DE102018220321A1

DE102018220321A1 - Ventilanordnung

Info

Publication number: DE102018220321A1
Application number: DE102018220321.0A
Authority: DE
Inventors: Metin Giousouf; Gebhard Munz
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2018-11-27
Filing date: 2018-11-27
Publication date: 2020-05-28
Anticipated expiration: 2038-11-28
Also published as: DE102018220321B4

Abstract

Es wird eine Ventilanordnung (1) vorgeschlagen, die mindestens ein Ventil (2) aufweist, das über eine Fluidsteuereinheit (17) und eine in der Achsrichtung einer Hauptachse (15) daran angebaute Antriebseinheit (18) verfügt. Die Fluidsteuereinheit (17) hat ein Steuergehäuse (23), in dem eine Ventilkammer (28) ausgebildet ist, in das ein Ventilglied (10) hineinragt. Das Ventilglied (10) ist an einem Schwenklagerkörper (42) schwenkbar gelagert, der in eine Zentrierausnehmung (43) des Antriebsgehäuses (25) eingesetzt und durch ein Antriebsgehäuse (25) der Antriebseinheit (18) mit dem Steuergehäuse (23) verspannt ist. Zur Abdichtung der Ventilkammer (28) ist an dem Ventilglied (10) ein quer zu der Hauptachse (15) abstehender Abdichtkragen (58) angeordnet, der zwischen dem Steuergehäuse (23) und dem Schwenklagerkörper (42) eingespannt ist. Zwischen dem Antriebsgehäuse (25) und dem Schwenklagerkörper (42) liegt keine formschlüssige Querabstützung vor.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ventilanordnung, mit mindestens einem zur Steuerung einer Fluidströmung ausgebildeten Ventil, das eine Fluidsteuereinheit und eine in der Achsrichtung einer Hauptachse an die Fluidsteuereinheit angebaute, elektrisch betätigbare Antriebseinheit aufweist, wobei die Fluidsteuereinheit über ein Steuergehäuse verfügt, in dem eine Ventilkammer ausgebildet ist, in die wenigstens zwei Ventilkanäle einmünden und in die mindestens ein eine Längsachse aufweisendes und unter Ausführung einer Steuerbewegung um eine rechtwinkelig zu der Längsachse ausgerichtete Schwenkachse wippenartig verschwenkbare Ventilglied mit einem Steuerarm hineinragt, der sich über mindestens einen einem der Ventilkanäle zugeordneten Ventilsitz hinweg erstreckt und abhängig von der Schwenkposition des Ventilgliedes an dem Ventilsitz anliegt oder davon abgehoben ist, um eine Fluidströmung durch die Ventilkammer hindurch zu unterbinden oder zuzulassen, wobei die Antriebseinheit ein axial an das Steuergehäuse angesetztes Antriebsgehäuse aufweist, in dem eine Antriebskammer ausgebildet ist, in die das Ventilglied mit einem dem Steuerarm entgegengesetzten Antriebsarm hineinragt, der gesteuert mit einer Antriebskraft beaufschlagbar ist, um die Steuerbewegung des Ventilgliedes hervorzurufen, wobei das Ventilglied im Bereich der Schwenkachse einen bezüglich der Längsachse ringsum radial abstehenden gummielastischen Abdichtkragen aufweist, mit dem es zum dichten Verschließen der Ventilkammer zwischen dem Steuergehäuse und einem zwischen dem Steuergehäuse und dem Antriebsgehäuse eingegliederten starren Schwenklagerkörper axial eingespannt ist, der von dem Ventilglied durchsetzt ist und das Ventilglied zur Vorgabe der Schwenkachse abstützt.
Eine aus der DE 10 2016 114 538 A1 bekannte Ventilanordnung dieser Art hat ein Ventil mit einem Steuergehäuse, in dem eine Ventilkammer ausgebildet ist, in die mehrere Ventilkanäle einmünden, die zwei sich gegenüberliegende Ventilsitze haben, zwischen denen sich ein in die Ventilkammer hineinragendes, wippenartig verschwenkbares Ventilglied erstreckt. Das Ventilglied ragt auch in ein an das Steuergehäuse angebautes Antriebsgehäuse hinein, das durch eine elektrisch betätigbare Antriebseinrichtung derart beaufschlagbar ist, dass das Ventilglied eine Schwenkbewegung ausführt, durch die es an die Ventilsitze anlegbar oder von den Ventilsitzen abhebbar ist. Ein plattenförmiges Abstützteil ist als Schwenklagerkörper zwischen dem Steuergehäuse und dem Antriebsgehäuse eingegliedert und dabei in eine stirnseitige Aussparung des Antriebsgehäuses eingesetzt. Es bildet eine Lagerstelle zur Schwenklagerung des Ventilgliedes.
Eine aus der WO 2007/000321 A1 bekannte Ventilanordnung umfasst ebenfalls ein Ventil, das ein von Ventilkanälen durchsetztes Steuergehäuse aufweist, an dem ein Antriebsgehäuse montiert ist, das eine Antriebseinrichtung aufnimmt. Ein wippenartig verschwenkbares Ventilglied ragt mit einem Steuerarm in das Antriebsgehäuse hinein und dort in einen einem Ventilsitz gegenüberliegenden Bereich. Ein entgegengesetzter Antriebsarm ragt in das Antriebsgehäuse hinein und ist dort antriebsmäßig mit der Antriebseinrichtung gekoppelt. Das Ventilglied hat ein biegesteifes Lamellenelement, das im Bereich des Steuerarmes von einem gummielastischen Hüllkörper umhüllt ist, der einen radial abstehenden Abdichtkragen bildet, der zwischen dem Steuergehäuse und dem Antriebsgehäuse eingespannt ist, sodass sich aufgrund der Elastizität des Abdichtkragens eine Schwenklagerung für das Ventilglied ergibt. Der Abdichtkragen sorgt für eine dichte Abtrennung des Antriebsbereiches von dem mit einem zu steuernden Fluid in Kontakt stehenden Steuerbereich des Ventils.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, Maßnahmen zu treffen, die eine präzise Schwenklagerung des Ventilgliedes gewährleisten.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist in Verbindung mit den eingangs genannten Merkmalen erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Schwenklagerkörper von der Seite der Antriebseinheit her in der Achsrichtung der Hauptachse in eine in axialer Verlängerung der Ventilkammer angeordnete, zum Antriebsgehäuse hin offene Zentrierausnehmung des Steuergehäuses eingesteckt und durch Formschluss mit der Innenkontur der Zentrierausnehmung quer zu der Hauptachse bezüglich dem Steuergehäuse unbeweglich abgestützt ist, wobei das Antriebsgehäuse mit dem Steuergehäuse und mit dem Schwenklagerkörper axial verspannt ist, ohne bezüglich des Schwenklagerkörpers eine formschlüssige Querabstützung quer zu der Hauptachse hervorzurufen.
Auf dieser Weise ergibt sich eine exakte Zuordnung zwischen der Schwenkachse des Ventilgliedes und dem mindestens einen Ventilsitz, mit dem der Steuerarm innerhalb der Ventilkammer zur Steuerung einer Fluidströmung zusammenwirkt. Diese Zuordnung ist insbesondere unabhängig von der sich beim Zusammenbau des Ventils quer zu der Hauptachse einstellenden Relativposition zwischen dem Steuergehäuse und dem Antriebsgehäuse.
Die Schwenkachse für das Ventilglied ist durch einen Schwenklagerkörper definiert, der in eine zum Antriebsgehäuse hin offene Zentrierausnehmung des Steuergehäuses eingesteckt ist und dessen Relativposition zum Steuergehäuse durch die Innenkontur der Zentrierausnehmung quer zur der Hauptachse fest vorgegeben ist. Durch den quer und insbesondere rechtwinkelig zu der Hauptachse wirksamen Formschluss zwischen der Innenkontur der Zentrierausnehmung und der Außenkontur des eingesteckten Schwenklagerkörpers ergibt sich eine feste Ausrichtung zwischen dem Schwenklagerkörper und dem Steuergehäuse und somit auch dem an dem Steuergehäuse angeordneten mindestens einen Ventilsitz. Sicher festgehalten ist das Ventilglied durch die axiale Einspannung des ringsum vom Ventilglied abstehenden Abdichtkragens zwischen dem Steuergehäuse und dem Schwenklagerkörper, wobei die axiale Einspannkraft daraus resultiert, dass das Antriebsgehäuse mit dem Steuergehäuse und auch mit dem Schwenklagerkörper axial verspannt ist. Da zwischen dem Antriebsgehäuse und dem Schwenklagerkörper keine formschlüssige Querabstützung vorliegt, wirkt sich eine beim Zusammenbau des Ventils quer zur Hauptachse stattfindende Ausrichtung oder Lageveränderung zwischen dem Antriebsgehäuse und dem Steuergehäuse nicht auf die bezüglich dem Steuergehäuse eingenommene Querposition des Schwenklagerkörpers aus. Man kann davon sprechen, dass beim Montagevorgang eine quer zur Hauptachse schwimmenden Beziehung zwischen dem Antriebsgehäuse und dem Schwenklagerkörper vorliegt, die eine Lagebeeinflussung des Schwenklagerkörpers quer zu der Hauptachse durch das Antriebsgehäuse ausschließt. Durch den mit dem Steuergehäuse verspannten Schwenklagerkörper erfolgt eine axiale Abstützung des Abdichtkragens gegen den in der Ventilkammer herrschenden Fluiddruck. Dadurch kann verhindert werden, dass der Steuerarm des Ventilgliedes in nennenswerter Weise axial aus der Ventilkammer hinausgeschoben wird. Auch dies trägt wirksam zu einer vom herrschenden Fluiddruck unabhängigen konstanten Relativlage zwischen dem Ventilglied und dem zugeordneten Ventilsitz bei.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Die den Schwenklagerkörper aufnehmende Zentrierausnehmung hat zweckmäßigerweise eine dem Antriebsgehäuse axial zugewandte Grundfläche, mit der der Schwenklagerkörper aufgrund seiner Beaufschlagung durch das Antriebsgehäuse axial verspannt ist. Auf diese Weise wird eine vorbestimmte axiale Relativlage zwischen dem Steuergehäuse und dem Schwenklagerkörper definiert, woraus eine vorbestimmte axiale Vorspannung des Abdichtkragens resultiert, um einerseits die gewünschte Abdichtung zu erzielen und andererseits ein Zerquetschen des Abdichtkragens zu verhindern.
Zweckmäßigerweise ist in dem Steuergehäuse eine zum Antriebsgehäuse hin offene Gehäuseausnehmung ausgebildet, durch die die Ventilkammer, die Zentrierausnehmung und ein axial dazwischenliegender Abdichtungsabschnitt definiert werden. Die Ventilkammer hat quer zur der Hauptachse einen kleineren Querschnitt als die Zentrierausnehmung und der Abdichtungsabschnitt, wobei der Abdichtkragen in dem Abdichtungsabschnitt aufgenommen und axial eingespannt ist.
Die Zentrierausnehmung kann an ihrer zu der Hauptachse rechtwinkelig orientierten Außenseite ringsum geschlossen sein. Als vorteilhaft wird es jedoch angesehen, wenn die Zentrierausnehmung an zwei einander entgegengesetzten, in der Achsrichtung der Schwenkachse des Ventilgliedes orientierten seitlichen Außenflächen des Steuergehäuses offen ist. Die beiden Öffnungen sind zweckmäßigerweise durch jeweils eine Wandaussparung des Steuergehäuses gebildet, die auch zum Antriebsgehäuse hin offen ist, sodass der Schwenklagerkörper axial eingeschoben werden kann. Auch der Abdichtungsabschnitt der Gehäuseausnehmung ist an den beiden seitlichen Außenflächen des Steuergehäuses zweckmäßigerweise offen, was insbesondere dadurch realisiert ist, dass sich die Wandaussparungen auch über den Abdichtungsabschnitt hinweg erstrecken. Eine solche Bauweise gestattet sehr schmale Abmessungen des Ventils. Zweckmäßigerweise schließt der Schwenklagerkörper und vorzugsweise auch der Abdichtkragen zumindest im Wesentlichen bündig mit jeder der beiden vorgenannten seitlichen Außenflächen des Steuergehäuses ab.
Für den Schwenklagerkörper empfiehlt sich eine Außenkontur, die bei Betrachtung in der Achsrichtung der Hauptachse kreuzförmig konturiert ist und über zwei sich diametral gegenüberliegende, nach radial außen abstehende Zentrierrippen aufweist, die jeweils in eine als Bestandteil der Innenkontur der Zentrierausnehmung ausgebildete, sich axial erstreckende Zentriernut des Steuergehäuses eingeschoben sind. Vorzugsweise liegen die Zentrierrippen mit ihren Außenflächen jeweils an einer Grundfläche und/oder an zwei sich gegenüberliegenden Flanken der zugeordneten Zentriernut an, um eine exakte Relativposition des Schwenklagerkörpers relativ zum Steuergehäuse in einer zu der Hauptachse rechtwinkeligen Ebene vorzugeben.
Der Schwenklagerkörper hat zweckmäßigerweise eine von dem Ventilglied durchsetzte Durchgangsöffnung, die von zwei sich mit Abstand gegenüberliegenden schneidenförmigen Lagerungsvorsprüngen begrenzt ist, an denen sich das Ventilglied unter Definition der Schwenkachse schwenkbeweglich abstützt. Die Lagerungsvorsprünge sind insbesondere als einstückige Bestandteile des Schwenklagerkörpers ausgebildet. Ihr gegenseitiger Abstand ist bevorzugt minimal größer als die in der Abstandsrichtung gemessene Dicke des Ventilgliedes, um eine gute Schwenkbeweglichkeit des Ventilgliedes zur Ausführung der Steuerbewegung zu gewährleisten.
Die Durchgangsöffnung des Schwenklagerkörpers hat an ihrer dem Abdichtkragen zugewandten Seite zweckmäßigerweise einen durch die beiden Lagerungsvorsprünge definierten Mündungsabschnitt, der sich axial in Richtung zu dem Abdichtkragen erweitert, wobei sich um den Mündungsabschnitt herum eine axial dem Abdichtkragen zugewandte stirnseitige Abstützfläche des Schwenklagerkörpers anschließt, durch die der eingespannte Abdichtkragen axial abgestützt ist. Der sich erweiternde Mündungsabschnitt liefert einen axialen Freiraum zwischen den Lagerungsvorsprüngen und dem Abdichtkragen, was die Schwenkbeweglichkeit des Ventilgliedes begünstigt. Gleichzeitig wird dadurch die axiale Beweglichkeit des Abdichtkragens und somit des Ventilgliedes in der axialen Richtung auf ein Minimum beschränkt, was reibungsbedingten Verschleiß an dem mindestens einen Ventilsitz und an dem daran anliegenden Steuerarm reduziert. Die Beschränkung der axialen Beweglichkeit des Ventilgliedes wirkt sich auch positiv auf die Abdichtqualität aus, weil sichergestellt werden kann, dass der Steuerarm in einer Schließstellung stets mit dem gleichen Bereich seiner Außenfläche an einem Ventilsitz zur Anlage gelangt.
In der Achsrichtung der Schwenkachse betrachtet ist der sich erweiternde Mündungsabschnitt zweckmäßigerweise V-förmig konturiert, wobei der Öffnungswinkel insbesondere größer ist als 90° und vorzugsweise in einem Bereich zwischen 120° und 160° liegt.
Der Schwenklagerkörper ist zweckmäßigerweise als ein eine Durchgangsöffnung umschließender Ringkörper ausgebildet, der zwei einander entgegengesetzte axiale Stirnflächen hat, wobei die beiden schneidenförmigen Lagerungsvorsprünge zweckmäßigerweise näher bei der dem Abdichtkragen zugewandten Stirnfläche platziert sind.
Zur Vorgabe einer definierten Relativlage zwischen dem Steuergehäuse und dem Antriebsgehäuse ist es vorteilhaft, wenn an diesen beiden Gehäusen axial ineinander eingreifende Zentrierelemente unabhängig von dem Schwenklagerkörper ausgebildet sind. Beispielsweise hat das Steuergehäuse mehrere axial vorspringende Zentrierzapfen, die in komplementäre Zentriervertiefungen des Steuergehäuses axial eingreifen, oder umgekehrt.
Das Antriebsgehäuse ist zweckmäßigerweise durch Befestigungselemente mit dem Steuergehäuse axial verspannt, wobei es sich bevorzugt um bezüglich des Antriebsgehäuses und des Steuergehäuses separate Befestigungselemente handelt. Bei den Befestigungselementen kann es sich beispielsweise um Schrauben handeln, vorzugsweise sind sie allerdings als federelastische Befestigungsklammern ausgebildet, was eine besonders einfache Montage ermöglicht.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Ventilglied ein biegesteifes Lamellenelement auf, das von dem gummielastischen Abdichtkragen umrahmt ist, wobei ein in die Antriebskammer hineinragender Längenabschnitt des Lamellenkörpers unmittelbar den Antriebsarm des Ventilgliedes bildet. Der Abdichtkragen ist zweckmäßigerweise durch geeignete Maßnahmen axial unbeweglich an dem Lamellenelement befestigt, beispielsweise durch Anspritzen mittels Spritzgießens oder durch einen Vulkanisationsvorgang. Zusätzlich oder alternativ kann der Abdichtkragen an das Lamellenelement auch angeklebt sein. Das Lamellenelement besteht zweckmäßigerweise aus einem Metall, kann aber alternativ auch aus einem Polymermaterial oder Keramikmaterial bestehen. Das Lamellenelement hat bevorzugt eine streifenförmige Gestalt.
Der Abdichtkragen ist zweckmäßigerweise ein integraler Bestandteil eines gummielastischen Hüllkörpers, der einen in die Ventilkammer hineinragenden Längenabschnitt des Lamellenelements des Ventilgliedes vollständig dicht umhüllt und gemeinsam mit dem umhüllten Längenabschnitt den Steuerarm des Ventilgliedes bildet. Der gummielastische Hüllkörper sorgt insgesamt für eine statische Abdichtung der Ventilkammer auf der Seite des Steuergehäuses, wobei die Abdichtung aufgrund der Umhüllung des Lamellenelements unabhängig davon gewährleistet ist, ob direkt zwischen dem gummielastischen Hüllkörper und dem Lamellenelement eine vollständig dichte Verbindung vorliegt oder nicht. Der Hüllkörper umhüllt den Längenabschnitt des Lamellenelements durchgängig ringsum sowohl längsseits als auch an der freien Stirnseite.
Bevorzugt ist das Lamellenelement von dem gummielastischen Hüllkörper fest umschlossen und axial festgehalten, wobei das axiale Festhalten vorteilhaft unterstützt werden kann, wenn an dem Lamellenelement mindestens eine Haltestruktur ausgebildet ist, in die der gummielastische Hüllkörper quer zu der Hauptachse eingreift. Diese Haltestruktur ist beispielsweise von einer randseitigen, insbesondere kerbenartigen Vertiefung gebildet oder von einer lochartigen Durchbrechung. Diese beiden Arten von Haltestrukturen können auch kumulativ vorhanden sein. Jede Haltestruktur kann einfach oder mehrfach vorhanden sein. Durch die mindestens eine Haltestruktur ergibt sich in der Längsrichtung des Ventilgliedes eine formschlüssige Fixierung des Lamellenelementes an dem gummielastischen Hüllkörper.
Aufgrund seiner Gummielastizität kann der Hüllkörper direkt mindestens einen Verschlusskörper bilden, der im Rahmen der Steuerbewegung an mindestens einen Ventilsitz andrückbar ist, um den zugeordneten Ventilkanal dicht zu verschließen.
Mit steigendem Fluiddruck innerhalb der Ventilkammer wird der Abdichtkragen zunehmend stärker an den ihn abstützenden Schwenklagerkörper axial angedrückt. Dadurch wird naturgemäß die eine Schwenkbewegung des Ventilgliedes gestattende Kippbeweglichkeit des Ventilgliedes eingeschränkt. Insbesondere bei einer Nutzung des Ventils mit hohen Fluiddrucken wird es daher als vorteilhaft angesehen, wenn der Abdichtkragen als ein Hybridteil ausgebildet ist und sich aus einem gummielastischen Material und einer in das gummielastische Material eingebetteten flexiblen Versteifungseinlage zusammensetzt. Die Versteifungseinlage bietet eine erhöhte Wiederstandfähigkeit gegen hohe Fluiddrücke. Sie ist vorzugsweise gewebeartig ausgebildet, insbesondere als ein Textilgewebe und/oder als ein Metalldrahtgewebe. Bei der Fertigung des Abdichtkragens kann die Versteifungseinlage von dem gummielastischen Material durch Spritzgießen umspritzt werden.
Die Antriebseinheit verfügt zweckmäßigerweise über ein Antriebselement, das in der Antriebskammer über einen Antriebsabschnitt antriebsmäßig mit dem Antriebsarm des Ventilgliedes gekoppelt ist. Durch elektrische Betätigung der Antriebseinheit kann der Antriebsabschnitt zu einer Antriebsbewegung angetrieben werden, aus der die eine Schwenkbewegung darstellende Steuerbewegung des Ventilgliedes resultiert.
Die Antriebseinheit ist wie erwähnt elektrisch betätigbar. Sie kann beispielsweise nach einem elektromagnetischen Funktionsprinzip aufgebaut sein. Als besonders vorteilhaft wird eine piezoelektrische Antriebseinheit angesehen, die ein als Piezowandler ausgebildetes Antriebselement verfügt, das mit dem Antriebsarm des Ventilgliedes antriebsmäßig gekoppelt ist. Der Piezowandler, den man auch als Piezoaktor bezeichnen könnte, kann beispielsweise als sogenannter Stapeltranslator konzipiert sein. Als derzeit optimal wird allerdings eine Ausgestaltung als piezoelektrisches Biegeelement angesehen, beispielsweise in einer sogenannten Monomorphausgestaltung oder Bimorphausgestaltung oder Trimorphausgestaltung.
Das piezoelektrische Biegeelement ist insbesondere lamellenförmig und dabei elastisch biegbar ausgebildet. Bevorzugt ist es einseitig am Antriebsgehäuse einfach oder mehrfach abgestützt und verfügt über einen bezüglich dem Antriebsgehäuse beweglichen Antriebsabschnitt, der antriebsmäßig mit dem Antriebsarm des Ventilglieds gekoppelt ist und der durch elektrische Betätigung der piezoelektrischen Antriebseinheit zu einer das Ventilglied wippenartig verschwenkenden Antriebsbewegung antreibbar ist.
Bei der Betätigung des piezoelektrischen Biegeelementes wird dessen Antriebsabschnitt in einer Auslenkebene in der einen oder anderen Richtung ausgelenkt. Bevorzugt sind das piezoelektrische Biegeelement und das Ventilglied derart angeordnet, dass das Ventilglied bei Ausführung der Steuerbewegung in einer Schwenkebene verschwenkbar ist, die mit der Auslenkebene des Antriebsabschnittes des piezoelektrischen Biegeelements zusammenfällt.
Bevorzugt sind das piezoelektrische Biegeelement und das längliche Ventilglied so angeordnet, dass ihre Längsachsen zumindest im Wesentlichen gleich orientiert sind. Das piezoelektrische Biegeelement ist zweckmäßigerweise, abgesehen von einer axialen Überlappung im Bereich den Antriebsarmes, in axialer Verlängerung des Ventilgliedes angeordnet. Auf diese Weise lässt sich eine besonders schlanke Bauweise des Ventils realisieren.
Bevorzugt ist das mindestens eine Ventil der Ventilanordnung mit nur einem einzigen verschwenkbaren Ventilglied ausgestattet. Alternativ kann das Ventil auch mehrere unabhängig voneinander verschwenkbare Ventilglieder umfassen, wobei es dann zweckmäßigerweise genau zwei solche Ventilglieder hat, sodass man von einer Doppelwippe sprechen kann. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die Steuerarme der beiden Ventilglieder in ein und dieselbe Ventilkammer des Antriebsgehäuses hineinragen und wenn beide Ventilglieder über einen gemeinsamen Abdichtkragen in verschwenkbarer Weise und unter Abdichtung gehäuseseitig eingespannt sind. Die beiden Ventilglieder sind bevorzugt in Parallelausrichtung mit Abstand nebeneinander angeordnet. Jedem Ventilglied ist mindestens ein zu steuernder Ventilkanal zugeordnet, dessen Kanalmündung von einem Ventilsitz umrahmt ist, mit dem der zugeordnete Steuerarm zusammenarbeiten kann.
Die Ventilanordnung kann je nach Bedarf nur ein Ventil oder auch mehrere Ventile der erfindungsgemäßen Art enthalten. In der Ventilanordnung können mehrere Ventile kombiniert sein, die sich in der Anzahl ihrer Ventilglieder voneinander unterscheiden.
Ein mit nur einem Ventilglied ausgestattetes Ventil ist zweckmäßigerweise als ein 2/2-Wege-Ventil ausgebildet. In seine Ventilkammer münden genau zwei Ventilkanäle, von denen einer steuerbar ist, indem seine Kanalmündung von einem Ventilsitz umrahmt ist, mit dem der Steuerarm zusammenarbeiten kann. Ein mit nur einem Ventilglied ausgestattetes Ventil kann alternativ auch als 3/2-Wege-Ventil ausgeführt sein und über zwei von ein und demselben Ventilglied steuerbare Ventilkanäle verfügen. In diesem Fall münden in die Ventilkammer insgesamt drei Ventilkanäle ein.
Ein mit zwei Ventilgliedern versehenes Ventil ermöglicht in vorteilhafter Weise die Realisierung eines 3/3-Wege-Ventils, bei dem beide Ventilglieder jeweils einen eigenen Ventilkanal steuern können, wobei beide steuerbaren Ventilkanäle, zusätzlich zu einem nicht steuerbaren dritten Ventilkanal, in die Ventilkammer einmünden.
Die Ventilanordnung umfasst zweckmäßigerweise einen Ventilträger, auf dem das mindestens eine Ventil montiert ist, insbesondere in lösbarer Weise. In dem Ventilträger ist ein Ventilträger-Kanalsystem ausgebildet, das mit den Ventilkanälen des Ventils fluidisch verbunden ist. Bevorzugt sind auf dem Ventilträger mehrere mit dem Ventilträger-Kanalsystem kommunizierende Ventile nebeneinander angeordnet. Eine Mehrzahl von Ventilen ist insbesondere in einer Aufreihungsrichtung längsseits nebeneinander angeordnet. Auf ein und demselben Ventilträger können mehrere Reihen derartig angeordneter Ventile platziert sein.
Die elektrisch betätigbare Antriebseinheit des mindestens einen Ventils verfügt vorzugsweise über von außen her zugängliche elektrische Anschlusselemente, an die eine Betätigungsspannung zum Betreiben der Antriebseinheit anlegbar ist. Ist das mindestens eine Ventil auf einem Ventilträger montiert, ist es vorteilhaft, wenn in dem Ventilträger eine elektrische Verteilereinrichtung ausgebildet ist, mit der die elektrischen Anschlusselemente des mindestens einen Ventils lösbar gekoppelt sind, sodass die Betätigungsspannung für die Antriebseinheit über die elektrische Verteilereinrichtung zuführbar ist.
Bei einem bevorzugten Anwendungsfall ist die Ventilanordnung als eine Dosiervorrichtung zur dosierten Abgabe von Flüssigkeitsmengen ausgebildet. Mit jedem Ventil können zweckmäßigerweise sehr kleine Flüssigkeitsmengen dosiert werden. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet ist die Laborautomation, bei der sogenannte Titerplatten, die über in einem gewissen Rastermaß angeordnete Titerplatten-Kavitäten verfügen, mittels der Ventilanordnung befüllbar sind, wobei mehrere Ventile in einem dem Rastermaß der Titerplatten-Kavitäten entsprechenden Rastermaß matrixartig verteilt angeordnet sind. Die Ausgestaltung dieser Ventile mit einer piezoelektrischen Antriebseinheit bietet den Vorteil, dass auch bei eng benachbarter Anordnung der Ventile und dadurch fehlenden Abkühlflächen keine störende Wärmeentwicklung zu verzeichnen ist. Dadurch kann insbesondere auch verhindert werden, dass durch die Steuerung einer Fluidströmung zu dosierende flüssige Fluide erwärmt werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Ventilanordnung enthält eine Mehrzahl von Ventilen, wobei mehrere Ventile jeweils einen durch das zugehörige Ventilglied steuerbaren Ventilsitz aufweisen, der an einem in das Steuergehäuse eingesetzten, eine Längsachse aufweisenden Düseneinsatz ausgebildet ist. Dabei sind mehrere Ventile derart gruppiert nebeneineinander angeordnet, dass mindestens eine aus vier Ventilen bestehende Ventilgruppe vorliegt, wobei die Längsachsen der Düseneinsätze dieser vier Ventile in den Eckpunkten eines Quadrates liegen. Ein solcher Aufbau ist besonders vorteilhaft bei einer Ausgestaltung als Dosiervorrichtung, bei der die Düseneinsätze jeweils von einem Arbeits-Ventilkanal durchsetzt sind, durch den hindurch ein zu dosierendes Fluid ausgebbar ist.
Mittels der Ventilanordnung können beliebige Fluide hinsichtlich ihrer Fluidströmung gesteuert werden. Es kann sich dabei um Gase oder um Flüssigkeiten handeln.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegend Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:

1 eine perspektivische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ventilanordnung, die hier über eine Mehrzahl von Ventilen verfügt, die gemeinsam auf einem Ventilträger montiert sind,
2 die Ventilanordnung aus 1 aus einem anderen Blickwinkel, wobei zwei Ventile im nicht montierten Zustand gezeigt sind,
3 einen Ausschnitt der Ventilanordnung aus 1 und 2 im Längsschnitt gemäß Schnittlinie III-III, wobei ein Bereich gezeigt ist, in dem zwei Ventile axial benachbart zueinander angeordnet sind,
4 eine aus nur einem einzigen Ventil bestehende Ventilanordnung, wobei das Ventil isometrisch abgebildet ist und wobei das Ventil abgesehen von leicht modifizierten Befestigungseinrichtungen den bei der Ausführungsform der 1 bis 3 vorhandenen Ventilen entspricht,
5 das Ventil aus 4 in einer isometrischen Explosionsdarstellung,
6 das Ventil der 4 und 5 in einem Längsschnitt gemäß Schnittlinie VI-VI aus 4 und 9, wobei ergänzend und teilweise geschnitten ein optionaler Ventilträger gezeigt ist, auf dem das Ventil montierbar ist,
7 den in 6 strichpunktiert umrahmten Ausschnitt VII in einer vergrößerten Darstellung, wobei eine Schließstellung des Ventilgliedes gezeigt ist,
8 einen der 7 entsprechenden Längsschnitt, wobei das Ventilglied in einer bezüglich der Schließstellung aus 7 verschwenkten Offenstellung gezeigt ist,
9 einen Querschnitt des Ventils der 4 bis 8 im Bereich des Schwenklagerkörpers und gemäß Schnittlinie IX-IX aus 7,
10 eine Einzeldarstellung des Ventilgliedes zusammen mit dem Schwenklagerkörper in einem Längsschnitt gemäß Schnittlinie X-X aus 7 und 9, und
11 eine isometrische Einzeldarstellung des in dem Ventil der 6 bis 10 enthaltenen Ventilgliedes.

Die 1 bis 3 zeigen ein Ausführungsbeispiel einer Ventilanordnung 1, die eine Mehrzahl von elektrisch betätigbaren Ventilen 2 umfasst und die außerdem einen Ventilträger 3 aufweist, auf dem die Mehrzahl von Ventilen 2 montiert ist, insbesondere in lösbarer Weise.
In jedem Ventil 2 sind mehrere Ventilkanäle 4 ausgebildet, deren gegenseitige Fluidverbindung durch ein bewegliches Ventilglied 10 des betreffenden Ventils 2 steuerbar ist, um eine Fluidströmung zu steuern. Die Fluidströmung bezieht sich auf die Strömung eines gasförmigen oder flüssigen Mediums, das unter einem gewissen Überdruck steht.
Eine bevorzugte Anwendung ist die Steuerung der Strömung von Flüssigkeit im Laborbereich, bei der es sich beispielsweise um sogenannte Fluidproben handelt. Die Ventilanordnung 1 eignet sich beispielsweise auch zur Steuerung von Druckluft.
Jedes Ventil 2 ist mittels mindestens einer Befestigungseinrichtung 5 an dem Ventilträger 3 befestigt. Exemplarisch enthält jede Befestigungseinrichtung 5 eine Befestigungsschraube 5a, die das Ventil 2 durchsetzt oder sich außen am Ventil 2 vorbei erstreckt und die in eine Gewindebohrung 5b des Ventilträgers 3 eingeschraubt ist, sodass das Ventil 2 mit dem Ventilträger 3 verspannt ist.
Exemplarisch hat jedes Ventil 2 zwei Ventilkanäle 4, von denen der eine ein Speise-Ventilkanal 4a und der andere ein Arbeits-Ventilkanal 4b ist. Der Speise-Ventilkanal 4a wird genutzt, um ein zu steuerndes Fluid einzuspeisen. Der Arbeits-Ventilkanal 4b wird genutzt, um das eingespeiste Fluid gesteuert auszugeben, insbesondere in bestimmten Fluidmengen.
In dem Ventilträger 3 ist ein Ventilträger-Kanalsystem 6 ausgebildet, das mit den Ventilkanälen 4 der Ventile 2 kommuniziert. Exemplarisch umfasst das Ventilträger-Kanalsystem 6 zwei oder eine andere Anzahl von Speise-Ventilträgerkanälen 6a, an die jeweils der Speise-Ventilkanal 4a mehrerer Ventile 2 angeschlossen ist. Auf diese Weise können sämtliche Ventile 2 oder bestimmte Gruppen von Ventilen 2 aus ein und demselben Speise-Ventilträgerkanal 6a mit dem zusteuernden Fluid gespeist werden.
Das Ventilträger-Kanalsystem 6 enthält außerdem eine Mehrzahl von Arbeits-Ventilträgerkanälen 6b, die jeweils mit dem Arbeits-Ventilkanal 4b eines der Ventile 2 verbunden sind. Auf diese Weise kann jedes Ventil 2 durch seinen Arbeits-Ventilkanal 4b und den daran angeschlossenen Arbeits-Ventilträgerkanal 6b hindurch in gesteuerter Weise Fluid ausgeben.
Der Ventilträger 3 hat eine in der Zeichnung nach unten weisende Ausgabefläche 7, an der die Arbeits-Ventilträgerkanäle 6b in einem bestimmten Verteilungsmuster ausmünden, das zweckmäßigerweise dem Raster einer zu befüllenden Titerplatte entspricht. An der Ausgabefläche 7 kann an jeden Arbeits-Ventilträgerkanal 6b eine Dosiernadel angebracht sein, um eine zielgerichtete Fluidausgabe in eine Titerplatten-Kavität zu ermöglichen.
Der Ventilträger 3 hat eine Bestückungsfläche 8, auf der die Ventile 2 montiert sind. Die Bestückungsfläche 8 ist der Ausgabefläche 7 bevorzugt entgegengesetzt und weist bei dem illustrierten Ausführungsbeispiel nach oben. Jedes Ventil 12 hat eine exemplarisch nach unten weisende Bodenfläche 12, mit der voraus es an die Bestückungsfläche 8 angesetzt ist. Die Ventilkanäle 4 münden einenends jeweils zu der Bodenfläche 12 hin aus.
Die Speise-Ventilträgerkanäle 6a und die Arbeits-Ventilträgerkanäle 6b sind in dem Ventilträger 3 so ausgebildet, dass sie zum einen an der Bestückungsfläche 8 ausmünden. Dort sind die Kanalmündungen derart verteilt, dass jedes Ventil 2 über seinen Speise-Ventilkanal 4a mit einem Speise-Ventilträgerkanal 6a und über seinen Arbeits-Ventilkanal 4b mit einem Arbeits-Ventilträgerkanal 6b kommuniziert. Jeder Speise-Ventilträgerkanal 6a ist an einer nicht weiter abgebildete Fluidquelle angeschlossen, die das gesteuert auszugebende Fluid zur Verfügung stellt.
Das zu steuernde Fluid wird folglich pro Ventil 2 durch einen Speise-Ventilträgerkanal 6a und einen damit verbundenen Speise-Ventilkanal 4a in das Ventil 2 zugeführt und ist, in durch das Ventilglied 10 steuerbarer Weise, durch den zugeordneten Arbeits-Ventilkanal 4b und einen damit kommunizierenden Arbeits-Ventilträgerkanal 6b hindurch gesteuert ausgebbar.
Bei der Ventilanordnung 1 der 1 bis 3 sind zwei Ventilreihen 13 vorhanden, die jeweils eine Mehrzahl von in einer Reihenrichtung 14 aneinandergereihter Ventile 2 umfassen. Jedes Ventil 2 hat eine Hauptachse 15, die vorzugsweise eine Längsachse des betreffenden Ventils 2 definiert, wobei die Ventile 2 innerhalb jeder Ventilreihe 13 bevorzugt mit zueinander parallelen Hauptachsen 15 längsseits nebeneinander angeordnet sind.
Die Anordnung gemäß 1 bis 3 hat den Vorteil, dass die zu befüllenden Titerplatten bei entsprechender Ausrichtung des Ventilträgers 2 doppelreihig bedient werden können, um so den Durchsatz beim Dosieren zu erhöhen.
Die Befestigungseinrichtungen 5 können teilweise so ausgebildet sein, dass sie die gleichzeitige paarweise Befestigung von Ventilkanälen 2 beider Ventilreihen 13 ermöglichen. Dies ist beim Ausführungsbeispiel realisiert. Hierzu sind die Ventile 2 der beiden Ventilreihen 13 insbesondere so angeordnet, dass jeweils ein Ventil 2 der einen Ventilreihe 13 und ein Ventil 2 der anderen Ventilreihe 13 axial aufeinanderfolgend angeordnet sind, sodass sie über einander zugewandte Endbereiche 16 verfügen, die jeweils gemeinsam mittels ein und derselben Befestigungseinrichtung 5 am Ventilträger 3 montierbar sind.
Entsprechend einem nicht illustrierten Ausführungsbeispiel umfasst die Ventilanordnung 1 nur eine einzige, aus aneinandergereihten Ventilen 2 bestehende Ventilreihe 13.
Während bei dem illustrierten Ausführungsbeispiel der Ventilträger 3 einstückig ausgebildet ist, kann er entsprechend eines nicht abgebildeten Ausführungsbeispiels auch aus mehreren aneinandergereihten und aneinander befestigten Ventilträgersegmenten aufgebaut sein. Vorteilhafterweise ist der Ventilträger 3 plattenförmig gestaltet, wobei die Bestückungsfläche 8 und die Ausgabefläche 7 von den beiden einander abgewandten großflächigen Plattenoberflächen gebildet sind.
Die 4 bis 11 zeigen eine Ventilanordnung 1, die über nur ein einziges Ventil 2 verfügt. Dieses Ventil 2 ist allerdings vorzugsweise ebenfalls ausgebildet, um auf einem Ventilträger 3 der Ventilanordnung 1 montiert werden zu können, was in 6 illustriert ist. Wenn die Ventilanordnung 1 nur ein einziges Ventil 2 aufweist, kann der Ventilträger 3 selbstverständlich in seinen Abmessungen entsprechend angepasst sein und insbesondere über einen Grundriss verfügen, der demjenigen der Bodenfläche 12 des Ventils 2 entspricht.
Die Ventilanordnung 1 kann gemäß nicht illustrierten Ausführungsbeispielen über ein oder mehrere Ventile 2 verfügen, die nicht zur Montage an einem Ventilträger 3 ausgebildet sind und an die zur Zufuhr und Abfuhr eines Fluides dienende Fluidleitungen direkt anschließbar sind.
In der Ausgestaltung zur Montage an einem Ventilträger 3 verfügt das Ventil 2 der 4 bis 11 über zwei Befestigungseinrichtungen 5, die mit einer geringfügigen Abweichung denjenigen beim Ausführungsbeispiel der 1 bis 3 entsprechen. Die Abweichung besteht darin, dass beide Befestigungseinrichtungen 5 eine das Ventil 2 durchsetzende Befestigungsschraube 5a aufweisen, während gemäß 1 bis 3 zur gemeinsamen Fixierung zweier Ventile 2 dienende Befestigungseinrichtungen 5 über Befestigungsschrauben 5a verfügen, die sich außen neben dem Ventil 2 vorbei erstrecken und mit ihrem Schraubenkopf gleichzeitig auf mehrere Ventile 2 einwirken.
Es ist ohne weiteres möglich, bei dem Ausführungsbeispiel der 1 bis 3 die Befestigungseinrichtungen 5 in gleicher Weise wie bei dem anderen Ausführungsbeispiel auszubilden und umgekehrt.
Abgesehen von den eventuellen Unterschieden in den Befestigungseinrichtungen 5 stimmen die Ventile 2 sämtlicher illustrierter Ausführungsbeispiele in ihrem Aufbau überein. Die bisher schon anhand der 1 bis 3 beschriebenen Komponenten finden sich daher entsprechend bei der Ventilanordnung der 4 bis 11 und sind dort mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen. Die nachfolgende Beschreibung konzentriert sich auf das Ausführungsbeispiel der 4 bis 11, gilt jedoch, sofern im Einzelfall keine anderen Angaben gemacht werden, entsprechend auch für das Ausführungsbeispiel der 1 bis 3.
Das Ventil 2 hat eine Fluidsteuereinheit 17 und eine elektrisch betätigbare Antriebseinheit 18, die sich in der Achsrichtung der Hauptachse 15, die im Folgenden als auch Hauptachsrichtung 15 bezeichnet wird, an die Fluidsteuereinheit 17 anschließt. Die Antriebseinheit 18 ist unter Verwendung eines oder mehrerer Befestigungselemente 22 an die Fluidsteuereinheit 17 angebaut, insbesondere in lösbarer Weise.
In der Fluidsteuereinheit 17 findet die schon erwähnte Steuerung einer Fluidströmung statt. Die Antriebseinheit 18 liefert eine für die Steuerungsmaßnahmen erforderliche Antriebskraft, insbesondere die Antriebskraft zur Betätigung des Ventilgliedes 10.
Die Fluidsteuereinheit 17 hat ein als Steuergehäuse 23 bezeichnetes Gehäuse, das bevorzugt einstückig ausgebildet ist und das eine der Antriebseinheit 18 zugewandte vordere axiale Stirnfläche 24 aufweist. Die Antriebseinheit 18 hat ein als Antriebsgehäuse 25 bezeichnetes Gehäuse, das eine dem Steuergehäuse 23 zugewandte hintere axiale Stirnfläche 26 aufweist, mit der es an der vordere axialen Stirnfläche 24 des Steuergehäuses 23 anliegt.
Das Steuergehäuse 23 und das Antriebsgehäuse 25 bilden gemeinsam ein Ventilgehäuse 27 des Ventils 2. Das Ventilgehäuse 27 hat eine Längsgestalt, wobei seine mittige Längsachse mit der Hauptachse 15 zusammenfällt.
Durch die Befestigungselemente 22 ist das Antriebsgehäuse 25 in der Hauptachsrichtung 15 mit dem Steuergehäuse 23 verspannt. Exemplarisch sind zwei Befestigungselemente 22 vorhanden, die jeweils bevorzugt von einer federelastischen Befestigungsklammer 22a gebildet sind und die jeweils zwei federelastische Klammerschenkel aufweisen, von denen der eine im Antriebsgehäuse 25 und der andere im Steuergehäuse 23 abgestützt und/oder verankert ist. Anstelle der Befestigungsklammern 22a könnten beispielsweise auch Befestigungsschrauben treten.
Wenn eine unlösbare bzw. dauerhafte Verbindung gewünscht ist, können das Antriebsgehäuse 25 und das Steuergehäuse 23 auch thermisch miteinander verschweißt und/oder miteinander verklebt sein.
Im Innern des Steuergehäuses 23 ist eine Ventilkammer 28 ausgebildet. Die Ventilkammer 28 erstreckt sich in der Hauptachsrichtung 15 und ist von einem Längenabschnitt einer Sacklochartigen Gehäuseausnehmung 32 gebildet, die an der vorderen axialen Stirnfläche 24 des Steuergehäuses 23 eine Ausnehmungsöffnung 33 hat und sich ausgehend davon in der Hauptachsrichtung 15 in das Steuergehäuse 23 hinein erstreckt.
Im Innern des Antriebsgehäuses 25 ist eine Antriebskammer 24 ausgebildet. Selbige hat vorzugsweise eine Längserstreckung in der Hauptachsrichtung 15. Die Antriebskammer 24 mündet an der hinteren axialen Stirnfläche 26 mit einer hinteren Kammeröffnung 35 aus, die mit der Ausnehmungsöffnung 33 der Gehäuseausnehmung 32 axial fluchtet.
Abgesehen von der hinteren Kammeröffnung 35 ist die Antriebskammer 34 zweckmäßigerweise ringsum verschlossen.
Um die Antriebskammer 34 für Montagezwecke zugänglich zu machen, ist das Antriebsgehäuse 25 bevorzugt mehrteilig ausgebildet und verfügt über einen Basisteil 25a und einen Gehäusedeckel 25b, der eine von dem Basisteil 25a definierte Montageöffnung 36 lösbar verschließt. Der Gehäusedeckel 25b kann alternativ auch unlösbar angebracht sein, beispielsweise durch Laserschweißen und/oder durch eine Klebeverbindung. Die Antriebskammer 34 ist von dem Basisteil 25a und von dem Gehäusedeckel 25b gemeinsam umschlossen und begrenzt.
Der die hintere axiale Stirnfläche 26 aufweisende hintere Endabschnitt 37 der Antriebsgehäuses 25 ist bevorzugt einstückig ausgebildet und ist zweckmäßigerweise ein Bestandteil des Basisteils 25a.
Das Ventil 2 hat eine zu der Hauptachse 15 senkrechte Hochachse 38. Selbige erstreckt sich insbesondere rechtwinkelig zu der Bodenfläche 12 des Ventils 2. Die durch den Gehäusedeckel 25b verschlossene Montageöffnung 36 befindet sich zweckmäßigerweise an der der Bodenfläche 12 in der Achsrichtung der Hochachse 38 entgegengesetzten Oberseite des Antriebsgehäuses 25.
Axial zwischen das Steuergehäuse 23 und das Antriebsgehäuse 25 ist ein bevorzugt starr ausgebildeter Schwenklagerkörper 42 eingegliedert. Der zu der vorderen axialen Stirnfläche 24 ausmündende Endabschnitt der Gehäuseausnehmung 32 bildet eine zu dem Antriebsgehäuse 25 hin offene Zentrierausnehmung 43, in die der Schwenklagerkörper 42 von der Seite der Antriebseinheit 18 her rein axial eingesteckt ist. Das Einstecken erfolgt im noch nicht an das Steuergehäuse 23 angebauten Zustand des Antriebsgehäuses 25.
Die Innenkontur 44 der Zentrierausnehmung 43 und die quer zu der Hauptachse 15 orientierte Außenkontur 45 des Schwenklagerkörpers 42 sind so aufeinander abgestimmt, dass sich ein Formschluss ergibt, aufgrund dessen der Schwenklagerkörper 42 quer zu der Hauptachse 15 unbeweglich bezüglich dem Steuergehäuse 23 abgestützt ist. Dadurch fehlt es an einer relativen Beweglichkeit des Schwenklagerkörpers 42 bezüglich dem Steuergehäuse 23 in einer zu der Hauptachse 15 rechtwinkeligen Ebene.
Auch in der Hauptachsrichtung 15 ist der Schwenklagerkörper 42 relativ zu dem Steuergehäuse 23 unbeweglich fixiert. Dies resultiert daraus, dass die Zentrierausnehmung 43 eine zu der vorderen axialen Stirnfläche 24 beabstandete, dem Antriebsgehäuse 25 axial zugewandte Grundfläche 46 hat, an die der Schwenklagerkörper 42 mit einer hinteren axialen Stirnfläche 47 anliegt, wobei er durch das Antriebsgehäuse 25 an die axiale Grundfläche 46 angedrückt und von letzterer abgestützt ist.
Dieses Andrücken resultiert daraus, dass die hintere axiale Stirnfläche 26 des Antriebsgehäuses 25 nicht nur auf das Steuergehäuse 23 einwirkt, sondern auch und im besonderen mit einem die hintere Kammeröffnung 35 umrahmenden Flächenabschnitt der hinteren axialen Stirnfläche 26 an einer der hinteren axialen Stirnfläche 47 des Schwenklagerkörpers 42 entgegengesetzten vorderen axialen Stirnfläche 48 des Schwenklagerkörpers 42 anliegt und dadurch den Schwenklagerkörper 42 gegen die axiale Grundfläche 46 des Steuergehäuses 23 vorspannt.
Somit ist das Antriebsgehäuse 25 mit dem Steuergehäuse 23 und mit dem Schwenklagerkörper 42 axial verspannt, sodass der Schwenklagerkörper 42 nicht nur quer zu der Hauptachse 15 unbeweglich fixiert ist, sondern auch in der Hauptachsrichtung 15 eine vorbestimmte Relativposition zu dem Steuergehäuse 23 einnimmt.
Eine formschlüssige Querabstützung zwischen dem Antriebsgehäuse 25 und dem Schwenklagerkörper 42 quer zu der Hauptachse 15 liegt nicht vor. Das Antriebsgehäuse 25 liegt ausschließlich plan an der vorderen axialen Stirnfläche 48 des Schwenklagerkörpers 42 an, ohne selbigen axial zu überlappen. Bevorzugt verläuft die vordere axiale Stirnfläche 48 zumindest im Wesentlichen in ein und derselben, zur Hauptachse 15 rechtwinkeligen Radialebene wie die vordere axiale Stirnfläche 24 des Steuergehäuses 23. Insbesondere ist die Anordnung so getroffen, dass der Schwenklagerkörper 42 nicht stirnseitig in das Antriebsgehäuse 25 eintaucht.
Diese Maßnahme hat den Effekt, dass sich der Vorgang des Befestigens des Antriebsgehäuses 25 am Steuergehäuse 23 auf die bezüglich der Hauptachse 15 rechtwinkelige Querposition des Schwenklagerkörpers 42, die dieser bezüglich des Steuergehäuses 23 einnimmt, nicht auswirkt. Insbesondere wirken sich Fertigungstoleranzen, die beim Zusammenbau des Ventilgehäuses 27 die relative Querposition zwischen dem Steuergehäuse 23 und dem Antriebsgehäuse 25 beeinflussen, auf die besagte Querposition des Schwenklagerkörpers 42 nicht aus. Dies bietet insbesondere die Möglichkeit, zwischen dem Steuergehäuse 23 und dem Antriebsgehäuse 25 Zentriermaßnahmen vorzusehen, die die Querposition zwischen den beiden Gehäusen abstützen, um einen sicheren Zusammenhalt der beiden Gehäuse 23, 25 zu gewährleisten, ohne dass dadurch die Querposition des Schwenklagerkörpers 42 beeinflusst wird.
Was derartige Zentriermaßnahmen anbelangt, sind exemplarisch an dem Antriebsgehäuse 25 und an dem Steuergehäuse 23 axial ineinander eingreifende Zentrierelemente 52 vorgesehen, die unabhängig von dem Schwenklagerkörper 42 ausgebildet sind und durch die das Antriebsgehäuse 25 quer zu der Hauptachse 15 bezüglich dem Steuergehäuse 23 unbeweglich abgestützt ist.
Exemplarisch sind zwei Paare solcher Zentrierelemente 52 vorgesehen. Jedes Paar dieser Zentrierelemente 52 besteht aus einem über die hintere axiale Stirnfläche 26 des Antriebsgehäuses 25 vorstehenden Zentrierzapfen 52a und einer in die vordere axiale Stirnfläche 24 des Steuergehäuses 23 eingelassenen Zentriervertiefung 52b. Diese Anordnung kann auch umgekehrt sein. Durch die beiden Paare ineinander eingreifender Zentrierelemente 52 kann das Antriebsgehäuse 25 bezüglich dem Steuergehäuse 23 weder rechtwinkelig zu der Hauptachse 15 verschoben noch um diese Hauptachse 15 verdreht werden.
Das weiter oben schon erwähnte Ventilglied 10 hat eine Längserstreckung mit einer Längsachse 53, wobei die Längsachse 53 bevorzugt linear verläuft. Die Ausrichtung der Längsachse 53 fällt bevorzugt zumindest im Wesentlichen mit derjenigen der Hauptachse 15 zusammen.
Das Ventilglied 10 erstreckt sich teils im Steuergehäuse 23 und teils im Antriebsgehäuse 25. Es hat einen Steuerarm 54, der ausgehend von der Antriebseinheit 18 axial in die Ventilkammer 28 hineinragt und dort mit einem freien Endabschnitt 55 endet. Es hat außerdem einen dem Steuerarm 54 entgegengesetzten Antriebsarm 56, mit dem es von der Seite der Fluidsteuereinheit 17 in die Antriebskammer 34 hineinragt und in dieser mit einem freien Endabschnitt 57 endet.
Das Ventilglied 10 ist mittels eines gummielastischen Abdichtkragens 58, der rings um die Längsachse 53 herum radial von dem Ventilglied 10 wegragt, am Ventilgehäuse 27 befestigt. Der Abdichtkragen 58 dient gleichzeitig zur bezüglich des Ventilgehäuses 27 schwenkbeweglichen Aufhängung des Ventilgliedes 10 und zur Abdichtung der Ventilkammer 28 an der dem Antriebsgehäuse 25 zugewandten Seite. Der gummielastischen Abdichtkragen 58 ist rahmenartig strukturiert und umschließt das Ventilglied 10 insbesondere koaxial.
Der Schwenklagerkörper 42 ist als ein Ringkörper ausgebildet, der eine axiale Durchgangsöffnung 62 umschließt, die einerseits zu der hinteren axialen Stirnfläche 47 und andererseits zu der vorderen axialen Stirnfläche 48 des Schwenklagerkörpers 42 hin ausmündet. Das Ventilglied 10 durchsetzt die axiale Durchgangsöffnung 62 und somit den Schwenklagerkörper 42.
Ein Längenabschnitt der Gehäuseausnehmung 32, der axial zwischen der Zentrierausnehmung 43 und der Ventilkammer 28 liegt, wird im Folgenden als Abdichtungsabschnitt 63 bezeichnet und nimmt den Abdichtkragen 58 auf. Sein rechtwinkelig zu der Längsachse 15 gemessener Querschnitt ist bevorzugt geringer als derjenige der Zentrierausnehmung 43 und außerdem größer als derjenige der Ventilkammer 28.
Axial begrenzt ist der Abdichtungsabschnitt 63 zum einen durch eine zu der Hauptachse 15 koaxiale, dem Antriebsgehäuse 25 zugewandte Ringschulter 64 und zum anderen durch einen dieser Ringschulter 64 gegenüberliegenden Flächenabschnitt der hinteren axialen Stirnfläche 47 des Schwenklagerkörpers 42, der im Folgenden als Abstützfläche 65 des Schwenklagerkörpers 42 bezeichnet wird.
Der gummielastische Abdichtkragen 58 taucht mit einem sich rings um die Hauptachse 15 erstreckenden ringförmigen Randabschnitt, der im Folgenden als Klemmabschnitt 66 bezeichnet sei, von radial innen her in den radial außenliegenden Bereich des Abdichtungsabschnittes 63 hinein, wo er zwischen der Ringschulter 64 und der Abstützfläche 65 axial eingespannt ist. Dadurch ist er unter Abdichtung fixiert. Vor der Montage hat der Abdichtkragen 58 im Bereich des Klemmabschnittes 66 eine etwas größere axiale Dicke als die axiale Länge des Abdichtungsabschnittes 63. Dies hat zur Folge, dass er beim Zusammenbau des Ventils 2 durch den an die axiale Grundfläche 46 angedrückten Schwenklagerkörper 42 axial zusammengedrückt und dicht eingespannt wird.
Die Gummielastizität des Abdichtkragens 58 verleiht dem Ventilglied 10 eine Schwenkbeweglichkeit bezüglich des Ventilgehäuses 27 nach Art einer Wippe. Allerdings ist der eigentliche Schwenklagerbereich, der sich in einer zu der Hauptachse rechtwinkeligen Schwenkachse 68 äußert, geringfügig bezüglich des Abdichtkragens 58 in Richtung zum Antriebsgehäuse 25 axial versetzt.
Die axiale Durchgangsöffnung 62 ist so konturiert, dass sie zwei sich rechtwinkelig zu der Hauptachse 15 mit Abstand gegenüberliegende schneidenförmige Lagerungsvorsprünge 67 bildet, deren Abstand zueinander geringfügig größer ist als die Dicke des zwischen den Lagerungsvorsprüngen 67 hindurchtretenden Längenabschnittes des Ventilgliedes 10. Somit ist das Ventilglied 10 zwischen den beiden Lagerungsvorsprüngen 67 verschwenkbar gelagert, wobei die schon erwähnte Schwenkachse 68 definiert wird. Die Schwenkbewegung wird im Folgenden auch als Steuerbewegung 72 bezeichnet und ist in der Zeichnung durch einen Doppelpfeil angedeutet.
Die Schwenkachse 68 verläuft parallel zur Längserstreckung der dem Ventilglied 10 zugewandten und zueinander parallelen Längskanten der beiden schneidenförmigen Lagerungsvorsprünge 67. Die beiden Lagerungsvorsprünge 67 begrenzen gemeinsam einen Schwenklagerspalt 69 für das Ventilglied 10.
Bei der Steuerbewegung 72 wird das Ventilglied 10 wippenartig um die Schwenkachse 68 verschwenkt, wobei der Steuerarm 54 innerhalb der Ventilkammer 28 und der Antriebsarm 56 innerhalb der Antriebskammer 34 eine Schwenkbewegung ausführt.
Bei der Schwenkbewegung beziehungsweise Steuerbewegung 72 des Ventilgliedes 10 wird der Abdichtkragen 58 elastisch reversibel verformt. Ungeachtet dieser Verformung bildet er eine fluiddichte Trennwand zum Verschließen der Ventilkammer 28 an der dem Antriebsgehäuse 25 zugewandten Seite.
Die Steuerbewegung 72 findet in einer zu der Schwenkachse 68 rechtwinkeligen Schwenkebene 73 statt. Exemplarisch ist die Schwenkebene 73 durch die Hauptachse 15 und die Hochachse 38 aufgespannt. Je nach Schwenkrichtung nähern sich die beiden Arme 54, 56 des Ventilgliedes 10 bei der Steuerbewegung 72 entweder an die Bodenfläche 12 an oder entfernen sich von dieser.
Der Arbeits-Ventilkanal 4b mündet mit einer steuerbaren Kanalmündung 74 in die Ventilkammer 28 ein. Diese steuerbare Kanalmündung 74 ist von einem der Ventilkammer 28 zugewandten Ventilsitz 75 umrahmt. Die steuerbare Kanalmündung 74 ist in der Bewegungsrichtung der Steuerbewegung 72 orientiert, wobei sie exemplarisch in die gleiche Richtung weist wie die Hochachse 38.
Der Steuerarm 74 des Ventilgliedes 10 erstreckt sich in der Ventilkammer 28 über den Ventilsitz 75 hinweg. Der freie Endabschnitt 55 des Steuerarmes 54 bildet einen Verschlussabschnitt 76 mit dem der Steuerarm 54 in einer aus 6 und 7 ersichtlichen Schließstellung an dem Ventilsitz 75 anliegt, sodass die steuerbare Kanalmündung 74 dicht verschlossen ist. Aus dieser Schließstellung kann das Ventilglied 10 durch die Steuerbewegung 72 in mindestens eine Offenstellung verschwenkt werden, in der der Verschlussabschnitt 76 von dem Ventilsitz 75 abgehoben ist, sodass die in der Schließstellung geschlossene Fluidverbindung zwischen dem Arbeits-Ventilkanal 4b und der Ventilkammer 28 geöffnet ist.
Im Betrieb des Ventils 2 wird durch den Speise-Ventilkanal 4a ein Fluid in die Ventilkammer 28 eingespeist. In der Schließstellung ist das Fluid an einem Übertritt in den Arbeits-Ventilkanal 4b gehindert, sodass durch den Arbeits-Ventilkanal 4b hindurch kein Fluid austritt. In jeder Offenstellung des Ventilgliedes 10 kann das eingespeiste Fluid aus der Ventilkammer 28 in den Arbeits-Ventilkanal 4b überströmen und durch diesen Arbeits-Ventilkanal 4b aus dem Ventil 2 austreten.
Abhängig von der Ausgestaltung der Antriebseinheit 18 kann das Ventil 2 als Schaltventil oder als Stetigventil konzipiert sein. Bei einer Ausführung als Stetigventil sind stufenlos unterschiedliche Offenstellungen des Ventilgliedes 10 einstellbar, die sich in ihrem Schwenkwinkel bezüglich der Schließstellung unterscheiden, um unterschiedliche Strömungsraten für das ausströmende Fluid vorzugeben. Bei einer Ausgestaltung als Schaltventil kann das Ventilglied 10 nur zwischen einer Schließstellung und einer einzigen Offenstellung bewegt bzw. umgeschaltet werden.
Der Speise-Ventilkanal 4a mündet so in die Ventilkammer 28 ein, dass seine Verbindung zur Ventilkammer 28 unabhängig von der Schwenkposition des Ventilgliedes 10 ständig offen ist.
Es versteht sich, dass die Zuordnung einer steuerbaren Kanalmündung 74 bezüglich der Ventilkanäle 4 auch vertauscht sein kann.
Während es prinzipiell möglich ist, den Ventilsitz 75 als einstückigen Bestandteil des Steuergehäuses 22 auszubilden, ist es vorteilhaft, wenn der Ventilsitz 75 entsprechend des illustrierten Ausführungsbeispiels an einem separaten Düseneinsatz 77 ausgebildet ist, der in das Steuergehäuse 23 eingesetzt ist. Der Düseneinsatz 77 hat eine Längsachse 79 und gestattet zweckmäßigerweise eine variable höhenmäßige Positionierung des Ventilsitzes 75 in der Achsrichtung der Längsachse 79. Bevorzugt ist der Düseneinsatz 77 rohrförmig ausgebildet.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Ventilanordnung 1 enthält eine Mehrzahl von Ventilen 2, die derart gruppiert in einer Ebene liegend nebeneineinander angeordnet sind, dass mindestens eine aus vier Ventilen 2 bestehende Ventilgruppe vorliegt. Eine solche Anordnung zeigen die 1 bis 3. Die vier Ventile 2 dieser Ventilgruppe sind bevorzugt so angeordnet, dass die Längsachsen 79 ihrer Düseneinsätze 77 in den Eckpunkten eines Quadrates liegen. Ein und dieselbe Ventilanordnung 1 kann mehrere solcher Vierer-Ventilgruppen enthalten.
Das Ventilglied 10 ist bevorzugt mehrteilig ausgebildet. Entsprechend des illustrierten, bevorzugten Ausführungsbeispiels hat das Ventilglied 10 quasi als einen Kern ein biegesteifes und insbesondere starres Lamellenelement 78, das zweckmäßigerweise eine lineare Erstreckung hat und das bevorzugt aus einem Metall besteht. Exemplarisch besteht es aus einem Stahl, insbesondere aus einem Edelstahl.
Das Lamellenelement 78, das insbesondere eine streifenförmige Längsgestalt hat, erstreckt sich durch den zwischen den beiden Lagerungsvorsprüngen 67 befindlichen Schwenklagerspalt 69 hindurch, wobei es mit einem hinteren Längenabschnitt 82 in die Ventilkammer 28 hineinragt und mit einem vorderen Endabschnitt 83 in die Antriebskammer 34 hineinragt.
Das Lamellenelement 78 hat rechtwinkelig zu der Längsachse 53 zweckmäßigerweise einen rechteckigen, länglichen Querschnitt, der besonders gut aus 9 ersichtlich ist. Dieser längliche Querschnitt hat zwei Längsseiten, die jeweils einem der beiden Lagerungsvorsprünge 67 zugewandt sind und die eine größere Erstreckung haben als die rechtwinkelig dazu verlaufenden Schmalseiten des Lamellenquerschnittes. Die Längsachse des Lamellenquerschnittes verläuft rechtwinkelig zu einer durch die Hauptachse 12 und die Hochachse 38 aufgespannten Ebene.
Der in die Ventilkammer 28 hineinragende hintere Längenabschnitt 82 des Lamellenelementes 78 ist ringsum von einem fluiddichten gummielastischen Hüllkörper 84 umhüllt. Der Abdichtkragen 58 ist ein integraler Bestandteil des Hüllkörpers 84. Dementsprechend hat der Hüllkörper 84 einen sich einstückig an den Abdichtkragen 58 anschließenden Hüllabschnitt 85, der bei alleiniger Betrachtung eine Gestaltung vergleichbar eines scheidenförmigen Behälters hat. Der Hüllabschnitt 85 ist von dem Abdichtkragen 58 ringsum radial überragt. Bevorzugt erstreckt sich der Abdichtkragen 58 in einer zu der Längsachse 53 rechtwinkeligen Ausdehnungsebene.
Der Hüllkörper 84 besteht vorzugsweise aus einem gummielastischen Material, bei dem es sich insbesondere um ein Elastomermaterial handelt, beispielsweise um Silikon oder EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk) oder FFKM (Perfluorkautschuk) .
Der Hüllabschnitt 85 erstreckt sich über den Ventilsitz 75 hinweg, wobei sein dem Ventilsitz 75 gegenüberliegender Abschnitt zweckmäßigerweise unmittelbar den Verschlussabschnitt 76 bildet.
Zwischen dem Hüllkörper 84 und dem Lamellenelement 78 liegt vorzugsweise eine feste Verbindung vor. Hierbei kann es sich zumindest teilweise um eine Haftverbindung handeln. Bevorzugt ist der Hüllkörper 84 bei seiner Urformung durch Spritzgießen oder durch einen Vulkanisationsvorgang an den hinteren Längenabschnitt 82 des Lamellenelementes 78 angeformt worden.
Der in die Antriebskammer 34 hineinragende vordere Längenabschnitt 83 des Lamellenelements 78 ist bevorzugt nicht umhüllt und bildet direkt den Antriebsarm 56.
Auch der den Schwenklagerspalt 69 zwischen den beiden Lagerungsvorsprüngen 67 durchsetzende Längenabschnitt des Ventilgliedes 10 besteht aus einem unumhüllten Längenabschnitt des Lamellenelements 78.
Damit sich das Lamellenelement 78 im Betrieb des Ventils 2 auch bei sehr hoher Beanspruchung nicht unbeabsichtigt von dem Hüllkörper 84 löst, können zusätzliche, in der Achsrichtung der Längsachse 53 wirksame Formschlussmaßnahmen vorgesehen sein. Beim Ausführungsbeispiel ist dies der Fall, wobei entsprechende Maßnahmen insbesondere aus den 10 und 11 ersichtlich sind. Demnach ist der hintere Längenabschnitt 82 mit mehreren Haltestrukturen 68 versehen, in die das gummielastische Material des Hüllkörpers 84 eingreift und die von dem gummielastischen Material zweckmäßigerweise vollständig ausgefüllt sind. Die Haltestrukturen 86 sind exemplarisch von mehreren randseitigen Vertiefungen gebildet, die in dem schmalseitigen Randabschnitt des Lamellenelements 78 nach Art von Einkerbungen eingebracht sind und in die der Hüllkörper 84 formschlüssig eingreift. Zusätzlich oder alternativ kann der hintere Längenabschnitt 82 auch noch mit einer oder mehreren lochartigen Durchbrechungen versehen sein, die von dem Hüllkörper 84 durchsetzt und ausgefüllt sind.
Um eine leichtgängige Schwenkbewegung des Ventilgliedes 10 zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, wenn in dem axialen Bereich zwischen den beiden Lagerungsvorsprüngen 67 und dem Abdichtkragen 58 ein Freiraum 87 vorliegt. Ein solcher Freiraum 87 ist exemplarisch dadurch realisiert, dass die Durchgangsöffnung 62 des Schwenklagerkörpers 72 an ihrer dem Abdichtkragen 58 zugewandten Rückseite einen von den beiden Lagerungsvorsprüngen 78 begrenzten, sich axial in Richtung zu dem Abdichtkragen 58 erweiternden Mündungsabschnitt 88 aufweist. Dieser den Freiraum 87 definierende Mündungsabschnitt 88 geht an der hinteren axialen Stirnfläche 47 in die zu der Hauptachse 15 rechtwinkelige Abstützfläche 65 des Schwenklagerkörpers 42 über, durch die der in dem Abdichtungsabschnitt 63 eingespannte Klemmabschnitt 66 des Abdichtkragens 58 axial abgestützt ist.
In der Achsrichtung der Schwenkachse 68 betrachtet ist der sich erweiternde Mündungsabschnitt 88 zweckmäßigerweise V-förmig konturiert, wobei der Öffnungswinkel des V insbesondere größer ist als 90° und vorzugsweise in einem Bereich zwischen 120° und 160° liegt.
Wenn in der Ventilkammer 28 ein relativ hoher Druck herrscht, kann dies dazu führen, dass der Abdichtkragen 58 in dem radial innerhalb des Klemmabschnittes 66 liegenden Bereich elastisch axial in Richtung zu dem Schwenklagerkörper 82 verformt wird. Die sich erweiternde Formgebung des Mündungsabschnittes 88 kann dabei den verformten Bereich des Abdichtkragens 58 aufnehmen, sodass eine gute Schwenkbeweglichkeit des Ventilgliedes 10 gewährleistet bleibt.
Bevorzugt haben die beiden schneidenförmigen Lagerungsvorsprünge 67 quer zu der Schwenkachse 68 einen dreieckigen Querschnitt, wobei die Dreiecksspitze als Lagerungskante zur Abstützung des Lamellenelements 78 fungiert. Der Schwenklagerspalt 69 befindet sich zwischen den beiden einander zugewandten Lagerungskanten.
Zu Gunsten einer hohen Stabilität ist der Schwenklagerkörper 42 bevorzugt mit einer Länge ausgeführt, die es erlaubt, ihn als Hülsenkörper zu bezeichnen. Damit trotz dieser relativ großen Baulänge die Schwenkbeweglichkeit des Ventilgliedes 10 nicht beeinträchtigt ist, hat die axiale Durchgangsöffnung 62 in dem sich nach vorne in Richtung zum Antriebsgehäuse 25 an die beiden Lagerungsvorsprünge 67 anschließenden Längenabschnitt eine relativ große Höhe in der Schwenkebene 73.
Als eine vorteilhafte Maßnahme zur Einschränkung der axialen Nachgiebigkeit des Abdichtkragens 58 unter Gewährleistung der gewünschten Elastizität hat es sich erwiesen, den Abdichtkragen 58 mit einer flexiblen Versteifungseinlage 92 zu versehen. Diese beim Ausführungsbeispiel realisierte Maßnahme äußert sich darin, dass der Abdichtkragen 58 als Hybridteil ausgeführt ist, das aus dem schon erwähnten gummielastischen Material und der Versteifungseinlage 92 besteht, die in das gummielastische Material eingebettet ist.
Bevorzugt ist die Versteifungseinlage 92 vom gummielastischen Material vollständig umhüllt. Sie ist exemplarisch aus einem Textilgewebe oder aus einem Metalldrahtgewebe hergestellt. Es kann bei der Herstellung des Hüllkörpers 84 vom Elastomermaterial umspritzt werden. Bevorzugt ist die Versteifungseinlage 92 rings um das Lamellenelement 78 vorhanden. Sie hat bevorzugt eine flächenhafte Ausdehnung mit einer zu der Längsachse 53 rechtwinkeligen Ausdehnungsebene und mit einer mittigen Durchbrechung, durch die sich das Lamellenelement 78 hindurch erstreckt.
In der Achsrichtung der Hauptachse 15 betrachtet hat der Schwenklagerkörper 42 zweckmäßigerweise eine kreuzförmige Außenkontur 45. Selbige äußert sich exemplarisch in zwei sich bezüglich der Hauptachse 15 diametral gegenüberliegenden Zentrierrippen 93, die sich in der Hauptachsrichtung 15 erstrecken. Sie sind in der Achsrichtung der Schwenkachse 68 schmäler als ein sich zwischen ihnen befindlicher Zentralabschnitt 94 des Schwenklagerkörpers 82, der rahmenförmig gestaltet ist und der die axiale Durchgangsöffnung 62 aufweist.
Die Innenkontur 44 der Zentrierausnehmung 43 hat zwei sich in der Achsrichtung der Hochachse 38 gegenüberliegende Zentriernuten 95, die jeweils längsseits in Richtung zu der Hauptachse 15 hin offen sind und eine zu der Hauptachse 15 parallele Längserstreckung haben. In jede Zentriernut 95 taucht eine der beiden Zentrierrippen 93 ein, sodass sich eine optimale formschlüssige Abstützung des Schwenklagerkörpers 42 im Steuergehäuse 23 ergibt. Der Schwenklagerkörper 42 kann beim Zusammenbau des Ventils 2 sehr einfach mit seinen beiden Zentrierrippen 93 in der Achsrichtung der Hauptachse 15 in die beiden Zentriernuten 95 eingeschoben werden.
Die Zentrierausnehmung 43 kann peripher ringsum geschlossen sein. Als vorteilhaft zur Realisierung einer geringen Baubreite des Ventils 2 hat es sich jedoch erwiesen, wenn die Zentrierausnehmung 43 entsprechend des illustrierten Ausführungsbeispiels an zwei einander entgegengesetzten, in der Achsrichtung der Schwenkachse 68 orientierten seitlichen Außenflächen 96 des Steuergehäuses 23 offen ist. Die offenen Bereiche äußern sich jeweils in einer nicht nur zur seitlichen Außenfläche 96, sondern auch zu der vorderen axialen Stirnfläche 24 hin offenen Wandaussparung 97, in die der Schwenklagerkörper 92 beim Einschieben in die Zentrierausnehmung 43 mit den seitlichen äußeren Randabschnitten 98 des Zentralabschnittes 94 eingreifen kann.
Bevorzugt schließt der Schwenklagerkörper 42 beidseits bündig mit den seitlichen Außenflächen 96 des Steuergehäuses 23 ab.
Zweckmäßigerweise hat der Abdichtkragen 58 in der Achsrichtung der Schwenkachse 68 die gleichen Außenabmessungen wie der Schwenklagerkörper 42. Außerdem sind die Wandaussparungen 97 mit einer derartigen Länge versehen, dass sie sich auch entlang des Abdichtungsabschnittes 63 erstrecken. Dies hat zur Folge, dass auch der Abdichtkragen 58 mit seinen beiden seitlichen Randabschnitten in die Wandaussparungen 97 eingreift und insbesondere flächenbündig mit den seitlichen Außenflächen 96 des Steuergehäuses 23 abschließt.
Das Steuergehäuse 23 besteht insbesondere aus einem Kunststoffmaterial, bevorzugt aus sogenanntem PEEK (Polyetheretherketon). Auch das Antriebsgehäuse 25 besteht insbesondere aus einem Kunststoffmaterial, bevorzugt aus Polyamid. Ein Vorteil dieses mehrteiligen Aufbaus des Ventilgehäuses 27 besteht darin, dass das Steuergehäuse 23 und das Antriebsgehäuse 25 preiswert aus unterschiedlichen Kunststoffmaterialien hergestellt werden können, wobei das Material den spezifischen Anforderungen entsprechend wählbar ist.
Die Steuerbewegung 72 und eine Positionierung des Ventilgliedes 10 in unterschiedlichen Schwenkpositionen ist durch die elektrisch betätigbare Antriebseinheit 18 hervorrufbar. Sie hat ein elektrisch betätigbares Antriebselement 101, das sich in der Antriebskammer 34 erstreckt und das über einen beweglichen Antriebsabschnitt 102 verfügt, der mit dem Antriebsarm 56 des Ventilgliedes 10 antriebsmäßig gekoppelt ist. Die antriebsmäßige Kopplung erfolgt exemplarisch durch lose Anlage des Antriebsabschnittes 102 am freien Endabschnitt 57 des Antriebsarms 56 in der Höhenrichtung 38.
Durch elektrische Betätigung kann der Antriebsabschnitt 102 zu einer durch einen Doppelpfeil angedeuteten Antriebsbewegung 103 veranlasst werden, aus der durch die Kopplung mit dem Antriebsarm 56 die Steuerbewegung 72 resultiert.
Bevorzugt ist die Antriebseinrichtung 18 als eine piezoelektrische Antriebseinrichtung 18a ausgebildet, wobei das Antriebselement 101 ein Piezowandler 104 ist.
Der Piezowandler 104 ist in an sich bekannter Weise aus einer Kombination piezoelektrischer und piezoelektrisch neutraler Materialschichten aufgebaut, die zu einem Schichtverbund zusammengefasst sind, wobei mindestens eine piezoelektrische Materialschicht auf einander entgegengesetzten Seiten von jeweils einer Elektrodenschicht flankiert ist. Die Elektrodenschichten sind über elektrische Leiter 105 mit von außerhalb des Ventils 2 her zugänglichen elektrischen Anschlusselementen 106 kontaktiert, an die eine Betätigungsspannung anlegbar ist. Durch das Anlegen oder Wegnehmen der Betätigungsspannung können ein Zufluss oder ein Abfluss elektrischer Ladung bezüglich der Elektrodenschichten hervorgerufen werden, woraus sich Materialverformungen ergeben, aus denen die Antriebsbewegung 103 des Antriebsabschnittes 102 resultiert.
Bevorzugt ist der Piezowandler 104 als ein längliches, insbesondere streifenförmiges oder lamellenförmiges piezoelektrisches Biegeelement 107 ausgebildet. Dieses Biegeelement 107 ist an zwei in der Längsrichtung des Biegeelementes 107 zueinander beabstandeten, am Antriebsgehäuse 25 angeordneten Abstützlagern 108, 109 abgestützt, die insbesondere als Schneidenlager ausgebildet sind und die exemplarisch an dem Basisteil 25a angeordnet sind. Über eine sich an dem Gehäusedeckel 25b abstützende doppelschenkelige Feder 111 ist das Biegeelement 107 an die beiden Abstützlager 108, 109 angedrückt und somit positioniert.
Das piezoelektrische Biegeelement 107 ist bevorzugt als Trimorph-Biegewandler ausgebildet. Er hat ein piezoelektrisch inaktives Trägerelement 117, das beidseits mit je einer piezokeramischen Schicht 118, 119 belegt ist. Das Trägerelement 117 fungiert zweckmäßigerweise direkt als Innenelektrode, zu welchem Zweck sie aus einem leitfähigen Kohlefasermaterial bestehen kann. Von den beiden piezoelektrischen Schichten 118, 119 ist exemplarisch nur eine Schicht 118 piezoelektrisch aktiv, indem sie mit einer Außenelektrode versehen ist, wobei die beiden elektrischen Anschlusselemente 106 an die Innenelektrode und an diese eine Außenelektrode angeschlossen sind. Die andere piezoelektrische Schicht 119 ist beim Ausführungsbeispiel inaktiv und nur zur thermischen Kompensation vorgesehen.
Das Biegeelement 107 erstreckt sich in der Antriebskammer 34 zumindest im Wesentlichen in der Achsrichtung der Hauptachse 15. Der Antriebsabschnitt 102 ist von dem der Fluidsteuereinheit 17 zugewandten Endbereich des Biegeelements 107 gebildet. Am entgegengesetzten Endbereich ist das Biegeelement 107 exemplarisch in einem Clip 112 gehalten, der auf den zugeordneten äußeren Abstützlager 109 aufliegt und auf den einer der beiden Federschenkel der doppelschenkeligen Feder 111 einwirkt.
Exemplarisch ist das Ventilglied 10 durch eine Rückstellfeder 113 in die Schließstellung vorgespannt. Die Rückstellfeder 113 befindet sich bevorzugt in der Antriebskammer 34, wo sie einerseits am Antriebsgehäuse 25 befestigt ist und andererseits im Schließsinne auf den Antriebsarm 56 einwirkt. Die Rückstellfeder 113 ist beispielsweise durch eine Schraube 114 an dem Basisteil 25a befestigt.
Das Biegeelement 107 liegt ebenfalls an dem Antriebsarm 56 an. Durch elektrische Betätigung kann es zu der Antriebsbewegung 103 veranlasst werden, sodass es den Antriebsarm 56 entgegen der rückstellend wirkenden Kraft der Rückstellfeder 113 verschwenkt, was eine öffnende Steuerbewegung 72 des Ventilgliedes 2 zur Folge hat.
Durch Deaktivierung des Biegeelementes 107 kann die Stellkraft des Antriebsabschnittes 102 aufgehoben werden, sodass die Rückstellfeder 113 das Ventilglied 110 wieder in die Schließstellung zurückschwenken kann.
Bei dem illustrierten Ausführungsbeispiel wirkt zusätzlich auch der in der Ventilkammer 28 herrschende Fluiddruck schließend auf den Steuerarm 54 des Ventilgliedes 10 ein.
Zweckmäßigerweise ist das mit dem Clip 112 zusammenwirkende äußere Abstützlager 109 durch eine Justierschraube einstellbar oder unmittelbar von einer Justierschraube gebildet. Dies erlaubt eine Justierung des Clips 112 und folglich des zugeordneten Endbereiches des Biegeelements 107 in der Höhenrichtung 38, um Toleranzen des wippenartigen Ventilgliedes 10 bezüglich des Ventilsitzes 75 ausgleichen zu können.
Die elektrischen Anschlusselemente 106 sind beispielsweise als Federkontakte ausgebildet. Verbindungskabel zum Biegeelement 107 können als diskrete Kabel oder vorzugsweise als Flexleiter realisiert sein.
Bevorzugt lässt sich die Federsteifigkeit der Rückstellfeder 113 justieren, um das Ventil für verschiedene Druckbereiche einzustellen. Anstatt mit einer Schraube 114 kann die Rückstellfeder 113 auch anderweitig am Antriebsgehäuse 25 befestigt sein, beispielsweise mittels Reibnieten.
Die Antriebsbewegung 103 ist bei dem Biegeelement 107 eine Auslenkbewegung, die in einer Auslenkebene 115 stattfindet, die mit der Schwenkebene 73 des Ventilgliedes 10 zweckmäßigerweise zusammenfällt.
Ist das Ventil 2 auf einem Ventilträger 3 montiert, erstreckt sich im Innern des Ventilträgers 3 zweckmäßigerweise eine in 6 gestrichelt angedeutete elektrische Verteilereinrichtung 116, mit der die elektrischen Anschlusselemente 106 lösbar koppelt sind. Dies bietet die Möglichkeit, die Betätigungsspannung für die Antriebseinheit 18 über die elektrische Verteilereinrichtung 116 zuzuführen, was vor allem dann vorteilhaft ist, wenn der Ventilträger 3 mit mehreren an die elektrische Verteilereinrichtung 116 angeschlossenen Ventilen 2 ausgestattet ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016114538 A1 [0002]
WO 2007/000321 A1 [0003]

Claims

Ventilanordnung, mit mindestens einem zur Steuerung einer Fluidströmung ausgebildeten Ventil (2), das eine Fluidsteuereinheit (17) und eine in der Achsrichtung einer Hauptachse (15) an die Fluidsteuereinheit (17) angebaute, elektrisch betätigbare Antriebseinheit (18) aufweist, wobei die Fluidsteuereinheit (17) über ein Steuergehäuse (23) verfügt, in dem eine Ventilkammer (28) ausgebildet ist, in die wenigstens zwei Ventilkanäle (4, 4a, 4b) einmünden und in die mindestens ein eine Längsachse (53) aufweisendes und unter Ausführung einer Steuerbewegung (72) um eine rechtwinkelig zu der Längsachse (53) ausgerichtete Schwenkachse (68) wippenartig verschwenkbares Ventilglied (10) mit einem Steuerarm (54) hineinragt, der sich über mindestens einen einem der Ventilkanäle (4, 4b) zugeordneten Ventilsitz (75) hinweg erstreckt und abhängig von der Schwenkposition des Ventilgliedes (10) an dem Ventilsitz (75) anliegt oder davon abgehoben ist, um eine Fluidströmung durch die Ventilkammer (28) hindurch zu unterbinden oder zuzulassen, wobei die Antriebseinheit (18) ein axial an das Steuergehäuse (23) angesetztes Antriebsgehäuse (25) aufweist, in dem eine Antriebskammer (34) ausgebildet ist, in die das Ventilglied (10) mit einem dem Steuerarm (54) entgegengesetzten Antriebsarm (56) hineinragt, der gesteuert mit einer Antriebskraft beaufschlagbar ist, um die Steuerbewegung (72) des Ventilgliedes (10) hervorzurufen, wobei das Ventilglied (10) im Bereich der Schwenkachse (68) einen bezüglich der Längsachse (53) ringsum radial abstehenden gummielastischen Abdichtkragen (58) aufweist, mit dem es zum dichten Verschließen der Ventilkammer (28) zwischen dem Steuergehäuse (23) und einem zwischen dem Steuergehäuse (23) und dem Antriebsgehäuse (25) eingegliederten starren Schwenklagerkörper (42) axial eingespannt ist, der von dem Ventilglied (10) durchsetzt ist und das Ventilglied (10) zur Vorgabe der Schwenkachse (58) abstützt, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwenklagerkörper (42) von der Seite der Antriebseinheit (18) her in der Achsrichtung der Hauptachse (15) in eine in axialer Verlängerung der Ventilkammer (28) angeordnete, zum Antriebsgehäuse (25) hin offene Zentrierausnehmung (43) des Steuergehäuses (23) eingesteckt und durch Formschluss mit der Innenkontur (44) der Zentrierausnehmung (43) quer zu der Hauptachse (15) bezüglich dem Steuergehäuse (23) unbeweglich abgestützt ist, wobei das Antriebsgehäuse (25) mit dem Steuergehäuse (23) und mit dem Schwenklagerkörper (42) axial verspannt ist, ohne bezüglich des Schwenklagerkörpers (42) eine formschlüssige Querabstützung quer zu der Hauptachse (15) hervorzurufen.
Ventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrierausnehmung (43) eine dem Antriebsgehäuse (25) axial zugewandte Grundfläche hat (46), mit der der Schwenklagerkörper (42) durch Beaufschlagung seitens des Antriebsgehäuses (25) verspannt ist.
Ventilanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine zum Antriebsgehäuse (25) hin offene Gehäuseausnehmung (32) des Steuergehäuses (23) die Ventilkammer (28) und die Zentrierausnehmung (42) bildet, wobei die Ventilkammer (28) quer zu der Hauptachse (15) einen kleineren Querschnitt hat als die Zentrierausnehmung (43) und ein zwischen der Zentrierausnehmung (43) und der Ventilkammer (28) befindlicher, den Abdichtkragen (58) aufnehmender Abdichtungsabschnitt (63) der Gehäuseausnehmung (32).
Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrierausnehmung (43) an zwei einander entgegengesetzten, in der Achsrichtung der Schwenkachse (68) des Ventilgliedes (10) orientierten seitlichen Außenflächen (96) des Steuergehäuses (23) offen ist, insbesondere über jeweils eine Wandaussparung (97) des Steuergehäuses (23), die auch zum Antriebsgehäuse (25) hin offen ist und in die der Schwenklagerkörper (42) eingreift.
Ventilanordnung nach Anspruch 4 in Verbindung mit Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abdichtungsabschnitt (63) der Gehäuseausnehmung (32) an den gleichen beiden seitlichen Außenflächen (96) des Steuergehäuses (23) offen ist wie die Zentrierausnehmung (43).
Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwenklagerkörper (42) in der Achsrichtung der Hauptachse (15) betrachtet eine kreuzförmig konturierte Außenkontur (45) hat und peripher zwei sich diametral gegenüberliegende, nach außen abstehende Zentrierrippen (93) aufweist, die jeweils in eine als Bestandteil der Innenkontur (44) der Zentrierausnehmung (43) ausgebildete Zentriernut (95) eingeschoben sind.
Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwenklagerkörper (42) eine von dem Ventilglied (19) durchsetzte Durchgangsöffnung (62) hat, die von zwei sich mit Abstand gegenüberliegenden schneidenförmigen Lagerungsvorsprüngen (67) des Schwenklagerkörpers (42) begrenzt ist, an denen sich das Ventilglied (10) unter Definition der Schwenkachse (68) schwenkbeweglich abstützt.
Ventilanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsöffnung (62) des Schwenklagerkörpers (42) an ihrer dem Abdichtkragen (58) zugewandten Seite einen durch die beiden Lagerungsvorsprünge (67) definierten, sich axial in Richtung zu dem Abdichtkragen (58) erweiternden Mündungsabschnitt (88) hat, um den herum sich eine axial dem Abdichtkragen (58) zugewandte stirnseitige Abstützfläche (65) des Schwenklagerkörpers (42) anschließt, durch die der eingespannte Abdichtkragen (58) axial abgestützt ist.
Ventilanordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwenklagerkörper (42) ein die Durchgangsöffnung (62) umschließender Ringkörper ist, der zwei einander entgegengesetzte axiale Stirnflächen (47, 48) hat, wobei die beiden schneidenförmigen Lagerungsvorsprünge (67) näher bei der dem Abdichtkragen (58) zugewandten Stirnfläche (47) platziert sind.
Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Antriebsgehäuse (25) und an dem Steuergehäuse (23) axial ineinander eingreifende Zentrierelemente (52) unabhängig von dem Schwenklagerkörper (42) ausgebildet sind, durch die das Antriebsgehäuse (25) quer zu der Hauptachse (15) bezüglich dem Steuergehäuse (23) unbeweglich abgestützt ist.
Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsgehäuse (25) durch Befestigungselemente (22) mit dem Steuergehäuse (23) axial verspannt ist, wobei die Befestigungselemente (22) zweckmäßigerweise als federelastische Befestigungsklammern (22a) ausgebildet sind.
Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilglied (10) ein biegesteifes Lamellenelement (78) aufweist, das von dem gummielastischen Abdichtkragen (58) umrahmt ist, wobei ein in die Antriebskammer (34) hineinragender Längenabschnitt (83) des Lamellenelements (78) unmittelbar den Antriebsarm (56) des Ventilgliedes (10) bildet und wobei das Lamellenelement (78) zweckmäßigerweise aus Metall besteht.
Ventilanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Abdichtkragen (58) ein integraler Bestandteil eines gummielastischen Hüllkörpers (84) ist, der einen in die Ventilkammer (28) hineinragenden Längenabschnitt (82) des Lamellenelements (78) des Ventilgliedes (10) vollständig umhüllt.
Ventilanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der in die Ventilkammer (28) hineinragende Längenabschnitt (82) des Lamellenelements (78) mit mindestens einer Haltestruktur (86) versehen ist, in die der gummielastischen Hüllkörper (84) eingreift und die von einer randseitigen Vertiefung und/oder von einer Durchbrechung gebildet ist.
Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Abdichtkragen (58) aus einem gummielastischen Material und einer in das gummielastische Material eingebetteten flexiblen Versteifungseinlage (92) besteht, die zweckmäßigerweise gewebeartig aufgebaut ist.
Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit (18) ein Antriebselement (101) aufweist, das in der Antriebskammer (34) über einen Antriebsabschnitt (102) antriebsmäßig mit dem Antriebsarm des Ventilgliedes (10) gekoppelt ist, wobei der Antriebsabschnitt durch elektrische Betätigung der Antriebseinheit (18) zu einer die Steuerbewegung (72) des Ventilgliedes (10) hervorrufenden Antriebsbewegung (103) antreibbar ist.
Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit (18) eine piezoelektrische Antriebseinheit (18a) ist, die ein antriebsmäßig mit dem Antriebsarm (56) des Ventilgliedes (10) gekoppeltes, als Piezowandler (104) ausgebildetes Antriebselement (101) aufweist.
Ventilanordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezowandler (104) als piezoelektrisches Biegeelement (107) ausgebildet ist, das einen antriebsmäßig mit dem Antriebsarm (56) des Ventilgliedes (10) gekoppelten Antriebsabschnitt (102) aufweist, der durch elektrische Betätigung der piezoelektrischen Antriebseinheit (18a) zu einer Antriebsbewegung (103) antreibbar ist, bei der er in einer Auslenkebene (119) auslenkbar ist.
Ventilanordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilglied (10) bei der Steuerbewegung (72) in einer Schwenkebene (73) verschwenkbar ist, wobei die Schwenkebene (73) mit der Auslenkebene (115) des Antriebsabschnittes (102) des piezoelektrischen Biegeelements (107) zusammenfällt.
Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Ventil (2) auf einem Ventilträger (3) der Ventilanordnung (1) montiert ist, in dem ein Ventilträger-Kanalsystem (6) ausgebildet ist, das mit den Ventilkanälen (4) des Ventils (2) fluidisch verbunden ist, wobei zweckmäßigerweise auf dem Ventilträger (3) mehrere mit dem Ventilträger-Kanalsystem (6) kommunizierende Ventile (2) nebeneinander angeordnet sind.
Ventilanordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch betätigbare Antriebseinheit (18) des mindestens einen Ventils (2) über von außen her zugängliche elektrische Anschlusselemente (106) verfügt, an die eine Betätigungsspannung für die Antriebseinheit (18) anlegbar ist, wobei in dem Ventilträger (3) zweckmäßigerweise eine elektrische Verteilereinrichtung (116) ausgebildet ist, mit der die elektrischen Anschlusselemente (106) lösbar gekoppelt sind, sodass die Betätigungsspannung für die Antriebseinheit (18) über die elektrische Verteilereinrichtung (116) zuführbar ist.
Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Dosiervorrichtung zur dosierten Abgabe von Flüssigkeitsmengen bildet.
Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Ventil (2) einen durch das zugehörige Ventilglied (10) steuerbaren Ventilsitz (75) aufweist, der an einem in das Steuergehäuse (23) eingesetzten, eine Längsachse (79) aufweisenden Düseneinsatz (77) ausgebildet ist, wobei mehrere Ventile (2) derart gruppiert nebeneineinander angeordnet sind, dass mindestens eine aus vier Ventilen (2) bestehende Ventilgruppe vorliegt, wobei die Längsachsen (79) der Düseneinsätze (77) dieser vier Ventile (2) in den Eckpunkten eines Quadrates liegen.