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Die Erfindung betrifft Mehrwegeventil,
- - mit einem Ventilgehäuse, in dem sich mehrere Ventilkanäle erstrecken und in dem ein sich in einer Längsrichtung entlang einer Längsachse erstreckender, radial außen von einer peripheren Aufnahmeraum-Begrenzungsfläche des Ventilgehäuses begrenzter Kolbenaufnahmeraum ausgebildet ist, der in mehrere in der Längsrichtung aufeinanderfolgend angeordnete Aufnahmeraum-Hauptabschnitte unterteilt ist,
- - wobei sich in dem Kolbenaufnahmeraum ein unter Ausführung einer Umschaltbewegung in der Längsrichtung zwischen mehreren Schaltstellungen axial verschiebbarer Steuerkolben erstreckt, der einen eine Steuer-Dichtungsstruktur tragenden Kolbenkörper aufweist und in der Lage ist, abhängig von seiner Schaltstellung die Aufnahmeraum-Hauptabschnitte in unterschiedlichen Steuerkonfigurationen fluidisch miteinander zu verbinden und/oder voneinander abzusperren,
- - mit mindestens einer Steuereinheit, die einen Speise-Hauptabschnitt, einen Entlüftungs-Hauptabschnitt und einen zwischen dem Speise-Hauptabschnitt und dem Entlüftungs-Hauptabschnitt angeordneten Arbeits-Hauptabschnitt der Aufnahmeraum-Hauptabschnitte aufweist, wobei sich unter den Ventilkanälen ein mit einer fluidischen Druckquelle verbindbarer und in den Speise-Hauptabschnitt einmündender Speisekanal, ein mit einem anzusteuernden Fluidverbraucher verbindbarer und in den Arbeits-Hauptabschnitt einmündender Arbeitskanal sowie ein mit einer Drucksenke kommunizierender und über eine in der peripheren Aufnahmeraum-Begrenzungsfläche ausgebildete Entlüftungsöffnung in den Entlüftungs-Hauptabschnitt einmündender Entlüftungskanal befinden,
- - wobei die mindestens eine Steuereinheit ferner einen Auslass-Steuerabschnitt des Steuerkolbens aufweist, der eine sich in einer Kolben-Umfangsrichtung um den Kolbenkörper herum erstreckende ringförmige Auslass-Steuerdichtung der Steuer-Dichtungsstruktur enthält und dessen zur Längsachse des Kolbenaufnahmeraumes orthogonale Querschnittsfläche geringer ist als diejenige des Entlüftungs-Hauptabschnittes, wobei der Auslass-Steuerabschnitt mittels der Umschaltbewegung innerhalb des Entlüftungs-Hauptabschnittes positionierbar ist, um zwecks Entlüftung eines an den Arbeitskanal angeschlossenen Fluidverbrauchers eine Fluidverbindung zwischen dem Arbeits-Hauptabschnitt und dem Entlüftungs-Hauptabschnitt freizugeben.
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Ein aus der
EP 0 756 090 A2 bekanntes Mehrwegeventil dieser Art enthält einen in einem Kolbenaufnahmeraum zur Positionierung in unterschiedlichen Schaltstellungen verschiebbar aufgenommenen Steuerkolben, der einen mit einer Steuer-Dichtungsstruktur bestückten Kolbenkörper aufweist, wobei sich die Steuer-Dichtungsstruktur aus einer Mehrzahl von axial zueinander beabstandeten ringförmigen Steuerdichtungen zusammensetzt. Abhängig von der Schaltstellung des Ventilgliedes können die Steuerdichtungen dafür sorgen, dass in einer Längsrichtung des Kolbenaufnahmeraumes aufeinanderfolgend angeordnete Aufnahmeraum-Hauptabschnitte zur Ermöglichung eines Fluidübertrittes miteinander verbunden oder zur Verhinderung eines Fluidübertrittes voneinander abgesperrt sind. Funktionell ist das Mehrwegeventil in zwei Steuereinheiten unterteilt, zu denen jeweils mehrere der Aufnahmeraum-Hauptabschnitte und mehrere Steuerabschnitte des Steuerkolbens gehören. Die Aufnahmeraum-Hauptabschnitte umfassen pro Steuereinheit unter anderem einen mit einem Entlüftungskanal kommunizierenden Entlüftungs-Hauptabschnitt, der durch entsprechende Positionierung eines zugeordneten Auslass-Steuerabschnittes des Steuerkolbens mit einem benachbarten Arbeits-Hauptabschnitt fluidisch verbindbar ist, um einen über einen Arbeitskanal an den Arbeits-Hauptabschnitt angeschlossenen Fluidverbraucher zu entlüften. Das bekannte Mehrwegeventil ist als 5/2-Wegeventil ausgeführt und ermöglicht das abwechselnde Entlüften zweier Arbeitskanäle durch abwechselndes Verbinden mit einem von zwei Entlüftungskanälen. Während der Entlüftung nimmt ein eine Auslass-Steuerdichtung aufweisender Auslass-Steuerabschnitt des Steuerkolbens eine Position innerhalb eines Entlüftungs-Hauptabschnittes des Kolbenaufnahmeraumes ein. Um der Problematik einer auf Fluidkräfte zurückzuführenden, die Funktionsweise des Mehrwegeventils beeinträchtigenden Verformung der Auslass-Steuerdichtungen entgegenzuwirken, sollten bei diesem Mehrwegeventil die gesteuerten Drücke und Durchflüsse eine gewisse Obergrenze nicht überschreiten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Mehrwegeventil der eingangs genannten Art Maßnahmen zu treffen, die eine Steuerung von Fluidströmen hoher Drücke und/oder Durchflüsse ermöglichen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß in Verbindung mit den eingangs genannten Merkmalen vorgesehen, dass der Entlüftungs-Hauptabschnitt mindestens einer Steuereinheit orthogonal zur Längsachse des Kolbenaufnahmeraumes einen unrunden, länglichen Querschnitt hat, wobei er in dem der Entlüftungsöffnung diametral gegenüberliegenden Bereich über eine radiale Druckentlastungsmulde verfügt, in der ein radialer Abstand der Aufnahmeraum-Begrenzungsfläche zur Längsachse des Kolbenaufnahmeraumes größer ist als in zwei sich in der Kolben-Umfangsrichtung beidseits an die radiale Druckentlastungsmulde zu der Entlüftungsöffnung hin anschließenden, einander gegenüberliegenden seitlichen Übergangsbereichen des Entlüftungs-Hauptabschnittes.
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Bei dem erfindungsgemäßen Mehrwegeventil kann der Steuerkolben zu einer Umschaltbewegung angetrieben und dadurch in unterschiedlichen Schaltstellungen positioniert werden. In den diversen Schaltstellungen sind die mit Ventilkanälen kommunizierenden Aufnahmeraum-Hauptabschnitte des Kolbenaufnahmeraumes in unterschiedlichen Konfigurationen fluidisch miteinander verbunden beziehungsweise fluiddicht voneinander abgesperrt. Der Steuerkolben verfügt über mindestens einen Auslass-Steuerabschnitt, der mit einer ringförmigen Auslass-Steuerdichtung versehen ist und abhängig von der momentanen Schaltstellung des Steuerkolbens eine Schließstellung oder eine Offenstellung einnehmen kann. In der Schließstellung unterbindet er einen Fluidübertritt zwischen einem mit einem Arbeitskanal verbundenen Arbeits-Hauptabschnitt und einem mit einem Entlüftungskanal verbundenen Entlüftungs-Hauptabschnitt der Aufnahmeraum-Hauptabschnitte. Es kann dann ein an den Arbeitsraum-Hauptabschnitt angeschlossener Fluidverbraucher, beispielsweise ein fluidbetätigter Antrieb, mit einem fluidischen Druckmedium gespeist werden, um einen gewünschten Arbeitsvorgang hervorzurufen. In der Offenstellung ist der Auslass-Steuerabschnitt im Entlüftungs-Hauptabschnitt des Kolbenaufnahmeraumes angeordnet und gibt eine Fluidverbindung zwischen dem Arbeits-Hauptabschnitt und dem Entlüftungs-Hauptabschnitt frei, sodass vom angeschlossenen Fluidverbraucher zurückströmendes Druckmedium durch die im Entlüftungs-Hauptabschnitt befindliche Entlüftungsöffnung hindurch in den Entlüftungskanal und von dort zu einer Drucksenke, insbesondere zur Atmosphäre, ausströmen kann. Die dabei im Bereich der Entlüftungsöffnung auftretende hohe Strömungsgeschwindigkeit kann lokal einen starken Druckabfall des statischen Druckes hervorrufen, was ohne eine gegenüberliegende Druckentlastungsmulde dazu führen kann, dass die Auslass-Steuerdichtung asymmetrisch verformt und sogar durch die Entlüftungsöffnung hindurch in den Entlüftungskanal hineingezogen wird. Dies kann bei einem anschließenden Schaltstellungswechsel dazu führen, dass die Auslass-Steuerdichtung von der die Entlüftungsöffnung begrenzenden Gehäusekante beschädigt wird. Erfindungsgemäß ist einer solchen Problematik durch die unrunde, längliche Querschnittsform des Entlüftungs-Hauptabschnittes effektiv entgegengewirkt. Die längliche Querschnittsform resultiert aus einer radialen Druckentlastungsmulde in dem der Entlüftungsöffnung diametral gegenüberliegenden Bereich des Entlüftungs-Hauptabschnittes. Dort hat die auch den Entlüftungs-Hauptabschnitt peripher begrenzende Aufnahmeraum-Begrenzungsfläche des Kolbenaufnahmeraumes einen größeren radialen Abstand zur Längsachse des Kolbenaufnahmeraumes als zwei sich gegenüberliegende seitliche Übergangsbereiche des Entlüftungs-Hauptabschnittes, die sich jeweils an einer Seite in der Kolben-Umfangsrichtung an die radiale Druckentlastungsmulde anschließen. Das von der Seite des Arbeits-Hauptabschnittes zuströmende Druckmedium hat daher die Möglichkeit, den Auslass-Steuerabschnitt des Steuerkolbens innerhalb des Entlüftungs-Hauptabschnittes auf der der Entlüftungsöffnung diametral gegenüberliegenden Seite durch einen relativ großen freien Strömungsquerschnitt hindurch rückstauarm zu umströmen. Dies hat den Effekt, dass sich im Bereich der Druckentlastungsmulde kein hoher statischer Druck aufbauen kann, wodurch die diametrale Druckdifferenz zwischen dem Bereich der Entlüftungsöffnung und dem Bereich der Druckentlastungsmulde relativ gering ist und die Auslass-Steuerdichtung keine relevante Verformung in Richtung der Entlüftungsöffnung erfährt. Besonders ausgeprägt ist dieser vorteilhafte Effekt, wenn sich der Auslass-Steuerabschnitt beim Umschalten des Steuerkolbens schon ein Stück weit aus der Offenstellung in Richtung der Schließstellung verlagert hat, was umso vorteilhafter ist, als die Auslass-Steuerdichtung in dieser Situation unmittelbar vor dem Überfahren einer die Entlüftungsöffnung begrenzenden Gehäusekante steht. Der Auslass-Steuerabschnitt kann dann ohne Beschädigungsgefahr in die Schließstellung verlagert werden.
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Der mit der Erfindung erzielbare vorteilhafte Effekt ist vom Druck und/oder Durchfluss des zu steuernden Druckmediums zumindest im Wesentlichen unabhängig. Folglich kann das Mehrwegeventil mit hohen Strömungsraten des zu steuernden Druckmediums betrieben werden, ohne einer relevanten Verschleiß- oder Beschädigungsgefahr ausgesetzt zu sein. Als weiterer Vorteil ist die Möglichkeit zur Realisierung einer geringen Baubreite des Ventilgehäuses zu erwähnen, was darauf zurückzuführen ist, dass die einander gegenüberliegenden, jeweils zwischen der Druckentlastungsmulde und der Entlüftungsöffnung platzierten seitlichen Übergangsbereiche des Entlüftungs-Hauptabschnittes aufgrund des länglichen Querschnittes des Entlüftungs-Hauptabschnittes sehr schmal sind oder zumindest sehr schmal ausgeführt werden können. Bevorzugt ist der Abstand zwischen den beiden die Übergangsbereiche begrenzenden Flächenabschnitten der Aufnahmeraum-Begrenzungsfläche nur geringfügig größer als der Außendurchmesser der momentan im Entlüftungs-Hauptabschnitt positionierten Auslass-Steuerdichtung.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Bei einer möglichen Ausgestaltung verfügt das Mehrwegeventil über nur eine einzige Steuereinheit, wobei es zweckmäßigerweise als ein 3/2-Wegeventil ausgebildet ist. Zu Gunsten einer umfangreicheren Funktionalität ist es allerdings vorteilhaft, wenn das Mehrwegeventil über zwei Steuereinheiten verfügt, die in der Längsrichtung des Kolbenaufnahmeraumes aufeinanderfolgend angeordnet sind. Diese beiden Steuereinheiten haben zweckmäßigerweise den Speise-Hauptabschnitt gemeinsam, wobei axial beidseits des Speise-Hauptabschnittes jeweils einer von zwei Entlüftungs-Hauptabschnitten und zwischen dem Speise-Hauptabschnitt und jedem Entlüftungs-Hauptabschnitt jeweils einer von zwei Arbeits-Hauptabschnitten angeordnet ist. Jedem der beiden Entlüftungs-Hauptabschnitte ist einer von zwei Auslass-Steuerabschnitten des Steuerkolbens zugeordnet. Der Steuerkolben kann einteilig oder auch mehrteilig mit zwei axial aufeinanderfolgend angeordneten separaten Steuerkolbeneinheiten realisiert sein.
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Ein mit zwei Steuereinheiten ausgestattetes Mehrwegeventil ist insbesondere als 5/2-Wegeventil oder als 5/3-Wegeventil ausgebildet.
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Die mindestens eine Steuereinheit enthält zweckmäßigerweise einen zum Steuerkolben gehörenden Einlass-Steuerabschnitt, der über eine Einlass-Steuerdichtung der Steuer-Dichtungsstruktur verfügt und der mittels der Umschaltbewegung des Steuerkolbens innerhalb des Speise-Hauptabschnittes positionierbar ist, um zwecks Belüftung eines an den Arbeitskanal angeschlossenen Fluidverbrauchers eine Fluidverbindung zwischen dem Speise-Hauptabschnitt und dem Arbeits-Hauptabschnitt freizugeben. Wenn das Mehrwegeventil über zwei Steuereinheiten verfügt, ist der Steuerkolben mit zwei der vorgenannten Einlass-Steuerabschnitte ausgestattet. Jede Steuereinheit ist bevorzugt so ausgebildet, dass der Auslass-Steuerabschnitt die weiter oben beschriebene Offenstellung einnimmt, wenn sich der Einlass-Steuerabschnitt in einer Schließstellung befindet, in der der Arbeits-Hauptabschnitt vom Steuer-Hauptabschnitt abgesperrt ist, und umgekehrt.
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Zweckmäßigerweise handelt es sich bei dem Mehrwegeventil um ein elektro-fluidsch und insbesondere elektro-pneumatisch vorgesteuertes Ventil. In diesem Fall ist es zur Betätigung des Steuerkolbens mit einer elektro-fluidischen Vorsteuerventileinrichtung ausgestattet, die über mindestens ein Vorsteuerventil verfügt, bei dem es sich beispielsweise um ein Magnetventil oder um ein Piezoventil handelt.
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Insbesondere in einer Bauform als Sitzventil mit axial dichtender Steuer-Dichtungsstruktur können die einzelnen Aufnahmeraum-Hauptabschnitte direkt axial ineinander übergehen. Als zweckmäßiger wird es allerdings erachtet, wenn die Aufnahmeraum-Hauptabschnitte in der Längsrichtung des Kolbenaufnahmeraumes unter gegenseitigem Abstand aufeinanderfolgend angeordnet sind, wobei zwischen jeweils zwei in der Längsrichtung aufeinanderfolgenden Aufnahmeraum-Hauptabschnitten ein Aufnahmeraum-Übergangsabschnitt mit im Vergleich zu den Aufnahmeraum-Hauptabschnitten geringerem Querschnitt angeordnet ist. Jeder Aufnahmeraum-Übergangsabschnitt ist radial außen von einem zylindrischen Flächenabschnitt der peripheren Aufnahmeraum-Begrenzungsfläche begrenzt, die als Gehäuse-Dichtfläche fungiert und mit der die Steuer-Dichtungsstruktur abdichtend zusammenwirken kann. Die Steuer-Dichtungsstruktur ist bevorzugt radial dichtend ausgebildet und kann zum gegenseitigen Absperren zweier Aufnahmeraum-Hauptabschnitte unter radialem Dichtkontakt mit der zugeordneten Gehäuse-Dichtfläche in einen Aufnahmeraum-Übergangsabschnitt eintauchen. Ein derartiges Mehrwegeventil mit radialer Abdichtfunktion wird in der Regel als Schieberventil bezeichnet.
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Die Auslass-Steuerdichtung der Steuer-Dichtungsstruktur der mindestens einen Steuereinheit ist vorzugsweise in einer nach radial außen hin offenen ringförmigen Dichtungshaltenut des Kolbenkörpers des Steuerkörpers fixiert. Die Auslass-Steuerdichtung steht mit einem ringförmigen Dichtabschnitt radial über den Kolbenkörper vor. Bevorzugt ist jede zu der Steuer-Dichtungsstruktur gehörende Steuerdichtung in einer ringförmigen Dichtungshaltenut des Kolbenkörpers gehalten.
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Die Steuer-Dichtungsstruktur besteht zweckmäßigerweise aus einem Material mit gummielastischen Eigenschaften und dabei insbesondere aus einem thermoplastischen Elastomermaterial. Es kann sich um unverstärktes Material handeln oder um Material mit integrierten Verstärkungseinlagen, beispielsweise mit Faserverstärkung.
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Bevorzugt ist jede Steuerdichtung als Dichtungsring vergleichbar einem O-Ring konzipiert, wobei der Ringkörper allerdings zweckmäßigerweise keinen kreisrunden Querschnitt hat, sondern über einen länglichen Querschnitt verfügt.
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Die Druckentlastungsmulde mindestens einer und zweckmäßigerweise jeder Steuereinheit des Mehrwegeventils ist insbesondere von einem als Muldenbegrenzungsfläche bezeichneten Bestandteil der Aufnahmeraum-Begrenzungsfläche begrenzt. Bevorzugt ist diese Muldenbegrenzungsfläche so gestaltet, dass sie in konkav gekrümmte Flächenabschnitte der Aufnahmeraum-Begrenzungsfläche übergeht, durch die die seitlichen Übergangsbereiche des Entlüftungs-Hauptabschnittes begrenzt sind und die zur besseren Unterscheidung als Übergangsflächenabschnitte bezeichnet werden. Die Übergangsflächenabschnitte haben zweckmäßigerweise eine kreisbogenförmige Krümmung.
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Die beiden seitlichen Übergangsbereiche des Entlüftungs-Hauptabschnittes liegen sich bevorzugt in einer Querrichtung des Ventilgehäuses gegenüber. Die in dieser Querrichtung gemessene maximale Breite der Druckentlastungsmulde ist zweckmäßigerweise kleiner als ein maximaler Abstand zwischen den die seitlichen Übergangsbereiche begrenzenden Übergangsflächenabschnitten der Aufnahmeraum-Begrenzungsfläche.
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Grundsätzlich kann der Entlüftungs-Hauptabschnitt aber auch so konturiert sein, dass die beiden Übergangsflächenabschnitte ansatzlos in die Muldenbegrenzungsfläche übergehen. Beispielsweise kann eine maximale Breite der Druckentlastungsmulde einem maximalen Abstand zwischen den sich gegenüberliegenden Übergangsflächenabschnitten der Aufnahmeraum-Begrenzungsfläche entsprechen.
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Bei einer ebenfalls vorteilhaften Gestaltung der Druckentlastungsmulde verfügt die Muldenbegrenzungsfläche über eine Muldengrundfläche, die bevorzugt ungekrümmt ist und die sich parallel in einem Abstand zu einer Tangentialebene des Auslass-Steuerabschnittes erstreckt. Die Tangentialebene tangiert eine radial nach außen weisende Fläche der Auslass-Steuerdichtung und hat einen die Längsachse des Kolbenaufnahmeraumes schneidenden Normalenvektor.
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An die sich parallel zu einer Tangentialebene des Auslass-Steuerabschnittes erstreckende Muldengrundfläche schließt sich zweckmäßigerweise eine Muldenseitenfläche an, die sich rechtwinkelig zu der Muldengrundfläche erstreckt. Mit ihr geht die Muldengrundfläche zweckmäßigerweise in Übergangsflächenabschnitte der Aufnahmeraum-Begrenzungsfläche über, die jeweils einen der beiden seitlichen Übergangsbereiche des Entlüftungs-Hauptabschnittes begrenzen.
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Zweckmäßigerweise ist die Druckentlastungsmulde quaderförmig konturiert. Auch eine zylindrische Konturierung ist vorteilhaft. Derartige Formgebungen lassen sich vorteilhaft in einem werkzeugfallenden Herstellungsverfahren wie zum Beispiel Kunststoff-Spritzgießen oder Metall-Druckgießen kostengünstig realisieren. Beispielsweise kann ein zur Herstellung des Kolbenaufnahmeraumes verwendeter Formhauptkern in seiner Querrichtung von einem Formzusatzkern durchsetzt sein, der für die Erzeugung der länglichen Querschnittsform des Entlüftungs-Hauptabschnittes verantwortlich ist. Bei Verwendung solcher sich durchdringender Formkerne kann man von einem sogenannten Kerndurchtauchen sprechen.
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Eine andere vorteilhafte Herstellungsmöglichkeit besteht darin, das Ventilgehäuse durch ein Gießverfahren herzustellen, bei dem durch geeignete Formkerne die Ventilkanäle und die mindestens eine Druckentlastungsmulde geformt werden, worauf in einem spanabhebenden Verfahren der Kolbenaufnahmeraum eingebracht wird.
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Besonders strömungsgünstig wirkt sich eine Formgebung der Druckentlastungsmulde aus, bei der die Muldenbegrenzungsfläche eine in der Kolben-Umfangsrichtung bogenförmig konkav gekrümmte Muldengrundfläche aufweist. Bevorzugt wird eine Muldengrundfläche mit gleichförmiger, kreisbogenförmiger Krümmung. Die Muldengrundfläche ist zweckmäßigerweise nach Art der Innenumfangsfläche eines Umfangsabschnittes eines Hohlzylinders gestaltet.
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Der Krümmungsradius der konkav gekrümmten Muldengrundfläche ist bevorzugt kleiner als der Radius des Entlüftungs-Hauptabschnittes zwischen den beiden einander gegenüberliegenden seitlichen Übergangsbereichen. Auf diese Weise schließt sich die Druckentlastungsmulde insbesondere höckerartig an die beiden seitlichen Übergangsbereiche an.
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Ungeachtet ihrer Formgebung kann die mindestens eine Druckentlastungsmulde auch im Rahmen einer generativen beziehungsweise additiven Fertigung des Ventilgehäuses geformt werden.
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Der mindestens eine Entlüftungs-Hauptabschnitt hat zweckmäßigerweise über seinen gesamten länglichen Querschnitt hinweg eine konstante Länge in der Längsrichtung des Kolbenaufnahmeraumes. Dadurch kann ein von dem Steuerkolben durchsetzter zentraler Kolbenaufnahmeabschnitt in der Längsrichtung des Kolbenaufnahmeraumes die gleiche Länge haben wie die zugeordnete Druckentlastungsmulde.
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Eine weitere Durchflussoptimierung stellt sich ein, wenn der Entlüftungs-Hauptabschnitt mindestens einer und insbesondere jeder vorhandenen Steuereinheit über zwei jeweils in der Kolben-Umfangsrichtung zwischen der Entlüftungsöffnung und einem der beiden seitlichen Übergangsbereiche liegende radiale Strömungsmulden verfügt. Die radialen Strömungsmulden sind jeweils von einem Flächenabschnitt der Aufnahmeraum-Begrenzungsfläche begrenzt, die zumindest bereichsweise einen radialen Abstand zur Längsachse des Kolbenaufnahmeraumes haben, der größer ist als in den beiden sich in Richtung zur Druckentlastungsmulde anschließenden seitlichen Übergangsbereichen des Entlüftungs-Hauptabschnittes.
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Die radialen Strömungsmulden können prinzipiell beliebig konturiert sein, haben jedoch vorzugsweise eine in der Kolben-Umfangsrichtung bogenförmig konkav gekrümmte Muldengrundfläche. Die Muldengrundfläche jeder radialen Strömungsmulde ist zweckmäßigerweise entsprechend einem Teilbereich der Innenumfangsfläche eines Hohlzylinders geformt.
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Die in der Längsrichtung des Kolbenaufnahmeraumes gemessene Breite jeder Strömungsmulde entspricht zweckmäßigerweise der entsprechend gemessenen Breite der zum gleichen Entlüftungs-Hauptabschnitt gehörenden Druckentlastungsmulde. Die weiter oben erwähnte bevorzugte konstante Länge des Entlüftungs-Hauptabschnittes über seinen gesamten Querschnitt hinweg schließt den Bereich der Strömungsmulden zweckmäßigerweise ein.
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Die Strömungsmulden können mit der gleichen Technologie hergestellt sein wie die Druckentlastungsmulden.
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Besonders variabel können Druckentlastungsmulden und/oder Strömungsmulden spanabhebend mit dem Verfahren des sogenannten Zirkularfräsens hergestellt werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:
- 1 einen teilweise schematischen Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemä-ßen Mehrwegeventils, wobei der Steuerkolben bei Einnahme einer von zwei möglichen End-Schaltstellungen gezeigt ist, in der von zwei Auslass-Steuerabschnitten des Steuerkolbens der eine eine Offenstellung und der andere eine Schließstellung einnimmt, wobei der Längsschnitt der Schnittebene I-I aus 3 entspricht,
- 2 das Mehrwegeventil aus 1 in einem der Schnittebene II-II aus 4 entsprechenden Längsschnitt, wobei der Steuerkolben in einer zwischen den beiden möglichen End-Schaltstellungen befindlichen temporären Zwischen-Schaltstellung gezeigt ist, in der beide Auslass-Steuerabschnitte eine zur zugeordneten Schließstellung knapp beabstandete Offenstellung einnehmen,
- 3 einen Querschnitt des Mehrwegeventils gemäß Schnittebene III-III aus 1,
- 4 einen weiteren Querschnitt des Mehrwegeventils gemäß Schnittebene IV-IV aus 2,
- 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Mehrwegeventils in einem Querschnitt entsprechend der Schnittebene III-III aus 1, und
- 6 wiederum ein anderes vorteilhaftes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Mehrwegeventils in einem Querschnitt entsprechend Schnittebene III-III aus 1.
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Das in der Zeichnung in mehreren bevorzugten Ausführungsformen illustrierte erfindungsgemäß Mehrwegeventil 1 ist zur Steuerung der Strömung eines fluidischen Druckmediums ausgebildet, bei dem es sich um ein gasförmiges oder um ein flüssiges Medium handeln kann, insbesondere um Druckluft. Auch die Steuerung eines unter Vakuum stehenden Fluides ist möglich.
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Zweckmäßigerweise ist das Mehrwegeventil 1 von einer elektrofluidisch und insbesondere elektro-pneumatisch vorgesteuerten Bauart. Dies trifft auf das illustrierte Ausführungsbeispiel zu. Insofern enthält hier das Mehrwegeventil 1 ein Hauptventil 2, das mit einer elektrisch betätigbaren Vorsteuerventileinrichtung 3 ausgestattet ist, die allerdings nur in 1 und auch dort nur schematisch illustriert ist.
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Das beispielhafte Mehrwegeventil 1 ist von einer bistabilen Bauart, wobei die Vorsteuerventileinrichtung 3 über zwei Vorsteuerventile 3a, 3b verfügt, bei denen es sich zweckmäßigerweise um Magnetventile handelt. Bei einer alternativ ebenfalls möglichen, nicht illustrierten vorgesteuerten monostabilen Bauart enthält die Vorsteuerventileinrichtung 3 zweckmäßigerweise nur ein einziges Vorsteuerventil.
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Die vorgesteuerte Bauart des Mehrwegeventils 1 ist optional. Es kann sich alternativ beispielsweise auch um ein direkt elektrisch oder mittels Fluidkraft betätigbares Mehrwegeventil 1 handeln.
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Das Mehrwegeventil 1 hat ein Ventilgehäuse 5, das exemplarisch als Gehäuse des Hauptventils 2 ausgebildet ist und an das die Vorsteuerventileinrichtung 3 außen angebaut ist. Exemplarisch ist im Bereich zweier einander entgegengesetzter axialer Stirnseiten 11a, 11b des Mehrwegeventils 1 jeweils eines der beiden Vorsteuerventile 3a, 3b montiert.
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Das Ventilgehäuse 5 ist bevorzugt mehrteilig ausgebildet, wobei die Bauart prinzipiell beliebig ist.
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Im Innern des Ventilgehäuses 5 ist ein länglicher, sich entlang einer Längsachse 4 erstreckender Hohlraum ausgebildet, der einen Kolbenaufnahmeraum 7 zur Aufnahme eines als Ventilglied fungierenden Steuerkolbens 8 des Mehrwegeventils 1 bildet. Der Steuerkolben 8 hat eine Längsgestalt und erstreckt sich in dem Kolbenaufnahmeraum 7 in der im Folgenden auch als Längsrichtung 4a bezeichneten Achsrichtung der Längsachse 4.
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Der Steuerkolben 8 ist in dem Kolbenaufnahmeraum 7 relativ zum Ventilgehäuse 5 unter Ausführung einer linearen, durch einen Doppelpfeil angedeuteten Umschaltbewegung 12 in der Längsrichtung 4a hin und her bewegbar. Auf diese Weise kann er relativ zum Ventilgehäuse 5 in unterschiedlichen axialen Schaltstellungen positioniert werden.
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Bei dem beispielhaften Mehrwegeventil 1 handelt es sich um ein Zweistellungsventil. Ein Steuerkolben 8 kann alternativ in einer von zwei End-Schaltstellungen positioniert werden, wobei die 1 eine erste End-Schaltstellung des Steuerkolbens 8 zeigt. Diese beiden End-Schaltstellungen sind jeweils mechanisch dadurch definiert, dass sich der Steuerkolben 8 direkt oder indirekt am Ventilgehäuse 5 axial abstützt. Zur Vorgabe der ersten End-Schaltstellung hat das Ventilgehäuse 5 im Bereich der ersten axialen Stirnseite 11a eine dem Steuerkolben 8 zugewandte erste axiale Abstützfläche 6a und zur Vorgabe der zweiten End-Schaltstellung eine im Bereich der zweiten axialen Stirnseite 11b angeordnete, ebenfalls dem Steuerkolben 8 zugewandte zweite axiale Abstützfläche 6b. Bei den Abstützflächen 6a, 6b handelt es sich bevorzugt um stirnseitige Abschlussflächen des Kolbenaufnahmeraums 7. Der Steuerkolben 8 hat eine mit der ersten axialen Abstützfläche 6a kooperierende erste Gegenabstützfläche 10a und eine mit der zweiten axialen Abstützfläche 6b kooperierende zweite Gegenabstützfläche 10b.
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In der ersten End-Schaltstellung nimmt der Steuerkolben 8 eine in 1 nach rechts verschobene Position ein. In der nicht illustrierten zweiten End-Schaltstellung ist er bis zur Anlage an der zweiten axialen Abstützfläche 6b nach links verschoben.
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Die Betätigungskräfte zur Erzeugung der Umschaltbewegung 12 resultieren exemplarisch aus einer mittels der Vorsteuerventileinrichtung 3 selektiv auferlegbaren Fluidkraft. Der Kolbenaufnahmeraum 7 hat zwei einander entgegengesetzte erste und zweite Aufnahmeraum-Endabschnitte 19a, 19b, in denen jeweils einer von zwei kolbenartigen Antriebsabschnitten 15a, 15b des Steuerkolbens 8 angeordnet sind. Jeder Antriebsabschnitt 15a hat eine axial nach außen orientierte Antriebsfläche 13, die mittels der Vorsteuerventileinrichtung 3 mit einem Vorsteuerfluid beaufschlagbar ist, um eine fluidische Stellkraft zu erzeugen, die den Steuerkolben 8 in die jeweils andere End-Schaltstellung bewegt.
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Für die Steuerung der Fluidbeaufschlagung der Antriebsflächen 13 ist jedes Vorsteuerventil 3a insbesondere als ein 3/2-Wegeventil ausgebildet. Das Vorsteuerfluid wird beispielhaft aus dem Innern des Hauptventils 2 abgezweigt, kann allerdings auch separat zugeführt werden.
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Wenn das Mehrwegeventil 1 monostabil ausgeführt ist, kommt anstelle des einen der beiden mit Fluid beaufschlagbaren Antriebsabschnitte 15 eine Rückstellfeder zum Einsatz.
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Der Kolbenaufnahmeraum 7 ist radial außen von einer nach radial innen weisenden peripheren Aufnahmeraum-Begrenzungsfläche 16 des Ventilgehäuses 5 begrenzt. Abgesehen von im Bereich zweier weiter unten noch näher erläuterter erster und zweiter Entlüftungs-Hauptabschnitte 22d, 22e hat die Aufnahmeraum-Begrenzungsfläche 16 eine runde und bevorzugt eine kreisrunde Kontur.
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Der Kolbenaufnahmeraum 7 ist in seiner Längsrichtung 4a in mehrere axial ineinander übergehende Aufnahmeraumabschnitte 17 unterteilt. Die beiden Aufnahmeraum-Endabschnitte 19a, 19b sind zwei dieser Aufnahmeraumabschnitte 17.
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Das beispielhafte Mehrwegeventil 1 ist als Fünfwegeventil konzipiert. Insofern befinden sich unter den Aufnahmeraumabschnitten 17 insgesamt fünf Aufnahmeraum-Hauptabschnitte 22, die zwischen den beiden Aufnahmeraum-Endabschnitten 19a, 19b mit Abstand zueinander in der Längsrichtung 4a aufeinanderfolgend angeordnet sind, sowie vier Aufnahmeraum-Übergangsabschnitte 23, von denen jeweils einer zwischen zwei axial unmittelbar aufeinanderfolgenden Aufnahmeraum-Hauptabschnitten 22 angeordnet ist. Die Aufnahmeraum-Übergangsabschnitte 23 haben rechtwinkelig zu der Längsachse 4 jeweils einen geringeren Querschnitt als die Aufnahmeraum-Hauptabschnitte 22.
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Von den beiden axial am weitesten voneinander entfernten äu-ßeren Aufnahmeraum-Hauptabschnitten 22 bildet der eine den ersten Entlüftungs-Hauptabschnitt 22d und der andere den zweiten Entlüftungs-Hauptabschnitte 22e. Zwischen diesen beiden Entlüftungs-Hauptabschnitten 22d, 22e und dem jeweils darauffolgenden Aufnahmeraum-Endabschnitt 19a, 19b erstreckt sich zweckmäßigerweise ein im Folgenden als Verschluss-Aufnahmeraumabschnitt 24 bezeichneter Aufnahmeraumabschnitt 17, dessen Querschnitt geringer ist als derjenige des benachbarten Entlüftungs-Hauptabschnittes 22d, 22e.
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Jeder Aufnahmeraum-Übergangsabschnitt 23 ist radial außen von einem sich axial zwischen den beiden benachbarten Aufnahmeraum-Hauptabschnitten 22 erstreckenden zylindrischen Flächenabschnitt der Aufnahmeraum-Begrenzungsfläche 16 begrenzt, die im Folgenden als Gehäuse-Dichtfläche 26 bezeichnet wird.
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Jede Gehäuse-Dichtfläche 26 geht zweckmäßigerweise axial beidseits über eine sich konisch erweiternde ringförmige Einlauffläche 27 in den sich anschließenden Aufnahmeraum-Hauptabschnitt 22 über. Der Übergangsbereich zwischen der Gehäuse-Dichtfläche 26 und jeder sich daran anschließenden konischen Einlauffläche 27 ist bevorzugt abgerundet.
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Zur besseren Unterscheidung werden die Aufnahmeraum-Hauptabschnitte 22 funktionsabhängig unterschiedlich bezeichnet. So repräsentiert ein mittlerer Aufnahmeraum-Hauptabschnitt 22 einen Speise-Hauptabschnitt 22a während zwei sich axial beidseits daran anschließende Aufnahmeraum-Hauptabschnitte 22 einen ersten und zweiten Arbeits-Hauptabschnitt 22b, 22c repräsentieren. Auf diese beiden Arbeits-Hauptabschnitte 22b, 22c folgt schließlich noch jeweils einer der beiden ersten und zweiten Entlüftungs-Hauptabschnitte 22d, 22e.
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Auch die Aufnahmeraum-Übergangsabschnitte 23 werden zur leichteren Erläuterung zusätzlich speziell benannt, wobei die beiden sich an den Speise-Hauptabschnitt 22a anschließenden Aufnahmeraum-Übergangsabschnitte 23 als erster und zweiter Einlass-Übergangsabschnitt 23a, 23b bezeichnet werden und die beiden jeweils zwischen einem der Arbeits-Hauptabschnitte 22b, 22c und einem der Entlüftungs-Hauptabschnitte 22d, 22e angeordneten Aufnahmeraum-Übergangsabschnitte 23 als erster beziehungsweise zweiter Auslass-Übergangsabschnitt 23e, 23e.
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Jeder der fünf Aufnahmeraum-Hauptabschnitte 22 kommuniziert mit einem von mehreren das Ventilgehäuse 5 durchsetzenden Ventilkanälen 18. Jeder dieser Ventilkanäle 18 mündet exemplarisch mit einer inneren Kanalmündung am radialen Außenumfang in den zugeordneten Aufnahmeraum-Hauptabschnitt 22 ein. Da das beispielhafte Mehrwegeventil 1 als ein Fünfwegeventil ausgebildet ist, hat es entsprechend der Anzahl von Aufnahmeraum-Hauptabschnitten 22 insgesamt fünf Ventilkanäle 18. Die Ventilkanäle 18 sind durch den Steuerkolben 8 abhängig von seiner Schaltstellung in unterschiedlichen Steuerkonfigurationen miteinander verbindbar und/oder voneinander absperrbar.
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Bei den Ventilkanälen 18 handelt sich exemplarisch um einen in den Speise-Hauptabschnitt 22a einmündenden Speisekanal 18a, um einen in den ersten Arbeits-Hauptabschnitt 22b einmündenden ersten Arbeitskanal 18b, um einen in den zweiten Arbeits-Hauptabschnitt 22c einmündenden zweiten Arbeitskanal 18c, um einen in den ersten Entlüftungs-Hauptabschnitt 22d einmündenden ersten Entlüftungskanal 18d und um einen in den zweiten Entlüftungs-Hauptabschnitt 22e einmündenden zweiten Entlüftungskanal 18e.
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Die innere Kanalmündung jedes Entlüftungskanals 18d, 18e wird im Folgenden zur besseren Unterscheidung als Entlüftungsöffnung 25 bezeichnet.
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Jeder Ventilkanal 18 mündet mit einer äußeren Kanalmündung zu einer Außenfläche 28 des Ventilgehäuses 5 aus. Über die zugeordnete äußere Kanalmündung steht im Betrieb des Mehrwegeventils 1 der Speisekanal 18 mit einer das zu steuernde fluidische Druckmedium zur Verfügung stellenden fluidischen Druckquelle P in Verbindung. Ferner ist im Betrieb des Mehrwegeventils 1, über die jeweils zugeordnete äußere Kanalmündung, jeder der beiden Arbeitskanäle 18b, 18c mit einem schematisch angedeuteten Fluidverbraucher 30 verbunden und jeder Entlüftungskanal 18d, 18e ist mit einer Drucksenke R verbunden, bei der es sich insbesondere um die Atmosphäre handelt. Der Fluidverbraucher 30 ist beispielsweise ein doppeltwirkender fluidbetätigter Antrieb, insbesondere ein Pneumatikzylinder.
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Der Steuerkolben 8 hat einen sich in dem Kolbenaufnahmeraum 7 in der Längsrichtung 4a erstreckenden, bevorzugt einstückig ausgebildeten Kolbenkörper 31. Die Antriebskolben 15 sind beispielhaft bezüglich des Kolbenkörpers 31 separate Bauteile und in geeigneter Weise mit dem Kolbenkörper 31 bewegungsgekoppelt. Sie können allerdings auch integral mit dem Kolbenkörper 31 ausgebildet sein. Der Kolbenkörper 31 macht die Umschaltbewegung 12 mit.
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Im Bereich seines radialen Außenumfanges ist der Kolbenkörper 31 mit einer Dichtungsstruktur 32 versehen, die im Folgenden als Steuer-Dichtungsstruktur 32 bezeichnet wird. Sie besteht zweckmäßigerweise aus einem gummielastischen Material und insbesondere aus einem thermoplastischen Elastomermaterial. Sie ist dafür ausgebildet, schaltstellungsabhängig selektiv abdichtend mit dem Ventilgehäuse 5 zusammenzuwirken.
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Die Steuer-Dichtungsstruktur 32 besteht bevorzugt aus einer Mehrzahl mit axialem Abstand zueinander angeordneter ringförmiger Steuerdichtungen 33. Exemplarisch handelt es sich bei jeder Steuerdichtung 33 um einen koaxial auf dem Kolbenkörper 31 sitzenden Dichtungsring. Die Art und Weise der Fixierung an dem Kolbenkörper 31 ist prinzipiell beliebig, erfolgt vorzugsweise jedoch in der illustrierten Weise dahingehend, dass jede Steuerdichtung 33 in einer eigenen, als Dichtungshaltenut 34 bezeichneten Ringnut sitzt, die in dem Kolbenkörper 31 mit nach radial außen weisender Nutöffnung koaxial ausgebildet ist. Die Steuerdichtungen 33 sind beispielsweise durch kurzzeitiges radiales elastisches Aufweiten in die jeweils zugeordnete Dichtungshaltenut 34 eingeschnappt.
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Jede Steuerdichtung 33 hat einen radial über den Kolbenkörper 31 vorstehenden ringförmigen Dichtabschnitt 34a.
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Der Kolbenkörper 31 ist in seiner Längsrichtung mehrfach abgestuft. Längenabschnitte größeren Durchmessers wechseln sich mit Längenabschnitten kleineren Durchmessers ab. Die Längenabschnitte kleineren Durchmessers werden im Folgenden auch als Verbindungsabschnitte 35 bezeichnet. Der Steuerkolben 8 des illustrierten Ausführungsbeispiels hat drei solcher Verbindungsabschnitte 35, die sich jeweils zwischen zwei Längenabschnitten größeren Durchmessers erstrecken, die als Tragabschnitte 40 bezeichnet werden, da sie jeweils eine der ringförmigen Steuerdichtungen 33 tragen. Gemeinsam mit der zugeordneten Steuerdichtung 33 bildet jeder Tragabschnitt 40 einen Steuerabschnitt 41 des Steuerkolbens 8.
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Zwei der Steuerabschnitte 41, die im Folgenden als erster und zweiter Einlass-Steuerabschnitt 36, 37 bezeichnet werden, sind im Bereich des Speise-Hauptabschnittes 22a angeordnet. Zwei weitere Steuerabschnitte 41 bilden jeweils einen Auslass-Steuerabschnitt 38, 39, von denen ein erster Auslass-Steuerabschnitt 38 im Bereich des ersten Entlüftungs-Hauptabschnittes 22d und ein zweiter Auslass-Steuerabschnitt 39 im Bereich des zweiten Entlüftungs-Hauptabschnittes 22e angeordnet ist.
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Zur besseren Unterscheidung werden die Steuerdichtungen 33 der beiden Einlass-Steuerabschnitte 36, 37 im Folgenden als Einlass-Steuerdichtungen 33a und die Steuerdichtungen 33 der beiden Auslass-Steuerabschnitte 38, 39 als Auslass-Steuerdichtungen 33b bezeichnet.
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Zweckmäßigerweise hat der Kolbenkörper 31 axial im Anschluss an jeden Auslass-Steuerabschnitt 38, 39 einen Verschlussabschnitt 42, der sich in einem der Verschluss-Aufnahmeraumabschnitte 24 erstreckt und eine ringförmige Verschlussdichtung 45 trägt, die unabhängig von der Schaltstellung des Steuerkolbens 8 unter Abdichtung gleitverschieblich an dem den zugeordneten Verschluss-Aufnahmeabschnitt 24 radial begrenzenden Flächenabschnitt der Aufnahmeraum-Begrenzungsfläche 16 anliegt.
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Die Steuerabschnitte 41 sind exemplarisch so ausgebildet, dass das Mehrwegeventil 1 eine 5/2-Ventilfunktion erfüllen kann. In der aus 1 ersichtlichen ersten End-Schaltstellung befindet sich die Einlass-Steuerdichtung 33a des ersten Einlass-Steuerabschnittes 36 innerhalb des ersten Einlass-Übergangsabschnittes 23a und liegt mit ihrem Dichtabschnitt 34a unter Abdichtung an der zylindrischen Gehäuse-Dichtfläche 26 des ersten Einlass-Übergangsabschnittes 23a an. Gleichzeitig befindet sich die Auslass-Steuerdichtung 33b des zweiten Auslass-Steuerabschnittes 39 innerhalb des zweiten Auslass-Übergangsabschnittes 23b und liegt dichtend an dessen Gehäuse-Dichtfläche 26 an. Da gleichzeitig die Einlass-Steuerdichtung 33a des zweiten Einlass-Steuerabschnittes 36 eine Position innerhalb des Speise-Hauptabschnittes 22a einnimmt, ist der zweite Einlass-Übergangsabschnitt 23b offen, sodass Druckmedium aus dem Speisekanal 18a in den zweiten Arbeitskanal 18c überströmen kann.
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Gleichzeitig ist zur Entlüftung des Fluidverbrauchers 30 ein Überströmen von Druckmedium aus dem ersten Arbeitskanal 18b in den ersten Entlüftungskanal 18d durch den ersten Auslass-Übergangsabschnitt 23 hindurch möglich. Ersterer ist offen, weil der erste Auslass-Steuerabschnitt 38 mit seiner Auslass-Steuerdichtung 33b eine von dem ersten Auslass-Übergangsabschnitt 23c axial abgerückte Position innerhalb des ersten Entlüftungs-Hauptabschnittes 22d einnimmt. Strömungspfeile 43 deuten die dabei auftretende Fluidströmung an, die aus den ersten Entlüftungs-Hauptabschnitt 22d durch die zugeordnete Entlüftungsöffnung 25 hindurch in den ersten Entlüftungskanal 18d und von dort aus zur zugeordneten Drucksenke R gelangt.
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In der nicht illustrierten zweiten End-Schaltstellung ist der zweite Einlass-Übergangsabschnitt 23b durch den zweiten Einlass-Steuerabschnitt 37 verschlossen, wobei gleichzeitig der zweite Auslass-Steuerabschnitt 39 eine Position innerhalb des zweiten Entlüftungs-Hauptabschnittes 22e einnimmt, sodass eine offene Fluidverbindung zwischen dem zweiten Arbeitskanal 18c und dem zweiten Entlüftungskanal 18e vorliegt. Gleichzeitig befindet sich hierbei der erste Einlass-Steuerabschnitt 36 innerhalb des Speise-Hauptabschnittes 22a und der zweite Auslass-Steuerabschnitt 38 ist in den ersten Auslass-Übergangsabschnitt 23c eingefahren. Daraus resultiert eine offene Fluidverbindung zwischen dem Speisekanal 18a und dem ersten Arbeitskanal 18b, wobei letzterer durch den ersten Auslass-Steuerabschnitt 38 vom benachbarten ersten Entlüftungskanal 18d abgesperrt ist.
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Ersichtlich entfaltet bei dem illustrierten Ausführungsbeispiel die Steuer-Dichtungsstruktur 32 mit ihren Steuerdichtungen 33 bezüglich der Gehäuse-Dichtflächen 26 eine radiale Dichtwirkung, wobei die Steuerdichtungen 33 bei der Umschaltbewegung 22 an den Gehäuse-Dichtflächen 26 axial entlanggleiten können. Das illustrierte Mehrwegeventil 1 kann daher auch als Schieberventil bezeichnet werden.
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Abweichend hiervon kann das Mehrwegeventil 1 auch als Sitzventil konzipiert sein, bei dem die Steuer-Dichtungsstruktur 32 eine axiale Dichtwirkung entfalten kann. Bei einem solchen Sitzventil können die Aufnahmeraum-Übergangsabschnitte 23 entfallen und sich die Aufnahmeraum-Hauptabschnitte 22 direkt aneinander anschließen. Jeder Steuerdichtung 33 liegt dann zweckmäßigerweise axial auf einer Seite ein axial orientierter gehäusefester Ventilsitz gegenüber, der im Übergangsbereich zwischen zwei unmittelbar aufeinanderfolgenden Aufnahmeraum-Hauptabschnitten 22 ausgebildet ist.
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Die funktionalen Komponenten des beispielhaften Mehrwegeventils 1 lassen sich in zwei in der Längsrichtung 4a des Kolbenaufnahmeraumes 7 aufeinanderfolgend angeordnete erste und zweite Steuereinheiten 50a, 50b einteilen. Zu der ersten Steuereinheit 50a gehören unter anderem seitens des Ventilgehäuses 5 der Speise-Hauptabschnitt 22a, der erste Arbeits-Hauptabschnitt 22b und der erste Entlüftungs-Hauptabschnitt 22d und seitens des Steuerkolbens 8 der erste Einlass-Steuerabschnitt 36 und der erste Auslass-Steuerabschnitt 38. Der Speise-Hauptabschnitt 22a gehört gleichzeitig auch zu der zweiten Steuereinheit 50b, die seitens des Ventilgehäuses 5 unter anderem noch den zweiten Arbeits-Hauptabschnitt 22c und den zweiten Entlüftungs-Hauptabschnitt 22e umfasst sowie seitens des Steuerkolbens 8 den zweiten Einlass-Steuerabschnitt 37 und den zweiten Auslass-Steuerabschnitt 39.
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Eine nicht illustrierte Ausführungsform des Mehrwegeventils 1 verfügt über nur eine einzige der Steuereinheiten 50a oder 50b. Ein derart konzipiertes Mehrwegeventil 1 repräsentiert ein 3/2-Wegeventil.
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In allen Fällen ist die mindestens eine Steuereinheit 50a, 50b in der Lage, abhängig von der Schaltstellung des Steuerkolbens 8 einen mit einem Arbeitskanal 18b, 18c verbundenen Arbeits-Hauptabschnitt 22b, 22c wahlweise mit dem Speise-Hauptabschnitt 22a oder einem Entlüftungs-Hauptabschnitt 22d, 22e fluidisch zu verbinden.
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Im Falle des illustrierten Mehrwegeventils 1 können die Steuerdichtungen 33 beim Hineinbewegen in einen der Aufnahmeraum-Übergangsabschnitte 23 oder beim Herausbewegen aus einem der Aufnahmerau-Übergangsabschnitte 23 an der diesbezüglich zugeordneten Gehäuse-Dichtfläche 26 entlanggleiten. Das Hineinfahren in einen der Aufnahmeraum-Übergangsabschnitte 23 wird dadurch begünstigt, dass die betreffende Steuerdichtung 33 beim Hinwegfahren über die zugewandte konische Einlauffläche 27 sanft radial komprimiert wird.
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Abhängig von der jeweiligen End-Schaltstellung nimmt jeweils einer der beiden Auslass-Steuerabschnitte 38, 39 eine Offenstellung innerhalb des zugeordneten Entlüftungs-Hauptabschnittes 22d, 22e ein, so wie dies in 1 für die erste End-Schaltstellung ersichtlich ist. Der betreffende Auslass-Steuerabschnitt 38, 39 ist dabei zu der zugeordneten Gehäuse-Dichtfläche 26 axial beabstandet, sodass sich um den Steuerkolben 8 herum ein Ringspalt 46 ergibt, durch den das Druckmedium auf seinem Weg zu der Entlüftungsöffnung 25 hindurchströmen kann.
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Der orthogonal zu der Längsachse 4 betrachtete Querschnitt des Auslass-Steuerabschnittes 38, 39 ist unter Berücksichtigung dessen, dass die Auslass-Steuerdichtung 33b in der Offenstellung im Vergleich zu der innerhalb eines Auslass-Übergangsabschnittes 23c, 23d befindlichen Schließstellung einen größeren Außendurchmesser hat, so gewählt, dass die Auslass-Steuerdichtung 33b innerhalb des Entlüftungs-Hauptabschnittes 22d, 22e nicht an der Aufnahmeraum-Begrenzungsfläche 16 anliegt. Somit kann der in der Offenstellung befindliche Auslass-Steuerabschnitt 38, 39 von dem ausströmenden Druckmedium ringsum umströmt werden.
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Das Ventilgehäuse 5 hat eine zu der Längsachse 4 rechtwinkelige Hochachse 52 und eine zur sowohl der Längsachse 4 als auch der Hochachse 52 rechtwinkelige Querachse 53. Jeder Entlüftungskanal 18d, 18e ist so gestaltet, dass die ihm zugeordnete Entlüftungsöffnung 25 in der im Folgenden auch als Höhenrichtung 52 bezeichneten Achsrichtung der Hochachse 52 orientiert ist.
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Da bei einer gleichzeitigen Nutzung mehrerer Mehrwegeventile 1 diese mehreren Mehrwegeventile 1 oftmals in der im Folgenden auch als Querrichtung bezeichneten Achsrichtung der Querachse 53 längsseits aneinandergereiht sind, ist man regelmäßig bestrebt, die Baubreite des Ventilgehäuses 5 in der Querrichtung 53 so gering wie möglich zu halten, um die Gesamtbreite auf ein Mimnimum zu reduzieren. Dies führt aber dazu, dass der radiale Abstand zwischen dem die Offenstellung einnehmenden Auslass-Steuerabschnitt 38, 39 und den den Auslass-Steuerabschnitt 38, 39 in der Querrichtung 53 flankierenden seitlichen Wandabschnitten 54 des Ventilgehäuses 5 relativ gering ist. Wenn nun der Entlüftungs-Hauptabschnitt 22d, 22e orthogonal zur Längsachse 4 einen kreisrunden Querschnitt hätte, wäre auch der in der Höhenrichtung 52 gemessene Abstand zwischen dem Auslass-Steuerabschnitt 38, 39 und dem der Entlüftungsöffnung 25 in der Höhenrichtung 52 gegenüberliegenden Wandabschnitt 56 des Ventilgehäuses 5, der im Folgenden zur besseren Unterscheidung auch als oberer Wandabschnitt 56 bezeichnet wird, ebenfalls sehr gering. Als Folge hiervon könnte sich das ausströmende Druckmedium aufstauen und mit einem relativ hohen statischen Fluiddruck in der Richtung der Entlüftungsöffnung 25 auf die Auslass-Steuerdichtung 33b einwirken. Da gleichzeitig aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeit der statische Druck im Bereich der Entlüftungsöffnung 25 relativ gering ist, könnte dies zu einer elastischen Verformung der Auslass-Steuerdichtung 33b in Richtung der Entlüftungsöffnung 25 führen. Dies wiederum könnte das Problem zur Folge haben, dass die Auslass-Steuerdichtung 33b bei der in Richtung der Schließstellung des Auslass-Steuerabschnittes 38, 39 erfolgenden Umschaltbewegung 12 lokal in die Entlüftungsöffnung 25 hineingedrückt und durch den vom Ventilgehäuse 5 gebildeten Öffnungsrand 57 der Entlüftungsöffnung 25 beschädigt wird.
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Die 2 zeigt eine temporäre Zwischen-Schaltstellung beim Umschalten zwischen der ersten End-Schaltstellung in die zweite End-Schaltstellung, wobei sich der erste Auslass-Steuerabschnitt 38 mit seiner Auslass-Steuerdichtung 33b kurz vor dem Einfahren in den ersten Auslass-Übergangsabschnitt 23c befindet, sodass die Strömungsgeschwindigkeit im Bereich der Entlüftungsöffnung 25 und der dort stattfindende statische Druckabfall besonders hoch sind.
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Die vorstehend geschilderte Problematik kann bei dem illustrierten Mehrwegeventil 1 aufgrund einer besonderen Gestaltung mindestens eines und bevorzugt jedes Entlüftungs-Hauptabschnittes 22d, 22e nicht auftreten. Diese besondere Gestaltung wird nachfolgend anhand des ersten Entlüftungs-Hauptabschnittes 22d beschrieben, auf den sich die Querschnittsabbildungen in den 3 bis 6 beziehen. Die Erläuterungen gelten aber sinngemäß auch für den zweiten Entlüftungs-Hauptabschnitt 22e.
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Die besondere Gestaltung des Entlüftungs-Hauptabschnittes 22d, 22e äußert sich zunächst darin, dass er in einem zur Längsachse 4 orthogonalen Querschnitt eine unrunde, längliche Gestalt hat. Mit anderen Worten hat er einen unrunden, länglichen Querschnitt rechtwinkelig zu der Längsachse 4. Seine Querschnitts-Längsachse 58 durchsetzt die Entlüftungsöffnung 25 und die Längsachse 4, wobei sie zweckmäßigerweise mit der Hochachse 52 des Ventilgehäuses 5 zusammenfällt.
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In dem der Entlüftungsöffnung 25 diametral gegenüberliegenden Bereich - exemplarisch ist dies der Bereich des oberen Wandabschnittes 56 - hat der Entlüftungs-Hauptabschnitt 22d, 22e eine muldenartige Querschnittserweiterung in bezüglich der Längsachse 4 radialer Richtung, die aufgrund ihrer Wirkung als Druckentlastungsmulde 62 bezeichnet wird. Die Druckentlastungsmulde 62 ist von der Aufnahmeraum-Begrenzungsfläche 16 begrenzt, wobei der radiale Abstand zwischen der Aufnahmeraum-Begrenzungsfläche 16 und der Längsachse des Kolbenaufnahmeraumes 7 im Bereich der Druckentlastungsmulde 62 größer ist als in den beiden seitlichen Übergangsbereichen 55 des Entlüftungs-Hauptabschnittes 22d, 22e, in denen sich in der Offenstellung des zugeordneten Auslass-Steuerabschnittes 38, 39 schmale Spaltabschnitte des Ringspaltes 46 befinden.
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In einer bevorzugten Gestaltung hat der Entlüftungs-Hauptabschnitt 22d, 22e im Querschnitt betrachtet einen von dem Steuerkolben 8 axial durchsetzten zentralen Abschnitt, der als Kolbenaufnahmeabschnitt 64 bezeichnet sei. Er hat eine kreisförmige Querschnittskontur und ist radial außen von einem kreiszylindrischen Flächenabschnitt der Aufnahmeraum-Begrenzungsfläche 16 begrenzt, der allerdings im Bereich der Entlüftungsöffnung 25 und im Bereich der Druckentlastungsmulde 62 jeweils unterbrochen ist. Die Entlüftungsöffnung 25 mündet in der Höhenrichtung 58 ebenso in den zentralen Kolbenaufnahmeabschnitt 64 ein wie die diametral gegenüberliegende Druckentlastungsmulde 62 mit einer Muldenöffnung 65. In einem zur Längsachse 4 rechtwinkeligen Querschnitt betrachtet hat die Muldenöffnung 65 die gleiche Krümmung wie die Aufnahmeraum-Begrenzungsfläche 16 innerhalb des Kolbenaufnahmeabschnittes 64.
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Der die Druckentlastungsmulde 62 begrenzende Flächenabschnitt der Aufnahmeraum-Begrenzungsfläche 16 wird im Folgenden auch als Muldenbegrenzungsfläche 66 bezeichnet. Durch die Formgebung der Muldenbegrenzungsfläche 66 kann die dreidimensionale Gestalt der Druckentlastungsmulde 62 nach Bedarf vorgegeben und optimiert werden.
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Die Kolben-Umfangsrichtung 63 ist insbesondere eine Richtung um die Längsachse herum.
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Die sich in einer Kolben-Umfangsrichtung 63 beidseits an die Druckentlastungsmulde 62 anschließenden seitlichen Übergangsbereiche 55 des Entlüftungs-Hauptabschnittes 22d, 22e sind jeweils von einem konkav gekrümmten Flächenabschnitt der Aufnahmeraum-Begrenzungsfläche 16 begrenzt, die als Übergangsflächenabschnitte 67 bezeichnet werden. Jeder Übergangsflächenabschnitt 67 hat bevorzugt die Form eines Umfangsabschnittes der Innenumfangsfläche eines Hohlzylinders. Dies gilt im Übrigen zumindest bei den Ausführungsbeispielen der 1 bis 5 für den gesamten Kolbenaufnahmeabschnitt 64. Die Kolben-Umfangsrichtung 63 ist eine Richtung um die Längsachse 4 herum.
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Die die seitlichen Übergangsbereiche 55 begrenzenden bogenförmigen Übergangsflächenabschnitte 67 können sich gemäß 3 bis 5 ausgehend von der Druckentlastungsmulde 62 bis zu der Entlüftungsöffnung 25 erstrecken. Gemäß einer optionalen Weiterbildung, die in 6 illustriert ist, enden die Übergangsflächenabschnitte 67 allerdings vor Erreichen der Entlüftungsöffnung 25 und gehen jeweils in eine als Strömungsmulde 68 bezeichnete muldenartige radiale Erweiterung über, die dann ihrerseits in die Entlüftungsöffnung 25 übergeht. Jede der beiden radialen Strömungsmulden 68 befindet sich also in der Kolben-Umfangsrichtung 63 zwischen der Entlüftungsöffnung 25 und einem der beiden Übergangsflächenabschnitte 67.
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Die Druckentlastungsmulde 62 hat den Effekt, dass dem in der Offenstellung des Auslass-Steuerabschnittes 38, 39 in dem Entlüftungs-Hauptabschnitt 22d, 22e zuströmenden Druckmedium auf der der Entlüftungsöffnung 25 diametral entgegengesetzten Seite des Steuerkolbens 8 ein großer freier Strömungsquerschnitt zur Verfügung steht, um an dem Auslass-Steuerabschnitt 38, 39 vorbeizuströmen. Die Fluidströmung wird dort somit erheblich weniger stark abgebremst als ohne eine Druckentlastungsmulde 62, sodass im Bereich der Druckentlastungsmulde 62 ein relativ starker Druckabfall des statischen Druckes auftritt, mit der Folge nur relativ geringer radialer Druckkräfte in der Richtung der Entlüftungsöffnung 25. Auf diese Weise behält die Auslass-Steuerdichtung 33b ihre ordnungsgemäße Position an dem Kolbenkörper 31 bei und wird insbesondere auch nicht aus der Dichtungshaltenut 34 in die Entlüftungsöffnung 25 hinein herausgezogen. Somit kann der Steuerkolben 8 auch bei hohen Fluiddrücken und hohen Strömungsraten des zu steuernden Druckmediums funktionssicher und verschleißarm betätigt werden.
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Die Druckentlastungsmulde 62 ist als eine Vertiefung in dem den Entlüftungs-Hauptabschnitt 22d, 22e umschließenden Wandabschnitt des Ventilgehäuses 5 eingebracht. Abgesehen von der der Entlüftungsöffnung 25 zugewandten Muldenöffnung 65 ist die Druckentlastungsmulde 62 vollständig geschlossen. Bevorzugt ist die Druckentlastungsmulde 62, abgesehen von der Muldenöffnung 65, von einem einstückigen Wandabschnitt des Ventilgehäuses 5 umgeben beziehungsweise begrenzt. Die Druckentlastungsmulde 62 kann unmittelbar bei der Urformung des Ventilgehäuses 5 eingeformt werden, beispielsweise bei einer Herstellung mittels eines Gießverfahrens oder mittels eines additiven Fertigungsverfahrens. Alternativ kann die Druckentlastungsmulde 62 spanend in ein vorgefertigtes Ventilgehäuse 5 eingebracht werden. Die vorstehenden Ausführungen gelten sinngemäß für die optionalen Strömungsmulden 68.
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Exemplarisch münden sämtliche Ventilkanäle 18 mit ihren äußeren Kanalmündungen an ein und demselben, unteren Außenflächenabschnitt 28a der Außenfläche 28 des Ventilgehäuses 5 aus. Mit diesem unteren Außenflächenabschnitt 28a kann das Mehrwegeventil 1 zweckmäßigerweise auf einer Grundplatte montiert werden, in der weiterführende Fluidkanäle ausgebildet sind. Sämtliche äußeren Kanalmündungen sind zweckmäßigerweise in der Längsrichtung 4a aneinandergereiht.
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Hiervon abweichend sind bei einem nicht illustrierten Ausführungsbeispiel die äußeren Kanalmündungen der beiden Entlüftungskanäle 18d, 18e an einem dem unteren Außenflächenabschnitt 28a entgegengesetzten oberen Außenflächenabschnitt 28b der Außenfläche 28 des Ventilgehäuses 5 angeordnet. Während bei den illustrierten Ausführungsbeispielen die mindestens eine Druckentlastungsmulde 62 in dem dem oberen Außenflächenabschnitt 28b zugewandten oberen Bereich des Kolbenaufnahmeraumes 7 ausgebildet ist, befindet sie sich in einem dem unteren Außenflächenabschnitt 28a zugewandten unteren Bereich des Kolbenaufnahmeraumes 7, wenn die äußere Kanalmündung des zugeordneten Entlüftungskanals 18d, 18e an dem oberen Außenflächenabschnitt 28b angeordnet ist.
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Allen Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, dass die Muldenbegrenzungsfläche 66 im Bereich der Muldenöffnung 65 in die konkav gekrümmten Übergangsflächenabschnitte 67 übergeht, durch die die seitlichen Übergangsbereiche 55 des Entlüftungs-Hauptabschnittes 22d, 22e begrenzt sind.
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Die beiden seitlichen Übergangsbereiche 55 liegen sich in der Querrichtung 53 des Ventilgehäuses 5 gegenüber. Bevorzugt ist die in dieser Querrichtung 53 gemessene maximale Breite der Druckentlastungsmulde 62 geringer als ein maximaler Abstand zwischen den die seitlichen Übergangsbereiche 55 begrenzenden Übergangsflächenabschnitten 67. Bei allen illustrierten Ausführungsbeispielen ist die maximale Breite der Druckentlastungsmulde 62 geringer als der Durchmesser des kreisrund konturierten Kolbenaufnahmeabschnittes 64 des Entlüftungs-Hauptabschnittes 22d, 22e.
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Gemäß einem nicht illustrierten Ausführungsbeispiel kann die in der Querrichtung 53 gemessene maximale Breite der Druckentlastungsmulde 62 auch gleichgroß oder größer sein als der maximale Querabstand zwischen den einander zugewandten Übergangsflächenabschnitten 67.
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Unabhängig von der Formgebung der Druckentlastungsmulde 62 befindet sich die maximale Muldenbreite zweckmäßigerweise an der Muldenöffnung 65.
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Die in der Querrichtung 53 gemessene Muldenbreite der Druckentlastungsmulde 62 kann über die gesamte Muldenhöhe hinweg konstant sein. Exemplarisch trifft dies auf das Ausführungsbeispiel der 3 und 4 zu. Die Muldenhöhe erstreckt sich in der bevorzugt mit der Hochachse 52 des Ventilgehäuses 5 zusammenfallenden Achsrichtung der Querschnitts-Längsachse 58 des zu der Längsachse 4 senkrechten länglichen Querschnitts des Entlüftungs-Hauptabschnittes 22d, 22e.
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Die Druckentlastungsmulde 62 kann entsprechend den 3 und 4 so gestaltet sein, dass die Muldenbegrenzungsfläche 66 eine ungekrümmte Muldengrundfläche 72 aufweist, die parallel und zugleich mit Abstand zu einer in 3 gestrichelt angedeuteten Tangentialebene 73 des Auslass-Steuerabschnittes 38, 39 verläuft. Die Tangentialebene 73 verläuft orthogonal zu der Hochachse 52 beziehungsweise zu der Querschnitts-Längsachse 58 in dem der Druckentlastungsmulde 62 zugewandten Umfangsbereich des Auslass-Steuerabschnittes 38, 39. Die Muldengrundfläche 72 ist hier bevorzugt eine ebene Fläche.
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Die Druckentlastungsmulde 62 kann gemäß dem Ausführungsbeispiel der 3 und 4 eine sich an die Muldengrundfläche 72 anschließende Muldenseitenfläche 74 aufweisen, die sich rechtwinkelig zu der Muldengrundfläche 72 erstreckt und an der Muldenöffnung 65 endet. Die Muldenseitenfläche 74 geht in die Übergangsflächenabschnitte 67 über.
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Bevorzugt hat die vorstehend erläuterte Druckentlastungsmulde 62 eine quaderförmige Kontur. Die Muldenseitenfläche 74 setzt sich aus vier rechtwinkelig zueinander angeordneten und ineinander übergehenden Seitenflächenabschnitten zusammen, die bei Blickrichtung in der Achsrichtung der Querschnitts-Längsachse 58 eine rechteckige und insbesondere eine quadratische Kontur beschreiben.
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Bei einer alternativen Formgebung ist die Druckentlastungsmulde 62 zylindrisch und insbesondere kreiszylindrisch konturiert. Die Muldenseitenfläche 74 hat dabei die Form der Innenumfangsfläche eines bevorzugt kreiszylindrischen Hohlzylinders.
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Bei allen Ausführungsformen ist die Druckentlastungsmulde 62 bezogen auf die Längsachse 4 axial beidseits vom Ventilgehäuse 5 begrenzt. Die Muldenöffnung 65 ist ausschließlich radial nach innen in Richtung zur Längsachse 4 und/oder zu der Entlüftungsöffnung 25 orientiert. Dies gilt zweckmäßigerweise auch für die nachstehend erläuterten Ausführungsformen der 5 und 6.
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Gemäß den in 5 und 6 illustrierten Ausführungsbeispielen hat die Muldenbegrenzungsfläche 66 eine in der Kolben-Umfangsrichtung 63 bogenförmige, konkav gekrümmte Muldengrundfläche 72. Prinzipiell kann sich die Krümmung der Muldengrundfläche in der Kolben-Umfangsrichtung 63 verändern, beispielsweise dahingehend, dass sie mit zunehmender Annäherung an die beiden Übergangsflächenabschnitte 67 kontinuierlich größer wird. Bevorzugt wird allerdings eine Ausführungsform mit einer kreisbogenförmig gekrümmten Muldengrundfläche 72.
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Der Krümmungsradius der bogenförmigen Muldengrundfläche 72 ist zweckmäßigerweise kleiner als der Radius des Entlüftungs-Hauptabschnittes 22d, 22e zwischen den einander gegenüberliegenden seitlichen Übergangsbereichen 55 beziehungsweise dem Radius des Kolbenaufnahmeabschnittes 64.
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Die konkav gekrümmte Muldengrundfläche 72 bringt es mit sich, dass die ausgehend von der Muldenöffnung 65 in der Achsrichtung der Querschnitts-Längsachse 58 gemessene Tiefe der Druckentlastungsmulde 62, beginnend bei den Übergangsbereichen zwischen der Muldengrundfläche 72 und den beiden Übergangsflächenabschnitten 67 mit zunehmender Entfernung von den Übergangsflächenabschnitten 67 größer wird.
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Die in der Längsrichtung 4a gemessene Länge des Entlüftungs-Hauptabschnittes 22d, 22e ist zweckmäßigerweise über den gesamten länglichen Querschnitt des Entlüftungs-Hauptabschnittes 22d, 22e hinweg konstant. Die Druckentlastungsmulde 62 hat dementsprechend in der Längsrichtung 4a die gleichen Abmessungen wie der Kolbenaufnahmeabschnitt 64. Auf diese Weise können Abstufungen vermieden werden, die sich negativ auf das Strömungsverhalten des Druckmediums auswirken könnten.
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Die Entlüftungsöffnung 25 ist bevorzugt so gestaltet, dass sie in der Längsrichtung 4a die gleichen Abmessungen hat wie die Druckentlastungsmulde 62.
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Es empfiehlt sich, die radialen Strömungsmulden 68 insbesondere nach dem Vorbild der 6 so auszubilden, dass sie vergleichbar der Druckentlastungsmulde 62 eine bogenförmig konkav gekrümmte Muldengrundfläche 72 haben. Die in radialer Richtung bezüglich der Längsachse 4 gemessene Tiefe der Strömungsmulden 68 nimmt zweckmäßigerweise ausgehend von der Entlüftungsöffnung 25 in Richtung zu dem sich anschließenden Übergangsflächenabschnitt 67 ab. Ihre größte Tiefe haben die Strömungsmulden 68 im Übergangsbereich zu der Entlüftungsöffnung 25.
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Für die Strömungsmulden 68 gilt, dass sie in der Längsrichtung 4a des Kolbenaufnahmeraumes 7 zweckmäßigerweise eine Breite haben, die der Breite der Druckentlastungsmulde 62 entspricht.
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Die Kontur des Entlüftungs-Hauptabschnittes 22d, 22e in der Kolben-Umfangsrichtung 63 setzt sich zweckmäßigerweise aus den beiden Übergangsflächenabschnitten 67 und aus Flächenabschnitten der Muldengrundfläche 72 zusammen, im Falle des Ausführungsbeispiels der 6 zuzüglich der Muldengrundflächen 75 der Strömungsmulden 68.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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