DE102022114296A1

DE102022114296A1 - Ventil mit optimierter Sitzgeometrie

Info

Publication number: DE102022114296A1
Application number: DE102022114296.5A
Authority: DE
Inventors: Christian Bezold; Ralf STRASSWIEMER
Original assignee: Buerkert Werke GmbH and Co KG
Current assignee: Buerkert Werke GmbH and Co KG
Priority date: 2022-06-07
Filing date: 2022-06-07
Publication date: 2023-12-07
Also published as: CN117189929A; JP2023179366A; US20230392695A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ventil, insbesondere Magnetventil, mit einer optimierten Sitzgeometrie. Das Ventil umfasst ein Dichtelement und einen Ventilsitz (26), welcher eine Durchlassöffnung (28) mit einem Nenndurchmesser (ND) umgibt, wobei der Ventilsitz (26) an einer dem Dichtelement zugewandten Seite eine geschlossen umlaufende Rundung (34) aufweist, die in einer Querschnittsebene, welche durch eine Mittelachse der Durchlassöffnung (28) verläuft, einen Sitzradius (R) aufweist, wobei ein Abstand (b) eines Mittelpunktes (36) des Sitzradius (R) von einer die Durchlassöffnung (28) definierenden Wandinnenseite (38) kleiner ist als der Sitzradius (R).

Description

Die Erfindung betrifft ein Ventil mit einer optimierten Sitzgeometrie.
Gattungsgemäße Ventile, beispielsweise Magnet- und/oder Proportionalventile sind in der Regel dazu vorgesehen, einen Fluidstrom, beispielsweise einen Flüssigkeits- oder Gasstrom, zu steuern. Sie bestehen typischerweise aus einem Dichtelement, welches gegen einen Ventilsitz gedrückt wird und so eine Durchlassöffnung verschließt.
Es sind Ventile bekannt, bei denen der Ventilsitz aus einer die Durchlassöffnung umgebenden Erhebung mit einem vorgegebenen Sitzradius R besteht. Der Sitzradius wird in einem Querschnitt definiert, in dessen Schnittebene die Mittelachse der Durchlassöffnung liegt. Typischerweise geht dieser Sitzradius tangential in die Wandinnenseite der Durchlassöffnung über.
Bei einem Kontakt zwischen dem Dichtelement und der Erhebung ergibt sich eine Dichtlinie, welche die Durchlassöffnung umschließt und an der die Abdichtung stattfindet. Bezogen auf ein planes Dichtelement ist die Dichtlinie der Erstkontakt des Dichtelements mit dem Sitzradius.
Je nach Anwendung variieren die notwendige Durchflussrate und somit auch die Größe der Durchlassöffnung und des Ventilsitzes. Über die Nennweite des Ventilsitzes und den Mediendruck lässt sich die notwendige Dichtkraft des Ventils, bzw. die notwendige Schaltkraft des Aktors bestimmen.
Dabei ist es aufgrund von begrenzenden Faktoren, wie elektrischer Leistung, Bauraum und Wärme, wünschenswert, die Dichtkraft im Ventil auf ein Minimum zu reduzieren. Dies wirkt sich auch positiv auf die Lebensdauer des Ventils aus. So kommt es bei einem Betrieb mit verringerter Dichtkraft erst viel später zu Verschleißerscheinungen, wie beispielsweise Ausstanzeffekten des zumeist elastischen Dichtelementes durch den wiederholten Kontakt mit dem Ventilsitz.
In konventionellen Ventilen ist die Möglichkeiten der Dichtkraftreduzierung aufgrund der einfachen geometrischen Gestaltung jedoch stark eingeschränkt.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Ventil zu schaffen, welches mit einer vergleichsweise geringen Dichtkraft auskommt und gleichzeitig eine sichere Abdichtung gewährleistet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Ventil, insbesondere Magnetventil, mit einem Dichtelement und einem Ventilsitz, welcher eine Durchlassöffnung mit einem Nenndurchmesser ND umgibt. Der Ventilsitz hat an einer dem Dichtelement zugewandten Seite eine geschlossen umlaufende Rundung, die in einer Querschnittsebene, welche durch eine Mittelachse der Durchlassöffnung verläuft, einen Sitzradius R aufweist. Erfindungsgemäß ist dabei ein Abstand b eines Mittelpunktes des Sitzradius R von einer die Durchlassöffnung definierenden Wandinnenseite kleiner als der Sitzradius R.
Durch diese spezielle Anordnung des Mittelpunktes des Sitzradius R ist die Dichtlinie in Richtung der Mittelinie der Durchlassöffnung verschoben. Infolgedessen sind auch die von der Dichtlinie eingeschlossene Dichtfläche sowie die Kontaktfläche zwischen dem Dichtelement und dem Ventilsitz reduziert, was zu einer Verringerung der für eine sichere Abdichtung aufzubringenden Kraft führt.
Der Mittelpunkt des Sitzradius R ist also nicht wie in konventionellen Ventilen so angeordnet, dass sich ein knickfreier und tangentialer Übergang des Sitzradius in die Wandinnenseite der Durchlassöffnung ergibt. Die Rundung weist nicht mehr nur einen einzigen Sitzradius R auf, sondern bildet einen Übergangsbereich zur Wandinnenseite der Durchlassöffnung aus.
Dadurch kann die einzustellende Dichtkraft bzw. die bei geschlossener Dichtung wirkende Flächenpressung zwischen dem Dichtelement und dem Ventilsitz von der Dichtfläche gewissermaßen weitgehend entkoppelt werden. Die Kraftverteilung und somit auch die mechanischen Belastungen des Dichtelements, bzw. des Ventilsitzes können also unabhängig vom Sitzradius R beeinflusst werden.
Insbesondere ist der Einsatz des erfindungsgemäßen Ventils im Lebensmittelbereich und für Heißwasseranwendungen denkbar, da hier die Auswahl der Dichtwerkstoffe beschränkt ist und Extrembedingungen im Arbeitsumfeld herrschen, welche einen verstärkten Ventilverschleiß begünstigen. Denn durch die im Vergleich zu konventionellen Ventilen verringerte notwendige Dichtkraft fällt auch die mechanische Belastung der Ventilbauteile geringer aus, was sich wiederum positiv auf die Ventillebensdauer auswirkt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung kann ein Verhältnis des Abstandes b zum Sitzradius R in einem Bereich von 0,375 bis maximal 0,75 liegen. Es hat sich bei umfangreichen Tests gezeigt, dass in diesem Bereich eine effektive Abdichtung mit einer geringeren Dichtkraft erreicht werden kann. Gleichzeitig weisen derart gestaltete Ventile eine höhere Lebensdauer auf, da es nur zu einer vergleichsweise geringen Kantenbildung am Übergang von der Erhebung zur Wandinnenseite der Durchlassöffnung kommt.
Im Allgemeinen kann an diesem Übergang ein Übergangsbereich vorgesehen sein, in welchem der Sitzradius R in die Wandinnenseite der Durchlassöffnung übergeht.
Beispielsweise kann der Übergangsbereich eine Kante oder Fase aufweisen. Derartige geometrische Ausgestaltungen lassen sich besonders einfach fertigen, beispielsweise indem die Durchlassöffnung mittels eines Bohrwerkzeuges eingebracht wird.
Alternativ kann der Übergangsbereich eine Übergangsrundung mit einem Übergangsradius r aufweisen, der kleiner ist als der Sitzradius R. Insbesondere kann der Übergangsradius r auch kleiner ist als der Abstand b sein und tangential in die Wandinnenseite der Durchlassöffnung übergehen. Dadurch werden Stufen oder Kanten vermieden, die bei wiederholten Kontakt das Dichtelement beschädigen können.
Beispielsweise kann der Übergangsradius r zwischen 0,05 mm und 0,15 mm betragen, vorzugsweise 0,1 mm. Werte in diesem Bereich bieten eine ausreichende Verrundung. Gleichzeitig ist eine Fertigung mit konventionellen Werkzeugen, beispielsweise mittels Sitzsenkern, möglich.
Alternativ oder zusätzlich kann der Übergangsbereich in Richtung der Durchlassöffnung eine zunehmende kontinuierliche Krümmung aufweisen, die insbesondere tangential in die Wandinnenseite der Durchlassöffnung übergeht.
Dadurch wird ein besonders glatter Übergang geschaffen, was die Lebensdauer des Ventils positiv beeinflusst.
In einer bevorzugten Ausführungsform definiert der Ventilsitz eine ringförmige Dichtlinie, welche im geöffneten Zustand des Ventils der dem Dichtelement nächstliegenden Stelle entspricht. Dabei weist die Dichtlinie einen Durchmesser auf, der kleiner ist als die Summe aus dem Nenndurchmesser ND und dem doppelten Sitzradius R. Derartige runde Ventile lassen sich einfach fertigen, sind besonders robust und führen zur gewünschten Dichtkraftverringerung. Selbstverständlich sind aber auch andere Ventilgeometrien möglich, beispielsweise mit oval oder eckig gestalteten Durchlassöffnungen, die von entsprechenden Dichtlinien umgeben werden.
Insbesondere kann bei runden Ventilausgestaltungen vorgesehen sein, dass die Dichtlinie eine Dichtfläche A_D = π*(ND/2+b)² einschließt, für welche gilt: π*(ND/2)² < A_D < π*(ND/2+R)², wobei π die Kreiszahl ist. Die Dichtfläche A_D ist also größer als der Querschnitt der Durchlassöffnung, jedoch kleiner als bei konventionellen Ventilen, bei denen der Sitzradius R tangential in die Wandinnenseite der Durchlassöffnung übergeht. Dadurch wird, wie bereits erläutert, im Vergleich zu konventionellen Ventilen eine Dichtkraftreduzierung erreicht.
Ein Aspekt der Erfindung sieht vor, dass das Verhältnis des Sitzradius R zum Nenndurchmesser ND einen Wert aufweist, der im Bereich von 0,05 bis maximal 0,5 liegt. Es hat sich gezeigt, dass bei Ventilen mit einer derartigen geometrischen Ausgestaltung eine sichere Abdichtung mit einer besonders geringen Dichtkraft erreicht werden kann.
Insbesondere kann der Nenndurchmesser ND einen Wert aufweisen, der zwischen 0,5 mm bis 6 mm beträgt. In diesem Bereich ist die erzielbare Lebenszeitsteigerung besonders groß, da die Kontaktfläche zwischen dem Dichtelement und dem Ventilsitz sehr klein ist. Denn die geringe Kontaktfläche bewirkt, dass bereits geringe aufgebrachte Ventilverschlusskräfte in hohen Flächenpressungen zwischen dem Dichtelement und dem Ventilsitz resultieren, die wiederum Rissbildung und/oder Ventilverschleiß begünstigen können. Die Dichtkraftreduzierung wirkt diesen Effekten entgegen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass das Ventil ein Gehäuse aufweist, wobei der Ventilsitz Bestandteil eines Gehäuseteils ist und/oder einstückig mit dem Gehäuseteil verbunden ist. Dies ermöglicht eine einfache Fertigung des Ventils. Beispielsweise ist denkbar, dass das Ventilgehäuse mitsamt dem Ventilsitz in einem einzigen Prozessschritt spritzgegossen wird. Außerdem ist das Ventil durch die vorgeschlagene Integration des Ventilsitzes in das Gehäuse besonders robust.
Im Allgemeinen kann das Gehäuseteil eine Fluidkammer begrenzen. Insbesondere kann dabei der Ventilsitz ein freies Ende eines vom Gehäuseteil vorstehenden, hülsenartigen Abschnitts sein. Dieser Aufbau ist technisch einfach zu realisieren und bietet eine gute Zugänglichkeit des Ventilsitzes für das Dichtelement.
In einer bevorzugten Ausgestaltung besteht das Dichtelement zumindest in einem Kontaktbereich mit dem Ventilsitz aus einem Elastomer. Durch dessen mechanische Verformbarkeit bildet sich im geschlossenen Ventilzustand eine Kontaktfläche zwischen dem Ventilsitz und dem Dichtelement aus, die hinreichend groß ist, um eine sichere Dichtfunktion zu gewährleisten. Außerdem weisen Elastomere eine hinreichende Stabilität gegen zahlreiche Fluide auf.
Um eine zuverlässige Abdichtung zu gewährleisten, kann außerdem vorgesehen sein, dass das Dichtelement im geöffneten Zustand eine ebene, dem Ventilsitz zugewandte Fläche aufweist, In diese kann sich der Sitzradius R beim Schließen des Ventils eindrücken, bzw. einformen, sodass eine für die Dichtfunktion hinreichend große Kontaktfläche entsteht.
Es ist denkbar, dass das Dichtelement im vollständig geschlossenen Zustand den Ventilsitz ausschließlich im Bereich Sitzradius R kontaktiert. Durch die Vermeidung weiterer Kontaktstellen, insbesondere zu Kanten oder Fasen am Ventilsitz oder im Übergangsbereich, wird eine hohe Lebensdauer des Ventils gewährleistet.
Ferner kann vorgesehen sein, dass der Sitzradius R radial nach außen in einen Konusabschnitt übergeht, dessen Konuswinkel vorzugsweise im Bereich 80° bis maximal 110° liegt. Hierdurch können Verwirbelungen im Fluidstrom beim Durchtritt durch das Ventil vermieden oder zumindest reduziert werden.
Im Allgemeinen kann der Bereich der Wandinnenseite, von dem der Abstand b zum Mittelpunkt des Sitzradius R gemessen wird, den Nenndurchmesser ND aufweisen.
Unter dem Nenndurchmesser ND wird in diesem Zusammenhang bei zylindrischen Durchlassöffnungen der kleinste Öffnungsdurchmesser verstanden. Dieser liegt vom Dichtelement aus betrachtet typischerweise deutlich unterhalb der Ebene, in welcher sich beim Ventilschluss die Dichtlinie ausbildet.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie aus den beigefügten Zeichnungen, auf die im Folgenden Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:

- 1 eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Ventils, welches als Hubanker-Magnetventil ausgebildet ist;
- 2 eine schematische Draufsicht auf ein Gehäuse und eine Fluidkammer des Ventils aus 1;
- 3 eine schematische Querschnittsansicht des Gehäuses aus 2;
- 4 eine schematische Querschnittsansicht eines konventionellen Ventilsitzes;
- 5 eine schematische Querschnittsansicht eines Ventilsitzes eines erfindungsgemäßen Ventils in einer ersten Ausführungsvariante;
- 6 eine schematische Querschnittsansicht eines Ventilsitzes eines erfindungsgemäßen Ventils in einer zweiten Ausführungsvariante;
- 7 ein Diagramm, welches einen durch ein Ventil maximal abdichtbaren Fluiddruck über dem Sitzradius R zeigt;
- 8 ein Diagramm, welches eine prozentuale Dichtflächenverringerung, die mittels eines erfindungsgemäßen Ventils im Vergleich zu einem konventionellen Ventil erzielt werden kann, in Abhängigkeit des Nenndurchmessers ND für verschiedene Ventilgeometrien darstellt.

1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Ventils 10. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein Hubanker-Magnetventil.
Das Ventil 10 umfasst ein Gehäuse 12, mit einer darin eingeschlossenen Fluidkammer 14, die über einen Zulauf 16 sowie einen Ablauf 18 verfügt, sowie einen mittels Magnetspulen 20 verschiebbaren Anker 22, der sich in 1 in geöffneter Stellung befindet.
Bei dem Gehäuse 12 kann es sich um ein Spritzgussbauteil aus Kunststoff handeln, insbesondere aus einem glasfaserverstärktem Kunststoff. Alternativ sind auch Metallgehäuse denkbar.
Der Gehäusebereich mit der Fluidkammer 14 ist in 2 in einer Draufsicht und in 3 in einer Schnittansicht näher dargestellt.
Ein Teil des Gehäuses 12 bildet einen hülsenartigen Abschnitt 24 aus, der von einem Boden aus nach oben in die Fluidkammer 14 hineinragt. An einem dem Anker 22 zugewandten freien Ende des hülsenartigen Abschnitts 24 befindet sich ein Ventilsitz 26. Im Ausführungsbeispiel bilden Gehäuse 12, hülsenartiger Abschnitt 24 und Ventilsitz 26 ein einziges, einstückiges Bauteil.
In der gezeigten Ausführungsform umgibt der Ventilsitz 26 eine Durchlassöffnung 28 des Zulaufs 16. Selbstverständlich ist dies nicht einschränkend zu verstehen. Es sind auch Ausführungsvarianten denkbar, in denen der Ventilsitz 26 den Ablauf 18 umgibt. Mit anderen Worten ist das Ventil 10 für eine Untersitzanströmung und eine Übersitzanströmung geeignet.
Der Anker 22 ist auf einer der Durchlassöffnung 28 gegenüberliegenden Seite der Fluidkammer 14 angeordnet. Am Kopf des Ankers 22 ist ein Dichtelement 30 angebracht, welches aus einem Elastomermaterial, beispielsweise einem Kautschuk, bestehen kann.
Die dem Ventilsitz 26 zugewandte Seite des Dichtelements 30 ist im Ausführungsbeispiel eine ebene Fläche 32.
Wird das Ventil 10 geschlossen, so verschieben die Magnetspulen 20 den Anker 22 in Richtung der Durchlassöffnung 28, bis das Dichtelement 30 auf den Ventilsitz 26 trifft. Mittels der Magnetspulen 20 wird auf den Anker 22 eine Kraft aufgebracht, die dazu führt, dass das Dichtelement 30 gegen den Ventilsitz 26 gepresst wird und die Durchlassöffnung 28 fluiddicht verschließt.
Die Kraft bewirkt dabei, dass der obere Bereich des Ventilsitzes 26 in die Fläche 32 des Dichtelements 30 hineingedrückt wird. Infolgedessen wirken im geschlossenen Zustand mechanische Spannungen, welche insbesondere bei einem andauernden Betrieb mit wiederholten Öffnungs- und Schließvorgängen zum Verschleiß des Dichtelements 30 führen können.
Um den Verschleiß so gering wie möglich zu halten, weist das Ventil 10 eine spezielle Ventilsitzgeometrie auf, welche einen Betrieb mit vergleichsweise geringen Verschließkräften ermöglicht.
Im Folgenden werden die Unterschiede der speziellen Ventilsitzgeometrie zu aus dem Stand der Technik bekannten Ventilsitzen 26 erläutert.
4 zeigt einen konventionellen Ventilsitz 26, der nicht Gegenstand der beanspruchten Erfindung ist. Dieser umschließt eine kreisförmige Durchlassöffnung 28 mit einem Nenndurchmesser ND und weist an einer dem Dichtelement 30 zugewandten Seite eine umlaufende Rundung 34 mit ausschließlich dem Sitzradius R auf. Der Sitzradius läuft sozusagen geschlossen um den Ventilsitz 26 um und definiert dessen Geometrie. Der Abstand b des Radiusmittelpunktes 36, bzw. der Radiusmittellinie von einer Wandung 38 der Durchlassöffnung 28 und der Sitzradius R weisen denselben Wert auf, sodass der Sitzradius R tangential in die zylindrische Wandung 38 der Durchlassöffnung 28 übergeht.
Die für den Durchfluss relevante Fläche A_ND lässt sich für diese Sitzgeometrie anhand der Formel A_ND = π*(ND/2)² berechnen, wobei π die Kreiszahl ist.
Die für die Dichtkraft relevante Fläche, welche der Dichtfläche A_D entspricht, ist dagegen größer, da das Dichtelement 30 bei geschlossenem Ventil 10 den Ventilsitz 26 im Bereich der umlaufenden Rundung 34 kontaktiert. Sie errechnet sich im gezeigten Beispiel anhand der Formel A_D = π*(ND/2+R)². Die aufzubringende Dichtkraft ist hierbei direkt proportional zur Dichtfläche A_D.
5 zeigt im Vergleich dazu den Ventilsitz 26 des erfindungsgemäßen Ventils 10 aus den 1 bis 3.
Dieser umschließt eine kreisförmige, zylindrische Durchlassöffnung 28 mit dem Nenndurchmesser ND und hat an einer dem Dichtelement 30 zugewandten Seite eine geschlossene umlaufende, durchgehend gleiche Rundung 34.
In jeder Querschnittsebene, welche durch die Mittelachse der Durchlassöffnung 28 verläuft, weist die Rundung 34 einen identischen Sitzradius R auf. Durch diesen ist am Ventilsitz 26 eine ringförmige Dichtlinie 40 definiert, welche der dem Dichtelement 30 im geöffneten Zustand des Ventils 10 nächstgelegenen Stelle entspricht.
Der Abstand b des Mittelpunktes 36, bzw. die Mittellinie des Sitzradius R von einer die Durchlassöffnung 28 definierenden, zylindrischen Wandinnenseite 38 ist hierbei kleiner als der Sitzradius R. Der Bereich der Wandinnenseite 38, von dem der Abstand b zum Mittelpunkt 36 des Sitzradius gemessen wird, weist dabei den Nenndurchmesser ND auf.
Der Durchmesser der Dichtlinie 40 ist daher kleiner als die Summe aus dem Nenndurchmesser ND und dem doppelten Sitzradius R.
Die dichtkraftrelevante Fläche, bzw. Dichtfläche A_D errechnet sich im gezeigten Beispiel anhand der Formel A_D = π*(ND/2+b)², wobei gilt: b < R. Sie ist bei gleichem Nenndurchmesser ND kleiner als die Dichtfläche A_D des zuvor beschriebenen konventionellen Ventilsitzes 10.
Somit ist auch die zur Abdichtung auf das Dichtelement 30 aufzubringende Kraft geringer. Mit der aufgeprägten Kraft sinken auch die mechanischen Belastungen des Dichtelements 30 beim Verschließen bzw. Öffnen des Ventils 10, was zu einer gesteigerten Lebensdauer des erfindungsgemäßen Ventils 10 führt.
In dem in 5 gezeigten Ventil 10 geht der Sitzradius R nicht wie bei konventionellen Ventilen 10 tangential in die Wandinnenseite 38 der Durchlassöffnung 28 über. Der Übergangsbereich 42 weist hier eine Kante 44 auf. Bevorzugt ist diese jedoch so weit von der Dichtlinie 40 entfernt in die Durchlassöffnung 28 hineinversetzt, dass im vollständig geschlossenen Ventilzustand kein Kontakt zwischen der Kante 44 und Dichtelement 30 besteht.
Das Dichtelement 30 kontaktiert den Ventilsitz 26 also ausschließlich im Bereich des Sitzradius R. Dadurch ist sichergestellt, dass es zu keinem Kantenkontakt des empfindlichen Elastomers kommt, der zu einem beschleunigten Verschleiß führen könnte.
6 zeigt eine zweite Ausführungsvariante eines Ventilsitzes 26 eines erfindungsgemäßen Ventils 10. Diese entspricht in wesentlichen Merkmalen der Ausführungsform der 5, sodass im Folgenden lediglich auf die Unterschiede eingegangen wird. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Auch bei dem in 6 gezeigten Ventilsitz 26 ist der Abstand b des Mittelpunktes 36, bzw. der Mittellinie der Rundung 34 von der Wandinnenseite 38 der Durchlassöffnung 28 kleiner als der Sitzradius R.
Der Übergangsbereich 42 weist jedoch keine umlaufende Kante 44, sondern eine Übergangsrundung 46 mit einem Übergangsradius r auf. Der Übergangsradius r ist dabei wenigstens um den Faktor 10 kleiner ist als der Sitzradius R.
Im gezeigten Beispiel beträgt r 0,1 mm. Dies ermöglicht eine technisch einfache Fertigung ohne den Einsatz von Spezialwerkzeugen.
Wie in 6 gezeigt, verläuft der Übergangsradius r tangential in die zylindrische Wandinnenseite 38 der Durchlassöffnung 28 mit dem Nenndurchmesser ND hinein, sodass ein glatter Übergang besteht. Dadurch ist die Gefahr von Beschädigungen am Dichtelement 30 geringer als in Ventilausführungsformen mit umlaufenden Kanten 44 oder Fasen.
Selbstverständlich sind weitere Ventilsitzgeometrien denkbar, insbesondere solche, bei denen der Übergangsbereich 42 in Richtung der Durchlassöffnung 28 eine zunehmende kontinuierliche Krümmung aufweist, die schließlich tangential in die Wandinnenseite 38 der Durchlassöffnung 28 übergeht.
Die in den 5 und 6 gezeigten Ventilsitze 26 weisen zudem einen Konusabschnitt 48 auf, in welchen der Sitzradius R radial nach außen tangential übergeht. Der Konuswinkel α liegt hierbei in einem Bereich von 80° bis maximal 110°. Hierdurch werden im Ausführungsbeispiel Verwirbelungen im Fluidstrom beim Durchtritt durch das Ventil 10 vermieden, sodass eine laminare Strömung erzielt wird.
Beispielsweise können die in den 4, 5 und 6 gezeigten Ventilsitze 26 jeweils einen Nenndurchmesser ND von 4 mm und einem Sitzradius R von 0,3 mm aufweisen. Die durchflussrelevante Fläche A_ND beträgt somit für alle drei Ventilsitzgeometrien jeweils 12,57 mm².
Für den konventionellen Ventilsitz 26 aus 4 ergibt sich gemäß der oben gegebenen Formel eine dichtkraftrelevante Fläche A_D von 16,62 mm².
Dagegen beträgt die dichtkraftrelevante Fläche A_D der optimierten Ventilsitze 26 der 4 und 5 bei gleichem Nenndurchmesser ND und Sitzradius R und einem Abstand b von 0,2 mm lediglich 15,2 mm².Die dichtkraftrelevante Fläche A_D ist im Vergleich zum konventionellen Ventilsitz 26 also um ca. 9 % geringer.
Stellt man die gleiche Überlegung bei ansonsten gleichen Parametern für Ventilsitze 26 mit einem Nenndurchmesser ND von 1,6 mm an, ergibt sich eine durchflussrelevante Fläche A_ND von 2,01 mm², eine dichtkraftrelevante Fläche A_D des konventionellen Ventilsitzes 26 von 3,8 mm² und eine dichtkraftrelevante Fläche A_D der optimierten Ventilsitze 26 von 3,14 mm². Die dichtkraftrelevante Fläche A_D und somit auch die aufzubringende Dichtkraft des erfindungsgemäß optimierten Ventils 10 ist hier um 17 % geringer als die des konventionellen Ventils 10.
Die mittels der beschriebenen erfindungsgemäßen Ventile 10 erzielbare Dichtkraftreduktion ist also vom Nenndurchmesser ND abhängig.
Ferner hängt die erzielbare Dichtkraftreduktion, wie in 7 dargestellt, auch vom Sitzradius R ab. Die Abbildung zeigt eine grafische Auftragung eines durch ein Ventil 10 maximal abdichtbaren Fluiddrucks auf der Y-Achse 50 über dem Sitzradius R auf der X-Achse 52. Der Wertebereich der Y-Achse 50 liegt im gezeigten Beispiel zwischen 0 und 20 bar und der Wertebereich der X-Achse 52 zwischen 0 mm und 0,5 mm.
Je geringer der Sitzradius R ist, desto höher wird der dichtbare Druck, den das Magnetventil 10 erreichen kann. In der Praxis wird der kleinstmögliche Sitzradius R jedoch durch die Belastbarkeit des Dichtelements 30 begrenzt. Ein sehr kleiner Sitzradius R führt im geschlossenen Ventilzustand zu einer geringen Kontaktfläche zwischen Ventilsitz 26 und Dichtelement 30, was wiederum hohe lokale Flächenpressungen hervorruft und die Lebenserwartung des Ventils 10 negativ beeinflussen kann.
8 zeigt, dass die erzielbare Dichtkraftreduktion insbesondere auch vom Verhältnis des Nenndurchmessers ND zum Abstand b abhängen kann.
Im Diagramm ist die relative Dichtkraftreduktion, die gegenüber einem konventionellen Ventil 10 erzielbar ist, auf Y-Achse 50 über dem Nenndurchmesser ND auf der X-Achse 52 aufgetragen. Der Wertebereich der Y-Achse 50 liegt im gezeigten Beispiel zwischen 0 und 50 % (oberstes Ende der Y-Achse) und der Wertebereich der X-Achse 52 zwischen 0 mm und 5 mm.
Ein erster Graph 54 in 7 zeigt die erzielbare Dichtkraftreduktion für ein Ventil 10 mit b = 0,15 und biND = 0,375, ein zweiter Graph 56 für ein Ventil 10 mit b = 0,15 und biND = 0,5 ein dritter Graph 58 für ein Ventil 10 mit b = 0,15 und biND = 0,75 und ein vierter Graph 60 für ein Ventil 10 mit b = 0,3 und biND = 0,75.
Je kleiner das Verhältnis biND, desto geringer ist die aufzubringende Dichtkraft für einen gegebenen Nenndurchmesser ND. Das Verhältnis biND kann dabei jedoch nicht beliebig klein gewählt werden, da sonst die mechanische Belastung am Dichtelement 30 wieder ansteigen würde.
Wie sich gezeigt hat, weisen Ventile 10 mit einem Verhältnis biND zwischen 0,75 und 0,375 eine besonders geringe aufzubringende Dichtkraft sowie eine lange Lebensdauer auf. Daher ist dieser Wertebereich für erfindungsgemäße Ventile 10 vorteilhaft.
Aus demselben Grund sind auch Nenndurchmesser ND zwischen 0,5 mm und 6 mm, Sitzradien R zwischen 0,2 mm und 0,4 mm und Verhältnisse des Sitzradius R zum Nenndurchmesser ND im Bereich von 0,05 bis maximal 0,5 bevorzugt.

Claims

Ventil, insbesondere Magnetventil, mit einem Dichtelement (30) und einem Ventilsitz (26), welcher eine Durchlassöffnung (28) mit einem Nenndurchmesser (ND) umgibt, wobei der Ventilsitz (26) an einer dem Dichtelement (30) zugewandten Seite eine geschlossen umlaufende Rundung (34) aufweist, die in einer Querschnittsebene, welche durch eine Mittelachse der Durchlassöffnung (28) verläuft, einen Sitzradius (R) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand (b) eines Mittelpunktes (36) des Sitzradius (R) von einer die Durchlassöffnung (28) definierenden Wandinnenseite (38) kleiner ist als der Sitzradius (R).
Ventil nach Anspruch 1, wobei ein Verhältnis des Abstandes (b) zum Sitzradius (R) in einem Bereich von 0,375 bis maximal 0,75 liegt.
Ventil nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Sitzradius (R) in einem Übergangsbereich (42) in die Wandinnenseite (38) der Durchlassöffnung (28) übergeht.
Ventil nach Anspruch 3, wobei der Übergangsbereich (42) eine Kante (44) oder Fase aufweist.
Ventil nach Anspruch 3, wobei der Übergangsbereich (42) eine Übergangsrundung (46) mit einem Übergangsradius (r) aufweist, der kleiner ist als der Sitzradius (R), der insbesondere kleiner ist als der Abstand (b), der optional tangential in die Wandinnenseite (38) übergeht und der vorzugsweise einen Wert von 0,1 mm aufweist.
Ventil nach Anspruch 3, wobei der Übergangsbereich (42) in Richtung der Durchlassöffnung (28) eine zunehmende kontinuierliche Krümmung aufweist, die insbesondere tangential in die Wandinnenseite (38) der Durchlassöffnung (28) übergeht.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ventilsitz (26) eine ringförmige Dichtlinie (40) definiert, welche die dem Dichtelement (30) im geöffneten Zustand des Ventils (10) nächstgelegene Stelle definiert, wobei die Dichtlinie (40) einen Durchmesser aufweist, der kleiner ist als die Summe aus dem Nenndurchmesser (ND) und dem doppelten Sitzradius (R).
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Verhältnis des Sitzradius (R) zum Nenndurchmesser (ND) einen Wert aufweist, der im Bereich von 0,05 bis maximal 0,5 liegt, insbesondere wobei der Nenndurchmesser (ND) einen Wert aufweist, der zwischen 0,5 mm bis 6 mm liegt.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend ein Gehäuse (12), wobei der Ventilsitz (26) Bestandteil eines Gehäuseteils ist und vorzugsweise einstückig mit dem Gehäuseteil verbunden ist.
Ventil nach Anspruch 9, wobei das Gehäuseteil eine Fluidkammer (14) begrenzt.
Ventil nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Ventilsitz (26) ein freies Ende eines von dem Gehäuseteil vorstehenden, hülsenartigen Abschnitts (24) ist.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Dichtelement (30) zumindest im Kontaktbereich mit dem Ventilsitz (26) aus einem Elastomer ist.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Dichtelement (30) im geöffneten Zustand eine ebene, dem Ventilsitz (26) zugewandte Fläche (32) aufweist.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Dichtelement (30) im vollständig geschlossenen Zustand den Ventilsitz (26) ausschließlich im Bereich des Sitzradius (R) kontaktiert.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sitzradius (R) radial nach außen insbesondere tangential in einen Konusabschnitt (48) übergeht, dessen Konuswinkel (α) vorzugsweise im Bereich von 80° bis maximal 110° liegt.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Bereich der Wandinnenseite (38), von dem der Abstand (b) zum Mittelpunkt (36) des Sitzradius (R) gemessen wird, den Nenndurchmesser (ND) aufweist.