DE19823160B4

DE19823160B4 - Ventildichtungsmechanismus

Info

Publication number: DE19823160B4
Application number: DE19823160A
Authority: DE
Inventors: Taku Yawara Tomita; Mitsutoshi Yawara Araki; Naoyuki Yawara Yasuda
Original assignee: SMC Corp
Current assignee: SMC Corp
Priority date: 1997-05-27
Filing date: 1998-05-23
Publication date: 2008-03-13
Anticipated expiration: 2018-05-24
Also published as: KR100270294B1; GB2327740A8; GB9811379D0; DE19823160A1; US6039071A; CN1081766C; GB2327740A; TW413719B; CN1201876A; GB2327740B; JP3796006B2; KR19980087414A; GB2327740A9; JPH10332041A

Abstract

Ventildichtungsmechanismus (174, 190) mit:
einem Paar von Sitzen (176, 192),
einem Dichtelement (214) aus einem elastomeren Material, wobei das Paar von Sitzen (176, 192) und das Dichtelement (214) selektiv relativ zueinander verschiebbar sind, so daß sie an dem einen oder dem anderen Sitz des Paares von Sitzen (176 oder 192) anliegen, um einen Anschluß (162, 166) von einem anderen Anschluß (164) zu trennen,
wobei das Paar von Sitzen (176, 192) jeweils einen Steg (178, 194) zum Pressen und elastischen Deformieren des Dichtelementes (214) zur Schaffung einer Abdichtung dazwischen aufweist und eine Vielzahl von Haltern (181a bis 181d, 198a bis 198d), die mit dem Dichtelement (214) in Eingriff bringbar sind und jeweilige Anschlagflächen (182a bis 182d, 199a bis 199d) aufweisen, die zum Anliegen gegen das Dichtelement (214) positioniert sind,
wobei die Anschlagflächen (182a bis 182d, 199a bis 199d) von dem Steg (178, 194) relativ zu dem Dichtelement...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Ventildichtungsmechanismus, mit dem eine Abdichtung zwischen zwei Anschlußöffnungen einer Fluiddruckvorrichtung geschaffen wird, wenn die Fluidverbindung zwischen den Anschlüssen unterbrochen wird.
Bisher werden Ventildichtungsmechanismen in Fluiddruckvorrichtungen, wie Druckreduzierventilen oder dergleichen, verwendet.
7 der beigefügten Zeichnung zeigt ein Druckreduzierventil 10, das einen herkömmlichen Ventildichtungsmechanismus aufweist. Das Druckreduzierventil 10 weist ein Ventilgehäuse 18 mit darin ausgebildeten Primär- und Sekundäranschlüssen 12, 14, eine an einem oberen Ende des Ventilgehäuses 18 befestigte Kappe 22 und einen Handgriff 24 auf, der drehbar an einem oberen Ende der Kappe 22 gehalten ist.
Eine Ventilführung 20 ist in ein unteres Ende des Ventilgehäuses 18 eingesetzt und weist eine Ausnehmung 26 auf, in die ein Ventilkörper 28 gleitend eingesetzt ist. Der Ventilkörper 28 wird durch eine Schraubenfeder 30 elastisch an der Ventilführung 20 gehalten. Ein ringförmiges Dichtungspolster 32 aus elastischem Material ist an einem oberen Ende des Ventilkörpers 28 angeordnet. Der Ventilkörper 28 trägt einen stangenförmigen Stab 34, der zentral an seinem oberen Ende befestigt ist. Der Stab 34 hat ein konisches oberes Ende.
Das Ventilgehäuse 18 weist eine darin ausgebildete, in Verbindung mit dem Sekundäranschluß 14 stehende Kammer 36 auf, durch die sich der Stab 34 erstreckt. Die Kammer 36 wird durch eine im wesentlichen zylindrische Wand gebildet, deren unteres Ende einen Sitz 38 aufweist, der mit dem Dichtungspolster 32 in Eingriff treten kann. Wie in 8 der beigefügten Zeichnung dargestellt ist, weist der Sitz 38 eine äußere Wandfläche auf, die radial nach innen in der durch den Pfeil A angedeuteten Richtung geneigt ist, und eine innere Wandfläche, die die Kammer 36 bildet und in der durch den Pfeil A angedeuteten Richtung nach außen geneigt ist. Somit wird der Sitz 38 zu seiner unteren Spitze hin zunehmend dünner. Wie in 7 dargestellt ist, ist eine Membran 40 zwischen dem Ventilgehäuse 18 und der Kappe 22 festgeklemmt. Die Membran 40 und eine in dem oberen Ende des Ventilgehäuses 18 ausgebildete Aussparung legen gemeinsam eine Membrankammer 42 fest, die über einen Durchgang 43 mit dem Sekundäranschluß 14 in Verbindung steht. Ein Membranhalter 44 ist zentral an der Membran 40 befestigt und weist eine darin zentral ausgebildete Durchgangsöffnung 46 auf. Die zentrale Durchgangsöffnung 46 umfaßt eine sich nach unten erweiternde konische Öffnung 48, die durch das konische obere Ende des Stabes 34 verschlossen wird.
Ein Federsitz 45 ist an einer oberen Fläche der Membran 40 um den Membranhalter 44 herum befestigt. Eine Druckregulierfeder 50 weist ein unteres Ende auf, das auf dem Federsitz 45 aufsitzt, und ein oberes Ende, das auf einer Mutter 52 aufsitzt, die auf eine an dem Handgriff 24 befestigte Schraube 54 geschraubt ist. Wenn der Handgriff 24 gedreht wird, wird die Mutter 52 in der durch den Pfeil A oder B angedeuteten Richtung axial verschoben.
Wenn der Druck eines Fluids in dem Sekundäranschluß 14 des Druckreduzierventiles 10 auf einem voreingestellten Druck P₂ gehalten wird, tritt die Spitze des Sitzes 38 in das Dichtpolster 32 ein und deformiert dieses elastisch, wodurch eine Abdichtung zwischen dem Sitz 38 und dem Dichtungspolster 32 gebildet wird (vgl. 8). Dadurch werden die Primär- und Sekundäranschlüsse 12, 14 voneinander getrennt. Es wird angenommen, daß die Spitze des Sitzes 38 um eine Strecke L in das Dichtungspolster 32 eintritt.
Wenn der Fluiddruck in dem Sekundäranschluß 14 von dem Druck P₂ um ΔP abfällt, sinkt der Druck in der Membrankammer 42, wodurch die Membran 40 in der durch den Pfeil A angedeuteten Richtung verschoben wird, wie es in 9 der beigefügten Zeichnung dargestellt ist. Der Stab 34 und damit der Ventilkörper 28 werden entgegen der Vorspannung der Schraubenfeder 30 um eine Strecke ΔL in Richtung des Pfeiles A verschoben, woraufhin der Primäranschluß 12 mit der Kammer 36 in Verbindung tritt und das Fluid von dem Primäranschluß 12 zu dem Sekundäranschluß 14 fließen kann.
Wenn der Fluiddruck in dem Sekundäranschluß 14 auf den Druck P₂ ansteigt, erhöht sich der Druck in der Membrankammer 42, wodurch die Membran 40 in der durch den Pfeil B angedeuteten Richtung verschoben wird. Der Sitz 45 steigt und der Stab 34 wird in Richtung des Pfeiles B verschoben. Als Folge hiervon wird das Dichtungspolster 32, wie in 8 dargestellt, gegen den Sitz 38 gehalten, der in das Dichtungspolster 32 eintritt und dieses elastisch deformiert. Dadurch werden die Primär- und Sekundäranschlüsse 12, 14 voneinander getrennt.
Die Strecke L, um die der Sitz 38 in das Dichtungspolster 32 eintritt, variiert in Abhängigkeit verschiedener Einflüsse, einschließlich der Härte des Dichtungspolsters 32, der Last auf der Schraubenfeder 30 (der Kraft, die auf die Schraubenfeder 30 aufgebracht wird, wenn das Dichtungspolster 32 gegen den Sitz 38 gehalten wird) und der Oberflächengestaltung des Sitzes 38. Wenn die Strecke L variiert, variiert auch der Abfall ΔP des Druckes in dem Sekundäranschluß 14, der erforderlich ist, um den Sitz 38 von dem Dichtungspolster 32 abzuheben. Dies führt zu einer Änderung des Fluiddurchflußrate in dem Druckreduzierventil 10. Wenn eine Vielzahl von Druckreduzierventilen 10 hergestellt wird, ist es schwierig, diese auf einem konstanten Qualitätsniveau zu halten. Dementsprechend ist es auch schwierig, Fluiddrucksysteme, die derartige Druckreduzierventile 10 enthalten, auf einem konstanten Qualitätsniveau zu halten.
Weiter ist aus der DE 195 16 885 C1 ein Pneumatikventil bekannt, welches zwei Ventilsitze aufweist, die von einem Anker mit zwei Dichtplatten aus einem Elastomermaterial verschließbar sind. Jeder Ventilsitz ist durch einen ringförmigen Vorsprung gebildet, der von einer Ringnut und einer Stirnfläche umgeben ist. Die Dichtplatten können kreisförmig gestaltet in Ausnehmungen des Ankers aufgenommen sein oder zusammen mit einem eine Axialbohrung durchsetzenden Steg in den Anker einvulkanisiert sein.
Es ist demgegenüber eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Ventildichtungsmechanismus zu schaffen, mit dem es möglich ist, Fluiddruckeinrichtungen, die einen solchen Ventildichtungsmechanismus aufweisen, auf einem konstanten Qualitätsniveau zu halten.
Diese Aufgabe wird mit einem Ventildichtungsmechanismus nach Anspruch 1 gelöst.
Vorzugsweise ist an dem Sitz ein Steg vorgesehen, der in ein Dichtungspolster eintritt, um eine Abdichtung zu schaffen und dadurch zwei Anschlüsse voneinander zu trennen. Anschlagflächen von an dem Sitz vorgesehenen Haltern liegen gegen das Dichtungspolster an, um zu bewirken, daß der Steg um eine im wesentlichen konstante Strecke in das Dichtungspolster eintreten kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind der Steg und die Halter an dem Sitz voneinander durch eine Nut getrennt, die durch zwischen den Haltern ausgebildete Nuten in Verbindung mit einem Anschluß gehalten wird, um dadurch eine konstante Dichtungsfläche zu schaffen und eine konstante Fluiddurchflußrate zu erreichen.
Es ist Bestandteil der erfindungsgemäßen Lösung, einen Druckreduziermechanismus oder ein solenoidbetätigtes Ventil zu schaffen, das einen Ventildichtungsmechanismus, mit konstanter Qualität und langer Lebensdauer aufweist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
Es zeigen:
1 einen Längsschnitt durch ein herkömmliches Druckreduzierventil, das einen Ventildichtungsmechanismus aufweist,
2 eine vergrößerte perspektivische Teilansicht eines Sitzes des Druckreduzierventils gemäß 1,
3 einen vergrößerten Teilschnitt des Ventildichtungsmechanismus in dem Druckreduzierventil gemäß 1,
4 einen Längsschnitt, der darstellt, wie das Druckreduzierventil gemäß 1 funktioniert,
5 einen Längsschnitt eines solenoidbetätigten Ventiles, das einen Ventildichtungsmechanismus gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist,
6 einen vergrößerten Teilschnitt des Ventildichtungsmechanismus in dem solenoidbetätigten Ventil gemäß 5,
7 einen Längsschnitt eines Druckreduzierventils mit einem herkömmlichen Ventildichtungsmechanismus,
8 einen vergrößerten Teilschnitt des Ventildichtungsmechanismus in dem Druckreduzierventil gemäß 7, und
9 einen Teilschnitt, der die Funktion des Druckreduzierventils gemäß 7 zeigt.
Wie in 1 dargestellt ist, weist ein Druckreduzierventil 70 mit einem Ventildichtungsmechanismus 82 ein Ventilgehäuse 76 mit darin ausgebildeten Primär- und Sekundäranschlüssen 72, 74, eine an einem oberen Ende des Ventilgehäuses 76 befestigte Kappe 77 und einen Handgriff 78 auf, der drehbar an einem oberen Ende der Kappe 77 gehalten ist.
Das Ventilgehäuse 76 weist eine darin ausgebildete Kammer 80 auf, die mit dem Sekundäranschluß 74 in Verbindung steht. Die Kammer 80 wird durch eine im wesentlichen zylindrische Wand gebildet, deren unteres Ende einen Sitz 84 des Ventildichtungsmechanismus 82 aufweist. Wie in den 2 und 3 dargestellt ist, weist der Sitz 84 einen inneren ringförmigen Steg 86 auf, dessen untere Spitze einen gekrümmten Querschnitt aufweist, eine ringförmige Nut 88, die den ringförmigen Steg 86 umgibt, und eine Vielzahl von Haltern 89a bis 89d, die um die ringförmige Nut 88 angeordnet und winklig um gleiche Umfangsabstände beabstandet sind. Die Halter 89a bis 89d weisen jeweils untere Flächen auf, die als Anschlagflächen 90a bis 90d dienen. Die Halter 89a bis 89d sind winklig durch dazwischen angeordnete Nuten 92a bis 92d beabstandet. Die Anschlagflächen 90a bis 90d sind ebenfalls winklig durch die Nuten 92a bis 92d beabstandet und axial in Richtung des Pfeiles A von dem Steg 86 zurückversetzt.
Wie in 1 dargestellt ist, weist das Ventilgehäuse 76 eine Öffnung 94 auf, die in seinem unteren Ende unterhalb des Sitzes 84 ausgebildet ist und in Verbindung mit der Kammer 80 gehalten wird. Die Öffnung 94 wird durch eine zylindrische Wand gebildet, die ein Innengewinde aufweist. Eine Ventilführung 96 ist in die Öffnung 94 eingeschraubt und weist eine Ausnehmung 98 auf, in der ein Ventilkörper 102 gleitend eingesetzt ist. Der Ventilkörper 102 weist ein rohrförmiges Element 103 und ein einstückig mit einem oberen Ende des rohrförmigen Elements 103 ausgebildetes Ventilelement 105 auf. Eine Schraubenfeder 100 weist ein oberes Ende auf, das gegen ein unteres Ende des Ventilelements 105 gehalten wird, und ein unteres Ende, das auf einer unteren Oberfläche der Ausnehmung 98 aufsetzt. Der Ventilkörper 102 wird normalerweise durch die Schraubenfeder 100 in Richtung des Pfeiles B nach oben gedrückt.
Wie in 3 dargestellt ist, ist ein ringförmiges Dichtungspolster 106 aus einem elastomeren Material, wie Gummi, in einen ringförmigen Schlitz 104 eingesetzt, der in einer oberen Fläche des Ventilelements 105 ausgebildet ist. Der ringförmige Schlitz 104 wird durch eine Wand 107 mit einem schwalbenschwanzförmigen Querschnitt gebildet. Das Dichtungspolster 106 weist eine abgeschrägte Fläche 109 auf, die an der Wand 107 angreift. Das Dichtungspolster 106 wird dadurch gegen Entfernung in dem ringförmigen Schlitz 104 gehalten. Das Dichtungspolster 106 kann in und außer Eingriff mit dem Sitz 84 gebracht werden. Wie in 1 dargestellt ist, weist ein stangenförmiger Stab 108 ein unteres Ende auf, das zentral an dem Ventilelement 105 befestigt ist, und ein oberes konisches Ende 110, das nach oben hin einen zunehmend kleineren Durchmesser aufweist.
Eine Membran 114 ist zwischen dem Ventilgehäuse 76 und der Kappe 77 festgeklemmt, wobei die Membran 114 und eine in dem oberen Ende des Ventilgehäuses 76 ausgebildete Aussparung gemeinsam eine Membrankammer 116 festlegen, die durch einen Durchgang 118 mit dem Sekundäranschluß 74 in Verbindung steht. Erste und zweite Membranhalter 120, 122, die die Membran 114 halten, sind jeweils zentral an unteren bzw. oberen Flächen der Membran 114 befestigt.
Der erste Membranhalter 120, der die untere Fläche der Membran 114 hält, weist ein zylindrisches Element 124 auf, das in eine in der Membran 114 ausgebildete zentrale Öffnung eingesetzt ist und nach oben von der Membran 114 vorsteht, und einen Flansch 126, der sich radial nach außen von einem unteren Ende des zylindrischen Elements 124 erstreckt und gegen die untere Fläche der Membran 114 gehalten wird. Das zylindrische Element 124 weist eine darin durch eine Wand gebildete zentrale Öffnung 128 auf, die eine sich nach unten erweiternde konische Fläche 130 aufweist. Die Öffnung 128 ist geschlossen, wenn das obere konische Ende 110 des Stabes 108 auf der konischen Fläche 130 aufsetzt. Die Wand, die die Öffnung 128 festlegt, umfaßt auch eine sich nach oben erweiternde konische Fläche.
Der zweite Membranhalter 122, der die obere Fläche der Membran 114 hält, weist ein zylindrisches Element 132 auf mit einer Öffnung, in die das zylindrische Element 124 eingesetzt ist, und einen Flansch 134, der sich von einem unteren Ende des zylindrischen Elements 132 radial nach außen erstreckt und gegen die obere Fläche der Membran 114 gehalten wird. Die Membran 114 ist sandwichartig zwischen den Flanschen 126, 134 der ersten und zweiten Membranhalter 120, 122 aufgenommen.
Eine Druckregulierfeder 136 weist ein unteres Ende auf, das auf dem Flansch 134 aufsetzt, und ein oberes Ende, das auf einer Mutter 138 aufsetzt, die auf eine zentral an dem Handgriff 78 befestigte Schraube 140 aufgeschraubt ist. Wenn der Handgriff 78 und die Schraube 140 gemeinsam gedreht werden, wird die Mutter 138 in Richtung der Pfeile A oder B axial verschoben.
Eine Entlastungsöffnung 144 ist in dem oberen Ende des Ventilgehäuses 76 ausgebildet, um ein Fluid aus dem Ventilgehäuse 76 abzulassen.
Das Druckreduzierventil 70 funktioniert wie folgt:
Eine Druckluftquelle (nicht dargestellt) wird an den Primäranschluß 72 angeschlossen und eine gewünschte Fluiddruckvorrichtung (nicht dargestellt), beispielsweise ein Pneumatikzylinder, wird an den Sekundäranschluß 74 angeschlossen. Der Handgriff 78 wird in eine Richtung gedreht, um einen Druckluftdruck einzustellen, der der Druckfluidvorrichtung zugeführt werden soll. Insbesondere werden in 1 der Handgriff 78 und die Schraube 140 gemeinsam gedreht, um die Mutter 138 in der Richtung des Pfeiles A axial zu verschieben, wobei die Feder 136 zusammengedrückt wird, um die Membran 114 in Richtung des Pfeiles A zu pressen. Der Stab 108 und der Ventilkörper 102 werden ebenfalls in Richtung des Pfeiles A verschoben, bis, wie in 4 dargestellt, das Dichtungspolster 106 um eine Strecke von dem Sitz 84 beabstandet ist. Die Primär- und Sekundäranschlüsse 72, 74 stehen nun miteinander in Verbindung.
Anschließend wird die Druckluftquelle aktiviert, um unter Druck stehende Luft von dem Primäranschluß 72 in das Druckreduzierventil 70 einzuführen. Die zugeführte unter Druck stehende Luft fließt durch die Kammer 80 in den Sekundäranschluß 74, von dem sie der Druckfluideinrichtung zugeführt wird. Ein Teil der dem Sekundäranschluß 74 zugeführten Druckluft fließt durch den Durchgang 118 in die Membrankammer 116 und erzeugt eine Kraft, um die Membran 114 in Richtung des Pfeiles B zu pressen. Die Membran 114 wird gemeinsam mit dem Stab 108 verschoben, wodurch der Ventilkörper 102 in Richtung des Pfeiles B verschoben wird, bis die auf die Membran 114 wirkende Kraft und die Vorspannung der Feder 136 in Gleichgewicht miteinander gebracht werden.
Wenn der Fluiddruck in dem Sekundäranschluß 74 bis zu einem bestimmten Niveau aufgebaut ist, wird der Ventilkörper 102 weiter in Richtung des Pfeiles B verschoben. Wie in den 1 und 3 dargestellt ist, liegt das Dichtungspolster 106 gegen den Sitz 84 an, um hierzwischen eine Abdichtung herzustellen und die Verbindung zwischen den Primär- und Sekundäranschlüssen 72, 74 zu unterbrechen.
Im einzelnen tritt der Steg 86 an dem Ende des Sitzes 84 in das Dichtungspolster 106 ein und deformiert dieses elastisch, um die Verbindung zwischen den Primär- und Sekundäranschlüssen 72, 74 zu unterbrechen. Bei weiterer Verschiebung des Ventilkörpers 102 in Richtung des Pfeiles B schlagen die Anschlagflächen 90a bis 90d der Halter 89a bis 89d an dem Dichtungspolster 106 an. Da die Anschlagflächen 90a bis 90d an dem Dichtungspolster 106 auf einer großen Fläche anliegen, wird das Dichtungselement 106 nicht deformiert, wenn es durch die Anschlagflächen 90a bis 90d gepreßt wird, und der Steg 86 wird daran gehindert, weiter in das Dichtungspolster 106 einzutreten.
Zu diesem Zeitpunkt tritt der Steg 86 um eine Strecke i in das Dichtungspolster 106 ein. Da die Strecke i von der Genauigkeit abhängt, mit welcher der Sitz 84 bearbeitet wurde, unterscheidet sich die Strecke i nicht in großem Maße von Sitz zu Sitz. Demensprechend haben die Druckreduzierventile 70, selbst wenn sie in großen Stückzahlen produziert werden, eine im wesentlichen konstante Strecke i.
Ein dynamischer Gleichgewichtszustand oder Äquilibrium, das zwischen den Kräften in dem Druckreduzierventil 70 erreicht wird, wird nachfolgend beschrieben.
Eine Fläche, über die der Druck des Fluids auf die Membran 114 aufgebracht wird, d.h. eine effektive Druckaufnahmefläche Ad, wird ausgedrückt durch: Ad = π × {(Dd + Da)/2}2/4 (1)wobei Dd der Innendurchmesser einer wand ist, die die Membrankammer 116 bildet, und Da der Außendurchmesser des zweiten Membranhalters 122 (vgl. 4). Eine Ventildichtungsfläche Av ist eine Fläche der oberen Oberfläche des Ventilkörpers 102, der von dem Ring 86 umgeben wird, wenn er gegen das Dichtungselement 106 gehalten wird. Die Fläche wird dargestellt durch: Av = (π × Dv2)/4 (2)wobei Dv der Durchmesser des Steges ist. Eine Ventilgleitbereichsdichtungsfläche Ab ist eine Fläche der unteren Oberfläche der Aussparung 98, die durch das rohrförmige Element 103 des Ventilkörpers 102 verschlossen wird, welcher gegenüber der wand, die die Aussparung 98 festlegt, gleitet, und wird festgelegt durch: Ab = (π × Db2)/4 (3)wobei Db der Durchmesser des rohrförmigen Elements 103 ist.
Es wird angenommen, daß die Feder 136 eine Federkonstante Ka hat, daß die Größe der Biegung der Feder 136 (die Strecke, um die die Feder 136 kontrahiert wird, wenn die Mutter 138 durch Drehen des Handgriffs 78 axial verschoben wird) durch X bezeichnet wird, daß der Fluiddruck in dem Primäranschluß 72 durch P₁ bezeichnet wird, daß der Fluiddruck in dem Sekundäranschluß 74 durch P₂ bezeichnet, daß die Last auf der Schraubenfeder 100 (die Kraft, die auf die Schraubenfeder 100 ausgeübt wird, wenn das Dichtungspolster 106 gegen den Sitz 84 gehalten wird) durch f₁ bezeichnet wird, daß der Wirkungsgrad (Federkonstante) oder eine durch die Deformation des elastomeren Materials des Dichtungselements 106 erzeugte Reaktionskraft durch k bezeichnet wird, und daß die Schraubenfeder 100 eine Federkonstante Kv hat. Wenn der Fluiddruck in dem Sekundäranschluß 74 P₂ und die Primär- und Sekundäranschlüsse 72, 74 durch den gegen das Dichtungselement 106 gehaltenen Sitz 84 getrennt sind, ergibt sich die Kraft Fa₁, die den Ventilkörper 102 in Richtung des Pfeiles A drückt, als: Fa1 = Ka × X + k × i (4)
Die Kraft Fb₁, die den Ventilkörper 102 in Richtung des Pfeiles B drückt, ergibt sich als: Fb1 = Ad × P2 + (P1 – P2) × (Av – Ab) + f1 (5)
Da diese Kräfte Fa₁, Fb₁ im Gleichgewicht miteinander gehalten werden, ergibt sich die folgende Gleichung aus den Gleichungen (4) und (5): Ka × X + k × i = Ad × P2 + (P1 – P2) × (Av – Ab) + f1 Ka × X – Ad × P2 – (P1 – P2) × (Av – Ab) – f1 + k × i = 0 (6)
Wenn der Fluiddruck in dem Sekundäranschluß 74 von dem Druck P₂ um ΔP abfällt, fällt der Fluiddruck in der Membrankammer 116 ab, was eine Verschiebung der Membran 114 in Richtung des Pfeiles A und eine Verschiebung des Ventilkörpers 102 um eine Strecke ΔL bewirkt (vgl. 4). Wenn die Strecke ΔL kleiner ist als die Strecke i, d.h., wenn das Dichtungspolster 106 und der Sitz 184 gegeneinander gehalten werden, dann ergibt sich die Kraft Fa₂, die den Ventilkörper 102 in Richtung des Pfeiles A preßt, wie folgt: Fa2 = Ka × (X – ΔL) + k × (i – ΔL) (7)
Die Kraft Fb₂, die den Ventilkörper 102 in Richtung des Pfeiles B preßt, ergibt sich als: Fb2 = Ad × (P2 – ΔP) + (P1 – P2 + ΔP) × (Av – Ab) + f1 + Kv × ΔL) (8)
Da diese Kräfte Fa₂, Fb₂ im Gleichgewicht miteinander gehalten werden, ergibt sich die folgende Gleichung aus den Gleichungen (7) und (8): Ka × (X – ΔL) + k × (i – ΔL) = Ad × (P2 – ΔP) + (P1 – P2 + ΔP) × (Av – Ad) + (f1 + Kv × ΔL) Ka × (X – ΔL) – Ad × (P2 – ΔP) – (P1 – P2 + ΔP) × (Av – Ab) – (f1 + Kv × ΔL) + k × (i – ΔL) = 0 (9)
Durch Subtrahieren der Gleichung (9) von der Gleichung (6) ergibt sich folgende Gleichung: Ka × ΔL – Ad × ΔP + ΔP × (Av – Ab) + Kv × ΔL + kΔL = 0 (Ka + Kv + k) × ΔL – (Ad – Av + Ab) × ΔP = 0 (10)
Eine kleine Verschiebung ΔL ergibt sich durch: ΔL = {(Ad – Av + Ab)/(Ka + Kv + k)} × ΔP (11)
Wenn ΔL < i, werden der Sitz 84 und das Dichtungspolster 106 gegeneinander gehalten. Wenn ΔL > i, werden der Sitz 84 und das Dichtungspolster 106 voneinander getrennt und die Primär- und Sekundäranschlüsse 72, 74 miteinander verbunden. Durch Substituieren der Gleichung (11) in die Randbedingung ΔL = i, ergibt sich die Strecke i wie folgt: i = {(Ad – Av + Ab)/(Ka + Kv + k)} × ΔP0 (12)wobei ΔP₀ die Reduktion des Fluiddruckes in dem Sekundäranschluß 74 ist. Die Druckreduktion ΔP₀ wird ausgedrückt durch: ΔP0 = {(Ka + Kv + k)/(Ad – Av + Ab)} × i (13)
Daher werden, wenn die Reduktion ΔP des Fluiddruckes in dem Sekundäranschluß 74 größer wird als die Reduktion ΔP₀, der Sitz 84 und das Dichtungspolster 106 voneinander getrennt und Fluid wird dem Sekundäranschluß 74 zugeführt.
Wie aus der Gleichung (13) erkennbar ist, würde sich bei einer Änderung der Strecke i auch die Druckreduktion ΔP₀ ändern, was zu einem Fehler in der Durchflußratencharakteristik des Druckreduzierventiles 70 führen würde. Somit würden in großen Stückzahlen produzierte Druckreduzierventile 70 kein konstantes Qualitätsniveau aufweisen. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist jedoch, da sich die Strecke i nicht ändert, die Druckreduktion ΔP₀ konstant und die Durchflußrate des Fluids in dem Druckreduzierventil 70 ist konstant. Als Folge hiervon haben auch als Massenteile produzierte Druckreduzierventile 70 ein konstantes Qualitätsniveau.
Die Nut 88 steht mit dem Primäranschluß 72 durch die Nuten 92a bis 92d in Verbindung, wenn die Anschlagflächen 90a bis 90d gegen das Dichtungspolster 106 gehalten werden. Daher liefern nicht die Anschlagflächen 90a bis 90b die Abdichtung, sondern lediglich der Steg 86 sorgt für die Abdichtung. Unabhängig davon, ob die Anschlagflächen 90a bis 90d gegen das Dichtungspolster 106 gehalten werden oder nicht, ist die durch die Gleichung (2) ausgedrückte Ventildichtungsfläche Av konstant, was eine Änderung der Reduktion ΔP₀ des Fluiddrucks in dem Sekundäranschluß 74 verhindert (vgl. Gleichung (13)). Dementsprechend besteht keine Gefahr einer Änderung der Durchflußratencharakteristiken des Druckreduzierventiles 70. Wenn Druckreduzierventile 70 in großen Stückzahlen produziert werden, wird verhindert, daß sie unterschiedliche Durchflußratencharakteristiken haben, und sie besitzen ein konstantes Qualitätsniveau. Fluiddrucksysteme, die diese massenproduzierten Druckreduzierventile 70 enthalten, haben ebenfalls ein konstantes Qualitätsniveau.
Da die untere Spitze des ringförmigen Steges 86 einen gekrümmten Querschnitt aufweist, beschädigt der Steg 86 außerdem das Dichtungspolster 106 nicht, wenn der Steg 86 in das Dichtungspolster 106 eintritt. Daher hat das Druckreduzierventil 70 eine lange Lebensdauer.
Der Ventildichtungsmechanismus 82 ist nicht auf die Verwendung in dem Druckreduzierventil 70 beschränkt, sondern kann auch in anderen Fluiddruckeinrichtungen zur Verbesserung der Durchflußratencharakteristiken eingesetzt werden.
Die 5 und 6 zeigen ein solenoidbetätigtes Ventil 160, das einen Ventildichtungsmechanismus gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist. Wie in 5 dargestellt ist, weist das solenoidbetätigte Ventil 160 ein Ventilgehäuse 168 mit einer ersten Anschlußöffnung 162, einer zweiten Anschlußöffnung 164 und einer dritten Anschlußöffnung 166 auf. Das Ventilgehäuse 168 weist außerdem eine zentrale Öffnung 170 auf, die mit dem ersten Anschluß 162, dem zweiten Anschluß 164 und dem dritten Anschluß 166 in Verbindung steht. Ein Sitz 202 ist fest an einem unteren offenen Ende der Öffnung 170 angeordnet.
Die Öffnung 170 wird durch eine Wand gebildet, die eine Nut 172 aufweist, die mit dem zweiten Anschluß 164 in Verbindung steht, und einen Sitz 176 (vgl. 6) eines Ventildichtungsmechanismus 174 nahe der Nut 172. Der Sitz 176 weist einen ringförmigen Steg 178 auf, dessen oberes Ende einen gekrümmten Querschnitt aufweist, und eine um den Steg 178 ausgebildete Nut 180. Der Sitz 176 weist außerdem eine Vielzahl von Haltern 181a bis 181d (181b, 181d sind nicht dargestellt) auf, die um die Nut 180 angeordnet sind und jeweilige obere Anschlagflächen 182a bis 182d (182b, 182d sind nicht dargestellt) aufweisen. Die Anschlagflächen 182a bis 182d werden durch Nuten 184a bis 184d (184b, 184d sind nicht dargestellt), die zwischen den Haltern 181a bis 181d ausgebildet sind, beabstandet.
Ein Ring 186 ist an der die Öffnung 170 festlegenden Wand oberhalb der Nut 172 befestigt, und ein O-Ring 188 ist um den Ring 186 angeordnet. Ein Ventildichtungsmechanismus 190 weist einen Sitz 192 an einer unteren Fläche des Ringes 186 auf. Der Sitz 192 weist einen ringförmigen Steg 194 auf, dessen unteres Ende einen gekrümmten Querschnitt aufweist, und eine um den Steg 194 angeordnete Nut 196. Der Sitz 192 weist außerdem eine Vielzahl von Haltern 198a bis 198d (198b, 198d sind nicht dargestellt) auf, die um die Nut 196 angeordnet sind und jeweilige untere Anschlagflächen 199a bis 199d (199b, 199d sind nicht dargestellt) aufweisen. Die Anschlagflächen 199a bis 199d werden durch Nuten 200a bis 200d (200b, 200d sind nicht dargestellt), die zwischen den Haltern 198a bis 198d ausgebildet sind, beabstandet.
Wie in 5 dargestellt ist, ist ein Ring 201 an der die Öffnung 170 festlegenden Wand nahe eines oberen offenen Endes der Öffnung 170 befestigt, und ein O-Ring 203 ist um den Ring 201 angeordnet. Eine Nut 205 ist in der die Öffnung 170 festlegenden Wand zwischen den Ringen 186, 201 ausgebildet und steht in Verbindung mit dem dritten Anschluß 166.
Ein im wesentlichen zylindrischer Ventilkörper 206 ist axial gleitend in der Öffnung 170 angeordnet. Der Ventilkörper 206 weist eine in seinem unteren Ende ausgebildete Ausnehmung 208 auf. Eine Schraubenfeder 204 weist ein oberes Ende auf, das auf einem oberen Ende der Ausnehmung 208 aufsitzt, und ein unteres Ende, das auf dem Sitz 202 aufsitzt. Daher wird der Ventilkörper 206 normalerweise durch die Schraubenfeder 204 in Richtung des Pfeiles B gedrückt. Der Ventilkörper 206 weist ein Paar axial beabstandeter konischer Oberflächen 210a, 210b auf, deren Durchmesser in Längsrichtung zentral zunehmend kleiner in einen eingeschnürten Abschnitt 212 übergeht. Der eingeschnürte Abschnitt 212 weist einen radial nach außen vorstehenden Steg 216 auf, der mit einer Dichtungshülse 214 (vgl. 6) aus einem elastomeren Material, beispielsweise Gummi, bedeckt ist. Die Dichtungshülse 214 ist passend über den eingeschnürten Abschnitt 212 gesetzt. Die Dichtungshülse 214 weist Dichtungsflächen 218a, 218b des Ventildichtungsmechanismus 174, 190 auf, die gegen die Sitze 176 bzw. 192 gehalten werden können.
Eine Stange 220 weist ein unteres Ende auf, das an einem oberen Ende des Ventilkörpers 206 befestigt und gleitend in eine im wesentlichen zylindrische Führung 222 eingesetzt ist, welche an einem oberen Ende des Ringes 201 befestigt ist. Die Stange 220 weist ein oberes Ende auf, das in eine in einem Verschiebungselement 224 ausgebildete Öffnung 226 eingesetzt ist. Ein Flansch 228 an dem oberen Ende der Stange 220 greift an eine Stufe 230 einer Wand an, die die Öffnung 226 festlegt, wodurch die Stange 220 daran gehindert wird, von dem Verschiebungselement 224 entfernt zu werden. Eine Schraubenfeder 232 weist ein unteres Ende auf, das auf dem Flansch 228 aufsitzt, und ein oberes Ende, das auf einem Sitz 234 aufsitzt, der an einem oberen Abschnitt der Wand befestigt ist, die die Öffnung 226 festlegt. Die Stange 220 wird somit durch die Schraubenfeder 232 normalerweise so vorgespannt, daß sie in Richtung des Pfeiles C bewegt wird.
Das Verschiebungselement 224 ist axial gleitend in einer Spule 240 einer Solenoidspule 238 angeordnet. Die Spule 240 trägt eine Windung 242 aus elektrisch leitendem Draht. Die Solenoidspule 238 wird durch ein Gehäuse 244 abgedeckt, das an seinem oberen Ende ein rohrförmiges Element 246 trägt, in welchem die Führung 248 fest angebracht ist. Die Führung 248 weist eine darin zentral ausgebildete Öffnung 252 auf, die eine Stufe 250 aufweist. Ein Stift 254, der fest an einer oberen Fläche des Sitzes 234 angebracht ist, ist in die Öffnung 252 eingesetzt. Der Stift 254 weist eine Stufe 256 auf, die mit der Stufe 250 der Führung 248 in Eingriff treten kann. Ein oberes offenes Ende des rohrförmigen Elements 246 wird durch eine Kappe 258 verschlossen.
Das solenoidbetätigte Ventil 160 mit dem Ventildichtungsmechanismus 174, 190 funktioniert wie folgt:
Fluiddruckvorrichtungen (nicht dargestellt) einschließlich einer Druckluftquelle, einem Zylinder und einem Auslaßrohr sind mit ersten, zweiten bzw. dritten Anschlüssen 162, 164, 166 verbunden. Eine elektrische Stromzufuhr (nicht dargestellt) ist mit der Windung 242 der Solenoidspule 238 verbunden.
Wenn die Solenoidspule 238 durch die elektrische Stromzufuhr nicht erregt wird, ist der Ventilkörper 206 unter der Vorspannung der Schraubenfeder 204 axial in der Richtung des Pfeiles D verschoben. Der Steg 194 des Ventildichtungsmechanismus 190 tritt in die Dichtungsfläche 218b der Dichtungshülse 214 ein und bildet eine Abdichtung, wie in 6 dargestellt ist. Die ersten und zweiten Anschlüsse 162, 164 werden durch die Nut 172 in Verbindung miteinander gebracht, und die zweiten und dritten Anschlüsse 164, 166 werden voneinander getrennt. Unter Druck stehende Luft wird von der Druckluftquelle, die mit dem ersten Anschluß 162 verbunden ist, durch die ersten und zweiten Anschlüsse 162, 164 zu dem mit dem zweiten Anschluß 164 verbundenen Zylinder geführt.
Zu dieser Zeit werden die Anlageflächen 199a bis 199d der Halter 198a bis 198d gegen die Dichtungsfläche 218b gehalten, was den Steg 194 daran hindert, über eine festgelegte Strecke hinaus in die Dichtfläche 218b einzutreten. Somit wird die Dichtungsfläche 218b an einer unerwünschten Deformation durch den Steg 194 gehindert, so daß die Dichtungshülse 214 nicht in unerwünschter Weise beschädigt oder beeinträchtigt werden kann.
Wenn die Solenoidspule 238 durch die elektrische Stromzufuhr erregt wird, wird das Verschiebungselement 224 axial in Richtung des Pfeiles C verschoben, was bewirkt, daß die durch die Führung 222 geführte Stange 220 den Ventilkörper 206 gegen die Vorspannung der Schraubenfeder 204 verschiebt (vgl. 5). Die Dichtfläche 218a des Ventildichtungsmechanismus 174 berührt den Steg 168, welcher bei weitergehender Verschiebung des Ventilkörpers 206 in die Dichtfläche 218 eintritt und eine Abdichtung herstellt. Als Folge hiervon werden die ersten und zweiten Anschlüsse 162, 164 voneinander getrennt und die zweiten und dritten Anschlüsse 164, 166 werden in Verbindung miteinander gebracht. Dadurch wird unter Druck stehende Luft von dem Zylinder abgelassen und fließt durch die zweiten und dritten Anschlüsse 164, 166 in das mit dem dritten Anschluß 166 verbundene Auslaßrohr.
Zu dieser Zeit werden die Anschlagflächen 182a bis 182d der Halter 181a bis 181d gegen die Dichtfläche 218a gehalten, was den Steg 178 daran hindert, über eine festgelegte Strecke hinaus in die Dichtfläche 218a einzutreten. Somit wird eine unerwünschte Deformation der Dichtfläche 218a durch den Steg 178 verhindert und die Dichthülse 214 kann nicht in unerwünschter Weise beschädigt oder beeinträchtigt werden.
Da die Dichthülse 214 durch den Eintritt der Stege 178, 194 nur einer minimalen Beschädigung oder Beeinträchtigung ausgesetzt ist, hat das solenoidbetriebene Ventil 160 eine relativ lange Lebensdauer.
Obwohl bestimmte bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt und im Detail beschrieben wurden, versteht es sich, daß Änderungen und Modifikationen möglich sind, ohne den Rahmen der beigefügten Ansprüche zu verlassen.

Claims

Ventildichtungsmechanismus (174, 190) mit: einem Paar von Sitzen (176, 192), einem Dichtelement (214) aus einem elastomeren Material, wobei das Paar von Sitzen (176, 192) und das Dichtelement (214) selektiv relativ zueinander verschiebbar sind, so daß sie an dem einen oder dem anderen Sitz des Paares von Sitzen (176 oder 192) anliegen, um einen Anschluß (162, 166) von einem anderen Anschluß (164) zu trennen, wobei das Paar von Sitzen (176, 192) jeweils einen Steg (178, 194) zum Pressen und elastischen Deformieren des Dichtelementes (214) zur Schaffung einer Abdichtung dazwischen aufweist und eine Vielzahl von Haltern (181a bis 181d, 198a bis 198d), die mit dem Dichtelement (214) in Eingriff bringbar sind und jeweilige Anschlagflächen (182a bis 182d, 199a bis 199d) aufweisen, die zum Anliegen gegen das Dichtelement (214) positioniert sind, wobei die Anschlagflächen (182a bis 182d, 199a bis 199d) von dem Steg (178, 194) relativ zu dem Dichtelement (214) zurückversetzt sind, wobei die Anordnung so ist, daß bei einer Verschiebung des Dichtelements (214) relativ zu dem einen oder dem anderen Sitz des Paares von Sitzen (176, 192) der Steg (178, 194) in das Dichtelement (214) eintritt, um eine Abdichtung dazwischen herzustellen und an einem weiteren Eintreten in das Dichtelement (214) durch die Anschlagflächen (182a bis 182d, 199a bis 199d), die bei weitergehender relativen Verschiebung zwischen dem Dichtelement (214) und den Sitzen (176, 192) gegen das Dichtelement (214) gehalten werden, gehindert wird, wobei das Dichtelement eine Dichtungshülse (214) aus einem elastomeren Material umfasst, die über einen Stegabschnitt (216) eines im wesentlichen zylindrischen Ventilkörpers (206) gesetzt ist, wobei die Dichtungshülse ein Paar Dichtungsflächen (218a, 218b) aufweist, die relativ zu dem einen bzw. dem anderen der Sitze (176, 192) in Eingriff verschoben und gegen diese gehalten werden können.
Ventildichtungsmechanismus (174, 190) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Sitze (176, 192 eine zwischen dem Steg (178, 194) und den Haltern (181a bis 181d, 198a bis 198d) ausgebildete Nut (180, 196) aufweist, wobei der Steg (178, 194) und die Halter (181a bis 181d, 198a bis 198d) voneinander durch die Nut (180, 196) beabstandet sind, und daß eine Vielzahl von Nuten (184a bis 184d, 200a bis 200d) zwischen den Haltern (181a bis 181d, 198a bis 198d) ausgebildet ist, wobei die Anordnung so ist, daß, wenn die Halter (181a bis 181d, 198a bis 198d) gegen das Dichtelement (214) gehalten werden, die Nut (180, 196) durch die Nuten (184a bis 184d, 200a bis 200d) mit dem einen Anschluß (162, 166) oder dem anderen Anschluß (164) in Verbindung steht.
Ventildichtungsmechanismus (174, 190) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steg (178, 194) eine Spitze mit einem gekrümmten Querschnitt aufweist.
Ventildichtungsmechanismus (174, 190) nach Anspruch 1, kombiniert mit einem solenoidbetriebenen Ventil (160) mit einer Vielzahl von Anschlüssen (162, 164, 166) als dem einen Anschluß und dem anderen Anschluß zur wahlweisen Verbindung oder Trennung ausgewählter Anschlüsse (162, 164, 166) miteinander bzw. voneinander.
Ventildichtungsmechanismus (174, 190) nach Anspruch 4, wobei das solenoidbetriebene Ventil (160) einen Ventilkörper (206) mit einem Dichtungselement (214) und eine Solenoidspule (238) aufweist, die zum Verschieben des Ventilkörpers (206) erregbar ist, wobei die Anordnung so ist, daß bei einer Erregung der Solenoidspule (238) der Ventilkörper (206) so verschoben wird, daß er wahlweise einzelne Anschlüsse der Anschlüsse (162, 164, 166) miteinander verbindet oder voneinander trennt.