DE10352493B3

DE10352493B3 - Vorsteuerventil, Wegeventileinheit und Düsensystem

Info

Publication number: DE10352493B3
Application number: DE2003152493
Authority: DE
Inventors: Jan G. Sprakel; Wilhelm Paul Wolf
Original assignee: Kamat-Pumpen & Co KG GmbH; Kamat Pumpen GmbH and Co KG
Current assignee: Kamat & Co Kg De GmbH
Priority date: 2003-11-07
Filing date: 2003-11-07
Publication date: 2004-12-30
Anticipated expiration: 2023-11-08
Also published as: WO2005045291A1

Abstract

Die Erfindung stellt ein Ventil (1) zur Verfügung, das auch bei Drücken oberhalb von 700 bar hohe Schaltfrequenzen ermöglicht. Dies wird dadurch erreicht, dass die von einer elektromagnetisch betätigbaren Stelleinrichtung ausgeübte Stellkraft durch eine hydraulische Kraft unterstützt wird, welche durch die unter Hochdruck stehende Flüssigkeit selbst bereitgestellt wird, deren Fluss von der Zuströmleitung zur Abströmleitung durch das Ventil unterbrochen bzw. freigegeben wird. Zu diesem Zweck weist das erfindungsgemäße Ventil (1) eine Verbindungsleitung (18) auf, die von einer Nebenabströmöffnung des Hauptventilraums (13) zum Abströmkanal (9) des Ventils (1) führt. Auf diese Weise kann noch in Schließstellung des Ventils (1) unter Hochdruck stehende Flüssigkeit in den Abströmkanal (9) geleitet werden, ohne dass dazu der in Schließstellung die direkte Verbindung zwischen dem Zuströmkanal (8) und dem Abströmkanal (9) des Ventils (1) sperrende Hauptventilkörper (12) bewegt werden muss.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektromagnetisch betätigbares Ventil für Drücke oberhalb 700 bar. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Ausbringen eines Hochdruckstrahls, die mit einem derartigen Ventil ausgestattet ist.
Ventile der voranstehend genannten Art sind in der Regel mit einer ein Vorsteuerventil umfassenden Vorsteuereinheit ausgestattet. Im Bereich geringerer Drücke können diese Vorsteuereinheiten über eine elektromagnetisch wirkende Betätigungseinrichtung geschaltet werden. Typische Drücke, bei denen derartige Ventile eingesetzt werden, liegen im Bereich von 300 bar bis 400 bar.
Bei aus der Anwendungspraxis bekannten elektromagnetisch angesteuerten Vorsteuerventilen wirkt auf einen Vorsteuerventilkörper, beispielsweise eine Vorsteuerkugel, aus einer Richtung eine vorgespannte Druckfeder und aus der entgegengesetzten Richtung der vordere Teil eines Stempels. Der hintere Teil des Stempels ist wiederum mit dem Anker eines Elektromagneten gekoppelt. Indem der Magnet angeschaltet und sein Anker nach vorne bewegt wird, wird der Stempel in Richtung der Druckfeder geschoben mit der Folge, dass das Ventil öffnet. Im stromlosen Zustand, das heißt bei ungeschaltetem Magneten, dagegen drückt die Druckfeder den Stempel wieder in die Ausgangslage.
Unterstützt werden kann die Kraft, mit der der Ventilkörper in seiner Schließstellung gehalten wird, durch die von der druckbeaufschlagten Flüssigkeit auf den Ventilkörper ausgeübte Druckkraft. Zu diesem Zweck kann der Ventilkörper eine Wirkfläche haben, die so ausgerichtet ist, dass von der Flüssigkeit eine in Schließrichtung gerichtete Kraft auf den Ventilkörper ausgeübt wird.
Ein derartiges Vorsteuerventil dient zur hydraulischen Steuerung einer Hauptventileinheit, die einen Zuströmkanal, in welchem sich das unter Druck stehende Fluid befindet, von einem Abströmkanal trennt. Eine solche vorsteuerbare Wegeventileinheit wird beispielsweise zur Ansteuerung von Ventilen für mobile, stationäre oder geführte Düsensysteme verwendet.
Im Höchstdruckbereich können solche Düsensysteme zur Erzeugung von Höchstdruckwasserstrahlen zum Abtragen, Bearbeiten und Schneiden von Werkstoffen und Werkstücken jeglicher Art, aber auch in der Ölhydraulik, im Bereich der Verarbeitung und Anwendung von HFA-Flüssigkeiten (schwer entflammbare Öl in Wasser-Emulsionen)sowie allgemein der Wasserhydraulik im Bereich sehr hoher Arbeitsdrücke, beispielsweise an Prüfständen, verwendet werden.

Bisher sind elektromagnetisch betätigbare Ventile der voranstehend erläuterten Art für Drücke bis maximal 700 bar bekannt. Sie werden derzeit beispielsweise im Katalog "2/2 Wege-Sitzventile 3/2 Wege-Sitzventile NW3 und NW6 für Wasser, Öl und Luft" der Fertigungstechnik Tiefenbach GmbH, Essen, angeboten, deren Internetpräsenz unter der URL www.FT-Tiefenbach.de zu finden ist. Der Vorteil der elektromagnetisch arbeitenden Ventile besteht dabei in den hohen Schaltfrequenzen, die durch die Verwendung der Elektromagnete als Schaltelement ermöglicht werden.

Allerdings sind der Verwendung von Elektromagneten dadurch Grenzen gesetzt, dass die von den in der Praxis eingesetzten Elektromagneten erzeugten Stellkräfte zu gering sind, um die für die für ein sicheres Abdichten des Ventils erforderlichen Schließkräfte zu überwinden. In der Praxis weicht man daher für Drücke oberhalb von 700 bar auf pneumatisch angesteuerte Ventile aus. Diese sind in der Lage, bei Drücken von 1000 bar bis 7000 bar zu schalten. Allerdings lassen sich mit derartigen pneumatisch betätigten Schalteinrichtungen nur geringe Schaltfrequenzen erreichen. Diese reichen insbesondere dann nicht aus, wenn ein Ventil geschaltet werden muss, über das Düsen, die beispielsweise im Rahmen eines industriellen Fertigungsprozesses in einer hohen Taktfrequenz einen Hochdruckstrahl ausbringen, mit einer Flüssigkeit versorgt werden, die unter einem weit über 700 bar liegenden Druck steht.

Die Aufgabe der Erfindung bestand daher darin, ein Ventil zu schaffen, das auch bei Drücken oberhalb von 700 bar hohe Schaltfrequenzen ermöglicht. Ebenso sollte eine Vorrichtung zum Ausbringen eines Hochdruckstrahls geschaffen werden, bei der der Hochdruckstrahl auch bei Drücken weit oberhalb von 700 bar in schneller Folge an- und abgeschaltet werden kann und durch die bei geöffneter Ventilstellung große Flüssigkeitsvolumenströme fließen können.

Diese Aufgabe wird zum einen durch ein Ventil für Drücke von mehr als 700 bar,

– mit einer Hauptventileinheit, die – einen Hauptventilkörper, der in dem Hauptventilraum verschiebbar gelagert ist, wobei der Hauptventilkörper eine erste einer Einströmöffnung eines Abströmkanals zugeordnete Wirkfläche aufweist, – ein vorgespanntes elastisches Element, das bei geschlossenem Ventil den Hauptventilkörper in einer Schließstellung hält, in der er die Einströmöffnung des Abströmkanals verschließt, wobei bei Druckbeaufschlagung der ersten Wirkfläche des Hauptventilkörpers mit der unter hohem Druck stehenden Flüssigkeit die auf den Hauptventilkörper in den Hauptventilraum gerichtete Druckkraft größer ist als die vom elastischen Element ausgeübte Schließkraft, – einen Zuströmkanal, der mit der unter einem Druck von mehr als 700 bar stehenden Flüssigkeit beaufschlagbar ist und in dem Hauptventil mündet, – einen Kanal, durch den der Hauptventilraum mit dem Zuströmkanal verbunden ist, und – einen zweiten Ventilkörper, der bei geschlossenem Ventil von einem vorgespannten elastischen Element in einer Schließstellung gehalten ist, in der er eine vom Hauptventilraum abführende Nebenabströmöffnung verschließt, aufweist,
– mit einer Vorsteuereinheit, die – einen auf den zweiten Ventilkörper der Hauptventileinheit wirkenden Stempel, der eine einem Druckraum der Vorsteuereinheit zugeordnete Wirkfläche aufweist, über die bei Druckbeaufschlagung des Druckraums eine gegen den zweiten Ventilkörper der Hauptventileinheit gerichtete Kraft auf den Stempel wirkt, – einen ersten Verbindungskanal, durch den die Nebenabströmöffnung des Hauptventilraums mit dem Abströmkanal verbunden ist, und – einen zweiten Verbindungskanal umfasst, über den der Druckraum mit der unter dem Druck von mehr als 700 bar stehenden Flüssigkeit druckbeaufschlagbar ist, und
– mit einer elektromagnetisch betätigbaren Stelleinrichtung, – die bei Beaufschlagung mit einem Stellsignal über den Stempel den zweiten Ventilkörper der Hauptventileinheit aus seiner Schließstellung in eine Öffnungsstellung bewegt, in der druckbeaufschlagte Flüssigkeit aus dem Hauptventilraum in den Verbindungskanal strömt,

gelöst, wobei die Größe der Wirkfläche des Stempels, die von der Stelleinrichtung auf den Stempel ausgeübte Stellkraft und die auf den zweiten Ventilkörper von dem ihm zugeordneten elastischen Element ausgeübte Kraft so aufeinander abgestimmt sind, dass beim Wegfall der von der Stelleinrichtung ausgeübten Stellkraft das elastische Element den zweiten Ventilkörper gegen die auf den Stempel wirkende, von der Flüssigkeit ausgeübten Druckkraft in dessen Schließstellung bewegt.

Zum anderen wird die voranstehend genannte Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Ausbringen eines Hochdruckstrahles gelöst, die erfindungsgemäß

– mit einer Fördereinrichtung, die eine Flüssigkeit gegen einen Druck von mehr als 700 bar in eine Förderleitung fördert,
– mit einem erfindungsgemäß ausgestalteten Ventil, an dessen Zuströmkanal die Förderleitung der Fördereinrichtung angeschlossen ist, und
– mit mindestens einer Düse ausgestattet ist, die an den Abströmkanal des Ventils angeschlossen ist.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die von einer elektromagnetisch betätigbaren Stelleinrichtung ausgeübte Stellkraft durch eine hydraulische Kraft zu unterstützen, welche durch die unter Hochdruck stehende Flüssigkeit selbst bereitgestellt wird, deren Fluss von der Zuströmleitung zur Abströmleitung durch das Ventil unterbrochen bzw. freigegeben wird. Zu diesem Zweck weist das erfindungsgemäße Ventil eine Verbindungsleitung auf, die von einer Nebenabströmöffnung des Hauptventilraums zum Abströmkanal des Ventils führt. Auf diese Weise kann noch in Schließstellung des Ventils unter Hochdruck stehende Flüssigkeit in den Abströmkanal geleitet werden, ohne dass dazu der in Schließstellung die direkte Verbindung zwischen dem Zuströmkanal und dem Abströmkanal sperrende Hauptventilkörper bewegt werden muss.

Auf diese weise wirkt in den Abströmkanal geleitete Flüssigkeit dann entgegen der Anpresskraft, die von dem auf den Hauptventilkörper wirkenden elastischen Element ausgeübt wird. Die dem Abströmkanal zugeordnete erste Wirkfläche des Hauptventilkörpers ist dabei so bemessen, dass die auf den Hauptventilkörper in den Ventilraum hinein wirkende Kraft größer ist als die Kräfte, die den Ventilkörper in seiner Schließstellung halten, so dass der Ventilkörper in den Hauptventilraum hinein geschoben wird und die direkte Verbindung zwischen Zuström- und Abströmkanal freigibt.

Das Schalten des Ventils erfolgt dabei mittels eines zweiten Ventilkörpers, der die Verbindung zwischen dem Nebenabströmkanal und dem Hauptventilraum schließt oder freigibt. Nur auf diesen zweiten Ventilkörper wirkt die elektromagnetische Stelleinrichtung über einen Stempel. Der Stempel weist wiederum eine Wirkfläche auf, bei deren Druckbeaufschlagung eine in den Hauptventilraum gerichtete Kraft auf den Stempel ausgeübt wird. Zur Druckbeaufschlagung der betreffenden Wirkfläche des Stempels ist ein Druckraum vorgesehen, der über einen Verbindungskanal mit der unter Hochdruck stehenden Flüssigkeit beaufschlagt werden kann.

Zum Schließen des Ventils wird das an die elektromagnetische Stelleinrichtung gelieferte Stellsignal unterbrochen. Der zweite Ventilkörper wird daraufhin durch die Kraft des auf ihn wirkenden elastischen Elements in Schließstellung bewegt, so dass der Nebenabströmkanal verschlossen ist. Der gegen die erste Wirkfläche des Hauptventilkörpers wirkende Druck fällt in Folge dessen so stark ab, dass der Hauptventilkörper durch die Kraft des auf ihn wirkenden elastischen Elements in seine Schließstellung bewegt wird und die direkte Verbindung zwischen Zuström- und Abströmöffnung verschließt.

Durch die in der erfindungsgemäßen Weise erzeugte hydraulische Unterstützung der von der elektromagnetischen Stelleinrichtung ausgeübten Stellkraft können schnell schaltende elektromagnetische Stelleinrichtungen auch zur Betätigung von Ventilen eingesetzt werden, die den Strom von Flüssigkeiten regeln, die mit Drücken von mehr als 700 bar beaufschlagt sind. Aufwändiger zusätzlicher Aggregate bedarf es dazu nicht. Stattdessen ist es lediglich erforderlich, in erfindungsgemäßer Weise den Hauptventilraum mit dem Abströmkanal und den dem Stempel zugeordneten Druckraum verbindende Verbindungsleitungen vorzusehen. Dies kann mit geringem maschinellen Aufwand erfolgen, so dass mit der Erfindung ein kostengünstig herstellbares Ventil zur Verfügung steht, dass auch bei Drücken oberhalb von 700 bar hohe Schaltfrequenzen ermöglicht. Eine erfindungsgemäß ausgestattete Vorrichtung kann zu entsprechend günstigen Kosten hergestellt werden und ist in der Lage, Hochdruckstrahlen auch bei Drücken weit oberhalb von 700 bar in schneller Folge auszubringen.

Gemäß einer ersten, insbesondere für Drücke von bis zu 1.500 bar geeigneten Ausgestaltung der Erfindung führt der zweite Verbindungskanal vom ersten Verbindungskanal abzweigend zum Druckraum. In diesem Fall zweigt der Verbindungskanal, der den dem Stempel zugeordneten Druckraum versorgt, von dem ersten Verbindungskanal ab. Auf diese Weise ist auch der zweite Kanal drucklos, sobald bei abgeschalteter Stelleinrichtung die Nebenabströmöffnung des Hauptventilraums geschlossen ist. Leckagen im Bereich der Durchführung des Stempels durch den Druckraum ist so wirkungsvoll vorgebeugt.

Soll das erfindungsgemäße Ventil bei noch höheren Drücken eingesetzt werden, so kann dies dadurch ermöglicht werden, dass der Druckraum über den zweiten Verbindungskanal unterbrechungsfrei mit dem Hauptventilraum verbunden ist. In diesem Fall steht der der Wirkfläche des Stempels zugeordnete Druckraum dauerhaft unter demselben Flüssigkeitsdruck, der auch im Hauptventilraum ansteht. Dementsprechend steht die hydraulische Unterstützung des Stempels vom ersten Moment der Betätigung der elektromagnetischen Stelleinrichtung zur Verfügung. Auch bei besonders hohen Drücken lassen sich mit Hilfe der elektromagnetisch arbeitenden Stelleinrichtung schnelle Schaltintervalle verwirklichen. Eine praktische Erprobung hat ergeben, dass schnelle Schaltfrequenzen bei Drücken von bis zu 2.500 bar sicher beherrscht werden können.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben und werden nachfolgend im Zusammenhang mit der anhand einer Zeichnung erfolgenden Erläuterung von zwei Ausführungsbeispielen im Einzelnen dargelegt. In der Zeichnung zeigen jeweils schematisch im Längsschnitt:
1 einen Ausschnitt eines bei Drücken von bis zu 1.500 bar eingesetzten Ventils in Schließstellung;
2 einen Ausschnitt eines bei Drücken von mehr als 1.500 bar eingesetzten Ventils in Schließstellung.
Das Ventil 1 (1) bzw. 100 (2) weist eine Hauptventileinheit 2, eine Vorsteuereinheit 3 und eine elektromagnetisch betätigbare Stelleinrichtung 4 auf. Die Vorsteuereinheit 3, die Hauptventileinheit 2 und ein Anschlussstück 5 sind dabei in dieser Reihenfolge ausgehend von deren einer Endöffnung in eine Aufnahmebohrung 6 eines weiter nicht dargestellten Ventilblocks 7 eingeschoben. Die Stelleinrichtung 4 ist an der anderen Endöffnung der Aufnahmebohrung 6 befestigt. Zusätzlich ist in den Ventilblock 7 ein Zuströmkanal 8 eingeformt.
Das Anschlussstück 5 weist einen im montierten Zustand koaxial zur Längsachse L der Aufnahmebohrung 6 verlaufenden Abströmkanal 9 auf, der sich in Richtung der Hauptventileinheit 2 trichterförmig erweitert.
Die Hauptventileinheit 2 besitzt ein Gehäuse 10, ausgehend von dessen dem Anschlussstück 5 zugeordneter Stirnseite eine im montierten Zustand koaxial zur Längsachse der Aufnahmebohrung 6 angeordnete Einströmöffnung 11 eingeformt ist. Mit ihrem dem Anschlussstück 5 zugeordneten Ende mündet die Einströmöffnung 11 in den trichterförmigen Bereich des Abströmkanals 9, während ihr gegenüberliegendes Ende als trichterförmig sich erweiternder Sitz für die Dichtfläche eines Hauptventilkörpers 12 ausgebildet ist.
Der zylindrisch ausgebildete Hauptventilkörper 12 ist axial verschiebbar mit Spiel in einem Hauptventilraum 13 gelagert. Der Durchmesser des Hauptventilraums 13 ist über dessen gesamte Länge konstant, während der Hauptventilkörper 12 an seinem der Eintrittsöffnung 11 zugeordneten Ende einen sich über eine Teillänge des Hauptventilkörpers 12 erstreckenden Absatz mit einem gegenüber dem größten Umfang des Hauptventilkörpers 12 vermindernden Durchmesser aufweist. Auf diese Weise ist bei in Schließstellung befindlichem Hauptventilkörper 12 im Bereich der Einströmöffnung 11 im Hauptventilraum 13 ein den Absatz des Hauptventilkörpers 12 umgebender Ringraum 14 gebildet, in dessen Bereich die Mündung des Zuströmkanals 8 im Hauptventilraum angeordnet ist. Die unter hohem Druck im Zuströmkanal anstehende Flüssigkeit gelangt über den Ringraum 14 und den durch den Spalt zwischen der Außenumfangsfläche des Hauptventilkörpers 12 und der Innenumfangsfläche des Hauptventilraums 13 gebildeten Kanal in den bezogen auf die Einströmöffnung 11 rückwärtigen Bereich 15 des Hauptventilraums 13.
In einer Sackbohrung, die ausgehend von der dem rückwärtigen Bereich 15 des Hauptventilraums 13 zugeordneten Stirnseite in den Hauptventilkörper 12 eingeformt ist, sitzt koaxial zur Längsachse L ausgerichtet als elastisches Element eine vorgespannte Spiralfeder 16. Die Spiralfeder 16 ist zwischen dem Hauptventilkörper 12 und einem kugelförmig ausgebildeten zweiten Ventilkörper 17 gespannt. Sie übt auf diese weise gleichzeitig eine Druckkraft auf den Hauptventilkörper 12 und den zweiten Ventilkörper 17 aus, so dass diese unter Einsparung andernfalls erforderlicher zusätzlicher Bauelemente von demselben vorgespannten elastischen Element in Schließstellung gehalten sind.
In der der Hauptventileinheit 2 zugeordneten Stirnseite der Vorsteuereinheit 3 ist eine Ausnehmung eingeformt, in die ein in Montagestellung koaxial zur Längsachse L der Aufnahmebohrung 6 angeordneter Abschnitt eines ersten Verbindungskanals 18 der Vorsteuereinheit 3 mündet. Die konvex ausgenommene Formgebung der der Ausnehmung zugeordneten Nebenabströmöffnung des Verbindungskanals 18 ist an die Form des kugelförmigen zweiten Ventilkörpers 17 der Hauptventileinheit 2 angepasst, so dass der Ventilkörper 17 in seiner Schließstellung sicher und dicht in der Nebenabströmöffnung sitzt.
Ausgehend von der Nebenabströmöffnung erweitert sich der erste Verbindungskanal 18 in einen zweiten, ebenfalls koaxial zur Längsachse der Aufnahmebohrung 6 ausgerichteten Raum 19. Von diesem zweigt ein weiterer Abschnitt des ersten Verbindungskanals 18 ab. Er führt über einen im Bereich des Übergangs zwischen dem Gehäuseblock 20 der Vorsteuereinheit 3 und dem Gehäuse 10 der Hauptventileinheit 2 um die Vorsteuereinheit 3 umlaufenden ringförmigen Kanalabschnitt zu einem weiteren Kanalabschnitt, der in das Gehäuse 10 der Hauptventileinheit 2 eingeformt ist, von dem ringförmigen Kanalabschnitt zur dem Anschlussstück 5 zugeordneten Stirnseite des Gehäuses 10 der Hauptventileinheit 2 führt und im Bereich des trichterförmig erweiterten Abschnitts des Abströmkanals 9 mündet. Auf diese Weise verbindet der erste Verbindungskanal 18 die Nebenabströmöffnung des Hauptventilraums 13 mit dem Abströmkanal 9.
Im Raum 19 ist der Hauptkörper eines Stempels 21 axial verschiebbar gelagert. In Richtung des zweiten Ventilkörpers 17 der Hauptventileinheit 2 verjüngt sich der Stempel 21 zu einem Stiftabschnitt 21a, dessen Stirnseite auf dem Ventilkörper 17 sitzt. Genauso verjüngt sich der Stempel 21 auf seiner vom Ventilkörper 17 abgewandten Seite zu einem Stiftabsatz 22, der durch eine Bohrung aus dem Gehäuseblock 20 der Vorsteuereinheit 3 geführt ist. Im Bereich des Übergangs vom Hauptkörper zum betreffenden Stiftabsatz 22 ist dabei an der dem Stiftabsatz 22 zugeordneten Stirnfläche des Hauptkörpers eine ringförmig um den Stiftabsatz 22 umlaufende Wirkfläche 23 ausgebildet. Die Wirkfläche 23 ist mit Abstand zur vom zweiten Ventilkörper 17 abgewandten Rückwand des Raums 19 angeordnet. Zwischen der Wirkfläche 23 und der betreffenden Rückwand ist auf diese Weise ein Druckraum 24 gebildet.
Am aus dem Gehäuseblock 20 der Vorsteuereinrichtung 3 geführten Stiftabsatz 22 des Stempels 21 liegt der Anker 26 der Stelleinrichtung 4 an. Der Durchmesser des Stiftabsatzes 22 ist kleiner als der Durchmesser des anderen Stiftabschnitts 21a des Stempels 21.
Beim in 1 gezeigten Ventil 1 zweigt im Gehäuseblock 20 der Vorsteuereinrichtung 3 vom ersten Verbindungskanal 18 ein zweiter Verbindungskanal 25 ab, der nahe dem Druckraum 24 in der Innenumfangsfläche des Raums 19 der Vorsteuereinrichtung 3 mündet. In Schließstellung des zweiten Ventilkörpers 17 ist der in Längsrichtung gemessene Abstand zwischen der Mündung des zweiten Verbindungskanals 25 und der Wirkfläche 23 des Stempels 21 kleiner als der zum Abheben des zweiten Ventilkörpers 17 von der Nebenabströmöffnung erforderliche Stellweg. Auf diese Weise ist das Öffnen des Ventils 1 mit erhöhter Sicherheit gewährleistet. Grundsätzlich öffnet sich das Ventil 1 auch dann schon, wenn der Ventilkörper 17 nur leicht dadurch den Stempel 21 von ihrem Sitz gehoben wird, dass Druckflüssigkeit über den Spalt zwischen Stempel 21 und der Wirkfläche 23 in den Druckraum 24 gelangt.
Zum Öffnen des Ventils 1 wird an die elektromagnetische Stelleinrichtung 4 ein Stellsignal abgegeben. Daraufhin schiebt die Stelleinrichtung 4 ihren Anker 26 in Richtung der Vorsteuereinheit 3. Auf diese Weise wird der Stempel 21 gegen den zweiten Ventilkörper 17 gedrückt. Die von der Stelleinrichtung 4 abgegebene Kraft reicht dabei aus, die von der Spiralfeder 16 ausgeübte Schließkraft zu überwinden und den Ventilkörper 17 von der Nebenabströmöffnung abzuheben.
Sobald die Nebenabströmöffnung frei ist, strömt die unter einem hohen Druck von 700 bar bis 1.500 bar im Hauptventilraum 13 anstehende Flüssigkeit in den ersten Verbindungskanal 18. Über diesen ersten Verbindungskanal 18 gelangt die Flüssigkeit in den Abströmkanal 9. Gleichzeitig steht unter dem hohen Druck stehende Flüssigkeit im zweiten Verbindungskanal 25 an. Sobald die Wirkfläche 23 des Stempels 21 die Mündung des Verbindungskanals 25 erreicht hat, strömt dementsprechend die Flüssigkeit in den Druckraum 24 und belastet den Stempel 21 mit einer gegen den zweiten Ventilkörper 17 gerichteten Druckkraft. Die auf die Wirkfläche 23 ausgeübte Druckkraft ist dabei größer als die ihr entgegengesetzte, ebenfalls von der Flüssigkeit auf den Stempel 21 im Bereich des Raums 19 ausgeübte Gegenkraft, so dass der Stempel 21 mit schlagartig erhöhter Kraft gegen den zweiten Ventilkörper 17 bewegt wird. Dieser gibt daraufhin die Nebenabströmöffnung vollständig frei, so dass ein relativ großer Volumenstrom an unter hohem Druck stehender Flüssigkeit über den ersten Verbindungskanal 18 der Vorsteuereinheit 3 in den Abströmkanal 9 gelangt.
Auf diese Weise steht auf der dem Abströmkanal 9 zugeordneten stirnseitigen Wirkfläche 27 des Hauptventilkörpers 12 ebenfalls die unter hohem Druck stehende Flüssigkeit an. Die Größe der Wirkfläche 27 ist dabei so bemessen, dass eine in den Hauptventilraum 13 gerichtete Kraft auf den Hauptventilkörper 12 wirkt, durch die der Hauptventilkörper 12 aus seiner Schließstellung in den Hauptventilraum 13 bewegt wird und die Einströmöffnung 11 des Abströmkanals 9 freigibt.
Zum Schließen des Ventils 1 wird das Steuersignal unterbrochen. Die Stelleinrichtung 4 entlastet daraufhin den Anker 26. Die Summe der vom Stempel 21 auf den zweiten Ventilkörper 17 wirkenden Kräfte wird dadurch kleiner als die von der Spiralfeder 16 auf den Ventilkörper 17 ausgeübte Schließkraft. Dementsprechend wird der zweite Ventilkörper 17 in seine Schließstellung zurückbewegt und der Zufluss von Flüssigkeit in die Verbindungskanäle 18, 25 unterbrochen. Dies führt dazu, dass die auf der stirnseitigen Wirkfläche 27 des Hauptventilkörpers 12 anstehende Kraft kleiner wird als die von der Spiralfeder 16 auf den Hauptventilkörper 12 ausgeübte Schließkraft. Der Hauptventilkörper 12 bewegt sich dementsprechend in seine Schließstellung, in der er die Einströmöffnung 11 schließt und die direkte Verbindung zwischen dem Zuströmkanal 8 und dem Abströmkanal 9 unterbricht.
Die Grundfunktion des in 2 dargestellten, für Drücke von bis zu 2.500 bar erprobten Ventils 100 entspricht der des in 1 gezeigten Ventils 1. Beim Ventil 100 zweigt allerdings ein zweiter Verbindungskanal 101 nicht vom ersten Verbindungskanal 18 ab, sondern führt direkt vom Hauptventilraum 13 zum der Wirkfläche 23 des Stempels 21 zugeordneten Druckraum 24. Dabei mündet der zweite Verbindungskanal 101 seitlich vom zweiten kugelförmigen Ventilkörper 17 im Hauptventilraum 13, so dass er und der Druckraum 24 unabhängig von der Stellung des Ventilkörpers 17 immer unter dem im Hauptventilraum 13 herrschenden Druck steht.
Dementsprechend wirkt auch bei geschlossenem Ventil 100 stets der im Hauptventilraum 13 anstehende hohe Druck über die im Druckraum 24 laufend anstehende Flüssigkeit auf die Wirkfläche 23 des Stempels 21. Die so erzeugte Druckkraft steht ebenso laufend gegen die von der Spiralfeder 16 auf den Ventilkörper 17 ausgeübte Schließkraft.
Anders als beim in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel unterstützt somit die von der Flüssigkeit auf den Stempel 21 in Richtung des zweiten Ventilkörpers 17 hydraulisch ausgeübte Kraft die zum Öffnen des Ventils 100 von der Stelleinrichtung 4 erzeugte Stellkraft von Beginn des Stellvorgangs an. Dies ermöglicht es, das Ventil 100 trotz der extrem hohen Flüssigkeitsdrücke mit Hilfe der elektromagnetischen Stelleinrichtung 4 in kurzen Taktzeiten schnell zu öffnen und zu schließen.

L: Längsachse
1: Ventil
100: Ventil
2: Hauptventileinheit
3: Vorsteuereinheit
4: Stelleinrichtung
5: Anschlussstück
6: Aufnahmebohrung
7: Ventilblock
9: Abströmkanal
10: Gehäuse
11: Einströmöffnung
12: Hauptventilkörper
13: Hauptventilraum
14: Ringraum
15: rückwärtiger Bereich des Hauptventilraums 13
16: Spiralfeder
17: Ventilkörper
18: erster Verbindungskanal
19: Raum
21: Stempel
21a: Stiftabschnitt
22: Stiftabsatz
23: Wirkfläche
24: Druckraum
25: Verbindungskanal
26: Anker
27: Wirkfläche
101: Verbindungskanal

Claims

Ventil (1, 100) für Drücke von mehr als 700 bar, – mit einer Hauptventileinheit (2), die – einen Hauptventilkörper (12), der in dem Hauptventilraum (13) verschiebbar gelagert ist, wobei der Hauptventilkörper (12) eine erste einer Einströmöffnung (11) eines Abströmkanals (9) zugeordnete Wirkfläche (27) aufweist, – ein vorgespanntes elastisches Element (16), das bei geschlossenem Ventil (1, 100) den Hauptventilkörper (12) in einer Schließstellung hält, in der er die Einströmöffnung (11) des Abströmkanals (9) verschließt, wobei bei Druckbeaufschlagung der ersten Wirkfläche (27) des Hauptventilkörpers (12) mit der unter hohem Druck stehenden Flüssigkeit die auf den Hauptventilkörper (12) in den Hauptventilraum (13) gerichtete Druckkraft größer ist als die vom elastischen Element (16) ausgeübte Schließkraft, – einen Zuströmkanal (8), der mit der unter einem Druck von mehr als 700 bar stehenden Flüssigkeit beaufschlagbar ist und in dem Hauptventil mündet, – einen Kanal, durch den der Hauptventilraum (13) mit dem Zuströmkanal (8) verbunden ist, und – einen zweiten Ventilkörper (17), der bei geschlossenem Ventil (1, 100) von einem vorgespannten elastischen Element (16) in einer Schließstellung gehalten ist, in der er eine vom Hauptventilraum (13) abführende Nebenabströmöffnung verschließt, aufweist, – mit einer Vorsteuereinheit (3), die – einen auf den zweiten Ventilkörper (17) der Hauptventileinheit (2) wirkenden Stempel (21), der eine einem Druckraum (24) der Vorsteuereinheit (3) zugeordnete Wirkfläche (23) hat, über die bei Druckbeaufschlagung des Druckraums (24) eine gegen den zweiten Ventilkörper (17) der Hauptventileinheit (2) gerichtete Kraft auf den Stempel (21) wirkt, – einen ersten Verbindungskanal (18), durch den die Nebenabströmöffnung des Hauptventilraums (13) mit dem Abströmkanal (9) verbunden ist, und – einen zweiten Verbindungskanal (25) umfasst, über den der Druckraum (24) mit der unter dem Druck von mehr als 700 bar stehenden Flüssigkeit druckbeaufschlagbar ist, und – mit einer elektromagnetisch betätigbaren Stelleinrichtung (4), – die bei Beaufschlagung mit einem Stellsignal über den Stempel (21) den zweiten Ventilkörper (17) der Hauptventileinheit (2) aus seiner Schließstellung in eine Öffnungsstellung bewegt, in der druckbeaufschlagte Flüssigkeit aus dem Hauptventilraum (13) in den Verbindungskanal (18) strömt, wobei die Größe der Wirkfläche (23) des Stempels (21), die von der Stelleinrichtung (4) auf den Stempel (21) ausgeübte Stellkraft und die auf den zweiten Ventilkörper (17) von dem ihm zugeordneten elastischen Element (16) ausgeübte Kraft so aufeinander abgestimmt sind, dass beim Wegfall der von der Stelleinrichtung (4) ausgeübten Stellkraft das elastische Element (16) den zweiten Ventilkörper (17) gegen die auf den Stempel (21) wirkende, von der Flüssigkeit ausgeübten Druckkraft in dessen Schließstellung bewegt.
Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Verbindungskanal (25) vom ersten Verbindungskanal (18) abzweigend zu dem Druckraum (24) führt.
Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckraum (24) über den zweiten Verbindungskanal (25) unterbrechungsfrei mit dem Hauptventilraum (13) verbunden ist.
Ventil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptventilkörper (12) einen umlaufenden, seiner ersten Wirkfläche (27) zugeordneten Absatz aufweist, durch den bei in Schließstellung befindlichem Hauptventilkörper (12) im Bereich der Mündung der Versorgungsleitung im Hauptventilraum (13) ein ringförmig umlaufender erweiterter Raum (14) gebildet ist.
Ventil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptventilkörper (12) und der zweite Ventilkörper (17) durch dasselbe elastische Element (16) belastet sind.
Ventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Element (16) zwischen den Hauptventilkörper (12) und den zweiten Ventilkörper (17) gespannt ist.
Ventil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Element (16) jeweils eine Spiralfeder ist.
Ventil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptventilkörper (12) zylindrisch ausgebildet ist.
Ventil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptventilkörper (12) mit Spiel im Hauptventilraum (13) sitzt und der den der zweiten Wirkfläche des Hauptventilkörpers (12) zugeordneten Raum mit dem Zuströmkanal (8) verbindende Kanal durch den zwischen der Umfangsfläche des Ventilkörpers (12) und der Innenfläche des Innenraums verbleibenden Ringraum gebildet ist.
Ventil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Ventilkörper (17) eine Kugel ist.
Vorrichtung zum Ausbringen eines Hochdruckstrahles mit – einer Fördereinrichtung, die eine Flüssigkeit gegen einen Druck von mehr als 700 bar in eine Förderleitung fördert, – mit einem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgestatteten Ventil (1, 100), an dessen Zuströmkanal (8) die Förderleitung der Fördereinrichtung angeschlossen ist, und – mit mindestens einer Düse, die an den Abströmkanal (9) des Ventils (1, 100) angeschlossen ist.