DE10247967B3

DE10247967B3 - Mehrwegeventil mit Fluidsparmaßnahmen

Info

Publication number: DE10247967B3
Application number: DE2002147967
Authority: DE
Inventors: Johannes Volzer
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2002-10-15
Filing date: 2002-10-15
Publication date: 2004-02-05
Anticipated expiration: 2022-10-16

Abstract

Es wird ein Mehrwegeventil vorgeschlagen, das zwei Verbraucheranschlüsse (A, B) aufweist, die mit einem Verbraucher (12) verbindbar sind und durch ein Hauptventilglied (5) eines Hauptventils (2) gesteuert werden. Eine mit einer Druckwaage (45) ausgestattete Vorsteuerstufe (44) bewirkt, dass das Hauptventilglied (5) beim Umschalten zwischen zwei Arbeitsstellungen (6a, 6b) in einer Mittelstellung stoppt, bis zwischen den beiden Verbraucheranschlüssen (A, B) ein Druckausgleich stattgefunden hat.

Description

Die Erfindung betrifft ein Mehrwegeventil, das insbesondere zur Ansteuerung fluidbetätigter Antriebe geeignet ist und das über Maßnahmen verfügt, die eine Einsparung des beim Betrieb erforderlichen fluidischen Betätigungsmediums hervorrufen, so dass ein energetisch vorteilhafter Einsatz möglich ist.
Auf dem Sektor der Pneumatik und Hydraulik sind Mehrwegeventile in vielfältigen Ausführungsformen bekannt, die eingesetzt werden können, um fluidbetätigte Antriebe, beispielsweise Linearantriebe oder Drehantriebe, fluidisch ansteuern zu können. Meist enthalten sie zwei Verbraucheranschlüsse, die an die beiden Arbeitskammern des Verbrauchers angeschlossen werden können, welche in der Regel durch einen Kolben voneinander abgetrennt werden. Um den Kolben in einer Richtung zu verschieben, wird am jeweils einen Verbraucheranschluss unter dem gewünschten Betriebsdruck stehendes Druckmedium ausgegeben, während über den anderen Verbraucheranschluss ein Abströmen des aus dem Antrieb verdrängten Druckmediums stattfindet. Das abströmende Druckmedium wird dann an einem Entlastungsanschluss des Mehrwegeventils, in Abhängigkeit vom Medium, an einen Tank oder zur Atmosphäre abgegeben.

In diesem Zusammenhang beschreibt die DE 195 27 892 A1 ein vorgesteuertes Druckminderventil, das ein Mehrwegeventil als Hauptventil aufweist, dessen Hauptventilglied durch die Auferlegung fluidischer Steuerdruckkräfte in mehreren Stellungen positionierbar ist. Zur Reaktion auf sich ändernde Belastungszustände am angesteuerten Verbraucher werden die an den beiden Verbraucheranschlüssen herrschenden Ausgangsdrücke den in stirnseitigen Steuerkammern des Mehrwegeventils herrschenden Steuerdrücken zusätzlich aufgeschaltet, um die Position des Hauptventilgliedes und somit die Ausgangsdrücke selbsttätig zu variieren. Die Ausgangsstellung des Hauptventilgliedes ist eine durch Federn zentrierte Mittelstellung, in der die Verbraucheranschlüsse zusammen mit den Steuerkammern mit einem Tank verbunden sind.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Maßnahmen vorzuschlagen, die eine Einsparung der für den Betrieb eines Verbrauchers, insbesondere eines fluidbetätigten Antriebes, erforderlichen Energie ermöglichen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Mehrwegeventil mit Fluidsparmaßnahmen,

– mit einem einen ersten und einen zweiten Verbraucheranschluss aufweisenden Hauptventil, das ein wahlweise in einer ersten Arbeitsstellung, einer zweiten Arbeitsstellung oder einer dazwischenliegenden, durch Federmittel federzentrierten Mittelstellung positionierbares Hauptventilglied enthält, welches in der Mittelstellung die beiden Verbraucheranschlüsse miteinander verbindet und in den beiden Arbeitsstellungen den jeweils einen Verbraucheranschluss mit einem Speiseanschluss und gleichzeitig den jeweils anderen Verbraucheranschluss mit einem Entlastungsanschluss verbindet,
– mit einer Steuerventileinrichtung, die wenigstens zwei Schaltzustände einnehmen kann, in denen sie verursacht, dass das Hauptventilglied durch Beaufschlagung mit einer fluidischen Steuerdruckkraft in Richtung der einen oder anderen Arbeitsstellung beaufschlagt wird,
– und mit einer von der zwischen den beiden Verbraucheranschlüssen herrschenden Druckdifferenz gesteuerten Vorsteuerstufe, die während wenigstens einer der beiden Arbeitsstellungen eine Kompensationsstellung einnimmt, in der sie eine gleichgerichtet wie die momentane Steuerdruckkraft auf das Hauptventilglied wirkende fluidische Kompensationsdruckkraft hervorruft, welche nach dem anschließend zum Zwecke des Umschaltens des Hauptventilgliedes in die andere Arbeitsstellung erfolgenden Umschalten der Steuerventileinrichtung in den anderen Schaltzustand die dann entgegengesetzt wirkende Steuerdruckkraft kompensiert, so dass das Hauptventilglied durch die Federkräfte der Federmittel in die Mittelstellung umschaltet, wobei der sich dann zwischen den beiden Verbraucheranschlüssen einstellende Druckausgleich ein Umschalten der Vorsteuerstufe in eine Neutralstellung hervorruft, in der die Kompensationsdruckkraft abgebaut werden kann, so dass das Hauptventilglied durch die weiterhin wirksame Steuerdruckkraft in die andere Arbeitsstellung weiterschaltet.

Das erfindungsgemäße Mehrwegeventil bewirkt, dass das Hauptventilglied beim Umschalten zwischen den beiden Arbeitsstellungen – bei wenigstens einer und vorzugsweise bei beiden Umschaltrichtungen – einen vorübergehenden Stopp in der Mittelstellung einlegt, in der die beiden Verbraucheranschlüsse kurzgeschlossen sind, so dass ein Druckausgleich zwischen den beiden Verbraucheranschlüssen und folglich auch zwischen den mit den Verbraucheranschlüssen verbundenen Arbeitskammern des anzusteuernden Verbrauchers stattfindet. Nach erfolgtem Druckausgleich setzt das Hauptventilglied selbsttätig die Umschaltbewegung bis zur gewünschten Arbeitsstellung fort. Der Druckausgleich bewirkt, dass in der als nächstes mit dem Druckmedium zu beaufschlagenden Arbeitskammer des angeschlossenen Verbrauchers bereits eine Druckerhöhung stattfindet, noch bevor von außen her zusätzliches Druckmedium eingespeist wird. Handelt es sich bei dem Verbraucher um einen vertikal orientierten Antrieb, kann der Druckausgleich sogar mit einem kompletten Überströmen des Druckmediums zwischen den beiden Arbeitskammern und einem Verlagern des Kolbens verbunden sein, was eine Verkürzung der Betätigungszeiten mit sich bringt. In allen Fällen kann die zu erzeugende Menge an unter Druck stehendem Fluid verringert werden, was eine nicht unerhebliche Energieeinsparung mit sich bringt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Fluidsparmaßnahmen selbsttätig ablaufen und keine über das übliche Maß hinausgehenden Ansteuerungsmaßnahmen erforderlich sind. Für den Anwender erscheint der Betrieb des Mehrwegeventils trotz des vorteilhaften Einspareffektes nicht anders als derjenige eines konventionellen Mehrwegeventils.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Bei einem besonders zweckmäßigen Aufbau des Mehrwegeventils ist vorgesehen, dass die differenzdruckgesteuerte Vorsteuerstufe eine Druckwaage und wenigstens ein durch die Druckwaage betätigbares Vorsteuerventil mit einer 3/2-Ventilfunktionalität aufweist, wobei die Druckwaage zwei jeweils mit einem der beiden Verbraucheranschlüsse verbundene Druckvergleichskammern enthält und wobei das jeweilige Vorsteuerventil einen mit einem den Kompensationsdruck liefernden Speiseanschluss verbundenen Eingangsanschluss, einen zum Weiterleiten des Kompensationsdruckes an das Hauptventilglied vorgesehenen Ausgangsanschluss und einen zum Abbauen des am Ausgangsanschluss anstehenden Kompensationsdruckes dienenden Entlastungsanschluss aufweist. Jedes vorhandene Vorsteuerventil der Vorsteuerstufe – je nachdem, ob die Fluideinsparung bei beiden Umschaltrichtungen oder nur bei einer Umschaltrichtung gewünscht ist, enthält die Druckwaage zweckmäßigerweise zwei Vorsteuerventile oder nur ein Vorsteuerventil – nimmt in der bei Druckgleichheit der beiden Verbraucheranschlüsse vorliegenden Neutralstellung eine den Ausgangsanschluss mit dem Entlastungsanschluss verbindende Entlastungsstellung ein, so dass keine Kompensationsdruckkraft erzeugt wird. Hingegen nimmt bei der durch eine Druckdifferenz der beiden Verbraucheranschlüsse hervorgerufenen Kompensationsstellung das betreffende Vorsteuerventil eine Beaufschlagungsstellung ein, in der der zugehörige Eingangsanschluss mit dem Ausgangsanschluss verbunden ist und somit ein Kompensationsdruck im Hauptventil erzeugt wird.

Die jeweilige Kompensationsdruckkraft wird zweckmäßigerweise in einer Kompensationskammer des Hauptventils aufgebaut, die von einem für die Umschaltbewegung des Hauptventilgliedes verantwortlichen Betätigungsglied begrenzt wird, das auf der entgegengesetzten Seite eine Steuerkammer begrenzt, die zur Beaufschlagung mit dem für die Erzeugung der Steuerdruckkraft verantwortlichen Steuerdruck vorgesehen ist.

Bei dem Betätigungsglied kann es sich um einen festen Bestandteil des Hauptventilgliedes handeln. Bevorzugt wird allerdings eine vom Hauptventilglied getrennte Ausführungsform.

Die für die Federzentrierung verantwortlichen Federmittel enthalten zweckmäßigerweise zwei entgegengesetzt auf das Hauptventilglied einwirkende Druckfederanordnungen. Das Ein wirken auf das Hauptventilglied kann unter Zwischenschaltung eines Betätigungsgliedes erfolgen.

Die Steuerventileinrichtung enthält vorzugsweise zwei für die Erzeugung entgegengesetzt gerichteter Steuerdruckkräfte verantwortliche Steuerventile. Ein Steuerventil erzeugt den für das Umschalten in die eine Arbeitsstellung erforderlichen Steuerdruck, das andere Steuerventil ist für die Erzeugung des Steuerdruckes verantwortlich, der das Umschalten in die andere Arbeitsstellung bewirkt. Zweckmäßigerweise sind diese beiden Steuerventile funktionsmäßig derart gekoppelt, dass stets eine gegensinnige Betätigung stattfindet. Wenn also das eine Steuerventil einen Steuerdruck liefert, baut das andere Steuerventil den entgegengesetzt wirkenden Steuerdruck ab.

Es ist in diesem Zusammenhang insbesondere möglich, nur eines der Steuerventile elektrisch betätigbar auszubilden und das andere Steuerventil als rein fluidisch betätigbares Ventil auszuführen, wobei die fluidischen Betätigungskräfte vom Schaltzustand des elektrisch betätigbaren Steuerventils abhängen. Die elektrische Ausstattung des Mehrwegeventils reduziert sich somit sehr stark, und es genügt minimal ein einziger elektrischer Ventilantrieb, beispielsweise ein Elektromagnet oder ein Piezoantrieb. Die für den Betrieb des Mehrwegeventils erforderlichen elektrischen Anschlüsse sind folglich ebenfalls auf ein Minimum reduziert.

Das Hauptventil ist vorzugsweise als 5/3-Wegeventil ausgebildet. Aus Gründen einer einfacheren Herstellbarkeit wird ferner eine Bauform des Hauptventils als Schieberventil ange strebt, wenngleich unter dem Aspekt der Dichtigkeit auch ein Sitzventil empfehlenswert sein kann.

Die Vorsteuerstufe ist zweckmäßigerweise zusammen mit dem Hauptventil und den Steuerventilen als kompakte Baueinheit ausgebildet. Es erübrigt sich dadurch die Installation gesonderter Komponenten, die zusätzlich noch miteinander durch Fluidleitungen verbunden werden müssen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Bauform des erfindungsgemäßen Mehrwegeventils in Verbindung mit einem durch sie zu betätigenden Verbraucher.
In der Zeichnung ist strichpunktiert bei 1 das Mehrwegeventil als Ganzes bezeichnet, bei dem es sich um eine insbesondere baugruppenartige Baueinheit aus mehreren, nachfolgend noch zu beschreibenden Komponenten handelt. Alle Komponenten sind mechanisch fest miteinander verbunden und funktionsmäßig fest miteinander verschaltet.
Eine Komponente des Mehrwegeventils 1 ist von einem Hauptventil 2 gebildet. Es enthält ein Hauptventilgehäuse 3, das einen länglichen Aufnahmeraum 4 definiert, in dem ein Hauptventilglied 5 verstellbar angeordnet ist.
Das Hauptventil 2 ist beim Ausführungsbeispiel als Schieberventil ausgebildet, wobei das Hauptventilglied 5 ein Ventil schieber ist. Alternativ wäre allerdings auch eine Bauform als Sitzventil möglich.
Mittels Fluidbeaufschlagung kann das Hauptventilglied 5 in unterschiedlichen Schaltstellungen positioniert werden. Gezeigt ist eine Mittelstellung, in der das Hauptventilglied 5 etwa längsmittig im Aufnahmeraum 4 platziert ist. Daneben sind weiterhin eine erste und eine zweite Arbeitsstellung möglich, in denen das Hauptventilglied 5 entweder an das eine Ende oder an das andere Ende des Aufnahmeraumes 4 angenähert ist. Die beiden Arbeitsstellungen sind in der Zeichnung strichpunktiert bei 6a und 6b angedeutet.
Umfangsseitig münden in den Aufnahmeraum 4 ein erster Verbraucheranschluss A, ein zweiter Verbraucheranschluss B, zwei Entlastungsanschlüsse R und S sowie zwei Speiseanschlüsse P. Die Speiseanschlüsse P sind zusammengeschaltet, so dass nachfolgend nurmehr von einem Speiseanschluss P die Rede sein wird.
Über eine erste Speiseleitung 7 ist der Speiseanschluss P an eine fluidische Druckquelle 8 angeschlossen. Beim Ausführungsbeispiel, das als pneumatisches Mehrwegeventil ausgeführt ist, handelt es sich hierbei um eine Druckluftquelle. Alternativ wäre aber auch eine hydraulische Bauform möglich.
Die beiden Entlastungsanschlüsse S, R stehen mit der Umgebung in Verbindung und dienen der Abfuhr des zurückströmenden Druckmediums. Bei hydraulischen Anwendungen sind die Entlastungsanschlüsse R, S mit einem Tank verbunden.
Die beiden Verbraucheranschlüsse A, B dienen dem Anschluss eines in der Zeichnung schematisch angedeuteten Verbrauchers 12, bei dem es sich insbesondere um einen durch Fluidkraft betätigbaren Antrieb handelt. Das Ausführungsbeispiel zeigt einen Linearantrieb.
Der Antrieb hat ein Antriebsgehäuse 13, in dem ein verschiebbarer Kolben 14 untergebracht ist, der zwei Arbeitskammern 15, 16 fluiddicht voneinander abtrennt. Ein mit dem Kolben 14 verbundenes Kraftabgriffsteil 17 – vorliegend eine Kolbenstange – ermöglicht außerhalb des Antriebsgehäuses 13 die Verbindung mit einem zu bewegenden Bauteil 18, das beim Ausführungsbeispiel von einer abwechselnd anzuhebenden und abzusenkenden Masse gebildet ist.
Die beiden Verbraucheranschlüsse A, B stehen über eine erste und zweite Verbraucherleitung 19a, 19b mit jeweils einer der Arbeitskammern 15, 16 in Verbindung.
Gezeigt ist eine Grundstellung des Antriebes 12 mit eingefahrener Kolbenstange und dadurch abgesenkter Last 18. Der Kolben 14 befindet sich am unteren Ende des Antriebsgehäuses 13. Wird das Hauptventilglied 5 in die erste Arbeitsstellung 6a umgeschaltet, ergibt sich über den Aufnahmeraum 4 hinweg eine fluidische Verbindung zwischen dem Speiseanschluss P und dem ersten Verbraucheranschluss A, während gleichzeitig der zweite Verbraucheranschluss B mit dem Entlastungsanschluss 5 verbunden wird. Dadurch strömt Druckmedium in die unten liegende erste Arbeitskammer 15 des Antriebes 12 ein und schiebt den Kolben 14 nach oben, wobei das aus der oben liegenden zweiten Arbeitskammer 16 verdrängte Druckmedium über den Entlastungsanschluss 5 ausströmt.
Ein umgekehrter Bewegungsablauf ergibt sich, wenn das Hauptventilglied 5 bei in angehobener Position befindlichem Kolben 14 in die zweite Arbeitsstellung 6b umgeschaltet wird. Nun tritt in die zweite Arbeitskammer 16 über den mit dem Speiseanschluss P verbundenen zweiten Verbraucheranschluss B Druckmedium ein, während gleichzeitig aus der ersten Arbeitskammer 15 verdrängtes Druckmedium über den ersten Verbraucheranschluss A und den mit diesem kommunizierenden Entlastungsanschluss R abströmt.
In der in der Zeichnung gezeigten Mittelstellung bewirkt das Hauptventilglied 5 über den Aufnahmeraum 4 hinweg eine direkte fluidische Verbindung zwischen den beiden Verbraucheranschlüssen A, B. Gleichzeitig sind diese Verbraucheranschlüsse hierbei von den übrigen Anschlüssen abgetrennt. Das im Antrieb 12 befindliche Druckmedium hat somit die Möglichkeit, über die Verbraucherleitungen 19a, 19b, die beiden Verbraucheranschlüsse A, B und den Aufnahmeraum 4 hinweg zwischen den beiden Arbeitskammern 15, 16 überzuströmen.
Die Umschaltbewegung des Hauptventilgliedes 5 ist in der Zeichnung bei 22 durch einen Doppelpfeil angedeutet. Ihre Richtung fällt mit der Längsrichtung des Aufnahmeraumes 4 zusammen.
Die Umschaltbewegung 22 und das Halten des Hauptventilgliedes 5 in der jeweiligen Stellung geschieht unter Mitwirkung zweier Betätigungseinrichtungen 23a, 23b, die sich axial beidseits an das Hauptventilglied 5 anschließen. Jede Betätigungseinrichtung 23a, 23b enthält einen Steuerraum 24a, 24b, der sich unter fluiddichter Abtrennung an den Aufnahmeraum 4 anschließt. Die fluiddichte Abtrennung wird beispielsweise durch eine Trennwand 25a, 25b bewirkt.
In dem Steuerraum 24a, 24b befindet sich jeweils ein erstes bzw. zweites Betätigungsglied 26a, 26b, das den zugeordneten Steuerraum 24a, 24b im einen Fall in eine erste Steuerkammer 27a und eine erste Kompensationskammer 28a und im anderen Fall in eine zweite Steuerkammer 27b und eine zweite Kompensationskammer 28b unter Abdichtung unterteilt. Die Kompensationskammern 28a, 28b befinden sich auf der dem Aufnahmeraum 4 zugewandten Seite des Betätigungsgliedes 26a, 26b. Letzteres ist beim Ausführungsbeispiel ein in der gleichen Richtung wie das Hauptventilglied 5 verschiebbarer Kolben, doch könnte es sich beispielsweise auch um ein Membranelement handeln.
Die Betätigungsglieder 26a, 26b stehen derart in Wirkverbindung mit dem Hauptventilglied 5, dass sie diesem zumindest eine Druckkraft auferlegen können. Diese Antriebskopplung erfolgt beim Ausführungsbeispiel durch einen am jeweiligen Betätigungsglied 26a, 26b angeformten Betätigungsstößel 32a, 32b, der die benachbarte Trennwand 25a, 25b unter Abdichtung durchsetzt und mit seiner freien Stirnfläche an der zugewandten Stirnseite des Hauptventilgliedes 5 anliegen kann.
Abweichend hiervon wäre es allerdings auch möglich, die Betätigungsglieder 26a, 26b fest mit dem Hauptventilglied 5 zu verbinden, so dass sie sowohl Zugkräfte als auch Druckkräfte übertragen können.
Die Mittelstellung des Hauptventilgliedes 5 wird durch Federzentrierung gehalten, wenn keine resultierenden Fluidkräfte in der Richtung der Umschaltbewegung 22 wirksam sind. Die Federzentrierung wird durch Federmittel 33 bewirkt, die zwischen dem Hauptventilgehäuse 3 und dem Hauptventilglied 5 wirksam sind. Die Einwirkung auf das Hauptventilglied 5 geschieht beim Ausführungsbeispiel allerdings indirekt unter Zwischenschaltung der Betätigungsglieder 26a, 26b.
Beim Ausführungsbeispiel enthalten die Federmittel zwei eigenständige Druckfederanordnungen 34a, 34b, die in den beiden Steuerkammern 27a, 27b angeordnet sind und sich so zwischen dem Hauptventilgehäuses 3 und den Betätigungsgliedern 26a, 26b abstützen, dass das Hauptventilglied 5 gegensinnig mit gleicher Kraft beaufschlagt und in der Mittelstellung zentriert wird.
Eine insgesamt mit Bezugsziffer 35 bezeichnete Steuerventileinrichtung ist vorgesehen, um die erste und zweite Steuerkammer 27a, 27b abwechselnd mit einem Steuerdruck zu beaufschlagen oder druckmäßig zu entlasten. Dabei sind wenigstens zwei Schaltzustände möglich, in denen erreicht wird, dass das Hauptventilglied 5 mit einer fluidischen Steuerdruckkraft in Richtung der einen oder anderen Arbeitsstellung 6a, 6b beaufschlagt wird.
Die Steuerventileinrichtung 35 enthält beim Ausführungsbeispiel zwei für die Erzeugung entgegengesetzt gerichteter Steuerdruckkräfte verantwortliche erste und zweite Steuerventile 36a, 36b. Beim Ausführungsbeispiel sind dies zwei 3/2-Wegeventile, die jeweils einen mit der Druckquelle 8 verbundenen Eingang und eine zur Umgebung oder zu einem Tank führende Entlastungsöffnung aufweisen. Darüber hinaus enthält jedes Steuerventil 36a, 36b einen Ausgang, wobei der Ausgang des ersten Steuerventils 36a über eine erste Steuerleitung 37a mit der ersten Steuerkammer 27a und der Ausgang des zweiten Steuerventils 36b über eine zweite Steuerleitung 37b mit der zweiten Steuerkammer 27b verbunden ist.
Die beiden Steuerventile 36a, 36b sind nun funktionsmäßig derart gekoppelt, dass sie jeweils gleichzeitig einander entgegengesetzte Betätigungszustände einnehmen. Befindet sich das jeweils eine Steuerventil in der Durchlassstellung, in der es die Druckquelle 8 mit der zugeordneten Steuerkammer 27a bzw. 27b verbindet, befindet sich gleichzeitig das jeweils andere Steuerventil in der Entlastungsstellung, in der die Druckquelle 8 abgetrennt und die zugeordnete Steuerkammer 27a bzw. 27b drucklos ist.
Dieses invertierte Schaltverhalten wird beim Ausführungsbeispiel dadurch realisiert, dass nur das erste Steuerventil 36a explizit betätigt wird, wobei der Schaltzustand des zweiten Steuerventils 36b von demjenigen des ersten Steuerventils 36a abgeleitet wird.
In diesem Zusammenhang ist das erste Steuerventil 36a zweckmäßigerweise in elektrisch betätigbarer Form ausgebildet. Es enthält einen elektrischen Ventilantrieb 38, beispielsweise einen Magnetantrieb oder einen Piezoantrieb, der an eine Steuereinrichtung 42 anschließbar ist, von der er die erforderlichen Betätigungssignale erhält. Das erste Steuerventil 36a ist beim Ausführungsbeispiel durch eine Federeinrichtung in die Durchlassstellung vorgespannt und wird durch Aktivierung des Ventilantriebes 38 in die Entlastungsstellung umgeschaltet.
Das zweite Steuerventil 36b ist durch eine Federeinrichtung ebenfalls in die Durchlassstellung vorgespannt. Zusätzlich steht das zweite Steuerventil 36b über eine Beaufschlagungsleitung 43 in Fluidverbindung mit der ersten Steuerleitung 37a. Somit erhält das zweite Steuerventil 36b über die Beaufschlagungsleitung 43 ein fluidisches Umschaltsignal und wird in die Entlastungsstellung umgeschaltet, wenn das erste Steuerventil 36a in die Durchlassstellung geschaltet wird und dadurch in der mit der Beaufschlagungsleitung 43 verbundenen ersten Steuerleitung 37a ein Steuerdruck ansteht.
Der besondere Vorteil dieser Bauform besteht darin, dass lediglich eines der Steuerventile einen elektrischen Ventilantrieb benötigt und folglich das gesamte Mehrwegeventil allein durch entsprechende elektrische Ansteuerung dieses Ventilantriebes 38 betrieben werden kann.
Die Steuerventile 36a, 36b sind als weitere Komponenten des Mehrwegeventils 1 an das Hauptventil 2 angebaut oder in dieses integriert.
Als weitere Komponente des Mehrwegeventils 1, die ebenfalls fest mit dem Hauptventil 2 verbunden oder in dieses integriert ist, ist eine von der zwischen den beiden Verbraucheranschlüssen A, B herrschenden Druckdifferenz gesteuerte Vorsteuerstufe 44 vorgesehen. Sie enthält eine Druckwaage 45, die zwei Druckvergleichskammern 46a, 46b enthält, welche durch eine bewegliche Trennwand 47 voneinander abgeteilt sind. Die erste Druckvergleichskammer 46a ist über eine erste Vergleichsleitung 48a mit dem ersten Verbraucheranschluss A verbunden, während die zweite Druckvergleichskammer 46b über eine zweite Vergleichsleitung 48b mit dem zweiten Verbraucheranschluss B kommuniziert.
Durch Federmittel 52 wird die Trennwand 47 bei Druckgleichheit in den beiden Druckvergleichskammern 46a, 46b in einer Mittelstellung gehalten, aus der die aus der Zeichnung ersichtliche Neutralstellung der Vorsteuerstufe resultiert.
Die Vorsteuerstufe 44 enthält zusätzlich zur Druckwaage 45 zwei jeweils eine 3/2-Ventilfunktionalität aufweisende Vorsteuerventile 53a, 53b. Beide Vorsteuerventile 53a, 53b haben einen Eingangsanschluss 54a, 54b, der über entsprechende Fluidleitungen mit der Druckquelle 8 verbunden ist. Diese Verbindung kann beispielsweise durch eine interne Kanalverbindung zum Speiseanschluss P hergestellt werden.
Jedes Vorsteuerventil 53a, 53b hat darüber hinaus einen mit der Atmosphäre oder einem Tank verbundenen Entlastungsanschluss 55a, 55b.
Schließlich enthält jedes Vorsteuerventil 53a, 53b einen Ausgangsanschluss 56a bzw. 56b, wobei der Ausgangsanschluss 56a des ersten Vorsteuerventils 53a mit der ersten Kompensationskammer 28a und der Ausgangsanschluss 56b des zweiten Vorsteuerventils 53b mit der zweiten Kompensationskammer 28b verbunden ist.
Der am Eingangsanschluss 54a, 54b anstehende Fluiddruck sei als Kompensationsdruck bezeichnet. Er entspricht dem von den Steuerventilen 36a, 36b den Steuerkammern 27a, 27b zuführbaren Steuerdruck. Zweckmäßigerweise sind sämtliche Drücke von der Druckquelle 8 abgeleitet, die über einen einzigen Speiseanschluss des Mehrwegeventils 1 angeschlossen werden kann.
Jedes Vorsteuerventil 53a, 53b hat ein Vorsteuer-Ventilglied 57a, 57b, das in der Neutralstellung der Vorsteuerstufe 44 eine aus der Zeichnung ersichtliche Entlastungsstellung einnimmt, in der der zugeordnete Ausgangsanschluss 62a, 62b mit dem zugehörigen Entlastungsanschluss 55a, 55b verbunden ist. Die Kompensationskammern 28a, 28b sind dadurch jeweils drucklos. Die Entlastungsstellung wird zweckmäßigerweise durch Federmittel fixiert.
Tritt in den Druckvergleichskammern 46a, 46b eine Druckdifferenz auf, bewegt sich die Trennwand 47 – beispielsweise ein Kolben oder ein Membranglied – in Richtung der Druckvergleichskammer 46a, 46b geringeren Druckes und schaltet dabei mittels eines bewegungsgekoppelten Betätigungsgliedes 58 – beispielsweise eine Schubstange – eines der Vorsteuer-Ventilglieder 57a, 57b in eine Kompensationsstellung, in der es den Fluiddurchgang zwischen dem zugeordneten Eingangsanschluss 54a, 54b und dem zugehörigen Ausgangsanschluss 56a, 56b freigibt. Dadurch kann Fluid über die zugehörige Kompensationsleitung 62a, 62b zur angeschlossenen Kompensationskammer 28a, 28b strömen und diese mit dem Kompensationsdruck beaufschlagen.
Die Funktionsweise des Mehrwegeventils sei nachfolgend anhand eines Arbeitszyklus näher erläutert. Dabei sei unterstellt, dass sich der Kolben 14 in der abgesenkten Stellung befindet, beide Steuerventile 36a, 36b die Durchlassstellung einnehmen und die Druckquelle 8 durch ein nicht näher dargestelltes Absperrventil zunächst noch abgesperrt sind. Das Hauptventil 2 befindet sich in der gezeigten Mittelstellung, die Vorsteuerstufe 44 nimmt die Neutralstellung ein.
Wird ausgehend von diesem Zustand die Druckquelle 8 freigeschaltet, baut sich in der ersten Steuerkammer 27a ein Steuerdruck auf. Gleichzeitig wird, über die Beaufschlagungsleitung 43, das zweite Steuerventil 36b in die Entlastungsstellung gebracht, so dass die zweite Steuerkammer 27b drucklos bleibt.
Da auch die erste Kompensationskammer 28a noch drucklos ist, wird das Hauptventilglied 5 durch das erste Betätigungsglied 26a und den auf dieses einwirkenden Steuerdruck – in der Zeichnung nach rechts – in die erste Arbeitsstellung 6a verlagert.
Nunmehr strömt Druckmedium aus dem ersten Verbraucheranschluss A in die erste Arbeitskammer 15 ein, wobei der Kolben 14 angehoben wird, weil das von ihm aus der zweiten Arbeitskammer 16 verdrängte Druckmedium über den zweiten Verbraucheranschluss B und den damit verbundenen Entlastungsanschluss S abströmen kann.
Während dieser Betriebsphase baut sich in den beiden Druckvergleichskammern 46a, 46b ein Differenzdruck auf, der von den unterschiedlichen Drücken der beiden Verbraucheranschlüsse A, B bestimmt wird. Der Druck in der ersten Druckvergleichskammer 46a ist größer als derjenige in der zweiten Druckvergleichskammer 46b, so dass sich das Betätigungsglied 58 – in der Zeichnung nach links – bewegt und das Vorsteuer-Ventilglied 57b des zweiten Vorsteuerventils 53b in die Beaufschlagungsstellung umschaltet.
Dies bedeutet, dass die Vorsteuerstufe 44 nun eine Kompensationsstellung einnimmt, wobei der am Eingangsanschluss 54b des zweiten Vorsteuerventils 53b anstehende Kompensationsdruck auch in der angeschlossenen zweiten Kompensationskammer 28b aufgebaut wird, der auf das zweite Betätigungsglied 26b eine Kompensationsdruckkraft ausübt. Die Kraftwirkung ist dabei gleichgerichtet wie die momentan auf das erste Betätigungsglied 26a einwirkende Steuerdruckkraft.
Umschalttechnisch hat der Aufbau der Kompensationsdruckkraft zunächst noch keinen besonderen Effekt, weil sich das Hauptventilglied 5 bereits in der ersten Arbeitsstellung 6a befindet.
Wenn der Kolben 14 seine hochgefahrene Endstellung erreicht hat, wird ein Positionssensor 63 aktiviert, der an die Steuereinrichtung 42 angeschlossen ist, die auf Basis des Sensorsignals das erste Steuerventil 36a in die Entlastungsstellung umschaltet. Dieser Umschaltvorgang kann auch auf andere Weise als durch einen Positionssensor 63 veranlasst werden, beispielsweise zeit- oder druckgesteuert oder durch manuelle Auslösung.
Mit dem Umschalten des ersten Steuerventils 36a wird ein Umschalten des Hauptventilgliedes 5 in die zweite Arbeitsstellung 6b bezweckt. Allerdings schaltet das Hauptventilglied 5 nicht kontinuierlich in die zweite Arbeitsstellung 6b um, sondern legt bei Erreichen der Mittelstellung eine einen besonderen Vorteil bezweckende Bewegungspause ein.
Zunächst wird durch das in die Entlastungsstellung umgeschaltete erste Steuerventil 36a der in der ersten Steuerkammer 27a herrschende Steuerdruck abgebaut. Gleichzeitig baut sich in der zweiten Steuerkammer 27b der Steuerdruck auf, da das zweite Steuerventil 36b infolge des Druckabfalls in der Beaufschlagungsleitung 43 in die Durchlassstellung geschaltet wurde.
Auf Grund der Tatsache, dass in der zweiten Kompensationskammer 28b noch immer der dem Steuerdruck entsprechende Kompensationsdruck ansteht, stellt sich zwischen den auf das zweite Betätigungsglied 26b einwirkenden Steuerdruckkräften und Kompensationsdruckkräften ein Gleichgewicht ein. Auch das erste Betätigungsglied 26a ist im Kräftegleichgewicht, weil die erste Steuerkammer 27a und die erste Kompensationskammer 28a drucklos sind.
Da somit die in der Richtung der Umschaltbewegung 22 am Hauptventilglied 5 angreifenden Druckkräfte kompensiert sind, wird das Hauptventilglied 5 durch die zentrierend wirkenden Federmittel 33 in die aus der Zeichnung ersichtliche Mittelstellung umgeschaltet.
Da in dieser Mittelstellung die beiden Verbraucheranschlüsse A, B kurzgeschlossen sind, findet zwischen den beiden Arbeitskammer 15, 16 des Antriebes 12 ein Druckausgleich statt. Bei einer vertikalen Anordnung des Antriebes mit zunächst angehobener Last, wie dies beim Ausführungsbeispiel der Fall ist, kann der Druckausgleich einhergehen mit einem durch die Gewichtskraft hervorgerufenen Absenken des Kolbens 14 in die Ausgangsstellung, wobei das Druckmedium von der ersten Arbeitskammer 15 in die zweite Arbeitskammer 16 überströmt.
Der Druckausgleich bewirkt eine erhöhte Fluidbeaufschlagung der für die Rückstellung des Kolbens 14 verantwortlichen zweiten Arbeitskammer 16, so dass anschließend, zur Vervollständigung dieser Bewegung, aus der Druckquelle 8 eine nur mehr geringere Fluidmenge entnommen werden muss. Damit verbunden ist eine erhebliche Energieeinsparung.
Nachdem der Druckausgleich stattgefunden hat, liegt auch an der Druckwaage 45 wieder ein Druckkräftegleichgewicht an. Die Vorsteuerstufe 44 schaltet in die Neutralstellung um, in der die beiden Vorsteuer-Ventilglieder 57a, 57b die abgebildete Entlastungsstellung einnehmen. Daraus resultiert ein Druckabbau in der zweiten Kompensationskammer 28b mit der Folge, dass die Kompensationsdruckkraft entfällt und das Hauptventilglied 5 durch die nun allein wirksame Steuerdruckkraft der ersten Steuerkammer 27a in die gewünschte zweite Arbeitsstellung 6b weiterschaltet. Nun steht am zweiten Verbraucheranschluss B der Betriebsdruck an, während der erste Verbraucheranschluss A entlastet ist und somit der Kolben 14, soweit noch nicht geschehen, in die Ausgangsstellung zurückbewegt wird.
Vor allem wenn eine Betriebsweise vorgesehen ist, bei der der Antrieb 12 selbsttätig in die Ausgangsstellung zurückkehrt, empfiehlt es sich, die den Druckvergleichskammern 46a, 46b zugeführten Vergleichsdrücke nicht direkt an den beiden Verbraucheranschlüssen A, B abzugreifen, sondern vor einem zwischengeschalteten Drosselrückschlagventil 65, das in der Zeichnung schematisch angedeutet ist.
Nachdem der Kolben 14 in die Ausgangsstellung zurückgekehrt ist – dies kann mit einem weiteren Positionssensor 64 detektiert werden -, wird die Steuerventileinrichtung 35 erneut umgeschaltet, so dass sich nun der eben geschilderte Arbeits zyklus mit umgekehrten Vorzeichen wiederholt. Somit kann bei beiden Umschaltrichtungen die gewünschte Energieeinsparung erzielt werden.
Bei Bedarf ist es allerdings möglich, auf eines der Vorsteuerventile zu verzichten oder sonstige Maßnahmen zu treffen, die die Druckausgleichsfunktion mit vorübergehendem Halt der Umschaltbewegung nur bei einer Umschaltrichtung bewirken.
Zu dem Hauptventil 2 kann noch erwähnt werden, dass es sich zweckmäßigerweise um ein 5/3-Wegeventil handelt.

Claims

Mehrwegeventil mit Fluidsparmaßnahmen, – mit einem einen ersten und einen zweiten Verbraucheranschluss (A, B) aufweisenden Hauptventil (2), das ein wahlweise in einer ersten Arbeitsstellung (6a), einer zweiten Arbeitsstellung (6b) oder einer dazwischenliegenden, durch Federmittel (33) federzentrierten Mittelstellung positionierbares Hauptventilglied (5) enthält, welches in der Mittelstellung die beiden Verbraucheranschlüsse (A, B) miteinander verbindet und in den beiden Arbeitsstellungen (6a, 6b) den jeweils einen Verbraucheranschluss (A, B) mit einem Speiseanschluss (P) und gleichzeitig den jeweils anderen Verbraucheranschluss (B, A) mit einem Entlastungsanschluss (R, S) verbindet, – mit einer Steuerventileinrichtung (35), die wenigstens zwei Schaltzustände einnehmen kann, in denen sie verursacht, dass das Hauptventilglied (5) durch Beaufschlagung mit einer fluidischen Steuerdruckkraft in Richtung der einen oder anderen Arbeitsstellung (6a, 6b) beaufschlagt wird, – und mit einer von der zwischen den beiden Verbraucheranschlüssen (A, B) herrschenden Druckdifferenz gesteuerten Vorsteuerstufe (44), die während wenigstens einer der beiden Arbeitsstellungen (6a, 6b) eine Kompensationsstellung einnimmt, in der sie eine gleichgerichtet wie die momentane Steuerdruckkraft auf das Hauptventilglied (5) wirkende fluidische Kompensationsdruckkraft hervorruft, welche nach dem anschließend zum Zwecke des Umschaltens des Hauptventilgliedes (5) in die andere Arbeitsstellung erfolgenden Umschalten der Steuerventileinrichtung (35) in den anderen Schaltzustand die dann entgegengesetzt wirkende Steuerdruckkraft kompensiert, so dass das Hauptventilglied (5) durch die Federkräfte der Federmittel (33) in die Mittelstellung umschaltet, wobei der sich dann zwischen den beiden Verbraucheranschlüssen (A, B) einstellende Druckausgleich ein Umschalten der Vorsteuerstufe (44) in eine Neutralstellung hervorruft, in der die Kompensationsdruckkraft abgebaut werden kann, so dass das Hauptventilglied (5) durch die weiterhin wirksame Steuerdruckkraft in die andere Arbeitsstellung weiterschaltet.
Mehrwegeventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die differenzdruckgesteuerte Vorsteuerstufe (44) eine Druckwaage (45) und wenigstens ein durch die Druckwaage (45) betätigbares Vorsteuerventil (53a, 53b) mit einer 3/2-Ventilfunktionalität aufweist, wobei die Druckwaage (45) zwei jeweils mit einem der beiden Verbraucheranschlüsse (A, B) verbundene Druckvergleichskammern (46a, 46b) enthält und wobei das jeweilige Vorsteuerventil (53a, 53b) einen mit einer den Kompensationsdruck liefernden Druckquelle (8) verbindbaren Eingangsanschluss (54a, 54b), einen zum Weiterleiten des Kompensationsdruckes an das Hauptventilglied (5) vorgesehenen Ausgangsanschluss (56a, 56b) und einen zum Abbauen des am Ausgangsanschluss (56a, 56b) anstehenden Kompensationsdruckes dienenden Entlastungsanschluss (55a, 55b) aufweist, derart, dass jedes Vorsteuerventil (53a, 53b) in der bei Druckgleichheit der beiden Verbraucheranschlüsse (A, B) vorliegenden Neutralstellung eine den Ausgangsanschluss (56a, 56b) mit dem Entlastungsanschluss (55a, 55b) verbindende Entlastungsstellung einnimmt und bei jeder durch eine Druckdifferenz der beiden Verbraucheranschlüsse (A, B) hervorgerufenen Kompensationsstellung ein Vorsteuerventil (53a, 53b) eine den zugehörigen Eingangsanschluss (54a, 54b) mit dem Ausgangsanschluss (56a, 56b) verbindende Beaufschlagungsstellung einnimmt.
Mehrwegeventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine jeweilige Kompensationsdruckkraft in einer Kompensationskammer (28a, 28b) des Hauptventils (2) aufgebaut wird, die von einem für die Umschaltbewegung (22) des Hauptventilgliedes (5) verantwortlichen Betätigungsglied (32a, 32b) begrenzt wird, das auf der entgegengesetzten Seite eine zur Beaufschlagung mit dem für die Steuerdruckkraft verantwortlichen Steuerdruck vorgesehene Steuerkammer (27a, 27b) begrenzt.
Mehrwegeventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Betätigungsglied (32a, 32b) separat vom Hauptventilglied (5) ausgebildet ist.
Mehrwegeventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Federmittel (33) zwei entgegengesetzt wirkende Druckfederanordnungen (34a, 34b) enthalten.
Mehrwegeventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerventileinrichtung (35) zwei für die Erzeugung entgegengesetzt gerichteter Steuerdruckkräfte verantwortliche Steuerventile (36a, 36b) enthält.
Mehrwegeventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerventile (36a, 36b) funktionsmäßig derart gekoppelt sind, dass das jeweils eine Steuerventil (36a, 36b) den Abbau des in einer Umschaltrichtung wirkenden Steuerdruckes hervorruft, wenn das andere Steuerventil (36b, 36a) den Aufbau des in entgegengesetzter Umschaltrichtung wirkenden Steuerdruckes bewirkt.
Mehrwegeventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes der Steuerventile (36a) elektrisch betätigbar ausgebildet ist, während das zweite Steuerventil (36b) in Abhängigkeit vom Schaltzustand des ersten Steuerventils (36a) rein fluidisch betätigt wird.
Mehrwegeventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine Ausgestaltung, bei der das durch die Vorsteuerstufe (44) hervorgerufene Umschaltverhalten des Hauptventilgliedes (5) bei beiden Umschaltrichtungen vorhanden ist.
Mehrwegeventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Hauptventil (2) als 5/3-Wegeventil ausgebildet ist.
Mehrwegeventil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Hauptventil (2) als Schieberventil ausgebildet ist.
Mehrwegeventil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsteuerstufe (44) zusammen mit dem Hauptventil (2) und der Steuerventileinrichtung (35) als Baueinheit ausgebildet ist.