DE19547222C2 - Servoventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Servoventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Insbesondere für Haushaltsgeräte werden in Wasserdruckleitungen vielfach sogenannte Servoventile eingesetzt. Derartige Ventile nutzen den Druck des jeweiligen Mediums, das in der durch das Servoventil zu verschließenden Druckleitung strömt, um den Ventilteller auf seinen Ventilsitz zu drücken bzw. von diesem abzuheben.

Die bekannten Servoventile sind hierfür mit einer Einlaßkammer, einer Servokammer, einer zwischen Einlaß- und Servokammer liegenden Membran sowie einem Ventilteller ausgestattet, der zum Öffnen bzw. Schließen der Verbindung zwischen Einlaßkammer und Ausgangskammer vorgesehen ist. Die Membran zwischen Einlaß- und Servokammer weist hierbei Öffnungen auf, so daß das entsprechende Medium, beispielsweise Wasser von der Einlaßkammer in die Servokammer fließen kann. Die Servokammer ist in der Regel über einen Kanal mit der Auslaßkammer verbunden, der seinerseits über einen Servoventilteller verschließbar ist. Über das Öffnen und Schließen des Kanals zwischen Auslaßkammer und Servokammer können die Drücke, die an dem Ventilteller an verschiedenen Flächen angreifen, so gesteuert werden, daß dieser von dem Druck des Druckmediums von seinem Ventilsitz abgehoben bzw. auf diesen aufgedrückt wird.

Ein derartiges Servoventil ist beispielsweise mit der WO 93/20 370 bekannt geworden. Bei dem dort veröffentlichten Servoventil ist der Ventilteller innerhalb der Servokammer mit einer Auskragung versehen, die sich bis in die Nähe von seitlichen, in axialer Richtung ausgerichteten Rippen erstreckt. Die Auskragung sowie die Rippen können als Führungsmittel verstanden werden, die größere Abweichungen des Ventiltellers aus seiner zentralen Lage vermeiden. Es handelt sich jedoch um eher ungenaue Führungsmittel, so daß der Ventilteller ein gewisses Spiel in radialer Richtung besitzt und insbesondere Kippbewegungen, d. h. Drehungen gegenüber der Ventilachse ausführen kann. Der Ventilteller führt keine vollständig definierte Bewegung aus. Während seiner Verschiebung in axialer Richtung können verschiedene Verdrehungen oder Verkippungen auftreten, so daß die Bewegungen des Ventiltellers nicht reproduzierbar sind.

Beim Schließen eines Ventils, beispielsweise in einer Druckwasserleitung bildet sich mit der Unterbrechung des Flüssigkeitsstroms stets ein mehr oder weniger großer Druckstoß aus. Dieser Druckstoß belastet die Ventile sowie das Leitungssystem. Die Druckspitzen während des dynamischen Verlaufs dieses Druckstoßes sollten einen bestimmten Maximaldruck nicht überschreiten, um die Belastungen der genannten Bauteile zu begrenzen. Diese Beschränkung des kurzzeitig auftretenden Maximaldrucks wird nicht zuletzt auch durch entsprechende Normen (z. B. durch eine VDE-Norm) gefordert.

Weiterhin ist zu beachten, daß durch undefinierte Bewegungen des Ventiltellers unerwünschte Belastungen der Membran auftreten können. Beim Verkippen des Ventiltellers wird die Membran bereichsweise stärker gewalkt, d. h. mechanisch stärker belastet, als bei einer reinen axialen Verschiebung. Die Lebensdauer einer solchen Membran wird daher durch eine undefinierte Ventiltellerbewegung beeinträchtigt. Deshalb ist man dazu übergegangen, den Ventilteller über einen Ventilzapfen mit axial ausgerichteten Gleitflächen in einer rohrförmigen Auslaßkammer unterhalb des Ventiltellers in axialer Richtung zu führen. Damit auch bei leicht angehobenem Ventilteller bereits eine ausreichende Flüssigkeitsmenge in die Auslaßkammer strömen kann, ist der Ventilzapfen in der Regel gerippt oder sonstwie mit Durchgängen versehen.

Bei einem Servoventil mit geführtem Ventilzapfen in der Auslaßkammer besteht jedoch der Nachteil, daß der Ventilzapfen aufgrund der konstruktiven Voraussetzungen (Flüssigkeitsdurchlässe, ausreichende Führung an der Wandung der Auslaßkammer) die Strömungsverhältnisse von der Einlaßkammer in die Auslaßkammer stört, d. h. es können Verwirbelungen oder dergleichen auftreten. Die oben angeführten nachteiligen Effekte eines herkömmlichen Ventilzapfens äußern sich insbesondere auch in störenden Strömungsgeräuschen.

Zudem verengt ein solcher Ventilzapfen den Strömungsquerschnitt zwischen Einlaßkammer und Auslaßkammer, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit des Druckmediums erhöht wird. Die unkontrollierten Strömungsverhältnisse sowie die durch den verengten Strömungsquerschnitt erhöhten Strömungsgeschwindigkeiten sorgen also für hohe Druckstöße beim Schließen des Ventils. Insbesondere die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit sorgt für einen starken Ansaugeffekt des Ventiltellers auf seinen Ventilsitz mit zunehmender Annäherung des Ventiltellers an den Ventilsitz. Durch diesen Ansaugeffekt wird das Ventil bei forgeschrittenem Schließvorgang ruckartig geschlossen. Weiterhin sorgen die engen Querschnitte zwischen den Rippen für Druckverluste in der Leitung hinter dem Ventil.

Die Erfindung hat daher die Aufgabe, ein Servoventil vorzuschlagen, bei dem die Dynamik des Druckstoßes während des Schließvorgangs reproduzierbar ist und der Druckstoß dementsprechend kontrolliert mit verminderten Maximaldrücken stattfindet.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Servoventil der einleitend genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindungen möglich.

Dementsprechend zeichnet sich ein erfindungsgemäßes Servoventil, bei dem die Führungsmittel innerhalb der Servokammer wenigstens ein feststehendes Führungselement und wenigstens ein mit dem Ventilteller bewegliches Gleitelement umfassen, dadurch aus, daß Berührungsstellen des Führungselementes und des Gleitelementes wenigstens in geöffneter Stellung des Ventiltellers sich soweit in axialer Richtung erstrecken, daß der Ventilteller gegen eine Verkippung aus seiner Achse gesichert ist.

Durch die Erstreckung, d. h. durch die Beabstandung oder Ausdehnung, der genannten Berührungsstellen in axialer Richtung wird eine Kippbewegung zuverlässig verhindert. Je größer diese Beabstandung oder Ausdehnung der Berührungsstellen ist, desto besser ist die axiale Führung des Ventiltellers.

Durch eine zuverlässig geführte axiale Hin- und Herbewegung des Ventiltellers ohne Kippbewegungen aus seiner Achse heraus ist eine definierte und reproduzierbare Bewegung gewährleistet. Hierdurch wird zum einen die Lebensdauer der Membran deutlich erhöht. Zum anderen kann aufgrund der reproduzierbaren Bewegungen, die unabhängig von der Form des Ventilzapfens durchgeführt werden, der Ventilsitz und/oder der Ventilzapfen im Hinblick darauf ausgebildet werden, daß der Druckstoß beim Schließen des Ventils kontrolliert und mit vermindertem Druckmaximum stattfindet.

Weiterhin ist mit erfindungsgemäßen Führungsmitteln ein größerer Hub möglich, da die Güte der Führung mit zunehmender Öffnung des Ventils zunimmt. Durch einen größeren Hub kann ein größerer Leitungsquerschnitt freigegeben werden. Andererseits besteht keine zwingende Notwendigkeit mehr für einen Ventilzapfen, so daß dieser beliebig ausgestaltet werden kann, sofern er überhaupt vorgesehen wird. Es ist also auch möglich, bei kleinerem Hub gegenüber dem Stand der Technik mit geripptem Ventilzapfen einen ausreichenden Leitungsquerschnitt freizugeben. Ein kleinerer Hub bedeutet jedoch ein geringere mechanische Belastung und somit wiederum eine größere Lebensdauer der Membran.

Durch die Anordnung der Führungsmittel in der Servokammer, befindet sich die Führung in einem strömungsberuhigten Bereich des Ventils, wodurch die Verschmutzungsgefahr herabgesetzt und die Betriebssicherheit erhöht wird.

Die Beabstandung oder Ausdehnung der Berührungspunkte von Führungselement und Gleitelement in axialer Richtung läßt sich in vorteilhafter Weise dadurch realisieren, daß das Gleitelement und/oder das Führungselement eine Gleitfläche bzw. eine Führungsfläche umfassen. Eine sehr gute axiale Führung läßt sich bevorzugt dadurch erzielen, daß sowohl das Gleitelement als auch das Führungselement jeweils eine Fläche, d. h. eine Gleitfläche bzw. Führungsfläche, umfassen, die eine gewisse axiale Ausdehnung aufweisen. Während der Bewegung des Ventiltellers gleitet dann die Gleitfläche auf der Führungsfläche, wobei sich durch die axiale Erstreckung beider Flächen eine Kippsicherung ergibt.

Denkbar wäre jedoch beispielsweise auch, daß die Führungsfläche des Führungselementes als Zylindermantelfläche ausgebildet ist und das Gleitelement mit mehreren axial voneinander beabstandeten Ringvorsprüngen in dem Führungselement gleitet. Auch die umgekehrte Ausgestaltung wäre möglich, d. h. das Gleitelement könnte die achsenparallele Fläche aufweisen, während das Führungselement axial voneinander beabstandete Führungsbereiche, z. B. in Form entsprechender Vorsprünge, aufweist. Wesentlich ist die kippstabile axiale Führung des Gleitelements am Führungselement und somit auch des Ventiltellers in der Servokammer.

Vorzugsweise wird die Führungs- und/oder Gleitfläche wie bereits angedeutet zylinderförmig ausgebildet. So kann beispielsweise das Führungselement als Führungsbuchse mit einem rohrförmig angesetzten Führungsstutzen gebildet werden. Das Gleitelement ist in diesem Fall bevorzugt als rohrförmig an den Ventilteller angesetzter Gleitstutzen ausgebildet, der den Führungsstutzen durchsetzt. Die innere Mantelfläche des Führungsstutzens wäre in diesem Fall die Führungsfläche, wohingegen die äußere Mantelfläche des Gleitstutzens als Gleitfläche dient.

Denkbar wäre auch die umgekehrte Bauform, d. h. der Führungsstutzen kann den Gleitstutzen durchsetzen. In diesem Fall würde die innere Mantelfläche des Gleitstutzens als Gleitfläche dienen, während die äußere Mantelfläche des Führungsstutzens die Führungsfläche bildet. Sowohl Führungsfläche als auch Gleitfläche müssen keineswegs durchgehend zylinderförmig sein. Ohne weiteres könnte beispielsweise zur Verminderung von Reibung eine oder beide Flächen mit Längsrippen bzw. -nuten versehen werden.

Für den Betrieb des Servoventils ist es notwendig, daß der Servoventilsitz des Ventiltellers einem Servodichtkörper zugänglich ist. Dieser ist in der Regel mit einem Anker verbunden, der über eine Erregerspule angezogen bzw. abgeworfen wird. Bei der wie oben dargestellt teleskopartig ineinander schiebbaren Anordnung zwischen Gleitstutzen und Führungstutzen empfiehlt es sich daher, den Durchgang für den Anker mit dem Servoventilteller in dem jeweils inneren Bauteil vorzusehen.

Wie bereits erwähnt, können bei einem erfindungsgemäßen Servoventil Auslaßkammer und Ventilzapfen im Hinblick auf einen Druckstoß mit vorteilhaftem Druckverlauf angepaßt werden. Hierzu wird bevorzugt der Ventilzapfen sowie die Auslaßkammer mit rundem Querschnitt ausgebildet. Somit ergibt sich beim Abheben des Ventiltellers von seinem Ventilsitz ein Ringspalt zwischen Ventilzapfen und Auslaßkammer. Dieser Ringspalt ist strömungsmäßig erheblich günstiger, als die Rippenanordnung bekannter Ventilzapfen, die zugleich als Führungselement dienen müssen. Insbesondere kann die Strömungsgeschwindigkeit und der oben angeführte Ansaugeffekt auf den Ventilteller bei fortgeschrittenem Schließvorgang deutlich reduziert werden. Auch die oben angeführten Druckverluste und Strömungsgeräusche bei offenem Ventil werden weitgehend vermieden.

Vorteilhafterweise wird der Ventilzapfen außerdem mit einem sich verjüngendem Querschnitt ausgestattet. Denkbar wäre hierbei beispielsweise eine zumindest teilweise konische Form. Hierdurch wird der Querschnitt des Ringspalts zwischen Einlaßkammer und Auslaßkammer bei Absenken des Ventiltellers allmählich geschlossen. Mit dem allmählichen Schließen dieses Ringspaltes kann sich ein Druck auf der Seite der Einlaßkammer allmählich aufbauen. Beim entgültigen Aufsitzen des Ventiltellers auf seinem Ventilsitz ergibt sich somit ein dynamischer Verlauf des Druckstoßes mit deutlich verminderten Druckspitzen.

Durch die Verlagerung der Führung des Ventiltellers in die Servokammer sind der konstruktiven Gestaltung des Ventilzapfens keine Grenzen gesetzt. Ebenso kann die Auslaßkammer in Verbindung mit dem Ventilzapfen im Hinblick auf ein optimales Schließverhalten des Ventils optimiert werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Im einzelnen zeigen

Fig. 1 eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Servoventils im Schnitt in geöffneter Stellung,

Fig. 2 eine Darstellung gemäß Fig. 1 in geschlossenem Zustand und

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform der Erfindung.

Das Servoventil 1 gemäß Fig. 1 umfaßt ein Ventilgehäuse 2 mit einer Einlaßkammer 3 sowie einer Auslaßkammer 4. Oberhalb der Auslaßkammer 4 befindet sich ein Ventilteller 5, an dem eine Membran 6 befestigt ist. Die Membran 6 geht in eine innere Ringdichtung 7 sowie in eine äußere Ringdichtung 8 über. Die innere Ringdichtung 7 dichtet die Einlaßkammer 3 gegenüber der Auslaßkammer 4 ab, sobald der Ventilteller abgesenkt wird (s. insbesondere Fig. 2). Die äußere Ringdichtung 8 fixiert ebenfalls die Membran 6 und dichtet das Gehäuse 2 gegenüber einer Führungsbuchse 9 ab. Die Führungsbuchse 9 umfaßt einen Führungsstutzen 10, der in seinem Inneren einen Durchgang 11 für einen Anker 12 mit daran befestigtem Servoventilteller 13 aufweist (s. Fig. 2).

Der Führungsstutzen 10 durchsetzt einen Gleitstutzen 14, der als Gleitelement an den Ventilteller 5 angesetzt ist. Die Berührungsflächen des Gleitstutzens 14 mit dem Führungsstutzen 10 bilden die Gleitfläche 15 und die Führungsfläche 16. Der Gleitstutzen 14 ist an seinem Außenumfang mit einem Ringanschlag 17 versehen, der an einer Anschlagschulter 18 der Führungsbuchse 9 bei maximal geöffnetem Ventil anschlägt.

Der Ventilteller 5 weist eine Außenform an, an die sich die Membran 6 in geschlossenem Zustand des Ventils (Fig. 2) anschmiegt. Sowohl die Membran 6 als auch der Ventilteller 5 der Gleitstutzen 14 sind mit nicht näher eingezeichneten Durchlässen versehen, so daß das Innere des Gleitstutzens 14 einen Teil einer Servokammer 19 bildet, die den gesamten Raum oberhalb der Membran 6 umfaßt. Der Ventilteller 5 ist weiterhin mit einem Kanal 20 versehen, der die Servokammer 19 mit der Auslaßkammer 4 verbindet. In der Auslaßkammer 4 ist ein Ventilzapfen 21 am Ventilteller 5 angebracht.

Um den Übergang der geöffneten Stellung gemäß Fig. 1 in die geschlossene Stellung gemäß Fig. 2 durchzuführen, wird der Servoventilteller 13 auf den Servoventilsitz 22 gedrückt, so daß der Kanal 20 verschlossen wird. Hierdurch baut sich in der Servokammer 19 ein entsprechender Druck auf, der dazu führt, daß der Ventilteller 5 auf seinen Hauptventilsitz 23 gedrückt wird. Hierbei fährt der Gleitstutzen 14 vom Führungsstutzen 10 herunter. Dementsprechend nimmt die Güte der axialen Führung zwischen Gleitstutzen und Führungsstutzen mit zunehmender Absenkung des Ventiltellers 5 ab. Zugleich wird jedoch über den Ventilzapfen 21 ein guter axial ausgerichteter Sitz des Ventiltellers 5 gewährleistet.

Das Ventil wird in umgekehrter Zeitfolge geöffnet. Der Servoventilteller 13 wird von seinem Servoventilsitz 23 abgehoben, wodurch sich eine Strömung von der Einlaßkammer 3 über die Servokammer 19 in die Auslaßkammer 4 ergibt. Durch den entsprechenden Druckabfall in der Servokammer 19 ist der in der Einlaßkammer 3 vorhandene Druck des Mediums beispielsweise von Wasser, in der Lage, den Ventilteller 5 anzuheben.

Sowohl während des Schließens als auch während des Anhebens des Ventiltellers 5 wird allmählich ein Ringspalt 24 zwischen Ventilzapfen 21 und der Wandung der Auslaßkammer 4 geschlossen bzw. geöffnet. Durch diesen zeitlichen Verlauf der Querschnittsänderung des Ringspalt 24 läßt sich der Druckstoß beim Schließen des Ventils maßgeblich beeinflussen. Insbesondere herrschen nunmehr kontrollierte Strömungsverhältnisse, da störende Rippen wie beispielsweise bei einem Ventilzapfen nach dem Stand der Technik üblich, nicht mehr notwendig sind.

Mit dem Öffnen des Ventils nimmt die Güte der axialen Führung zwischen Gleitstutzen und Führungsstutzen zu, während der Ventilzapfen 21 die Wandung der Auslaßkammer 4 freigibt.

In der Ausführung gemäß Fig. 3 ist der Gleitstutzen 25 im Innern des Führungsstutzens 26 angeordnet. Zur Verbesserung der kippsicheren axialen Führung ist eine zusätzliche Auskragung 27 am Ventilteller 5 vorgesehen, die an einem äußeren Führungsring 28 anliegt. In dieser Ausführung ist der Ventilteller 5 somit doppelt geführt. Führungsstutzen und Gleitstutzen 25, 26 bilden eine innere Führung, während die Auskragung 27 mit dem Führungsring 28 eine äußere Führung bilden.

Weitere Ausführungsbeispiele für eine kippsichere axiale Führung des Ventiltellers in der Servokammer 19 sind im Rahmen der Erfindung denkbar. Wesentlich ist jedoch, daß die Berührungsstellen zwischen Führungselementen 10, 14, 25, 26 bzw. 27, 28 wenigstens in der geöffneten Stellung des Ventiltellers 5 sich soweit in axialer Richtung erstrecken, daß der Ventilteller ausreichend gegen eine Verkippung gesichert ist.

Bezugszeichenliste

1

Servoventil

2

Ventilgehäuse

3

Einlaßkammer

4

Auslaßkammer

5

Ventilteller

6

Membran

7

innere Ringdichtung

8

äußere Ringdichtung

9

Führungsbuchse

10

Führungsstutzen

11

Durchgang

12

Anker

13

Servoventilteller

14

Gleitstutzen

15

Gleitfläche

16

Führungsfläche

17

Ringanschlag

18

Anschlagschulter

19

Servokammer

20

Kanal

21

Ventilzapfen

22

Servoventilsitz

23

Hauptventilsitz

24

Ringspalt

25

Gleitstutzen

26

Führungsstutzen

27

Auskragung

28

Führungsring

Claims (5)

1. Servoventil (1) mit einer Einlaßkammer (3), einer Servokammer (19), einer zwischen Einlaß- (3) und Servokammer (19) liegenden Membran (6) einem Ventilteller (5) zum Öffnen und Schließen der Verbindung zwischen der Einlaßkammer (3) und einer Auslaßkammer (4), wobei in der Servokammer (19) Führungsmittel (10, 14) zur Führung des Ventiltellers (5) vorgesehen sind und die Führungsmittel (10, 14) wenigstens ein feststehendes Führungselement (10) und wenigstens ein mit dem beweglichen Ventilteller (5) verbundenes Gleitelement (14) umfassen, das entlang dem Führungselement (10) gleitet, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleitelement (14) und das Führungselement (10) beim Öffnen des Ventils ineinander schiebbar sind und einen Durchlaß für den Servoventilteller (13) bzw. ein den Servoventilteller (13) tragendes Bauelement (12) aufweisen und daß ein beim Schließen des Ventils in die Auslaßkammer (4) einschiebbarer Ventilzapfen (21) mit einer Querschnittsverjüngung in Strömungsrichtung vorgesehen ist, der wenigstens bei geschlossenem Ventil wenigstens teilweise an der Wandung der Auslaßkammer (4) anliegt.

2. Servoventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die das Gleitelement (14) berührenden Bereiche des Führungselementes (10) wenigstens teilweise eine axial ausgerichtete Führungsfläche (16) umfassen.

3. Servoventil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die das Führungselement (10) berührenden Bereiche des Gleitelementes (14) wenigstens teilweise eine axial ausgerichtete Gleitfläche (15) umfassen.

4. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungs- (16) und/oder Gleitfläche (15) zylinderförmig ausgebildet ist.

5. Servoventil nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilzapfen (21) einen runden Querschnitt aufweist.