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Die
Erfindung betrifft eine Ventileinrichtung für einen Druckraum mit einem
Stößel und
einem Ventilteller, wobei der Ventilteller an dem Stößel angebracht
ist.
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Aus
der
EP 0 835 820 A1 ist
eine Pumpeinrichtung bekannt, die eine erste Zylinder- Kolbeneinheit
und eine koaxial dazu angeordnete zweite Zylinder- Kolbeneinheit
aufweist. Der ersten Zylinder- Kolbeneinheit ist ein Stößel zugeordnet,
in dem ein erster Ventilkörper
aufgenommen ist. Dem ersten Ventilkörper ist ein zweiter Ventilkörper relativbeweglich zugeordnet,
der in Wirkverbindung mit dem ersten Ventilkörper gebracht werden kann und
für einen
Verschluss eines mit einem Flüssigkeitsbehälter verbundenen
Einlasskanals vorgesehen ist. An dem ersten Ventilkörper ist
ein Ventilteller einstückig
angeformt. Dieser Ventilteller kann einen Ventilsitz des zweiten Ventilkörpers verschließen.
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Weitere
Ventileinrichtungen sind aus dem Stand der Technik in vielfältigen Ausführungsformen bekannt.
Sie werden insbesondere zur Beeinflussung von Volumenströmen gasförmiger oder
flüssiger
Medien eingesetzt. Dazu wird eine Ventileinrichtung an einer Öffnung eines
Druck raumes derartig angebracht, dass diese Öffnung zumindest teilweise durch
den Ventilteller der Ventileinrichtung verschlossen werden kann.
Solange der Ventilteller die Öffnung
des Druckraumes nicht vollständig
verschließt, kann
es zu einem Volumenstrom des insbesondere flüssigen oder gasförmigen Mediums
kommen. In dem Druckraum herrscht dabei ein Unter- oder Überdruck
gegenüber
einer Druckraumumgebung. Anwendungsgebiete für derartige Ventileinrichtungen finden
sich insbesondere im Bereich von Pumpen, Kompressoren und Motoren
sowie im Feld der Steuerungs- und Regelungstechnik von Medien.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Ventileinrichtung der
eingangs genannten Art zu schaffen, die einen verbesserten Medienstrom
ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird dadurch gelöst,
dass der Ventilteller relativbeweglich an dem Stößel angebracht ist. Bei einer
starren, insbesondere einstückigen
Gestaltung von Ventilteller und Stößel, wie sie aus dem Stand
der Technik bekannt ist, ergibt sich eine spezifische Strömungscharakteristik
für das
Medium beim Durchströmen
der Öffnung
des Druckraums. Diese Strömungscharakteristik
ist dadurch geprägt,
dass das Medium an der Ventileinrichtung vorbeiströmen muss
und insbesondere durch den Ventilteller ab- bzw. umgelenkt wird.
Durch die starre Verbindung von Stößel und Ventilteller ist jeder
Stößelstellung
genau eine Ventiltellerstellung in Bezug auf die Öffnung des
Druckraums zugeordnet. Dadurch wird auch eine vorherbestimmbare
Strömungscharakteristik
für das
Medium festgelegt. Bei der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung, bei
der eine Relativbewegung zwischen Ventilteller und Stößel vorgesehen
ist, bleibt die Zuordnung der Ventiltellerstellung zur Stößelstellung
variabel. Dadurch kann sich der Ventilteller in jeder Stößelstellung
in eine strömungsgünstige Position
bewegen, in der ein minimaler Strömungswiderstand für das Medium
gewährleistet
ist. Eine präzise
Positionierung des Stößels zur
Gewährleistung
einer optimalen Strömungscharakteristik
im Ventilbereich ist daher für
die erfindungsgemäße Ventileinrichtung
nicht notwendig. Darüber
hinaus kann ein Stellweg für
den Stößel reduziert
werden, da dem Stößel lediglich
die Aufgabe zukommt, den Ventilteller zu führen und aus einer Abdichtlage
in eine Öffnungslage
zu bringen. In der Abdichtlage tritt der Ventilteller form- und/oder kraftschlüssig mit
einem an der Öffnung
des Druckraumes vorgesehenen Ventilsitz in Wechselwirkung und kann
die Öffnung
abdichten. Durch eine geeignete Anpassung des Ventiltellers an den
Ventilsitz kann eine Selbstverstärkung
einer Dichtwirkung zwischen Ventilteller und Ventilsitz erzielt
werden. Sobald eine Öffnung
des Druckraums durch die Ventileinrichtung stattfindet und ein Mediumstrom
am Ventilteller vorbei erfolgt, verschiebt sich der Ventilteller
in die bereits erwähnte
strömungsgünstige Position.
Gegenüber
einer starren Anordnung des Ventiltellers an dem Stößel, wie
sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, findet durch die Beweglichkeit
des Ventiltellers relativ zum Stößel eine überproportionale
Freigabe eines Strömungsquerschnitts
statt. Dabei kommen insbesondere fluiddynamische Effekte wie Auftrieb
und Wirbelbildung zum Tragen, die die Position des Ventiltellers
relativ zum Stellweg des Stößels beeinflussen
können.
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In
Ausgestaltung der Erfindung ist an dem Stößel zumindest ein Blockierelement
als Wegbegrenzung für
den Ventilteller vorgesehen. Durch ein Blockierelement kann eine
Anfangs- und/oder Endposition des Ventiltellers relativ zum Stößel festgelegt werden.
Ein Blockierelement kann dabei insbesondere als form- und/oder kraftschlüssig wirkende,
einstückig
bzw. mehrteilig ausgeführte
Geometrie am Stößel vorgesehen
sein. Ein Blockierelement kann insbesondere als Zapfen, Stift, Scheibe,
Konus, zumindest teilweise umlaufender Bundvorsprung bzw. Hinterschnitt
ausgeführt
sein. Zwischen der durch Blockierelemente definierbaren Anfangs-
und/oder Endposition kann der Ventilteller relativ zum Stößel frei oder
gedämpft
beweglich vorgesehen sein, wozu inbesondere Dämpfungsmittel vorgesehen sein
können.
Darüber
hinaus kann eine Vor spannkraft vom Stößel auf den Ventilteller vorgesehen
sein, die eine Bewegung des Ventiltellers erst bei Überwindung
der Vorspannkraft ermöglicht.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist in dem Stößel ein
Mediumkanal vorgesehen. Damit kann ein ausschließlich durch die insbesondere
geometrischen Eigenschaften der Ventileinrichtung bestimmter Volumenstrom
des Mediums sichergestellt werden. Das Medium, das durch die Ventileinrichtung beeinflusst
werden soll, strömt
bei geeigneter Anbringung der Ventileinrichtung in der Öffnung des
Druckraums ausschließlich
durch den Mediumkanal des Stößels. Der
Mediumkanal kann sich insbesondere nahezu vollständig längs des Stößels erstrecken und zumindest
abschnittsweise zentrisch im Stößel vorgesehen
sein. Aus fertigungstechnischen Gründen können orthogonal zu einer Stößellängsachse
verlaufende Querbohrungen im Stößel vorgesehen
sein, die den Zu- oder Abstrom des Mediums in den Mediumkanal erlauben.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Mediumkanal von dem
Ventilteller verschließbar im
Stößel angeordnet.
Dadurch wird eine Ventilfunktion der Ventileinrichtung nicht durch
die Wechselwirkung des Ventiltellers mit dem Ventilsitz im Druckraum
hervorgerufen, sondern unmittelbar durch die Relativbewegung des
Ventiltellers zum Stößel. Dabei ist
der Ventilteller derartig am Stößel angebracht, dass
Ein- oder Auslassöffnungen
des im Stößel vorgesehenen
Mediumkanals durch den Ventilteller verschließbar sind. Weiterhin ist auch
eine Kombination einer Ventilwirkung zwischen Ventilteller und Ventilsitz
sowie zwischen Ventilteller und Mediumkanal denkbar, wodurch eine
spezifische Ventilöffnungs- und
-schließcharakteristik
definiert werden kann.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist an dem Stößel eine
Kolbenmanschette vorgesehen, die durch wenigstens ein elastisches
Rückstellmittel belastet
und relativbeweglich zu dem Stößel angebracht
ist.
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Die
Kolbenmanschette steht durch das elastische Rückstellmittel relativ zu dem
Stößel unabhängig von
der jeweiligen Öffnungs-
oder Schließposition des
Ventils unter Vorspannung. Als elastisches Rückstellmittel ist insbesondere
ein elastisch nachgiebiger, einstückig angeformter Fortsatz an
der Kolbenmanschette oder auch ein separates Federbauteil vorgesehen.
Eine Kolbenmanschette erlaubt den Einsatz der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung
in einer Pumpvorrichtung. Die Kolbenmanschette tritt dabei in Wechselwirkung
mit einer Wandung des Druckraums und ruft in einem Umfangsbereich
der Kolbenmanschette eine Dichtwirkung hervor. Damit schließt die Kolbenmanschette
einen Druckraumabschnitt dicht gegenüber einer Druckraumumgebung
ab. Daher kann durch Bewegen der Kolbenmanschette in oder gegen
die Richtung einer Längsachse
des Druckraums ein im Druckraum befindliches Medium komprimiert
oder evakuiert werden. Durch eine zumindest abschnittsweise Deformierbarkeit
der Kolbenmanschette kann eine Federwirkung erzielt werden, die
insbesondere eine abschnittsweise Relativbewegung der Kolbenmanschette
gegenüber
dem Stößel erlaubt.
Die Deformierbarkeit der Kolbenmanschette kann insbesondere in einem
koaxial zu einer Symmetrieachse der Kolbenmanschette ausgerichteten
Zylindermantelbereich verwirklicht werden. Der Zylindermantelbereich
kann beim Auftreten axialer Kräfte
gestaucht werden, wobei entweder eine Durchmesservergrößerung oder
eine Durchmesserverkleinerung des Zylindermantelbereichs vorgesehen
ist. An einer der Kolbenmanschette abgewandten Stirnseite kann der
Zylindermantelbereich an einer umlaufenden Ringschulter des Stößels abgestützt werden.
Durch die Beweglichkeit der Kolbenmanschette relativ zum Stößel kann
insbesondere ein Bereich zwischen Kolbenmanschette und Ventilteller
gegenüber
dem Druckraum geöffnet
oder verschlossen werden. In dem Bereich zwischen Ventilteller und
Kolbenmanschette können
insbesondere die Ein- oder Auslassöffnungen des Mediumkanals vorgesehen
sein, so dass eine Ventilfunktion durch die Relativbewegung von
Kolbenmanschette und Ventilteller zueinander möglich ist.
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Die
der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auch dadurch gelöst oder
weiter ausgestaltet, dass als elastisches Rückstellmittel eine Ventilfeder als
separates Bauteil für
die Aufbringung einer Ventilschließkraft von der Kolbenmanschette
auf den Ventilteller vorgesehen ist. Zur Festlegung einer eindeutigen
Position der Kolbenmanschette ist eine separate Ventilfeder vorgesehen,
die eine Ventilschließkraft von
der Kolbenmanschette auf den Ventilteller sicherstellt. Durch die
Auslegung der Ventilfeder als separates Bauteil kann in einfacher
Weise und in einem breiten Spektrum Einfluss auf eine Ventilöffnungscharakteristik
der Ventileinrichtung genommen werden. Die Ventilfeder kann dazu
insbesondere aus einem metallischen Werkstoff hergestellt sein.
Metallische Werkstoffe, insbesondere Legierungen mit Bestandteilen
wie insbesondere Nickel, Eisen, Chrom und/oder Titan ermöglichen
eine besonders kompakte Bauweise einer Ventilfeder. Der metallische
Werkstoff erlaubt eine Speicherung von Federenergie in einem geringen
Rauminhalt, so dass die Ventileinrichtung durch die Ventilfeder
nicht maßgeblich
in ihrer Größe beeinflusst
wird. Darüber
hinaus kann durch die Auswahl eines der vorangenannten Werkstoffe
oder einer entsprechenden Legierung die Federcharakteristik in einem
weiten Spektrum zuverlässig
vorherbestimmt werden. Der Einsatz derartiger metallischer Federn
erlaubt eine Massenproduktion der Ventileinrichtung auf einem sehr
hohen Qualitätsniveau.
Die Gestaltung der Ventilfeder als Schraubenfeder mit einer im wesentlichen
zylindrischen Kontur wird durch konzentrisch angeordnete und aufeinanderfolgende
Windungen eines Federdrahtes erzeugt. Schraubenfedern zeichnen sich
durch eine kompakte Bauweise aus und erlauben bei geeigneter Auswahl
eine im wesentlichen lineare Federauslegung. Daneben kann eine Schraubenfeder
auch als progressiv oder degressiv wirkende Ventilfeder ausgeführt werden,
so dass eine Anpassung an die Erfordernisse der Ventileinrichtung
mit einfachen Mitteln möglich
ist. Die Ventilfeder kann dafür
als Druck- oder Zugfeder ausgeführt
werden, dies erfolgt im wesentlichen in Abhängigkeit von der An ordnung
der Ventilfeder relativ zur Kolbenmanschette. Eine Schraubenfeder
kann insbesondere mehrere Abschnitte mit unterschiedlichem Durchmesser,
unterschiedlicher Steigung und/oder unterschiedlicher Drahtstärke des
Federdrahtes aufweisen.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Ventilfeder an einer
Ringschulter der Kolbenmanschette und/oder des Stößels abgestützt. Damit
lässt sich
bei geringem technischen Aufwand eine wirkungsvolle Krafteinleitung
von der Ventilfeder auf die Kolbenmanschette und/oder den Stößel erreichen. Eine
Ringschulter ist insbesondere als umlaufender Bund ausgestaltet.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Ventilfeder konzentrisch
zu einer Rückholfeder
einer Pumpvorrichtung angeordnet. Durch eine konzentrische Anordnung
der Ventilfeder relativ zum Stößel lässt sich
eine besonders kompakte Bauweise der Ventileinrichtung verwirklichen.
Dies gilt insbesondere, wenn die Ventilfeder konzentrisch zu einer Rückholfeder
einer Pumpvorrichtung angeordnet ist, wobei die Rückholfeder
den Stößel in eine
Ausgangslage nach Betätigung
der Pumpvorrichtung zurückbringt.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Ventilteller und/oder
die Kolbenmanschette aus einem Kunststoffmaterial, insbesondere
LDPE oder HDPE hergestellt: Durch die Herstellung des Ventiltellers
und/oder der Kolbenmanschette aus LDPE oder HDPE lässt sich
eine besonders kostengünstige und
mechanisch zuverlässige
Ventileinrichtung erzeugen. Als Herstellungsverfahren für den Ventilteller und/oder
die Kolbenmanschette kommt insbesondere Kunststoffspritzguss in
Frage.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist der Ventilteller eine
umlaufende Gelenkzone auf. Diese umlaufende Gelenkzone kann insbesondere
als Festkörpergelenk
ausgeführt
sein, so dass eine Beweglich keit eines äußeren Bereichs des Ventiltellers
relativ zu einem inneren Bereich lediglich durch eine elastische
Deformation erzielbar ist. Dadurch kann der Ventilteller einen zusätzlichen
Beitrag zur Ventilfunktion der Ventileinrichtung beitragen. Nach Überwindung
der Dichtwirkung zwischen Ventilteller und Mediumkanal kann der
Ventilteller durch die auftretenden Kräfte kollabieren und somit einen größeren Strömungsquerschnitt
freigeben. Dadurch wird ein besonders spontaner Mediumstrom ermöglicht.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist an dem Ventilteller ein
Führungsabschnitt
vorgesehen. Der Führungsabschnitt
des Ventiltellers dient zur Übertragung
von Kräften
vom Ventilteller auf den Stößel und
ungekehrt. Eine Kraftübertragung
findet insbesondere durch eine zumindest abschnittsweise, formschlüssige und/oder
kraftschlüssige
Anlage des Ventiltellers an den Stößel im Bereich des Führungsabschnittes
statt. Dabei können
axiale, normale und radiale Kräfte
oder Kombinationen davon übertragen werden.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Führungsabschnitt als Zylinderwandung
ausgeführt.
Damit kann der Führungsabschnitt
besonders einfach hergestellt werden, insbesondere bei Herstellung
des Ventiltellers im Kunststoffspritzgußverfahren. Dabei kann der
Führungsabschnitt
unmittelbar beim Herstellungsvorgang des Ventiltellers mitgeformt
werden. Alternativ kann er auch durch spanende Bearbeitung nachträglich vorgesehen
werden.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist an dem Stößel eine
zum Führungsabschnitt
korrespondierende Führungszone
vorgesehen, die eine Relativbewegung des Ventiltellers zum Stößel ermöglicht.
Eine korrespondierende Führungszone kann
insbesondere einen Querschnitt aufweisen, der zumindest im wesentlichen
einem Querschnitt des Ventil tellers im Führungsabschnitt entspricht.
Bevorzugte Querschnitte für
die Führungszone
sind insbesondere kreisförmig,
oval oder prismatisch.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Druckflächenverhältnisse
zwischen Ventilteller und Kolbenmanschette derart gestaltet, dass
in einer Ventilschließposition
eine Wirkfläche
des Ventiltellers größer als
eine Wirkfläche
der Kolbenmanschette ist. Eine Druckfläche entspricht einer hydraulisch
wirksamen Oberfläche
des Ventiltellers bzw. der Kolbenmanschette. Die Druckflächen wie
auch die Wirkflächen
können
durch eine Projektion einer Geometrie des Ventiltellers bzw. der
Kolbenmanschette auf eine Projektionsebene ermittelt werden. Die
Projektionsebene ist dabei orthogonal zur Symmetrieachse der Kolbenmanschette
ausgerichtet. Durch eine erfindungsgemäße Auslegung der Wirkflächen läßt sich in
einer Anfangsphase eines Mediumaustrags eine ungleiche Kraftverteilung
zwischen dem Ventilteller und der Kolbenmanschette erreichen. Das
im Druckraum befindliche Medium wird durch die Betätigung des
Stößels mit
Hilfe der Kolbenmanschette und des Ventiltellers komprimiert. Dabei
findet ein gleichmäßiger Druckaufbau
im Druckraum statt, der zu Druckkräften auf Stößel, Ventilteller und Kolbenmanschette führt. Bedingt
durch die größere Wirkfläche des
Ventiltellers in der Ventilschließposition wirkt auf den Ventilteller
eine größere Druckkraft
als auf die Kolbenmanschette. Dadurch wird der Ventilteller stark an
die Kolbenmanschette gepreßt
und erhöht
in der Anfangsphase des Mediumaustrags eine Dichtwirkung zwischen
Ventilteller und Kolbenmanschette.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung weisen der Ventilteller und
die Kolbenmanschette zueinander korrespondierende Stützflächen auf,
die mit radial zu einer Pumpachse wirkenden Stützkraftkomponenten versehen
sind. Die Kolbenmanschette ist, um eine einwandfreie Dichtwirkung
insbesondere gegenüber
einer Gehäusewandung
des Druckraumes wie auch gegenüber
dem Ventilteller sicherstellen zu können, aus einem elastischen
Material aufgebaut. Damit die Dichtwirkung gegenüber der Gehäusewandung auch bei ungünstigen
Verhältnissen,
insbesondere bei hohen Temperaturen gewährleistet werden kann, wird
die Kolbenmanschette zusätzlich
zu einer axial gerichteten Schließfunktion zumindest in der Ruheposition
und in der Anfangsphase des Mediumaustrags durch den Ventilteller
auch radial nach außen
abgestützt.
Der Ventilteller verhindert somit eine unkontrollierte Deformation
der Kolbenmanschette nach innen und stellt damit die Dichtwirkung
gegenüber
einer Gehäusewandung
der Pumpvorrichtung sicher. Je größer ein Stützdurchmesser des Ventiltellers
gegenüber
einem Maximaldurchmesser der Kolbenmanschette ist, desto stärker ist
die Dichtwirkung.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist der Ventilteller einen
höheren
Elastizitätsmodul als
die Kolbenmanschette auf. Damit wird der Ventilteller durch auftretende
Kräfte,
insbesondere Druckkräfte,
weniger deformiert als die Kolbenmanschette und kann dadurch seine
Stützfunktion
gegenüber
der Kolbenmanschette effektiver ausüben. Der Elastizi- tätsmodul
als Verhältnis
von Spannung zu Dehnung ist bei Kunststoffen nur bei kurzzeitiger
Belastung zu ermitteln, da Kunststoffe bei längerer Belastung zum Fließen neigen.
Daher kann zur Charakterisierung der Elastizitätseigenschaften des Ventiltellers
und der Kolbenmanschette auch die Shorehärte angegeben werden. Dabei
weist der Ventilteller eine höhere Shorehärte als
die Kolbenmanschette auf.
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Weitere
Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen. Nachfolgend
sind bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung beschrieben und anhand der Zeichnungen dargestellt.
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1 zeigt
in ebener Schnittdarstellung eine schematische Ansicht einer Pumpvorrichtung
mit Ventileinrichtung und einem als Kugelventil ausgeführten Einlassventil,
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2 in
ebener Schnittdarstellung eine schematische Ansicht einer Pumpvorrichtung
mit Ventileinrichtung mit einem als Membranventil ausgeführten Einlassventil,
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3 in
ebener Darstellung eine Draufsicht auf ein Membranventil,
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4 in
ebener Schnittdarstellung eine schematische Ansicht einer Pumpvorrichtung
mit Ventileinrichtung und einem als Hutventil ausgeführten Einlassventil,
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5 in
ebener Schnittdarstellung eine schematische Detailansicht eines
verschieblich angebrachten Ventiltellers einer Pumpvorrichtung,
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6 in
ebener Schnittdarstellung eine Pumpvorrichtung mit Ventileinrichtung
mit einem als Kolbenventil ausgeführten Einlassventil in einer
Ruhelage,
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7 in
ebener Darstellung eine Pumpvorrichtung gemäß 6 in einer
Zwischenstellung der Betätigung,
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8 in
ebener Schnittdarstellung eine Pumpvorrichtung gemäß den 7 und 8 in
einer Endposition der Betätigung,
und
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9 zeigt
in ebener Schnittdarstellung eine schematische Ansicht einer Pumpvorrichtung
mit Ventileinrichtung und einer einstückig ausgeführten Federkolbenmanschette.
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Eine
in den 1, 2 und 4 dargestellte
Pumpvorrichtung 1 weist einen Düsenkopf 25 sowie eine
Mediumpumpe 26 auf, die jeweils aus einer Vielzahl von
Einzelkomponenten aufgebaut sind. Der Düsenkopf 25 weist ein
Führungselement 22 auf, das
mit einem Mediumleiter 27 versehen ist. Der Mediumleiter 27 mündet an
einer Außenfläche des
Führungselements 22 in
einer nicht näher
bezeichneten Düsenaufnahme,
in die eine Düse 20 eingebracht
ist. Die Düse 20 bildet
mit dem Führungselement 22 ein Austragventil
für den
Düsenkopf 25 wobei
eine Dichtwirkung für
den Mediumleiter 27 durch gegenüberliegende Flachdichtflächen 23 des
Führungselementes 22 und
der Düse 20 erzielt
wird. Die Düse 20 weist weiterhin
eine Austragöffnung 21 auf,
durch die ein unter Druck gesetztes Medium in eine Umgebung abgegeben
werden kann, wobei insbesondere eine Zerstäubung des Mediums stattfindet.
Als dekoratives Element und zur Bildung einer Handhabe ist über das Führungselement 22 eine
Abdeckhaube 19 gestülpt, die
im Bereich der Düse 20 mit
einer nicht näher
bezeichneten Aussparung für
einen Mediendurchtritt versehen ist.
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In
einem Verbindungsbereich 28 ist der Düsenkopf 25 mit einem
Stößel 2 der
Mediumpumpe 26 kraft- und formschlüssig verbunden und stellt gleichzeitig
eine kommunizierende Verbindung zwischen einem Mediumkanal 8 des
Stößels 2 und
dem Mediumleiter 27 her. Der Stößel 2 ist als langgestrecktes, rotationssymmetrisches
und abschnittsweise hohles Bauteil ausgeführt, wobei sich der Mediumkanal 8 entlang
einer Symmetrieachse des Stößels 2 ersteckt.
Der Stößel 2 weist
an einem dem Düsenkopf 25 abgewandten
Ende eine Querbohrung 9 orthogonal zur Symmetrieachse des
Stößels 2 auf.
Die Querbohrung 9 ist ihrerseits kommunizierend mit dem
Mediumkanal 8 ausgeführt.
An dem Stößel 2 sind
mehrere umlaufende Ringschultern wie der Stößelbund 13, der Ventilfederbund 29 oder
der Anschlagbund 11 vorgesehen. Diese Ringschultern des
Stößels 2 dienen
zur formschlüssigen
Aufnahme einer Rückholfeder 6,
einer Ventilfeder 4 sowie eines Ventiltellers 3. Dabei
ist der Anschlagbund 11 des Stößels 2 als Blockierelement
für den
Ventilteller 3 vorgesehen und begrenzt eine Ausgangsposition
des Ventiltellers 3 in einer Ruhestellung der Ventileinrichtung.
Ein weiteres Blockierelement für
den Ventilteller 3 ist in Form des Anschlagkonus 10 am
Stößel 2 vorgesehen.
Die Rückholfeder 6 und
die Ventilfeder 4 sind dabei als konzentrisch zum Stößel 2 angeordnete
Schraubenfedern ausgeführt,
wodurch eine besonders kompakte Anordnung bei gleichzeitiger mechanischer
Entkopplung der beiden Federn ermöglicht wird. Der Anschlagkonus 10 am
Stößel 2 bildet
in Verbindung mit korrespondierenden Druck- und Dichtflächen an
der Kolbenmanschette 5 sowohl zu einer Pumpachse der Pumpvorrichtung 1 radial
wirksame Stützkraftkom ponenten
wie auch axial wirkende Dichtkraftkomponenten in der Ventilschließposition.
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Der
Ventilteller 3 ist, wie insbesondere in einer in 5 gezeigten,
besonders bevorzugten Ausführungsform
dargestellt, zwischen durch den Anschlagbund 11 und den
Anschlagkonus 10 gebildeten Endstellungen in Längsrichtung
des Stößels 2 beweglich
angebracht. Der Ventilteller 3 ist als rotationssymmetrisches
Kunststoffteil ausgeführt.
Ein Querschnitt des Ventiltellers 3 ist von einem im wesentlichen
zylindrischen Abschnitt bestimmt, in dem eine zentrisch angeordnete
Bohrung vorgesehen ist, die als Führungsfläche 42 gegenüber einer
korrespondierenden, zylindrischen Führungszone 43 des Stößels 2 dient.
Die Bohrung ist in ihrem Durchmesser auf einen Aussendurchmesser
der Führungszone 43 des
Stößels 2 abgestimmt,
worduch eine Relativbewegung des Ventiltellers 3 in Richtung
der Symmetrieachse des Stößels 2 ermöglicht wird.
An einem Ende des zylindrischen Abschnitts des Ventiltellers 3 ist
eine umlaufende, schirmartige Kontur vorgesehen, die den eigentlichen
Ventilteller 3 bildet. Die schirmartige Kontur weist an
einer konisch geformten Außenfläche eine
Dichtfläche 14 auf.
Weiterhin ist an einem Übergangsbereich
zwischen zylindrischem Abschnitt und schirmartiger Kontur eine als
Festkörpergelenk
wirkende Gelenkzone 15 vorgesehen. Die Gelenkzone 15 ermöglicht eine
Relativbewegung der schirmartigen Kontur zum zylindrischen Abschnitt des
Stößels 2 durch
eine elastische Deformation.
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In
der Ruhestellung, wie sie in den 1, 2, 4 und 6 dargestellt
ist, liegt auf einer Dichtfläche 14 des
Ventiltellers 3 unmittelbar eine Kolbenmanschette 5 auf,
die zentrisch zum Ventilteller 3 angeordnet ist und verschieblich
an dem Stößel 2 angebracht
ist. Die Kolbenmanschette 5 weist an einer dem Düsenkopf 25 zugewandten
Stirnseite einen Manschettenbund 12 auf, der als Auflage
für die Ventilfeder 4 vorgesehen
ist. An einer dem Manschettenbund 12 abgewandten Stirnseite
weist die Kolbenmanschette 5 eine umlaufende Dichtkante 30 auf,
die im Zusammenspiel mit einer Zylinderwandung 31 eines
Druckraums 7 eine längsverschiebbare
Dichtung darstellt. Die Kolbenmanschette 5 ist wie der
Ventilteller 3 als rotationssymmetrisches Kunststoffteil
ausgeführt.
Sie weist eine gestufte zylindrische Innenbohrung auf, die in einen
kegelförmigen Dichtbereich
mündet,
in dem auch die Dichtfläche 14 zum
Ventilteller 3 hin vorgesehen ist. Eine Außenkontur
der Kolbenmanschette 5 ist im wesentlichen gestuft zylindrisch
gestaltet und weist auf einer der Dichtfläche 14 abgewandten
Seite einen als zylindrische Ringschulter ausgeführten Manschettenbund 12 auf.
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In
einer Ventilschließposition,
in der der Ventilteller 3 durch die Rückhol feder 6 und/oder
die Ventilfeder 4 auf die Kolbenmanschette 5 gepreßt wird sowie
in einer Anfangsphase eines Mediumaustrags ist eine Wirkfläche des
Ventiltellers 3 größer als
die Wirkfläche
der Kolbenmanschette 5 Die Wirkfläche entspricht einer hydraulisch
wirksamen Oberfläche und
kann durch eine Projektion einer Geometrie des Ventiltellers 3 bzw.
der Kolbenmanschette 5 auf eine Projektionsebene ermittelt
werden. Die Projektionsebene ist dabei orthogonal zur Symmetrieachse
der Kolbenmanschette 5 ausgerichtet. Bei den vorliegenden
Ausführungsformen,
wie sie in den 1, 2, 4 bis 9 dargestellt
sind, ist die Wirkfläche des
Ventiltellers 3 kreisringförmig, wobei ein innerer Kreisringdurchmesser
der zentrischen Bohrung im Ventilteller 3 entspricht. Ein äußerer Kreisringdurchmesser
wird durch den maximalen Durchmesser bestimmt, bei dem der Ventilteller 3 mit
der Kolbenmanschette 5 in der Ventilschließposition
in Kontakt tritt. Demgegenüber
ist die ebenfalls kreisringförmige Wirkfläche der
Kolbenmanschette 5 in der Ventilschließposition durch einen Durchmesser
des Druckraums sowie durch den äußeren Kreisringdurchmesser
des Ventiltellers 3 bestimmt. Exemplarisch beträgt die Wirkfläche der
Kolbenmanschette 5 in den 1, 2, 4 bis 9 ca.
60% der Wirkfläche
des Ventiltellers 3. Damit wirkt in der Anfangsphase des
Mediumaustrags auf die Kolbenmanschette auch lediglich 60% derjenigen Druckkraft,
die auf den Ventilteller 3 wirkt. Da der Ventilteller 3 erfindungsgemäß relativbeweglich
zum Stößel 2 angebracht
ist, kann er bedingt durch die auftretende Druckkraft in Richtung
der Kolbenmanschette 5 verschoben werden und damit die
Kolbenmanschette 5 in dieser Anfangsphase, insbesondere
im Hinblick auf radiale Stützkraftkomponenten,
stützen.
Weiterhin wird durch die Verschiebung des Ventiltellers 3 in Richtung
der Kolbenmanschette 5 eine Ventilschließkraft zwischen
Kolbenmanschette 5 und Ventilteller 3 verstärkt und
somit eine auslegungsgemäße Ventilöffnung auch
unter extremeren Randbedingungen gewährleistet. Durch Umgestaltung
der Geometrien von Kolbenmanschette 5 und Ventilteller 3 können auch
andere Druckflächenverhältnisse
erzielt werden.
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An
einer dem Düsenkopf 25 abgewandten Stirnseite
wird der Druckraum 7 von einem Ventilgehäuse 32 begrenzt,
das in einen Stutzen 18 zur Aufnahme eines nicht dargestellten
Steigrohres mündet. In
dem Ventilgehäuse 32 ist
gemäß 1 eine
Ventilkugel 17 untergebracht. Die Ventilkugel 17 ruht
in der gezeigten Ruhelage auf einem Ventilsitz 33 und bildet
somit ein Einlassventil für
den Druckraum 7, wodurch eine Dichtwirkung im Hinblick
auf einen potentiellen Überdruck
innerhalb des Druckraumes 7 gewährleistet ist. Die Ventilkugel 17 kann
durch einen Unterdruck im Druckraum 7 bis zu einem Nocken 16 in
Richtung des Düsenkopfes 25 bewegt
werden und gibt dabei einen Strömungsquerschnitt
für ein
einströmendes
Medium frei.
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Die
in 2 dargestellte Pumpvorrichtung 1 weist
anstelle der Ventilkugel 17 ein Membranventil 34 auf,
das, wie in 3 dargestellt, einen Außenring 35,
einen Ventilkörper 36 sowie
drei Führungsarme 37 aufweist.
Der Außenring 35 des
Membranventils 34 ist in einer Einbaulage, wie sie in 2 dargestellt ist,
kraftschlüssig
in den Druckraum 7 der Mediumpumpe 26 eingebracht.
Der Ventilkörper 36 liegt
in der Ruheposition dicht im Ventilsitz 33, kann jedoch bei
einem Rückhub
der Medi umpumpe 26 durch einen dabei entstehenden Unterdruck
aus dem Ventilsitz 33 angehoben werden und gibt somit den
Strömungsquerschnitt
für das
Einströmen
von Medium aus einem nicht dargestellten Medienbehälter in
den Druckraum 7 frei. Dabei wird der Ventilkörper 36 durch
die elastisch deformierbaren Führungsarme 37 zentriert,
so dass er bei Nachlassen des Unterdrucks wieder in die angestammte
Dichtposition zurückkehren
kann. Weiterhin wird eine derartige Dichtbewegung durch die Elastizität der ausgelenkten
Führungsarme 37 gefördert. Der
Ventilkörper 36 und
der Außenring 35 sind
konzentrisch zueinander angeordnet, die Führungsarme 37 sind
jeweils in Verbindungsabschnitten 38 radial am Ventilkörper 36 bzw. am
Außenring 35 angebracht.
Der jeweils zwischen den Verbindungsabschnitten 38 liegende
Bereich der Führungsarme 37 ist
im wesentlichen zirkular und konzentrisch zum Außenring 35 und zum
Ventilkörper 36 vorgesehen.
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Bei
der in 4 dargestellten Pumpvorrichtung 1 ist
anstelle des Membranventils 34 bzw. der Ventilkugel 17 ein
Hutkörper 39 vorgesehen,
der in der Ruhestellung eine Abdichtung des Ventilsitzes 33 gewährleistet.
Bei Auftreten eines Unterdrucks im Druckraum 7 der Mediumpumpe 26 wird
der Hutkörper 39 aus
seiner Ruheposition gedrängt
und gibt somit einen Querschnitt für den Durchfluss von Medium frei.
Die Bewegung des Hutkörpers 39 in
Richtung des Düsenkopfes 25 wird
durch Nocken 16 begrenzt, so dass der Hutkörper 39 auch
in einer Öffnungsposition
des Einlassventils eine definierte Lage einnimmt und bei einem Druckaufbau
im Druckraum 7 sofort wieder in die Dichtposition zurückkehren
kann.
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Bei
den in den 6, 7 und 8 dargestellten
Pumpvorrichtungen 1 ist das Einlassventil durch eine einstückig mit
dem Stößel 2 verbundene Kolbenstange
gebildet. Zur Erzielung einer Dichtwirkung innerhalb des Druckraumes 7 ist
eine Ventilmanschette 41 im Ventilgehäuse 32 vorgesehen. Durch
die einstückige
Ausführung
der Kolbenstange 40 mit dem Stößel 2 ergibt sich
eine Zwangssteuerung für
das Einlassventil, da beim Niederdrücken des Stößels 2 ein verdickter
Bereich der Kolbenstange 40 in Dichtwirkung mit der Ventilmanschette 41 tritt.
Je nach Anordnung des verdickten Bereiches auf der Kolbenstange 40 lässt sich
die auszutragende Mediummenge aus dem Druckraum 7 beeinflussen, da
erst bei Eintritt der Dichtwirkung zwischen Kolbenstange 40 und
Ventilmanschette 41 ein Druckaufbau im Druckraum 7 stattfindet.
Somit kann eine einfache Anpassung einer Dosiermenge der Pumpvorrichtung 1 an
die jeweiligen kundenspezifischen Bedürfnisse vorgenommen werden.
Als einziger Parameter für die
Anpassung der Dosiermenge dient bei dieser Ausführungsform die Länge des
verdickten Bereichs.
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Bei
der in 9 dargestellten Pumpvorrichtung ist die Kolbenmanschette
als Federkolbenmanschette 46 ausgeführt. Dazu ist an der eigentlichen Kolbenmanschette
als elastisches Rückstellmittel
ein hohlzylindrisch geformter Federabschnitt 44 vorgesehen,
der im vorliegenden Ausführungsbeispiel
einstückig
mit der Kolbenmanschette ausgeführt
ist, wodurch die Federkolbenmanschette 46 gebildet wird. Der
Federabschnitt stützt
sich an dem Ventilfederbund 29 des Stößels 2 ab und wird
durch Druckkräfte auf
die Kolbenmanschette deformiert. Dabei kann, je nach Gestaltung
des Federabschnittes 44 und einer Übergangszone 45, sowohl
eine Federwirkung durch Auswölben
wie auch durch Einknicken des hohlzylindrischen Federabschnittes 44 erreicht
werden.
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In
einer Ruheposition, wie sie in den 1, 2, 4 und 6 dargestellt
ist, wird der Stößel 2 durch
in der Rückholfeder 6 gespeicherte
Federenergie in einer Ausgangslage gehalten. Damit ist gleichzeitig
die Ventilfeder 4 in einer im wesentlichen entspannten
Ruheposition, eine Dichtwirkung für den Mediumkanal 8 wird
im wesentlichen durch einen Kraftfluss von der Rückholfeder 6 auf den
Dichteinsatz 24, die Kolbenmanschette 5, den Ventilteller 3 und über den
Stößel 2 zurück auf die
Rückholfeder 6 gewährleistet.
Für die
in den 1 und 4 dargestellten Einlassventile
ist ein Dichtzustand des Einlassventils unbestimmt, während bei
den Ein lassventilen gemäß den 2 und 5 ein
eindeutig definierter Dichtzustand des Einlassventils gegeben ist. Sobald
eine Kraft auf die als Handhabe ausgeführte Abdeckhaube 19 ausgeübt wird,
findet eine Kraftleitung über
das Führungselement 22 auf
den Stößel 2 statt.
Vom Stößel 2 wirkt
die eingebrachte Kraft auf die Rückholfeder 6 und
führt zu
deren Verkürzung bzw.
zeitgleich zu einer Bewegung des Stößels 2 in Richtung
des Einlassventils. Zu diesem Zeitpunkt ist der Druckraum 7 im
wesentlichen drucklos, so dass keine nennenswerten Kräfte auf
die Kolbenmanschette 5 bzw. den Ventilteller 3 wirksam
sind. Das im Druckraum 7 befindliche Medium versucht der
Bewegung des Stößels 2,
der Kolbenmanschette 5 und dem Ventilteller 3 auszuweichen
und strömt
in Richtung des Einlassventils, wodurch dieses im Fall der Ausführungsformen
nach 1 und 4 geschlossen wird. Das Einlassventil
gemäß 2 ist
bereits geschlossen, während
das Einlassventil gemäß der 6 erst
dann schließt,
wenn der verdickte Bereich der Kolbenstange 40 in Kontakt
mit der Ventilmanschette 41 tritt. Sofern der Stößel 2 weiter
bewegt wird, kommt es nun für
alle Ausführungsformen
im Druckraum 7 zu einem Druckaufbau, der bei zunehmender
Reduzierung des eingeschlossenen Volumens zu einer Steigerung der
Druckkräfte
auf den Ventilteller 3 sowie der Stirnseiten des Stößels 2 und. der
Kolbenmanschette 5 führt.
Da die Kolbenmanschette 5 verschieblich am Stößel 2 angebracht
ist und lediglich durch die Ventilfeder 4 in ihrer Position gehalten
wird, kommt es bei Überschreiten
eines konstruktiv bedingten Druckniveaus zu einer Bewegung der Kolbenmanschette 5 entgegen
der durch die Ventilfeder 4 bewirkten Vorspannkraft.
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Sobald
sich die Kolbenmanschette 5 um einen entsprechenden Betrag
in Richtung des Düsenkopfes 25 bewegt
hat, wird die Dichtwirkung der Dichtflächen 14 zwischen Kolbenmanschette 5 und Ventilteller 3 aufgehoben.
Das im Druckraum 7 eingeschlossene Medium kann dann über die
Querbohrung 9, den Mediumkanal 8, den Mediumleiter 27 und die
Austragöffnung 21 ausströmen. Ab
dem Zeitpunkt des Beginns des Mediumstroms zwischen Ventilteller 3 und
Kolbenmanschette 5 ist für den weiteren Austrag des
Mediums nur noch eine erheblich niedrigere Kraft notwendig, da ein
Innendruck im Druckraum 7 durch das abströmende Medium
reduziert wird. Unmittelbar nach Beginn des Mediumstroms wird der Ventilteller 3 durch
das strömende
Medium in Richtung des Einlassventils gepresst, wobei eine Relativbewegung
zwischen Ventilteller 3 und Stößel 2 erfolgt. Der
Ventilteller 3 kann sich dabei zusätzlich elastisch deformieren,
wodurch ein zusätzlicher
Strömungsquerschnitt
für das
Medium freigegeben wird. Dieser Vorgang findet so lange statt, bis
entweder der Düsenkopf 25 auf
eine nicht näher
dargestellte Anschlagfläche
aufläuft
oder die Stirnseite des Stößels 2 bzw.
der Ventilteller 3 auf das Einlassventil aufläuft. Da
ab diesem Zeitpunkt kein weiterer Druckaufbau mehr stattfindet,
fließt
Medium bis zu einem gewissen Druckniveau noch durch die Querbohrung 9 und die
nachfolgenden Mediumkanäle
ab. Sobald ein Minimaldruck unterschritten wird, bewirkt die Ventilfeder 4 eine Überführung der
Kolbenmanschette 5 in eine Dichtposition mit dem Ventilteller 3.
Sobald die Betätigungskraft
auf die Abdeckhaube 19 deutlich reduziert wird, bewirkt
die Rückholfeder 6 eine
Bewegung des Stößels 2 in
Richtung des Düsenkopfes 25. Da
das durch den Ventilteller 3 und die Kolbenmanschette 5 gebildete
Auslassventil verschlossen ist, entsteht im Druckraum 7 so
lange ein Unterdruck, bis das Einlassventil öffnet und Medium aus einem
nicht dargestellten Vorratsbehälter über das
Steigrohr nachströmen
kann. Dies geschieht so lange, bis die Kolbenmanschette 5 wieder
an einer Stirnseite des Dichteinsatzes 24 zu liegen kommt
und die Bewegung des Stößels 2 beendet.
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Alle
dargestellten Ausführungsformen
sind insbesondere für
kosmetische Zwecke einsetzbar. Vorzugsweise sind die entsprechenden
Einlassventile wie auch die Ventilgehäuse und Zylinderwandungen der
Druckräume
lichtdurchlässig,
insbesondere transparent, gestaltet. Dadurch ist es möglich, eine Einfärbung des
zu fördernden,
insbesondere kosmetischen Mediums zu erkennen.