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Diese
Erfindung betrifft Steuerventile, speziell in sich geschlossene
Ventile mit sowohl dem Ventilsitz als auch der Schließmembran.
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Die
Druckschrift
US 5 996 965 beschreibt
ein Elektromagnet-Steuerventil, das speziell für Feuchtraum-Formstücke vorgesehen
ist. Es hat ein Gehäuse
mit einem Einlass- und einem Auslassanschluss, die voneinander durch
eine Membran mit einem Körper
abgedichtet werden, der auf einem Ventilsitz ruht. Das Gehäuse hat
im Allgemeinen eine Zylinderform mit einem koaxialen, äußeren Gewinde.
Die Einlass- und die Auslassanschlüsse sind koaxial und zu einem
Ende des Zylinders rechtwinklig, so dass die Einlassströmung der
Auslassströmung
gegenüberliegt.
Der Auslassanschluss befindet sich an der Zylinderachse und ist
als ein röhrenförmiger Körper ausgebildet,
der vom Ventilgehäuse
vorsteht. Das Elektromagnet-Ventil ist in einem Installations-Formstück durch
zwei koaxiale O-Ringe abgedichtet – eins an der seitlichen Oberfläche des
Gehäuses
und eins an der seitlichen Oberfläche des röhrenförmigen Körpers.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Steuerventil bereitgestellt, das ein Gehäuse mit
einem Zylinder-Ende mit einer seitlichen Oberfläche, einer Achse und einer
dazu rechtwinkligen Stirnfläche
zum Montieren in einen Ventilsockel mit einer Auslassöffnung,
die in einer Fläche
des Sockels ausgebildet ist, und einer Einlassöffnung umfasst, wobei das Gehäuse einen
Einlassanschluss an dem Zylinder-Ende, einen Auslassanschluss an
der Stirnfläche,
einen inneren Hohlraum und eine flexible Membran aufweist, die den
Hohl raum in eine Strömungskammer
und eine Steuerkammer aufteilt. Der Einlassanschluss steht mit der
Strömungskammer
in konstanter Verbindung, während
der Auslassanschluss mit der Strömungskammer über einen
Ventilsitz in Verbindung steht, der im Gehäuse gegenüber der Membran ausgebildet
und durch die Verlagerung der Membran verschließbar ist. Die Stirnfläche ist
so ausgebildet, dass sie eine ringförmige Dichtung, zum Beispiel
einen flachen Ring, aufnimmt, der um den Auslassanschluss herum
angeordnet ist, so dass die ringförmige Dichtung axial zur Fläche des
Sockels gedrückt
wird, wenn das Ventil an den Ventilsockel montiert wird, wobei damit
eine fluiddichte Verbindung zwischen dem Auslassanschluss und der
Auslassöffnung
bereitgestellt wird.
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Das
Ventil hat einen Ablasskanal, der die Strömungskammer und die Steuerkammer
verbindet, was vorzugsweise durch die Membran erreicht wird. Das
Ventil hat einen Führungskanal,
der den Auslassanschluss mit der Steuerkammer verbindet und durch
ein Steuerelement verschließbar
ist. Das Steuerelement kann zum Beispiel ein Elektromagnet-Anker
in einem Elektromagnet-Ventil sein.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der
Erfindung ist der Einlassanschluss des Ventils an der Seitenfläche des
Zylinder-Endes ausgebildet, um so eine Einlassströmung quer
zur Achse bereitzustellen. Wenn sich die Fläche mit der Auslassöffnung und der
Einlassöffnung
in einer Zylinderaussparung des Ventilsockels befindet, dann kann
eine zweite ringförmige
Dichtung an der Seitenfläche
angeordnet sein, so dass die zweite Dichtung gegenüber der
zylindrischen Aussparung abdichtet, wenn das Zylinder-Ende am Ventilsockel
montiert wird, wobei damit zusammen mit der ersten ringförmigen Dichtung
eine fluiddichte Verbindung zwischen dem Einlassanschluss und der
Einlassöffnung
bereitgestellt wird.
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Das
Ventil kann eine Filtergaze haben, die um den Einlassanschluss an
der Seite des Zylinder-Endes angeordnet ist.
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Die
Membran hat vorzugsweise ein Mittelteil, das aus einem harten Material
besteht, das fest am Gehäuse
befestigt ist, wobei man den Führungskanal durch
das befestigte Teil erhält.
Der restliche Teil der Membran ist als eine einstückige, elastische
Scheibe mit fünf
angrenzenden ringförmigen
Teilen vom Rand bis zur Mitte ausgebildet: einem äußeren Ring
zum Montieren am Gehäuse,
einem ersten dünnen,
flexiblen Ring, einem dicken Ring für die Abdichtung des Ventilsockels,
einem zweiten dünnen,
flexiblen Ring und einer ringförmigen
Lippe zum Abdichten um das befestigte Teil.
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Die
Auslassdichtung an der Zylinderfläche und der seitliche Quereinlass
sorgen für
bestimmte, bedeutende Vorteile wie zum Beispiel:
- – eine gute
Qualität
der Montage und Dichtheit der Verbindungen zwischen dem Ventil und
dem Ventilsockel ist leichter, effektiver und preiswerter zu erhalten
als bei den bekannten Ventilen mit axialem Einlass und Auslass;
- – ein
Auslasskanal im Ventilsockel kann zur Ventilachse exzentrisch oder
nicht parallel sein; die Fläche
im Ventilsockel, die gegen die Flachring-Dichtung stößt, muss
nicht genau flach sein;
- – der
Durchmesser des Auslasskanals im Ventilsockel kann in einem großen Bereich
variieren;
- – verkürzter und
stromlinienförmiger
Strömungspfad
durch das Ventil;
- – verringerte
Länge des
Ventils und verringerte Größe des Ventilsockels;
- – verringerter
Bearbeitungsbereich und Bearbeitungstätigkeit;
- – größerer verfügbarer Bereich,
um eine Filtergaze um den Einlassanschluss herum anzuordnen, als
bei der bekannten Ausführung
mit axialem Einlass und Auslass; und
- – Eignung
zum Nachrüsten
mechanischer Sperrventile mittels des früheren Ventilsitzes als Dichtungsfläche des
Ventilsockels.
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Um
die Erfindung zu verstehen und um zu sehen, wie sie in der Praxis
ausgeführt
werden kann, wird jetzt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel nur durch ein
nicht einschränkendes
Beispiel mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben,
in denen zeigen:
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1 eine
Schnittansicht eines elektromagnetischen Ventils gemäß der vorliegenden
Erfindung in offener Stellung;
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2 eine
axiale Ansicht des elektromagnetischen Ventils von 1;
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3 das
elektromagnetische Ventil von 1 in geschlossener
Stellung; und
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4 das
Montieren des elektromagnetischen Ventils in einen Ventilsockel.
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Mit
Bezug auf 1 bis 3 umfasst
ein elektromagnetisches Steuerventil 10 entsprechend der
Erfindung ein Gehäuse 12 mit
einem Gewindedeckel 14, eine flexible Membran 16 und
einen bistabilen Elektromagneten 18 mit einem beweglichen
Anker (Kolben) 20. Das Ventil kann elektronische Steuerschaltungen
und eine Energiequelle aufweisen, die nicht dargestellt sind.
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Das
Gehäuse 12 hat
im Allgemeinen die Form eines Zylinders und ein Außengewinde 22,
eine O-Ringdichtung 24 und eine Flachringdichtung 26 (in einer
Aussparung des Deckels 14), alle mit dem Gehäuse koaxial,
zum Montieren in einen Ventilsockel, wie weiter gezeigt wird. Der
Deckel 14 des Ge häuses hat
einen Einlassanschluss 28, der die Seitenfläche des
Zylinders begrenzt, und einen Auslassanschluss 30 an der
Vorderfläche
des Zylinders. Der Einlassanschluss 28 ist von einer ringförmigen Filtergaze 32 umgeben.
An der Innenseite des Deckels 14 gibt es einen vorstehenden,
ringförmigen
Rand 34, der ein inneres Ende des Auslassanschlusses 30 definiert, wobei
eine genau ausgebildete Kante einen Ventilsitz 36 bildet.
Eine röhrenförmige Halterung 38 ist
an der Achse des Deckels 14 in der Mitte des Auslassanschlusses 30 angeordnet
und damit durch drei Brücken 40 verbunden.
Der Deckel 14 wird mit dem Gehäuse 12 zusammengefügt, um so
einen inneren Hohlraum in Verbindung mit dem Einlassanschluss 28 und
dem Auslassanschluss 30 zu definieren. Der Deckel fixiert
außerdem
die Membran 16 fest an ihrem Rand und in ihrer Mitte, wie
unten erläutert
wird.
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Die
Membran 16 ist eine elastische Scheibe, die über dem
inneren Hohlraum des Gehäuses 12 angeordnet
ist und ihn in eine Strömungskammer 42 und
eine Steuerkammer 44 aufteilt, so dass der Einlassanschluss 28 und
der Auslassanschluss 30 mit der Strömungskammer in Verbindung bleiben.
Die Membran umfasst einen äußeren Ring 46,
einen ersten dünnen,
gewellten Ring 48, einem dicken Ventilring 50 zum
Abdichten des Ventilsitzes 36, einen zweiten dünnen Ring 52 und
eine innere ringförmige Lippe 54.
Der äußere Ring 46 wird
zwischen dem Gehäuse 12 und
dem Deckel 14 gehalten. Auf Grund der Elastizität der dünnen Ringe 48 und 52 kann
der Ventilring 50 zwischen den in 1 bzw. 3 gezeigten
offenen und geschlossenen Stellungen zum Ventilsitz 36 hin
oder wegbewegt werden. Ein nicht mittiger Ablasskanal 55 über der
Membran 16 verbindet die Strömungskammer 42 mit
der Steuerkammer 44. In der Membranmitte gibt es einen
Adapter 56 mit einer ringförmigen, äußeren Kerbe, die die Lippe 54 fest
aufnimmt. Der Adapter 56 hat einen Führungskanal 58, der
als eine axiale Bohrung mit einer Düse 60 ausgebildet
ist. Der Adapter 56 ist zusammen mit der ringförmigen Lippe 54 am
Gehäuse 12 mittels
der röhrenförmigen Halterung 38 befestigt,
so dass der Führungskanal 58 die
Steuerkammer 44 mit dem Auslassanschluss 30 verbindet,
wobei die Düse 60 der
Steuerkammer 44 zugewandt ist.
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Der
bistabile Elektromagnet 18 umfasst ein röhrenförmiges Unterteil 64,
das mit dem Gehäuse 12 koaxial
ist und zu der Steuerkammer 44 benachbart ist, eine Drahtspule 66,
die um das Unterteil 64 gewickelt ist, einen Kolben 20,
der in einem Teil des röhrenförmigen Unterteils 64 gegenüber der
Düse 60 frei
angeordnet ist, einen Dauermagneten 68, der am distalen
Teil des Unterteils 64 befestigt ist, und eine Druckfeder 70 zwischen
dem Kolben 20 und dem Magneten 68. Der Kolben 20 ist
aus einem magnetisch weichen Werkstoff hergestellt und kann durch einen
axialen Hub ΔZ
zwischen dem Dauermagneten 68 und der Düse 60 bewegt werden.
Die Magnetisierung des Magneten 68 und die Kraft der Feder 70 werden
so gewählt,
dass der Magnet 68 den Kolben 20 halten kann,
wenn letzterer an den Magneten anstößt (offene Stellung, 1),
den Kolben aber nicht vom Hubabstand ΔZ (geschlossene Stellung, 3) zurückziehen
kann. Das Wechseln des Kolbens von der geschlossenen in die offene
Stellung wird durch das Speisen der Magnetspule 66 bereitgestellt,
um ein magnetisches Feld zu erzeugen, das mit dem Dauermagneten 68 zusammenwirkt
und umgekehrt.
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Das
elektromagnetische Ventil 10 arbeitetet in einer Weise,
die in der Technik an sich bekannt ist, als ein Absperrventil zwischen
einer Hochdruck-Fluidquelle, die mit dem Einlassanschluss 28 verbunden ist,
und einer Niederdruck-Senke, die mit dem Auslassanschluss 30 verbunden
ist. In der geschlossenen Stellung gemäß 3 wird der
Ventilring 50 auf den Ventilsitz 36 abgesenkt,
wodurch der Auslassanschluss 30 von der Strömungskammer 42 abgedichtet
und das Ventil verschlossen wird. Der Kolben 20 wird durch
die Feder 70 gegen die Düse 60 gedrückt, wobei
damit der Führungskanal 58 zwischen
der Steuerkammer 44 und dem Auslassanschluss 30 abgedichtet
wird. Auf Grund des Ablasskanals 55 entspricht der Druck
in der Steuerkammer 44 dem hohen Einlassdruck in der Strömungskammer 42.
Der Bereich der Membran jedoch, der zum hohen Druck in der Steuerkammer 44 frei
liegt, ist größer als
der Bereich unter dem gleichen hohen Druck in der Strömungskammer 42,
so dass die sich ergebende Kraft die Membran 16 gegen den
Ventilsitz 36 drückt
und damit das Ventil geschlossen hält.
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Durch
das Schalten des Elektromagneten 18 wird der Kolben 20 zum
Magneten 68 gezogen und die Düse 60 geöffnet. Die
Steuerkammer 44 ist so mit dem Niederdruck-Auslassanschluss 30 verbunden, wobei
der Druck darin fällt.
Die sich ergebende Kraft an der Membran 16 ändert die
Richtung, wobei der Ventilring 50 vom Ventilsitz 36 angehoben
wird, wodurch das Ventil geöffnet
wird. Nun stehen beide Seiten der Membran 16 mit gleichen
Bereichen mit dem Hochdruck-Einlassanschluss und dem Niederdruck-Auslassanschluss
in Verbindung. Der Ablasskanal 55 ist jedoch ausreichend
eng, so dass die Strömung
dort hindurch die Drücke
an beiden Seiten der Membran 16 nicht ausgleichen kann,
wobei das Ventil geöffnet
bleibt.
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Durch
ein weiteres Schalten des Elektromagneten 18 wird der Kolben 20 vom
Magneten 68 weggestoßen,
wobei die Düse 60 geschlossen
wird. Da die Verbindung mit dem Niederdruck-Auslass 30 unterbrochen
ist, baut sich der Druck in der Steuerkammer 44 auf, wobei
der Ventilring 50 auf den Ventilsitz 36 abgesenkt
wird und das Ventil verschließt
und die Stellung von 1 wieder herstellt. Damit können bedeutende
Durchflussmengen durch ein elektromagnetisches Niedrigenergie-Ventil gesteuert
werden.
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Die
Vorteile des elektromagnetischen Ventils der vorliegenden Erfindung
werden bei seiner Montage in ein Installations-Formstück oder
einen Ventilsockel 72 besser verstan den, der ein bestehender
Ventilkörper
gemäß 4 sein
kann. Der Ventilsockel 72 hat eine Montageaussparung 74,
einen Einlasskanal 76 und einen Auslasskanal 78 mit
deren Öffnungen
in der Montageaussparung 74. Die Aussparung 74 hat eine
Gewindestufe 80 entsprechend dem Gewinde 22 des
Ventilgehäuses 12,
eine bearbeitete Stufe 80, die den O-Ring 24 fest
aufnimmt, und eine bearbeitete Fläche 84, die an den
flachen Ring 26 anstößt.
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Man
wird erkennen, dass die gute Qualität der Montage und der Dichtheit
der Verbindungen zwischen dem Ventil 10 und dem Ventilsockel 72 von
der genauen Bearbeitung der Montageflächen (wie der Gewindestufe 80,
der Stufe 82 und der Fläche 84) abhängt. Es
ist einfacher, effektiver und kostengünstiger, eine solche Qualität mit dem
Ventil der vorliegenden Erfindung mit einem seitlichen Einlass und einen
axialen Anschlag der Auslassdichtung als mit den bekannten Ventilen
mit axialem Einlass und Auslass und zwei seitlichen Dichtungsringen
zu erreichen. Der Auslasskanal 78 des Ventilsockels 72 kann zur
Ventilachse (ΔX)
exzentrisch oder nicht parallel (Δα) sein. Der
Durchmesser des Auslasskanals kann außerdem in einem großen Bereich
variieren. Die Fläche 84 muss
nicht einmal genau flach sein. Dies ist bei bekannten Ventilen,
die durch zwei O-Ringe an der Seite des Gehäuses abgedichtet werden, nicht möglich.
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Die
Erfindungsausführung
ermöglicht
es außerdem,
den Strömungspfad
durch das elektromagnetische Ventil zu verringern und stromlinienförmig zu
gestalten, um die Länge
des Ventils und die Größe des Ventilsockels
zu verringern, und um den Bearbeitungsbereich und die Bearbeitungstätigkeit
zu verringern.
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Die
Erfindungsausführung
ist besonders zum Nachrüsten
eines mechanischen Absperrventils geeignet, wobei der frühere Ventilsitz
als die Fläche 84 genutzt
werden kann.
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Ein
Steuerventil umfasst ein Gehäuse
mit einem kreisförmigen
Zylinder-Ende zum Montieren in einen Ventilsockel. Das Gehäuse hat
einen Einlassanschluss, einen Auslassanschluss, einen inneren Hohlraum
und eine flexible Membran, die den Hohlraum in eine Strömungskammer
und eine Steuerkammer aufteilt. Der Einlassanschluss steht mit der Strömungskammer
in konstanter Verbindung, während
der Auslassanschluss mit der Strömungskammer über einen
Ventilsitz in Verbindung steht, der im Gehäuse gegenüber der Membran ausgebildet
ist. Der Auslassanschluss ist an der Fläche des Zylinder-Endes ausgebildet.
An dieser Fläche
ist um den Auslassanschluss herum eine ringförmige Dichtung angeordnet,
so dass die Dichtung axial zu einer Fläche des Ventilsockels gedrückt wird,
wenn das Ventil in den Ventilsockel montiert wird, wobei damit eine fluiddichte
Verbindung zwischen dem Auslassanschluss und einer Auslassöffnung im
Ventilsockel bereitgestellt wird. Der Einlassanschluss ist an der
Seitenfläche
des Zylinder-Endes ausgebildet, um so eine Einlassströmung quer
zur Achse des Zylinder-Endes bereitzustellen.
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Obwohl
eine Beschreibung des spezifischen Ausführungsbeispiels vorgestellt
wurde, wird in Erwägung
gezogen, dass verschiedene Änderungen vorgenommen
werden könnten,
ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel
könnte
die vorliegende Erfindung mit anderen Arten von Ventilen verwendet
werden.