kann sich die Beweglichkeit des die zweite Positionierstruktur 4 tragenden Antriebskörpers 32 auf die axialen Hubbewegungen 8, 9 beschränken. Alternativ wäre es zur Gewährleistung der rotativen Vorschubbewegung 36 aber auch möglich, die zweite Positionierstruktur 4 insgesamt fest an dem Antriebskörper 32 anzuordnen, den Antriebskörper 32 jedoch um die Hauptachse 12 verdrehbar auszubilden, sodass sich die rotative Vorschubbewegung 36 in einer Drehbewegung des gesamten Antriebskörpers 32 äußert.
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Der Positionierstruktur-Ringkörper 42 weist zweckmäßigerweise einen ringförmigen Tragkörper 42a auf, an dessen Innenumfang 42b die zweite Positionierstruktur 4 in einer ringförmigen Konfiguration angeordnet und insbesondere einstückig angeformt ist.
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Alternativ zum geschilderten Ausführungsbeispiel besteht die Möglichkeit, die zweite Positionierstruktur 4 drehfest an dem in diesem Fall verdrehgesicherten Antriebskörper 32 auszubilden und die erste Positionierstruktur 3 zur Ermöglichung der Vorschubbewegung 36 beweglich am Ventilgrundkörper 7 anzuordnen. Dies lässt sich besonders einfach dadurch realisieren, dass ein Positionierstruktur-Ringkörper 42 axial fest und zugleich drehbar an dem Halteabschnitt 34 des Haltekörpers 33 gelagert wird, der an seinem Außenumfang die erste Positionierstruktur 3 aufweist, wobei die zweite Positionierstruktur 4 dann, insbesondere einstückig, am Innenumfang der Aufnahmekammer 26 ausgebildet ist.
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Die beiden Positionierstrukturen 3, 4 sind in ihrer Formgebung derart aufeinander abgestimmt, dass das Ventilglied 2 bei seiner getakteten Betätigung mittels der Aktoreinheit 13 sich wiederholende Abfolgen von Bewegungszyklen durchläuft, wobei drei oder mehr aufeinanderfolgende Bewegungszyklen ausführbar sind, die sich jeweils aus einer ersten Hubbewegung 8 und einer diesbezüglich entgegengesetzten zweiten Hubbewegung 9 zusammensetzen und aus denen eine der Anzahl der Bewegungszyklen entsprechende Anzahl sich voneinander unterscheidender Schaltstellungen resultiert.
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Nachfolgend wird anhand der Zeichnung ein besonders vorteilhafter Aufbau der Betätigungseinrichtung 14 und insbesondere der beiden miteinander kooperierenden Positionierstrukturen 3, 4 erläutert. Dabei wird insbesondere auf die 3 bis 6 Bezug genommen, in denen die zweite Positionierstruktur 4 als Abwicklung in einer Ebene und nur entlang einer Teillänge ihrer gesamten Länge abgebildet ist.
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Die zweite Positionierstruktur 4 enthält zwei Positionierkulissen 44, 45, die im Folgenden zur besseren Unterscheidung als erste Positionierkulisse 44 und zweite Positionierkulisse 45 bezeichnet werden. Jede Positionierkulisse 44, 45 hat einen sich quer zu den Bewegungsrichtungen der Hubbewegungen 8, 9 erstreckenden Längsverlauf, wobei mit Bezugsziffer 46 eine den Längsverlauf der Positionierkulissen 44, 45 vorgebende Längsachse 46 der zweiten Positionierstruktur 4 angedeutet ist, die der Praxis entsprechend dem ringförmigen Längsverlauf der zweiten Positionierstruktur 4 einen kreisförmigen Verlauf hat.
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Die am Ventilgrundkörper 7 angeordnete erste Positionierstruktur 3 weist zum Zusammenwirken mit jeder Positionierkulisse 44, 45 der zweiten Positionierstruktur 4 mindestens ein Positionierindexmittel 47, 48 auf, wobei mindestens ein erstes Positionierindexmittel 47 mit der ersten Positionierkulisse 44 und mindestens ein zweites Positionierindexmittel 48 mit der zweiten Positionierkulisse 45 zusammenarbeitet.
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Die Positionierstrukturen 3, 4 sind insbesondere erhaben bezüglich des sie tragenden Abschnittes des Ventilgrundkörpers 7 bzw. Antriebskörpers 32 ausgebildet. Die erste Positionierkulisse 44 definiert eine in der Bewegungsrichtung der ersten Hubbewegung 8 orientierte erste Positionierkontur 52, der exemplarisch in der Achsrichtung der Hauptachse 12 ein erstes Positionierindexmittel 47 gegenüberliegt. Durch die zweite Positionierkulisse 45 wird eine zweite Positionierkontur 53 definiert, die in der Bewegungsrichtung der zweiten Hubbewegung 9 orientiert ist und der in der gleichen Richtung ein zweites Positionierindexmittel 48 gegenüberliegt. Die Positionierindexmittel 47, 48 sind insbesondere als Vorsprünge gestaltet, die in der Lage sind, der jeweils zugeordneten Positionierkontur 52, 53 zu folgen und in die betreffende Positionierkontur 52, 53 einzugreifen. Bevorzugt sind die Positionierindexmittel 47, 48 rippenförmig ausgebildet, wobei sich die rippenförmige Gestalt vorzugsweise auf ihre gesamte Länge bezieht, zumindest aber auf denjenigen Längenabschnitt, der jeweils mit einer Positionierkulisse 44, 45 zusammenarbeitet.
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Jedes der rippenförmigen Positionierindexmittel 47, 48 ist so ausgerichtet, dass seine Längserstreckung mit den Bewegungsrichtungen der beiden Hubbewegungen 8, 9 zusammenfällt und exemplarisch gleich orientiert ist wie die Hauptachse 12.
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Die ersten und zweiten Positionierindexmittel 47, 48 sind bevorzugt in der Achsrichtung der Längsachse 46 versetzt zueinander angeordnet. Beim konkreten Ausführungsbeispiel äußert sich dies in einem Winkelversatz bezogen auf die Umfangsrichtung des Haltekörpers 33.
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Wenn die zweite Positionierstruktur 4 ringförmig ausgebildet ist, besteht die vorteilhafte Möglichkeit, die ersten und zweiten Positionierindexmittel 47, 48 jeweils paarweise vorzusehen, insbesondere derart, dass sie sich bezogen auf die Hauptachse 12 an einander diametral entgegengesetzten Umfangsbereichen des Haltekörpers 33 befinden. Diese Doppelanordnung von Positionierindexmitteln 47, 48 sorgt für eine gleichmäßig verteilte Krafteinleitung, sodass Verkantungen vermieden werden und der Verschleiß minimiert ist. Die ersten und zweiten Positionierindexmittel 47, 48 können allerdings auch mehr als paarweise und insbesondere in beliebiger Anzahl vorhanden sein, wobei sie, insbesondere gleichmäßig, über den Umfang des Haltekörpers 33 verteilt sind.
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Die Positionierkulissen 44, 45 sind jeweils derart konturiert, dass sie in der Richtung ihres Längsverlaufes eine abwechselnde Aufeinanderfolge von Vorsprüngen 54 und Vertiefungen 55 definieren. Dabei erstreckt sich die Vorsprungrichtung der Vorsprünge 54 wie auch die Tiefenrichtung der Vertiefungen 55 in den Bewegungsrichtungen der Hubbewegungen 8, 9. während die Vorsprünge 54 bevorzugt untereinander die gleiche Länge haben, also jeweils gleichweit in Richtung des zugeordneten Positionierindexmittels 47, 48 ragen, haben die Vertiefungen 55 unterschiedliche Tiefen, aus denen die angestrebten unterschiedlichen Schaltstellungen (a), (e) und (i) des Ventilgliedes 2 resultieren.
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Die Aufgabe der Vorsprünge 54 besteht hauptsächlich darin, durch das Zusammenwirken mit den Positionierindexmitteln 47, 48 die Vorschubbewegung 36 zu erzeugen, bei der es sich um eine getaktete Vorschubbewegung 36 handelt. Die in Achsrichtung der Längsachse 46 gemessene Breite der Vorsprünge 54 ist untereinander zweckmäßigerweise gleich. Im Unterschied dazu haben die Vertiefungen 55 die Aufgabe, die beiden Positionierstrukturen 3, 4 relativ zueinander zu positionieren und dadurch die angestrebte Schaltstellung des Ventilgliedes 2 vorzugeben. Auch die in Achsrichtung der Längsachse 46 gemessene Breite der Vertiefungen 55 ist untereinander gleich. Vorzugsweise haben die Vorsprünge 54 und die Vertiefungen 55 auch untereinander die gleiche Breite in der Achsrichtung der Längsachse 46.
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Der oben schon angesprochene Querversatz zwischen beiden Positionierindexmittel 47, 48 ist insbesondere so gewählt, dass dann, wenn das eine Positionierindexmittel 47 oder 48 einem Vorsprung 54 gegenüberliegt, das andere Positionierindexmittel 47 oder 48 einer Vertiefung 55 gegenüberliegt.
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Zumindest die in den Bewegungsrichtungen der Hubbewegungen 8, 9 orientierten Stirnflächen 56 der Vorsprünge 54 haben bevorzugt einen bezüglich der Längsachse 46 geneigten Schrägverlauf. Untereinander ist die Neigungsrichtung und der Neigungswinkel bei den Stirnflächen 56 sämtlicher zur jeweils gleichen Positionierkulisse 44, 45 gehörenden Vorsprünge 54 bevorzugt gleich. Wird ein Positionierindexmittel 47, 48 an die schräge Stirnfläche 56 eines Vorsprunges 54 angedrückt, ergibt durch Kraftumlenkung sich eine in der Achsrichtung der Längsachse 46 orientierte Vorschubkraft, die einen Vorschubtakt der Vorschubbewegung 36 hervorruft.
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Abgesehen davon, dass mindestens eine Vertiefung 55 axial durchgehend ausgeführt sein kann, sodass sie die zweite Positionierstruktur 4 in Achsrichtung der Hauptachse 12 vollständig durchsetzt, verfügt jede weitere Vertiefung 55 über eine die Tiefe der entsprechenden Vertiefung 55 bestimmende Grundfläche 57, die derjenigen Längsseite der zweiten Positionierstruktur 4 zugewandt ist, an der sich das mit der betreffenden Positionierkontur 52, 53 zusammenarbeitende Positionierindexmittel 47, 48 befindet. Liegt eine Vertiefung 55 in der Achsrichtung der Hauptachse 12 in einer Flucht mit einem Positionierindexmittel 47, 48, ist das Positionierindexmittel 47, 48 in der Lage, in die betreffende Vertiefung 55 bis zur Anlage an deren Grundfläche 57 einzutauchen.
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Jede Vertiefung 55 ist in der Achsrichtung der Längsachse 46 von zwei Vorsprüngen 54 flankiert. Der einer Vertiefung 55 in der Vorschubrichtung 36 vorgeordnete Vorsprung 54 geht so in die betreffende Vertiefung 55 über, dass ein an ihr abgleitendes Positionierindexmittel 47, 48 in der Lage ist, in die sie sich anschließende Vertiefung 55 einzutauchen. Abhängig von der axialen Tiefe der Vertiefungen 55 können dabei die Stirnflächen 56 stetig oder mit einem Absatz in die sich anschließende Grundfläche 57 übergehen. Von Vorteil ist es, wenn alle Grundflächen 57 die gleiche Neigung haben wie die Stirnflächen 56.
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Diejenigen Vorsprünge 54, die sich entgegengesetzt zur Richtung der Vorschubbewegung 36 an eine Vertiefung 55 anschließen, bilden eine die betreffende Vertiefung 55 seitlich begrenzende Positionierflanke 58, die eine Anschlagfunktion hat und die Vorschubbewegung 36 stoppt, wenn das in die vorgelagerte Vertiefung 55 eintauchende Positionierindexmittel 47, 48 daran zur Anlage gelangt.
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Jede Positionierkontur 52, 53 hat zweckmäßigerweise eine der Anzahl der gewünschten stabilen Schaltstellungen entsprechende Mindestanzahl von Vertiefungen 55, die sich in ihrer Tiefe voneinander unterscheiden.
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Jede Vertiefung 55 steht für eine der möglichen Schaltstellungen des Ventilgliedes 2. Sind drei unterschiedliche Schaltstellungen gewünscht, finden sich unter den Vertiefungen 55 mindestens eine für eine erste Schaltstellung (a) verantwortliche Vertiefung 55, mindestens eine für eine zweite Schaltstellung (e) verantwortliche Vertiefung 55 und mindestens eine für eine dritte Schaltstellung (i) verantwortliche Vertiefung 55. Abhängig von ihrer Länge können die Positionierkulissen 44, 45 von jeder dieser drei Vertiefungen 55 eine Mehrzahl enthalten.
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Bevorzugt sind die für die drei unterschiedlichen Schaltstellungen verantwortlichen Vertiefungen 55 in einer wiederkehrenden Reihenfolge aneinander angereiht, was jedoch nicht zwingend ist, wenn eine abweichende Reihenfolge bei der Erzeugung der Schaltstellungen gewünscht ist. Auf diese Weise ist es beispielsweise auch möglich, das Schaltverhalten so zu beeinflussen, dass nach der ersten Schaltstellung (a) die dritte Schaltstellung (i) und darauf dann die zweite Schaltstellung (e) folgt, mit anschließender Wiederholung oder mit sich anschließender geänderter Reihenfolge.
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In der 3 ist ein Ausführungsbeispiel illustriert, bei dem die beiden Positionierkulissen 44, 45 der zweiten Positionierstruktur 4 symmetrisch zueinander ausgebildet sind. Es liegt insbesondere eine Spiegelsymmetrie bezüglich einer die Längsachse 46 enthaltenden, zu der Hauptachse 12 rechtwinkeligen Referenzebene vor. Allerdings ist auch eine bezüglich der erwähnten Referenzebene asymmetrische Anordnung der beiden Positionierkulissen 44, 45 möglich, wofür die 4 ein mögliches Ausführungsbeispiel zeigt. Während bei der symmetrischen Ausführungsform gemäß 3 die bezogen auf die Achsrichtung der Längsachse 46 auf gleicher Höhe liegenden Vertiefungen 55 die gleiche Tiefe haben, ist dies bei der asymmetrischen Variante gemäß 4 nicht oder nur teilweise der Fall. So zeigt das Ausführungsbeispiel mehrere aufeinanderfolgende Vertiefungspaare, wobei im einen Fall die Tiefe beider Vertiefungen 55 gleichgroß ist, während in zwei anderen Fällen die Tiefe der zum gleichen Paar gehörenden Vertiefungen 55 unterschiedlich groß ist, in einem Fall zugunsten einer Vertiefung 55 der ersten Positionierkulisse 44 und im anderen Fall zugunsten der zweiten Positionierkulisse 45.
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Bei einer asymmetrischen Gestaltung der beiden Positionierkulissen 44, 45 besteht der Vorteil, dass man durch Wenden der zweiten Positionierstruktur 4 das Schaltverhalten und insbesondere die Reihenfolge der erzielbaren Schaltstellungen sehr leicht verändern kann.
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Anhand der 5 und 6 folgt nun eine Beschreibung eines Betätigungsablaufes zum Umschalten des Ventils 1 aus der ersten Schaltstellung (a) in die zweite Schaltstellung (e) und daran anschließend in die dritte Schaltstellung (i) auf der Basis zweier Positionierstrukturen 3, 4, die der 3 entsprechend ausgebildet sind.
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In der in 5 illustrierten ersten Schaltstellung (a) taucht das erste Positionierindexmittel 47 in eine Vertiefung 55 der ersten Positionierkulisse 44 ein, die die geringste Tiefe aufweist und im Folgenden zur besseren Unterscheidung auch als erste Vertiefung 55a bezeichnet wird. Dabei fungiert die Grundfläche 57 der ersten Vertiefung 55a als ein zweites Anschlagmittel 6 und liegt an der als ein erstes Anschlagmittel 5 fungierenden Stirnfläche 50 des ersten Positionierindexmittels 47 an. Aufgrund der geneigten Grundfläche 57 und der sich daran anschließenden Positionierflanke 58 ist diese Schaltstellung stabil.
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In einer sich anschließenden Betriebsphase (b) wird die Aktoreinheit 13 aktiviert, sodass die zweite Positionierstruktur 4 mit der Betätigungskraft FB in Richtung zum zweiten Positionierindexmittel 48 verlagert wird, wobei die zweite Positionierkontur 53 mit dem einem zweiten Positionierindexmittel 48 gegenüberliegenden Vorsprung 54 an dem zweiten Positionierindexmittel 48 gemäß Pfeil 62 abgleitet, woraus ein überlagerter Vorschubtakt der Vorschubbewegung 36 resultiert, der in der Betriebsphase (c) endet, wenn das zweite Positionierindexmittel 48 vollständig in eine erste Vertiefung 55a der zweiten Positionierkulisse 45 eingetaucht ist. Bei dem Übergang zwischen der Betätigungsphase (b) und der Betätigungsphase (c) gelangt das erste Positionierindexmittel 47 außer Eingriff mit der ersten Positionierkulisse 44 und gelangt in eine Position, in der es einem weiteren Vorsprung 55 der ersten Positionierkulisse 44 gegenüberliegt. Solange die Betätigungskraft FB anliegt, ist die Position in der Betätigungsphase (c) stabil.
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Als nächstes wird die Aktoreinheit 13 deaktiviert, sodass die zweite Positionierstruktur 4 durch die Federkraft FF in Richtung zu dem ersten Positionierindexmittel 47 verlagert wird, wobei sie mit der schrägen Stirnfläche 56 des in der Betriebsphase (c) dem ersten Positionierindexmittel 47 gegenüberliegenden Vorsprung 54 an der Stirnfläche 50 des ersten Positionierindexmittels 47 abgleitet, was einen weiteren Takt der Vorschubbewegung 36 zur Folge hat. Gleichzeitig gelangt dabei die zweite Positionierkulisse 45 außer Eingriff mit dem zweiten Positionierindexmittel 48. Diese weitere Betriebsphase (d) geht letztlich in die zweite Schaltstellung (e) über, die daraus resultiert, dass das erste Positionierindexmittel 47 vollständig in eine Vertiefung 55 mittlerer Tiefe eintaucht, die im Folgenden auch als zweite Vertiefung 55b bezeichnet wird. Hier fungiert nun die Grundfläche 57 der zweiten Vertiefung 55b als zweites Anschlagmittel 6, das mit der als erstes Anschlagmittel 5 fungierenden Stirnfläche 50 des ersten Positionierindexmittels 47 die Axialposition der zweiten Schaltstellung (e) vorgibt. Aufgrund der geneigten Grundfläche 57 und der sich daran anschließenden Positionierflanke 58 ist diese Schaltstellung stabil.
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Der in 6 illustrierte Bewegungsablauf beim Übergang zwischen der zweiten Schaltstellung (e) in die dritte Schaltstellung (i) erfolgt in der gleichen Weise, wobei in der 6 die zwischen der zweiten Schaltstellung (e) und der dritten Schaltstellung (i) liegenden Betriebsphasen mit (f), (g) und (h) bezeichnet sind. Dabei taucht letztlich das erste Positionierindexmittel 47 in eine für die dritte Schaltstellung (i) verantwortliche Vertiefung 55 größter Tiefe ein, die zur besseren Unterscheidung als dritte Vertiefung 55c bezeichnet sei. Diese dritte Vertiefung 55c kann wie die anderen Vertiefungen 55a, 55b eine endliche Tiefe haben und durch eine Grundfläche 57 begrenzt sein.
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Abweichend hiervon weist das Ausführungsbeispiel jedoch eine in der Achsrichtung der Hauptachse 12 die zweite Positionierstruktur 4 vollständig durchsetzende dritte Vertiefung 55c auf, die es der zweiten Positionierstruktur 4 erlaubt, über das erste Positionierindexmittel 47 hinwegzugleiten, sodass selbiges durch die dritte Vertiefung 55c partiell hindurchtritt und bei Erreichen der dritten Schaltstellung (i) auf der Seite der zweiten Positionierkulisse 45 aus der zweiten Positionierstruktur 4 herausragt. Hier fungiert nun keine Grundfläche 57 der Positionierstruktur 4 als zweites Anschlagmittel 6, sondern ein anderer mit dem Antriebskörper 32 oder dem Ventilglied 2 bewegungsgekoppelter Bestandteil, bei dem es sich exemplarisch um die Verschlussfläche 22 des Ventilgliedes 2 handelt. Sie arbeitet hubbegrenzend mit dem Ventilsitz 16 zusammen, der als erstes Anschlagmittel 5 fungiert. Auch ein anderer Bestandteil des Ventilgrundkörpers 7 kann das erste Anschlagmittel 5 bilden.
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Auf diese Weise ist sichergestellt, dass das Ventilglied 2 in der die dritte Schaltstellung (i) repräsentierenden Schließstellung zuverlässig dichtend auf dem Ventilsitz 16 aufliegt.
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Die geschilderten Bewegungsabläufe zeigen, dass beim Ausführungsbeispiel die mit dem Ventilglied 2 bewegungsgekoppelte zweite Positionierstruktur 4 bei jeder Bewegungsphase zunächst ein Stück weit vom Ventilsitz 16 abgerückt wird. Dies bedeutet, dass der sich an die erste Schaltstellung (a) anschließende Umschaltvorgang ein kurzzeitiges „Überöffnen” zur Folge hat, bei dem das Ventilglied 2 noch weiter vom Ventilsitz 16 entfernt wird als dies in der die maximales Strömungsrate vorgebenden ersten Schaltstellung (a) der Fall ist. Diese Gegebenheiten finden sich bei einer Bauform, bei der das Ventil 1 vom Typ „normalerweise geschlossen” ist und das Ventilglied 2 im deaktivierten Zustand der Aktoreinheit 13 in Richtung der Schließstellung vorgespannt ist.
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Das Ventil 1 kann allerdings auch in einer Bauart „normalerweise geöffnet” ausgeführt werden, bei der die Federeinrichtung 15 ständig im Öffnungssinne auf das Ventilglied 2 einwirkt, sodass das Ventilglied 2 bei jeder ein Umschalten bewirkenden Bewegungsphase mit Hilfe der Aktoreinheit 13 zunächst ein Stück weit in Richtung des Ventilsitzes 16 verlagert wird. Hier führt dann ein Umschalten aus der die Schließstellung definierenden dritten Schaltstellung (i) in die nachfolgende Schaltstellung dazu, dass ein kurzzeitiges „Überschließen” auftritt, das Ventilglied 2 also unter Beibehaltung der Schließstellung etwas näher an den Ventilsitz 16 herangerückt wird, was durch die Elastizität des Dichtelementes 24 oder durch eine nicht weiter illustrierte federnde Abstützung des Dichtelementes 24 gewährleistet wird.
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Wenn mindestens eine der Vertiefungen 55 der Positionierkonturen 52, 53 grundflächenlos, d. h. axial durchgehend, ausgebildet ist, lassen sich die beiden Positionierstrukturen 3, 4 beim Zusammenbau des Ventils 1 besonders einfach funktionsfähig vereinigen. Der ringförmige Positionsstruktur-Ringkörper 42 kann dabei gemäß Pfeil 64 axial auf den Halteabschnitt 34 aufgeschoben werden, wobei die durchgehende Vertiefung 55 über jeweils ein erstes Positionierindexmittel 47 hinweggeschoben wird, bis die zweite Positionierstruktur 4 zwischen den ersten und zweiten Positionierindexmitteln 47, 48 positioniert ist. Die durchgehende Vertiefung 55 ist bevorzugt schlitzförmig ausgebildet, und zumindest diejenigen Positionierindexmittel 47, 48 über die der Positionierstruktur-Ringkörper 42 bei der Montage hinwegschiebbar ist, haben eine rippenförmige Gestalt, deren Breite an die Breite der schlitzförmigen Vertiefung 55 angepasst ist.
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Zur Realisierung von unterschiedlichen Bauarten von Ventilen 1, die über eine sich voneinander unterscheidende Schaltfunktionalität verfügen, besteht die Möglichkeit, alle Ventile 1 mit einer identischen ersten Positionierstruktur 3 auszustatten und mehrere zweite Positionierstrukturen 4 mit unterschiedlich gestalteten Positionierkulissen 44, 45 bereitzustellen, die ausgewählt mit der jeweiligen ersten Positionierstruktur 3 kombinierbar sind. Letzteres lässt sich besonders einfach in Verbindung mit Positionierstruktur-Ringkörpern 42 realisieren, von denen eine Mehrzahl vorhanden sein kann, die sich in der Ausgestaltung ihrer zweiten Positionierstrukturen 4 voneinander unterscheiden.
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Ein Vorteil des erfindungsgemäß aufgebauten Ventils 1 besteht darin, dass zum Festhalten der einzelnen Schaltstellungen keine Energie benötigt wird. Nur für den Umschaltvorgang ist kurzseitig Energie aufzuwenden. Vorteilhaft ist ferner, dass die drei oder noch mehr stabilen Schaltstellungen ohne Einsatz von Permanentmagneten festgehalten werden können, sodass sich keine Eisenspäne ansammeln können, die die Schaltfunktionen des Ventils blockieren könnten.
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Beim illustrierten Ausführungsbeispiel sind die miteinander kooperierenden Positionierstrukturen 3, 4 innerhalb eines als Antriebskörper 32 fungierenden beweglichen Ankers einer Elektromagneteinheit 13a angeordnet. Es besteht alternativ auch die Möglichkeit, die Positionierstrukturen 3, 4 axial außerhalb dieses Ankers, insbesondere im Anschluss an dessen Rückseite, vorzusehen.
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Die beim Ausführungsbeispiel bezüglich des als Anker konzipierten Antriebskörpers 32 separate zweite Positionierstruktur 4 kann auch integral mit dem Antriebskörper 32 ausgebildet sein.
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Ein Vorteil des Ventils 1 besteht darin, dass das Umschalten des Ventilgliedes 2 aus einer Schaltstellung in die nächste Schaltstellung immer nur die Einleitung einer in die gleiche Richtung orientierten Betätigungskraft FB erfordert. Nach der Wegnahme der Betätigungskraft FB wird das Ventilglied 2 durch die Federeinrichtung 15 in die endgültige Schaltstellung zurück verlagert und dort durch das Zusammenwirken der Anschlagmittel 5, 6 positionsgenau gehalten, bis erneut kurzzeitig eine Betätigungskraft FB aufgebracht wird. Beim Ausführungsbeispiel erfordert dies stets nur einen kurzen Stromimpuls zur Erzeugung der ersten Hubbewegung 8 mittels der Aktoreinheit 13.
