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Die Erfindung betrifft eine Ventilanordnung zur Beeinflussung eines Fluidstroms.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Ventilanordnung bereitzustellen, die im Einklang mit vorgebbaren Sicherheitsanforderungen steht und die in einem ersten Fehlerfall eine Aufdeckung einer Fehlfunktion und/oder eine sichere Funktionsweise gewährleistet.
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Diese Aufgabe wird für eine Ventilanordnung der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs ein gelöst. Hierbei umfasst die Ventilanordnung ein Ventilgehäuse, in dem eine Arbeitsausnehmung längs einer Bewegungsachse erstreckt ist, die eine erste Fluidbohrung mit einem ersten Querschnitt und eine daran angrenzende zweite Fluidbohrung mit einem zweiten Querschnitt umfasst, wobei der zweite Querschnitt größer als der erste Querschnitt ist, wobei am Ventilgehäuse ein erster Fluidanschluss ausgebildet ist, der in die erste Fluidbohrung ausmündet und wobei am Ventilgehäuse ein zweiter Fluidanschluss ausgebildet ist, der in die zweite Fluidbohrung ausmündet, wobei eine Innenoberfläche der ersten Fluidbohrung zumindest bereichsweise als erste Dichtfläche ausgebildet ist, sowie ein Ventilglied, das linearbeweglich längs der Bewegungsachse in der Arbeitsausnehmung aufgenommen ist und das einen bereichsweise längs der Bewegungsachse erstreckten ersten Funktionsabschnitt aufweist, der in einer ersten Funktionsstellung des Ventilglieds in der ersten Fluidbohrung angeordnet ist, um die erste Fluidbohrung abzudichten, und der in einer zweiten Funktionsstellung des Ventilglieds in der zweiten Fluidbohrung angeordnet ist, um die erste Fluidbohrung freizugeben, wobei der erste Funktionsabschnitt einen ersten, aus einem gestaltfesten Material hergestellten Radialdichtabschnitt aufweist, der in einer quer zur Bewegungsachse ausgerichteten Querschnittsebene eine erste Dichtprofilierung aufweist, die in der ersten Funktionsstellung mit der ersten Fluidbohrung eine Spielpassung bildet.
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Dabei sind an dem Ventilgehäuse ein erster Fluidanschluss und ein zweiter Fluidanschluss ausgebildet, die jeweils zur Anbringung einer Fluidleitung, insbesondere eines Fluidschlauchs, am Ventilgehäuse vorgesehen sind. Beispielhaft sind der erste Fluidanschluss und der zweite Fluidanschluss als Schlauchanschluss oder als Gewindestutzen ausgebildet, an dem die jeweilige Fluidleitung abdichtend festgelegt werden kann. Der erste Fluidanschluss umfasst eine erste Fluidbohrung, die das Ventilgehäuse durchsetzt und die in die erste Fluidbohrung ausmündet. Der zweite Fluidanschluss umfasst eine zweite Fluidbohrung, die das Ventilgehäuse durchsetzt und die in die zweite Fluidbohrung ausmündet. Dabei sind sowohl die erste Fluidbohrung als auch die zweite Fluidbohrung längs einer Bewegungsachse erstreckt und bilden gemeinsam die Arbeitsausnehmung.
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Rein exemplarisch ist vorgesehen, dass die erste Fluidbohrung längs der Bewegungsachse mit einer ersten Profilierung verwirklicht ist und einen daraus resultierenden ersten Querschnitt aufweist. Ferner ist vorgesehen, dass die zweite Fluidbohrung längs der Bewegungsachse mit einer zweiten Profilierung verwirklicht ist und einen daraus resultierenden zweiten Querschnitt aufweist und sich an die erste Fluidbohrung anschließt und einen größeren Querschnitt als die erste Fluidbohrung aufweist. Typischerweise ist davon auszugehen, dass sowohl die erste Profilierung als auch die zweite Profilierung als Kreisflächen ausgebildet sind, wobei die von der zweiten Profilierung bestimmte Kreisfläche einen größeren Durchmesser als die von der ersten Profilierung bestimmte Kreisfläche aufweist.
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Eine, insbesondere kreiszylindrisch ausgebildete, Innenoberfläche der ersten Fluidbohrung ist zumindest bereichsweise als erste Dichtfläche ausgebildet. Vorzugsweise weist die Innenoberfläche eine vorgebbare Geometrie, insbesondere mit einer geeigneten Profilierung und einer angepassten Rauhtiefe, auf, die in Zusammenwirkung mit einem ersten Funktionsabschnitt eines Ventilglieds, das linearbeweglich längs der Bewegungsachse in der Arbeitsausnehmung aufgenommen ist, in einer ersten Funktionsstellung des Ventilglieds eine Dichtwirkung gewährleistet. Diese Dichtwirkung steht vorzugsweise im Einklang mit einzuhaltenden Sicherheitsvorschriften für die Ventilanordnung. Beispielhaft können die Sicherheitsvorschriften für die Ventilanordnung vorsehen, dass in der ersten Funktionsstellung des Ventilglieds, die einer Dichtstellung der Ventilanordnung entspricht, ein Fluidvolumenstrom vom ersten Fluidanschluss zum zweiten Fluidanschluss (oder umgekehrt) bei einer gegebenen Druckdifferenz zwischen dem ersten Fluidanschluss und dem zweiten Fluidanschluss keinesfalls einen vorgebbaren Betrag überschreitet. Dies wird bei der Ventilanordnung dadurch gewährleistet, dass ein Radialdichtabschnitt des ersten Funktionsabschnitts und die erste Fluidbohrung derart aufeinander angepasst sind, dass diese eine Spielpassung bilden.
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Eine solche Spielpassung wird in der DIN EN ISO 286-1:2019-02 vom 19. Februar 2019 (Geometrische Produktspezifikation - ISO-Toleranzsystem für Längenmaße - Teil 1: Grundlagen für Toleranzen, Abmaße und Passungen (ISO 286-1:2010 + Cor 1:2013); Deutsche Fassung EN ISO 286-1:2010 + AC:2013), insbesondere für kreiszylindrische Geometrien, beschrieben.
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Beispielhaft ist daher vorgesehen, dass eine Projektion der ersten Dichtprofilierung in eine quer zur Bewegungsachse ausgerichteten Querschnittsebene und eine Projektion der ersten Fluidbohrung in diese Querschnittsebene auch bei voller Ausnutzung der Toleranzgrenzen, wie sie durch die vorstehend genannte Norm festgelegt sind, stets einen zumindest nahezu verschwindenden, insbesondere vollständig verschwindenden, Spalt zwischen der ersten Dichtprofilierung und der ersten Fluidbohrung zeigt.
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In der Praxis bedeutet dies, dass die erste Dichtprofilierung des Radialdichtabschnitts des ersten Funktionsabschnitts geometrisch derart auf die erste Fluidbohrung angepasst ist, dass bei Einhaltung der jeweils vorgegebenen Toleranzen der verbleibende Spalt zwischen diesen beiden Komponenten so klein ist, dass in der ersten Funktionsstellung ein Fluidvolumenstrom, der trotz der Überdeckung zwischen dem ersten Funktionsabschnitt und der ersten Fluidbohrung vom ersten Fluidanschluss zum zweiten Fluidanschluss oder in umgekehrter Richtung strömen kann, einen vorgebbaren Maximalbetrag, beispielsweise einen einstelligen Prozentbetrag bezogen auf einen Maximaldurchfluss in der zweiten Funktionsstellung (Öffnungsstellung der Ventileinrichtung) nicht überschreitet.
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Somit ist sichergestellt, dass aufgrund der geometrischen Anpassung zwischen dem ersten Funktionsabschnitt und der ersten Fluidbohrung in der ersten Funktionsstellung eine schnelle und damit eventuell gefährliche Bewegung eines an die Ventilanordnung angeschlossenen Fluidverbrauchers, beispielsweise eines pneumatischen Aktors, ausgeschlossen werden kann.
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Rein exemplarisch ist vorgesehen, dass das Ventilgehäuse aus Kunststoff oder Metall, insbesondere in einem Kunststoffspritzgussverfahren oder einem Metalldruckgussverfahren, hergestellt ist. Beispielhaft kann vorgesehen sein, dass die erste Fluidbohrung durch eine geeignete Nachbearbeitung, insbesondere durch einen Reibevorgang, eine Geometrie erhält, mit der die Toleranzen der angestrebten Spielpassung mit dem ersten Funktionsabschnitt eingehalten werden. Das Ventilglied kann aus Kunststoff oder Metall hergestellt werden und weist im Bereich des ersten Funktionsabschnitts eine Geometrie auf, die entweder bereits durch das Herstellungsverfahren oder durch eine entsprechende Nachbearbeitung innerhalb der Toleranzen für die angestrebte Spielpassung mit der ersten Fluidbohrung liegt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Zweckmäßig ist es, wenn der erste Funktionsabschnitt einen zweiten, aus einem gummielastischen Material hergestellten Radialdichtabschnitt umfasst, der in der Querschnittsebene eine zweite Dichtprofilierung aufweist, die in der ersten Funktionsstellung mit der ersten Fluidbohrung eine Übermaßpassung bildet. Die Aufgabe des Radialdichtabschnitts besteht darin, eine möglichst vollständige Abdichtung zwischen dem ersten Funktionsabschnitt und der ersten Fluidbohrung zu gewährleisten. Hierzu ist der Radialdichtabschnitt, bei dem es sich beispielsweise um einen O-Ring, insbesondere Schmalring, aus einem gummielastischen Material handeln kann, der in einer umlaufenden Nut, die in den ersten Funktionsabschnitt eingebracht ist, aufgenommen ist, derart bemessen, dass er mit der ersten Fluidbohrung stets eine Übermaßpassung in der ersten Funktionsposition bildet.
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Eine solche Übermaßpassung wird in der DIN EN ISO 286-1:2019-02 vom 19. Februar 2019 (Geometrische Produktspezifikation - ISO-Toleranzsystem für Längenmaße - Teil 1: Grundlagen für Toleranzen, Abmaße und Passungen (ISO 286-1:2010 + Cor 1:2013); Deutsche Fassung EN ISO 286-1:2010 + AC:2013), insbesondere für kreiszylindrische Geometrien, beschrieben.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass dem Ventilgehäuse eine, insbesondere aus der Gruppe: Magnetfeldsensor, induktiver Näherungssensor, Ultraschallsensor, elektromagnetischer Hochfrequenzsensor ausgewählte, Sensoreinrichtung zur Erfassung einer Stellung, insbesondere der ersten Funktionsstellung und/oder der zweiten Funktionsstellung, des Ventilglieds zugeordnet ist, die zur Ausgabe eines elektrischen Stellungssignals ausgebildet ist. Die Aufgabe der Sensoreinrichtung besteht darin, ein Sensorsignal bereitzustellen, anhand dessen von einer externen Steuerungseinrichtung festgestellt werden kann, ob sich das Ventilglied der Ventileinrichtung in einer vorgegebenen Stellung befindet oder ob dies nicht der Fall ist. Beispielhaft kann mit der Sensoreinrichtung ermittelt werden, ob sich das Ventilglied in einer Schließstellung befindet, in der ein Fluidstrom zwischen dem ersten Fluidanschluss und dem zweiten Fluidanschluss unterbrochen ist und somit ein Fluidverbraucher, beispielsweise ein Pneumatikzylinder, in einem Ruhezustand, bei dem es sich insbesondere um einen sicheren Zustand handelt, gehalten wird. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Sensoreinrichtung drahtlos oder drahtgebunden mit einer Steuereinrichtung verbunden ist, die einerseits zur Auswertung des von der Sensoreinrichtung bereitgestellten Sensorsignals und andererseits zur Bereitstellung von Steuersignalen an die Ventileinrichtung bzw. ein der Ventileinrichtung zugeordnetes pneumatisches Vorsteuerventil ausgebildet ist.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Übergangsbereich zwischen der ersten Fluidbohrung und der zweiten Fluidbohrung als ringförmige, insbesondere als kreisringförmige, zweite Dichtfläche ausgebildet ist und dass am Ventilglied ein zweiter Funktionsabschnitt ausgebildet ist, der einen ersten Axialdichtabschnitt umfasst, der aus einem gummielastischen Material hergestellt ist und der in der ersten Funktionsstellung für eine axial abdichtende Anlage an der zweiten Dichtfläche ausgebildet ist. Hierdurch wird eine zweite Dichtungsfunktionalität für die Abdichtung zwischen dem Ventilglied und dem Ventilgehäuse bereitgestellt. Für einen bestimmungsgemäßen Gebrauch der Ventilanordnung kann beispielsweise vorgegeben werden, dass für den Fall eines sicherheitsgerichteten Schließvorgangs für die Ventileinrichtung am zweiten Fluidanschluss ein höherer Fluiddruck als am ersten Fluidanschluss vorliegt. Sofern diese Bedingung eingehalten werden kann, wird die vom zweiten Funktionsabschnitt gebildete Axialdichtung an die zweite Dichtfläche angepresst und verhindert somit zumindest weitgehend, insbesondere vollständig, eine Beaufschlagung des Radialdichtabschnitts, der in der ersten Funktionsstellung der Ventilanordnung abdichtend an der Innenwand der ersten Fluidbohrung anliegt, mit dem am zweiten Fluidanschluss vorliegenden Fluiddruck. Diese Abschottungswirkung durch die Dichtwirkung zwischen dem ersten Axialdichtabschnitt und der zweiten Dichtfläche ist insbesondere dann von Interesse, wenn es bei einem sicherheitsgerichteten Schließvorgang für die Ventileinrichtung aufgrund einer vorausgegangenen Bewegung eines am zweiten Fluidanschluss angeschlossenen Aktors zu einem Druckstoß kommt, der aus der kinetischen Energie der vom Aktor angetriebenen Komponenten resultiert. Dementsprechend bilden der erste Axialdichtabschnitt und die zweite Dichtfläche sowie der erste Radialdichtabschnitt und die erste Fluidbohrung in der ersten Funktionsstellung der Ventilanordnung ein zweistufiges und damit redundantes Dichtungssystem. Die Wirkungsweise dieses zweistufigen Dichtungssystems wird zusätzlich durch die Ausgestaltung des ersten Funktionsabschnitts und der zugeordneten ersten Fluidbohrung mit einer Spielpassung unterstützt. Somit ist selbst für den Fall, dass der erste Radialdichtabschnitt keine Dichtungswirkung aufweisen würde und dass die Dichtwirkung zwischen dem ersten Axialdichtabschnitt und der zweiten Dichtfläche infrage gestellt wäre, aufgrund der Spielpassung zwischen dem ersten Funktionsabschnitt und der zugeordneten ersten Fluidbohrung eine eindeutige vorhersagbares Dichtwirkung mit einer ebenfalls einen vorhersehbaren maximalen Leckage für die Ventilanordnung gewährleistet.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass angrenzend an den ersten Funktionsabschnitt einer dritter Funktionsabschnitt ausgebildet ist und dass eine Außenoberfläche des dritten Funktionsabschnitts in der zweiten Funktionsstellung an der Innenoberfläche der ersten Fluidbohrung anliegt, wobei in der Außenoberfläche des dritten Funktionsabschnitts wenigstens eine längs der Bewegungsachse erstreckte, insbesondere als Nut in die Außenoberfläche eingebrachte, Durchlassausnehmung ausgebildet ist, die in der zweiten Funktionsstellung eine teilweise Freigabe eines Querschnitts der ersten Fluidbohrung gewährleistet. Dabei kommt der Durchlassausnehmung die Aufgabe zu, eine fluidisch kommunizierende Verbindung zwischen dem ersten Fluidanschluss und dem zweiten Fluidanschluss herzustellen. Demgegenüber ist die Aufgabe des dritten Funktionsabschnitts, der in der zweiten Funktionsstellung an der Innenoberfläche der ersten Fluidbohrung anliegt, darin zu sehen, dass das Ventilglied unabhängig von der Funktionsposition stabil im Ventilgehäuse geführt wird. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass in die Außenoberfläche des, vorzugsweise kreiszylindrisch ausgebildeten, dritten Funktionsabschnitts, mehrere jeweils in radialer Richtung ausgerichtete und beabstandet zueinander angeordnete Durchlassausnehmungen eingebracht sind. Vorzugsweise sind die Durchlassausnehmungen bezogen auf eine Mittelachse des dritten Funktionsabschnitts jeweils in radialer Richtung strahlenförmig mit gleicher Winkelteilung zueinander ausgerichtet, wobei zwischen den benachbarten Durchlassausnehmungen verbleibende Stege mit ihren Außenoberfläche zur Anlage an der Innenoberfläche der ersten Fluidbohrung ausgebildet sind. Ferner sind die Durchlassausnehmungen jeweils mit einer konstanten, insbesondere U-förmigen, Profilierung längs der Bewegungsachse erstreckt und weisen längs der Bewegungsachse eine Erstreckung auf, die größer als ein Abstand zwischen der Mündungsöffnung des ersten Fluidanschlusses in die erste Fluidbohrung und dem Übergang zwischen der ersten Fluidbohrung und der zweiten Fluidbohrung ist. Dadurch wird gewährleistet, dass trotz des Verbleibs des dritten Funktionsabschnitts in der ersten Fluidbohrung ein Fluidstrom ausgehend von der Mündungsöffnung des ersten Fluidanschlusses bis zum zweiten Fluidanschluss, der der zweiten Fluidbohrung zugordnet ist, stattfinden kann.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Durchlassausnehmung in der ersten Funktionsstellung gegenüberliegend zu einer Mündungsöffnung des ersten Fluidanschlusses in die erste Fluidbohrung angeordnet ist. Hierdurch wird vermieden, dass der zweite Funktionsabschnitt in der ersten Funktionsstellung eine fluidisch kommunizierende Verbindung zwischen dem ersten Fluidanschluss und einem der zweite Fluidbohrung abgewandten Abschnitt der ersten Fluidbohrung, der nicht zur Aufnahme des ersten Funktionsabschnitts ausgebildet ist, verschließt. Eine solche Blockierung der vorgenannten fluidisch kommunizierenden Verbindung in der ersten Funktionsstellung würde bedeuten, dass erst bei einer Linearbewegung des Ventilglieds aus der ersten Funktionsstellung in die zweite Funktionsstellung eine Druckbeaufschlagung einer Stirnfläche des Ventilglieds, die der zweiten Fluidbohrung abgewandt ist, stattfindet. Hierdurch würde aufgrund der zusätzlichen Druckkrafteinleitung auf das Ventilglied gegebenenfalls eine unerwünschte Einflussnahme auf einen Bewegungsablauf für das Ventilglied vorliegen. Durch die Anordnung der Durchlassausnehmung gegenüberliegend zur Mündungsöffnung wird in der ersten Funktionsstellung eine dauerhafte Druckkraftbeaufschlagung der Stirnfläche des Ventilglieds, die der zweiten Fluidbohrung abgewandt ist, in Abhängigkeit von dem am ersten Fluidanschluss vorliegenden Fluiddruck bewirkt, so dass bei einer Linearbewegung des Ventilglieds zwischen der ersten Funktionsstellung und der zweiten Funktionsstellung keine unerwünschten Veränderungen in einer auf das Ventilglied eingeleiteten Betätigungskraft auftreten.
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Bevorzugt umfasst die Arbeitsausnehmung eine dritte Fluidbohrung, die sich angrenzend an einen der zweiten Fluidbohrung abgewandten Endbereich der ersten Fluidbohrung erstreckt, wobei ein vierter Funktionsabschnitt des Ventilglieds als Arbeitskolben ausgebildet ist und linearbeweglich abdichtend in der dritten Fluidbohrung aufgenommen ist, um einen größenvariablen Arbeitsraum zu bilden, in den ein dritter am Ventilgehäuse ausgebildeter Fluidanschluss einmündet, der für eine Bereitstellung eines Steuerfluids in die dritte Fluidbohrung ausgebildet ist, um eine Linearbewegung des Ventilglieds längs der Bewegungsachse zu bewirken. Hierdurch wird eine fluidische Vorsteuerung der Ventilanordnung ermöglicht, bei der durch Bereitstellung eines druckbeaufschlagten Steuerfluids, insbesondere Druckluft, an den dritten Fluidanschluss und von dort in den von der dritten Fluidbohrung und der dritten Funktionsabschnitt des Ventilglieds bestimmten größenvariablen Arbeitsraum eine Betätigungskraft auf eine dem ersten Funktionsabschnitt abgewandte Stirnfläche des dritten Funktionsabschnitts des Ventilglieds ausgeübt wird. Durch diese Betätigungskraft kann das Ventilglied aus der ersten Funktionsstellung, in der es vorzugsweise durch eine geeignete, vorgespannte Federanordnung gehalten wird, in die zweite Funktionsstellung überführt werden. Bei Reduzierung der Druckbeaufschlagung in der dritten Fluidbohrung sinkt die Betätigungskraft auf das Ventilglied und die vorgespannte Federanordnung kann das Ventilglied aus der zweiten Funktionsstellung wieder in die erste Funktionsstellung überführen. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die erste Fluidbohrung, die zweite Fluidbohrung und die dritte Fluidbohrung jeweils als kreiszylindrische Bohrungen ausgebildet sind und jeweils koaxial zur Bewegungsachse angeordnet sind.
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Zweckmäßig ist es, wenn in der dritten Fluidbohrung gegenüberliegend zu einer axial ausgerichteten Stirnfläche des dritten Funktionsabschnitts des Ventilglieds eine Sensorhülse abdichtend aufgenommen ist und dass in der Sensorhülse eine Sensoreinrichtung aufgenommen ist. Die Sensorhülse hat zum einen die Aufgabe, die dritte Fluidbohrung an einem der ersten Fluidbohrung abgewandten Endbereich abzudichten und hat zum anderen die Aufgabe, eine Festlegung einer Sensoreinrichtung am Ventilgehäuse zu ermöglichen. Bevorzugt ist die Sensorhülse hierzu becherförmig ausgebildet und die Sensoreinrichtung wird in die zentrale Ausnehmung der Sensorhülse aufgenommen, während ein Bodenbereich der becherförmig ausgebildeten Sensorhülse gegenüberliegend zur Stirnfläche des dritten Funktionsabschnitts des Ventilglieds angeordnet ist. Bei der Sensoreinrichtung kann es sich beispielsweise um einen induktiven Näherungsschalter oder um einen magnetfeldempfindlichen Sensor handeln, der zur Bereitstellung eines Sensorsignals ausgebildet ist, das von einem elektromagnetischen oder magnetischen Feld abhängig ist, das seinerseits durch einen Abstand zwischen der Sensorhülse und dem Ventilglied beeinflusst wird.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass dem ersten Funktionsabschnitt benachbart zu einem Übergang zum dritten Funktionsabschnitt ein Radialdichtring zugeordnet ist, der für eine linearbewegliche Abdichtung zwischen der ersten Fluidbohrung und der dritten Fluidbohrung ausgebildet ist und der radial an der Innenoberfläche der ersten Fluidbohrung anliegt. Hierdurch wird eine fluidische Entkopplung zwischen der dritten Fluidbohrung und der ersten Fluidbohrung erzielt. Somit ist die Funktionsstellung des Ventilglieds längs des Bewegungswegs zumindest weitgehend unabhängig von einem am ersten Fluidanschluss anliegenden Arbeitsdruck und wird vielmehr zumindest nahezu ausschließlich von einem Steuerdruck am dritten Fluidanschluss sowie von den Eigenschaften der vorgespannten Federeinrichtung, die für eine Festlegung einer Vorzugsstellung, insbesondere der ersten Funktionsstellung, für das Ventilglied ausgebildet ist, bestimmt.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Axialdichtabschnitt rotationssymmetrisch mit einer L-förmigen Profilierung ausgebildet ist. Dabei dient ein zumindest im Wesentlichen hülsenförmig und mit kreisringförmiger Profilierung ausgebildeter, radial innenliegender Innenbereich des ersten Axialdichtabschnitts zur abdichtenden Kopplung des ersten Axialdichtabschnitts mit dem zweiten Funktionsabschnitt. Ein in der Art einer Ringscheibe ausgebildeter Ringbund ist, vorzugsweise einstückig, mit dem Innenbereich verbunden und erstreckt sich in axialer Richtung nach außen. Diese Ringscheibe dient zur flächigen Anlage an der ebenfalls ringförmig ausgebildeten, insbesondere kreisringförmigen, zweiten Dichtfläche.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Hierbei zeigt:
- 1 eine perspektivische Übersichtsdarstellung einer Ventilanordnung,
- 2 eine Schnittdarstellung der Ventilanordnung gemäß der 1 in einer ersten Funktionsstellung, und
- 3 eine Schnittdarstellung der Ventilanordnung gemäß der 1 in einer zweiten Funktionsstellung.
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Eine in der 1 gezeigte Ventilanordnung 1 umfasst ein Ventilgehäuse 2, das rein exemplarisch aus einem ersten, insbesondere aus Metall hergestellten und als Hohlschraube bezeichneten, Ventilgehäuseabschnitt 3 und einem zweiten, insbesondere aus Kunststoff hergestellten und als Schwenkanschluss bezeichneten, Ventilgehäuseabschnitt 4 gebildet ist. Dabei ist der zweite Ventilgehäuseabschnitt 4 zumindest bereichsweise im ersten Ventilgehäuseabschnitt 3 aufgenommen und umfasst einen ersten Fluidanschluss 5 sowie einen dritten Fluidanschluss 7, die in der Art kreiszylindrischer Hülsen ausgebildet sind, wobei eine erste Mittelachse 8 des ersten Fluidanschlusses 5 und eine dritte Mittelachse 10 des dritten Fluidanschlusses 7 parallel zueinander und quer zu einer Mittelachse 11 des Ventilgehäuse 2 ausgerichtet sind. Ein zweiter Fluidanschluss 6, der am ersten Ventilgehäuseabschnitt 3 ausgebildet ist, erstreckt sich rein exemplarisch als kreiszylindrische Hülse koaxial zur Mittelachse 11. An einem dem zweiten Fluidanschluss 6 abgewandten Endbereich des Ventilgehäuses 2 ist eine rein exemplarisch als induktiven Näherungsschalter ausgebildete Sensoreinrichtung 12 in einer Sensorhülse 60 aufgenommen, die ihrerseits mit einer Überwurfmutter 16 am Ventilgehäuse 2 festgelegt ist. Die Sensoreinrichtung 12 umfasst ein Sensorkabel 17, das zur elektrischen Versorgung der Sensoreinrichtung 12 sowie zur Weiterleitung eines von der Sensoreinrichtung 12 zur Verfügung gestellten Sensorsignals ausgebildet ist.
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Wie den Darstellungen der 2 und 3 entnommen werden kann, ist der erste Ventilgehäuseabschnitt 2 zumindest im Wesentlichen als rotationssymmetrischer Körper ausgebildet, der von einer ersten Fluidbohrung 18, einer zweiten Fluidbohrung 19 sowie einer dritten Fluidbohrung 20 durchsetzt ist, die eine Arbeitsausnehmung 14 bilden. Rein exemplarisch sind die erste Fluidbohrung 18, die zweite Fluidbohrung 19 sowie die dritte Fluidbohrung 20 jeweils koaxial zur Mittelachse 11 und kreiszylindrisch ausgebildet.
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Die erste Fluidbohrung 18 weist einen ersten Durchmesser 21 auf und ist zur Aufnahme eines ersten Funktionsabschnitts 26 sowie eines zweiten Funktionsabschnitts 27 eines Ventilglieds 25 vorgesehen. Rein exemplarisch ist der erste Funktionsabschnitt 26 kreiszylindrisch ausgebildet und längs der Mittelachse 11 erstreckt. Ein erster Durchmesser 35 einer auch als erster Radialdichtabschnitt bezeichneten Außenumfangsfläche 45 des ersten Funktionsabschnitts 26 und der erste Durchmesser 21 der ersten Fluidbohrung 18 sind derart aufeinander angepasst, dass eine Spielpassung gemäß der DIN EN ISO 286-1:2019-02 gebildet wird. Dies bedeutet in der Praxis, dass ein nicht näher dargestellter Spalt zwischen dem ersten Funktionsabschnitt 26 und der ersten Fluidbohrung 18 selbst bei Ausnutzung des jeweiligen Toleranzfelds für den ersten Funktionsabschnitt und für die erste Fluidbohrung nur so groß ist, dass die Ventilanordnung 1 zwischen dem ersten Fluidanschluss 5 und dem zweiten Fluidanschluss 6 auch für den Fall, dass keine weiteren Dichtmittel vorhanden sind, eine Leckage für ein druckbeaufschlagtes Fluid aufweist, die unterhalb eines Grenzwerts liegt, der aus Sicherheitsvorschriften abgeleitet ist die für eine Vorrichtung gelten, die mit Hilfe der Ventilanordnung 1 und einem nicht näher dargestellten, am zweiten Fluidanschluss 6 angeschlossenen und insbesondere als Pneumatikzylinder ausgebildeten, Aktor betrieben werden soll.
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Um eine möglichst vollständige Abdichtung zwischen dem ersten Funktionsabschnitt 26 und einer Innenoberfläche 13 der ersten Fluidbohrung 18 in der ersten Funktionsstellung, wie sie in der 2 dargestellt ist, zu erreichen, weist der erste Funktionsabschnitt 26 eine umlaufende Radialnut 29 auf. In dieser Radialnut 29 ist ein O-Ring 30 aufgenommen, der auch als zweiter Radialdichtabschnitt bezeichnet wird und dessen nicht näher bezeichneter Außendurchmesser derart auf den ersten Durchmesser 21 der ersten Fluidbohrung 18 abgestimmt ist, dass diese beiden Komponenten in der ersten Funktionsposition gemäß der 2 eine Übermaßpassung bilden.
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Die zweite Fluidbohrung 19 weist einen zweiten Durchmesser 22 auf, der größer als der erste Durchmesser 21 der ersten Paarung 18 gewählt ist. Beispielhaft ist vorgesehen, dass ein Übergangsbereich 24 zwischen der ersten Fluidbohrung 18 und der zweiten Fluidbohrung 19 als kreisringförmige, in axialer Richtung ausgerichtete Dichtfläche mit einem ringförmigen, als Dichtsitz dienenden Axialvorsprung 44 ausgebildet ist.
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Am Ventilglied 25 ist angrenzend an den ersten Funktionsabschnitt 26 ein zweiter Funktionsabschnitt 27 ausgebildet, der in der ersten Funktionsstellung gemäß der 2 in die zweite Fluidbohrung 19 ragt und beispielhaft rotationssymmetrisch zur Mittelachse 11 mit einer T-förmigen Profilierung ausgebildet ist. Hierdurch wird ein nutförmige Aufnahmebereich 31 gebildet, der jeweils in axialer Richtung von einer ersten Stirnfläche 32 des ersten Funktionsabschnitts 26 sowie von einer zweiten Stirnfläche 34 eines beabstandet zum ersten Funktionsabschnitt 26 angeordneten Ringbunds 33 begrenzt wird. In dem nutförmigen Aufnahmebereich 31 ist eine rotationssymmetrisch zur Mittelachse 11 ausgebildete Axialdichtung 40 aufgenommen, die auch als erster Axialdichtabschnitt bezeichnet wird. Die Axialdichtung 40 umfasst einen hülsenförmigen Grundkörper 41 mit kreisringförmiger Profilierung sowie einen endseitig am Grundkörper 41 angeordneten, in radialer Richtung nach außen erstreckten Dichtring 42. Mit der Darstellung der 2 entnommen werden kann, ist der Dichtring 42 in der ersten Funktionsstellung des Ventilglieds 25 für eine stirnseitige Anlage am Axialvorsprung 44 ausgebildet, um eine Abdichtung zwischen der zweiten Fluidbohrung 19 und der ersten Fluidbohrung 18 zu gewährleisten. Rein exemplarisch wird davon ausgegangen, dass bei einem bestimmungsgemäßen Betrieb der Ventilanordnung 1 am zweiten Fluidanschluss 6 bei einem Schließvorgang für die Ventilanordnung 1 eventuell Druckstöße auftreten können, die beispielsweise aus einer Verzögerung eines pneumatischen Aktors, insbesondere eines Pneumatikzylinders, resultieren können. Diese Druckstöße wirken insbesondere auf den abdichtend am Axialvorsprung 44 anliegenden Dichtring 42, der hierdurch noch fester auf den Axialvorsprung 44 gepresst wird.
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Das Ventilglied 25 weist ferner einen dritten Funktionsabschnitt 28 auf, der sich an den ersten Funktionsabschnitt 26 in axialer Richtung und entgegengesetzt zum zweiten Funktionsabschnitt 27 anschließt. Der dritte Funktionsabschnitt 28 weist den gleichen Durchmesser 35 wie der erste Funktionsabschnitt 26 auf, ist jedoch im Gegensatz zum ersten Funktionsabschnitt 26 nicht kreiszylindrisch ausgebildet, sondern weist vielmehr eine Vielzahl von jeweils längs der Mittelachse 11, die auch als Bewegungsachse bezeichnet werden kann, erstreckte, nutförmige Durchlassöffnungen 36 auf, die insbesondere in der 4 gut zu erkennen sind. Wie aus der Darstellung der 2 zu entnehmen ist, sind die Durchlassöffnungen 36 ausgehend von einer ringförmigen Stirnfläche 37 des dritten Funktionsabschnitts 28 in den dritten Funktionsabschnitt 28 eingebracht und erstrecken sich bis kurz vor den ersten Funktionsabschnitt 26. Beispielhaft ist vorgesehen, dass quer zur ersten Fluidbohrung 18 eine Versorgungsbohrung 38 in den ersten Ventilgehäuseabschnitt 3 angebracht ist, die mit 2 gegenüberliegenden Mündungsöffnungen 39 in die erste Fluidbohrung 18 ausmündet und die ferner in eine am ersten Ventilgehäuseabschnitt 3 radial außen liegend ausgebildete Ringnut 47 ausmündet.
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Wie aus der Darstellung der 2 entnommen werden kann, wird durch die Aufnahme des ersten Ventilgehäuseabschnitts 3 in den zweiten Ventilgehäuseabschnitt 4 die Ringnut 47 radial nach außen durch den zweiten Ventilgehäuseabschnitt 4 begrenzt und bildet damit mit dem zweiten Ventilgehäuseabschnitt 4 einem Ringkanal. Ferner ist der 2 zu entnehmen, dass der erste Fluidanschluss 5 in diesen von der Ringnut 47 gebildeten Ringkanal ausmündet, so dass im Ergebnis einer Bereitstellung eines druckbeaufschlagten Fluids am ersten Fluidanschluss 5 eine Fluidzufuhr in die Ringnut 47, die Versorgungsbohrung 38 und einen Bereich der ersten Fluidbohrung 18, der in der ersten Funktionsstellung des Ventilglieds 25 nicht vom ersten Funktionsabschnitt 26 blockiert ist, erfolgen kann.
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Ausgehend vom dritten Funktionsabschnitt 28 erstreckt sich längs der Mittelachse 11 in einer dem ersten und zweiten Funktionsabschnitt 26, 27 entgegengesetzten Richtung ein Verbindungsabschnitt 48, der mit einem gleitbeweglich und radial abdichtend in der ersten Fluidbohrung 18 aufgenommenen Wellendichtring 49 versehen ist und der ferner mit einem vierten Funktionsabschnitt 50 verbunden ist, der in der dritten Fluidbohrung 20 aufgenommen ist. Rein exemplarisch ist der vierte Funktionsabschnitt 50 als kreiszylindrischer Arbeitskolben ausgebildet, der mit einem Wellendichtring 51 versehen ist, der in einer Ringnut 52 aufgenommen ist. Dabei gewährleistet der Wellendichtring 51 die gewünschte linearbewegliche Abdichtung zwischen dem vierten Funktionsabschnitt 50 und der dritten Fluidbohrung 20. An einer in Richtung des ersten Funktionsabschnitts 26 ausgerichteten Stirnfläche 53 des dritten Funktionsabschnitts 50 ist eine rein exemplarisch als Wendelfeder ausgebildete Federeinrichtung 54 abgestützt, die mit einem entgegengesetzten Endbereich an einer der Stirnflächen 53 gegenüberliegenden Fläche 55 anliegt und die in der ersten Funktionsstellung gemäß der 2 eine innere Vorspannung aufweist.
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Die dritte Fluidbohrung 20 steht über eine Verbindungsbohrung 56 in fluidisch kommunizierender Verbindung mit einer am ersten Ventilgehäuseabschnitt 3 ausgebildeten Ringnut 57, die ihrerseits in fluidisch kommunizierender Verbindung mit dem dritten Fluidanschluss 7 steht. Dabei ist eine Anordnung der Verbindungsbohrung 56 derart vorgesehen, dass bei einer Bereitstellung eines druckbeaufschlagten Fluids am dritten Fluidanschluss 7 lediglich ein größenvariabler Arbeitsraum 58 mit dem druckbeaufschlagten Fluid versorgt wird. Dieser Arbeitsraum 58 wird durch die dritte Fluidbohrung 20, eine in axialer Richtung ausgerichtete Kolbenfläche 59 und eine Stirnfläche 61 einer in der dritten Fluidbohrung 20 aufgenommenen Sensorhülse 60 begrenzt. Durch eine Druckbeaufschlagung des Arbeitsraums 58 wirkt eine Druckkraft auf die Kolbenfläche 59, wodurch eine lineare Bewegung des Ventilglieds für 20 längs der Mittelachse 11 unter Vergrößerung des Arbeitsraums 58 stattfindet und zunächst der Dichtring 42 vom Axialvorsprung 44 abgehoben wird und anschließend bei einer weiteren linearen Bewegung des Ventilglieds 25 auch der erste Funktionsabschnitt 26 aus der ersten Fluidbohrung 18 austritt, wobei diese Position des Ventilglieds 24 auch als zweite Funktionsstellung bezeichnet wird, die in der 3 dargestellt ist.
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Aus der Darstellung der 3 ist zu entnehmen, dass aufgrund der linearen Verlagerung des Ventilglieds 25 aus der ersten Funktionsstellung in die zweite Funktionsstellung eine fluidisch kommunizierende Verbindung zwischen dem ersten Fluidanschluss 5 mit dem zweiten Fluidanschluss 6 vorliegt. Hierbei kann am ersten Fluidanschluss 5 bereitgestelltes, druckbeaufschlagtes Fluid über die Ringnut 47, die Versorgungsbohrung 38, die erste Fluidbohrung 18, die nutförmigen Durchlassöffnungen 36 am dritten Funktionsabschnitt 28 bis in die zweite Fluidbohrung 19 und von dort zum zweiten Fluidanschluss 6 strömen. Hierbei gewährleisten die zwischen den Durchlassöffnungen 36 ausgebildeten Führungsstege 43 eine radiale Führung des Ventilglieds 25, so dass auch bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten des Fluids und dabei eventuell auftretenden Schwingungseffekten eine stabile Abstützung des Ventilglieds 25 gewährleistet ist.
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Die in der dritten Fluidbohrung 20 aufgenommene Sensorhülse 60 ist rein exemplarisch becherförmig und rotationssymmetrisch zur Mittelachse 11 ausgebildet und dient zur Aufnahme einer nur schematisch dargestellten Sensoreinrichtung 12, bei der es sich beispielsweise um einen induktiven Näherungssensor handeln kann. Die Aufgabe der Sensoreinrichtung 12 besteht darin, ein Sensorsignal über das Sensorgehäuse 17 an eine nicht dargestellte Steuereinrichtung bereitzustellen, wenn das Ventilglied 25 die in der 2 gezeigte erste Funktionsstellung einnimmt oder zumindest nahezu eingenommen hat. Beispielhaft ist vorgesehen, dass die Sensorhülse 60 an einer Außenumfangsfläche 63 mit einer Ringnut 64 versehen ist, in der ein O-Ring 65 zur Abdichtung gegenüber der dritten Fluidbohrung 20 aufgenommen ist. Ferner ist vorgesehen, dass die Sensorhülse 60 in axialer Richtung durch eine Überwurfmutter 16, die auf einen Gewindeabschnitt 67 des ersten Ventilgehäuseabschnitts 3 aufgeschraubt ist, gesichert ist.
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Für die Funktionsweise der Ventilanordnung 1 ist von besonderer Bedeutung, dass aufgrund der Ausgestaltung des ersten Funktionsabschnitts 26 und der ersten Fluidbohrung 18 zwischen diesen beiden Komponenten eine Spielpassung geschaffen wird, die selbst bei vollständiger Abwesenheit des O-Rings 30 und der Axialdichtung 40 gewährleistet, dass bei einer gegebenen Druckdifferenz zwischen dem ersten Fluidanschluss 5 und dem zweiten Fluidanschluss 6 in der ersten Funktionsstellung kein Fluidvolumenstrom auftritt, der einen vorgebbaren Betrag überschreitet, wobei dieser Betrag für den Fluidvolumenstrom insbesondere von Sicherheitsvorschriften einer Anlage abhängig ist, in der die Ventilanordnung 1 und ein an die Ventilanordnung 1 angeschlossener, nicht dargestellter Fluidverbraucher, insbesondere Pneumatikzylinder, eingebaut sind.
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Beispielsweise kann es sich bei dieser Anlage um eine Montagepresse handeln, mit deren Hilfe Bauteile miteinander versetzt werden, wobei durch die vorstehend beschriebene Konstruktion der Ventilanordnung 1 auch dann eine sicherheitsgerichtete Abschaltung der Montagepresse möglich ist, wenn der ohnehin extrem unwahrscheinliche Fall auftreten sollte, dass sowohl der O-Ring 30 als auch die Axialrichtung 40 keine Dichtwirkung mehr gewährleisten können. In diesem Fall wird durch die Spielpassung zwischen dem ersten Funktionsabschnitt 26 und der ersten Fluidbohrung 18 eine Begrenzung eines Fluidvolumenstroms auf einen Betrag gewährleistet, bei dem vom Fluidverbraucher, der mit der Ventilanordnung 1 verbunden ist, keine Gefahr für einen Benutzer ausgibt, da beispielsweise eine Bewegungsgeschwindigkeit dieses Fluidverbrauchers unterhalb eines vorgebbaren Schwellwerts liegt.
