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Die
Erfindung betrifft eine Ventilanordnung zur Beeinflussung von Volumenströmen,
umfassend ein Ventilgehäuse mit zumindest einem Zulauf
und einem Ablauf, zumindest einem durch eine Öffnung im Ventilgehäuse
verschiebbar geführten Ventilkolben zur zumindest mittelbaren
Steuerung des Durchflussquerschnitts in der Verbindung zwischen
Zulauf und Ablauf unter Erzeugung eines örtlichen Strömungswiderstands
und Mitteln zur Abdichtung zwischen Ventilkolben und Ventilgehäuse.
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Die
Erfindung betrifft ferner eine Verteilereinheit zur Verteilung von
Volumenströmen.
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Ventilanordnungen
zur Steuerung von Volumenströmen in Stoffaufläufen
einer Maschine zur Herstellung von Materialbahnen sind in unterschiedlichen
Ausführungen aus dem Stand der Technik vorbekannt. Diese
umfassen Strömungswiderstände bildende Drosselstellen,
die in der Regel durch ihre Position in Abhängigkeit ihrer
geometrischen Ausführung zwischen dem Zulauf und dem Ablauf
einer derartigen Ventilanordnung den Strömungsweg, insbesondere
den Durchflussquerschnitt im Strömungsweg, über
die Länge des Strömungswegs veränderlich
einstellen können.
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Aus
der Druckschrift
EP
0 633 416 B1 ist eine Ventilanordnung vorbekannt, welche
in ihrer Bauart einem Nadelventil entspricht. Die Strömung wird
im Bereich der engsten Stelle der Ventilanordnung zur Vermeidung
von Verstopfungen durch das Hinzufügen einer Rotationskomponente
beeinflusst. Diese Rotationskompo nente bewirkt eine Vermeidung von
stabilen Staupunkten und den dabei entstehenden Faseranhäufungen.
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Eine
weitere Vorrichtung und ein Verfahren zur verstopfungsfreien Drosselung
einer fluiden Suspensionsströmung, insbesondere für
den Einsatz in Stoffaufläufen von Maschinen zur Herstellung
von Faserstoffbahnen, ist aus der Druckschrift
EP 0 766 031 B1 vorbekannt.
Auch hier wird der Strömung eine Rotationskomponente aufgeprägt.
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In
beiden Fällen sind die Ventilanordnungen jeweils durch
einen Zulauf und einen Ablauf charakterisiert, die in einem Winkel,
vorzugsweise senkrecht zueinander, angeordnet sind. Der Strömungsquerschnitt
zwischen Zulauf und Ablauf wird direkt über einen Ventilkolben
beeinflusst, der gegenüber dem Strömungsweg zwischen
Zulauf und Ablauf in seiner Lage veränderlich einstellbar
ist und im Zusammenwirken mit der Formgebung der Innenwandung des
Ventilgehäuses den theoretisch möglichen Strömungsquerschnitt
beschreibt. Zum Antrieb ist der Ventilkolben mit einer Stelleinrichtung
außerhalb des Ventilgehäuses gekoppelt und wird
dazu durch eine Öffnung in der Gehäusewandung
hindurch geführt. Zur Aufrechterhaltung der durch den Ventilkolben
einstellbaren Strömungs- und Druckverhältnisse sind
zwischen Ventilkolben und Ventilgehäuse Mittel zur Abdichtung
vorgesehen. Als Mittel zur Abdichtung werden in der Regel Standarddichtungen
in Form ruhender Dichtung, wie Stangendichtungen, O-Ringe oder Quadringe
eingesetzt, die jedoch aufgrund der Relativbewegung der Ventilkolbenoberfläche
bei der Vorschubbewegung des Ventilkolbens zur Positionierung im
Strömungsweg starken Belastungen und Verschleiß ausgesetzt
sind. Eine hohe Beanspruchung dieser Dichtungen ist ferner durch die
Art der zu steuernden Volumenströme, insbesondere der diese
enthaltenden Medien gegeben. Aufgrund der über derartige
Strömungswege transportierten Medien mineralischer oder
abrasiver Natur kommt es im Dichtungsbereich zu Leckage und Verschleiß.
Die Aufrechterhaltung der Dichtfunktion erfordert daher einen erhöhten Überwachungsaufwand sowie
eine hohe Austauschrate für die einzelnen Dichtungen. Ist
die Dichtfunktion nicht gegeben, wirkt sich dies beim Einsatz in
Funktionseinhei ten, wie Stoffaufläufen oder Formiereinheiten
in Maschinen zur Herstellung von Materialbahnen, insbesondere Faserstoffbahnen
unmittelbar auf die Eigenschaften der zu bildenden Materialbahn
aus, was gerade bei unplanmäßigem Versagen der
Dichtung zu erheblichem Produktionsverwurf führen kann.
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Um
anfällige Abdichtungen in mechanischen Durchführungen
von Ventilkolben in Ventilgehäusen zu vermeiden, wird die
Drosselfunktion gemäß einer Ausführung
aus der Druckschrift
DE
195 22 448 A1 durch Quetschventile gewährleistet.
Die Ausbildung des Strömungswegs erfolgt bei diesen zumindest über
einen Teilbereich in Strömungsführungsrichtung elastisch.
Dazu wird die den Strömungsweg begrenzende Wandung über
einen Teilbereich in Strömungsrichtung elastisch ausgebildet,
wobei durch Druckbeaufschlagung von außen auf diesen Wandbereich eine
Beeinflussung des Strömungsquerschnitts erfolgt. Dabei
ist jedoch ein Strömungsmedium führender Leitungsabschnitt
in entsprechender Weise durch einen den Innenraum vollständig
umhüllenden elastischen Wandbereich auszubilden. Dies ist
sehr aufwendig und muss bereits bei der Auslegung und Dimensionierung
der Strömungswege berücksichtigt werden. Ferner
ist ein druck- und flüssigkeitsdichter Anschluss dieses
elastischen Wandbereichs an die übrigen Strömungswegabschnitte
zu gewährleisten und es sind Mittel in Umfangsrichtung
um den elastischen Wandbereich vorzusehen, welche eine gleichmäßige
Druckbeaufschlagung ermöglichen. Aufgrund des Erfordernisses
der Ausbildung eines gleichmäßigen Drucks zur
Einstellung des erforderlichen Strömungsprofils ist eine
derartige Ausführung daher relativ aufwendig. Ein Austausch
ist nur durch Auseinandernehmen der gesamten Anordnung möglich.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Ausführung
einer Ventilanordnung der eingangs genannten Art, insbesondere für
den Einsatz in zentralen Verteilereinheiten in Funktionseinheiten,
wie Stoffaufläufen oder Formiereinrichtungen von Maschinen
zur Herstellung von Materialbahnen, insbesondere Faserstoffbahnen
derart weiter zu entwickeln, dass diese durch einen einfachen und
kompakten Aufbau des Ventilgehäuses, eine hohe Funktionssicherheit
und Verfügbarkeit sowie eine geringe Anfälligkeit
charakterisiert ist.
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Die
erfindungsgemäße Lösung ist durch die Merkmale
der Ansprüche 1 und 20 charakterisiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen
sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Eine
erfindungsgemäße Ventilanordnung zur Beeinflussung
von Volumenströmen, umfassend ein Ventilgehäuse
mit zumindest einem Zulauf und einem Ablauf, zumindest einem durch
eine Öffnung des Ventilgehäuses verschiebbar geführten
Ventilkolben zur zumindest mittelbaren Steuerung des Durchflussquerschnitts
in der Verbindung zwischen Zulauf und Ablauf unter Erzeugung eines örtlichen
Strömungswiderstands und Mitteln zur Abdichtung zwischen
Ventilkolben und Ventilgehäuse ist dadurch charakterisiert,
dass die Mittel zur Abdichtung zumindest eine zwischen Ventilkolben
und Ventilgehäuse angeordnete Membran umfassen.
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Das
erfindungsgemäße Vorsehen einer Membran ermöglicht
eine dynamische, den Strömungsweg hermetisch abdichtende
Dichtung, welche aufgrund der einer Membran zugrunde liegenden Eigenschaften
an die Bewegung des Ventilkolbens anpassbar ist und somit auch bei
Relativbewegung zwischen Ventilgehäuse und Ventilkolben
die Dichtwirkung aufrechterhält.
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Zur
Aufrechterhaltung der erforderlichen Druckdifferenz zwischen Strömungsweg
im Ventilgehäuse und Umgebung der Ventilanordnung ist die Membran
aus einem druck- und flüssigkeitsdichten Material ausgebildet.
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Die
erfindungsgemäß eingesetzte Membran bildet eine
Trennschicht zwischen Ventilkolben und Ventilgehäuse, nimmt
lediglich bei Relativbewegung des Ventilkolbens gegenüber
dem Ventilgehäuse Zugkräfte auf und leitet diese
an die Randbereiche der Membran weiter, in welchen die Ankopplung
an das Ventilgehäuse und den Ventilkolben erfolgt. Dieses
elastische Verhalten ermöglicht eine optimale Anpassung
der Dichtung an die Ventilkolbenbewegung und gewährleistet
in allen Ventilkolbenstellungen eine ausreichende Dichtfunktion.
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Die
erfindungsgemäße Lösung erlaubt es, mit
einer relativ einfach konfigurierten Gehäuseanordnung durch
Ersatz einer ruhenden, der Relativbewegung ausgesetzten Dichteinrichtung
durch eine die Zugkräfte aufnehmende und reversibel verformbare
Dichteinrichtung eine einfache und kompakt aufgebaute Ventilanordnung
mit hoher Funktionalität bereitzustellen.
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Die
erfindungsgemäße Lösung ist durch zwei
Grundausführungen charakterisiert, die sich hinsichtlich
der Erzeugung des örtlichen Strömungswiderstands
voneinander unterscheiden. Dabei wird der örtliche Strömungswiderstand
gemäß einer ersten Ausführung direkt
vom Ventilkolben gebildet. Dieser weist dazu zumindest einen ersten,
in der Verbindung zwischen Zulauf und Ablauf im Ventilgehäuse anordenbaren,
den örtlichen Strömungswiderstand bildenden Teilbereich
und einen zweiten zur Durchführung durch das Ventilgehäuse
vorgesehenen Teilbereich auf, wobei der erste Teilbereich einen
Flächenbereich aufweist, der geeignet ist, mit einem im Ventilgehäuse
angeordneten Ventilsitz zusammenzuwirken. Die Membran ist außerhalb
dieses Flächenbereichs mit dem Ventilkolben verbunden,
vorzugsweise an einen Außenumfang bildenden Teilbereich
des Ventilkolbens gekoppelt. Je nach Ausführung des Ventilkolbens
und der Membran bestehen dazu eine Mehrzahl von unterschiedlichen
Möglichkeiten.
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In
einer ersten Variante weist die Membran einen ersten Membranbereich
auf, der den zweiten Teilbereich des Ventilkolbens in Umfangsrichtung hülsenartig
umschließt und jeweils einen weiteren, zumindest eine Flanschfläche
zur dichtenden Anlage am Ventilgehäuse und dem Ventilkolben
bildenden Membranbereich. Die Membran ist in diesem Fall als vorgeformtes
Bauteil ausgeführt und an die konkrete Ausführung
des Ventilkolbens und der Durchgangsöffnung angepasst.
Der Ventilkolben kann in diesem Fall einteilig ausgeführt
sein, so dass auf aufwendige Verbindungselemente verzichtet werden
kann.
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In
einer weiteren Variante ist der Ventilkolben mehrteilig ausgeführt
und die einzelnen Teilbereiche und/oder Unterbereiche der Teilbereiche
bei weiterer Unterteilung sind miteinander durch Verbindungsmittel
gekoppelt. Die Membran ist dann zwischen zwei miteinander zu verbindenden
Teilbereichen oder Unterbereichen eines Teilbereichs die Öffnung
im Ventilgehäuse überdeckend und an diesem befestigt
angeordnet. Diese Ausführung erlaubt einfache Membranausführungen,
in der Regel in Form von die Öffnung im Ventilgehäuse
unter Ausbildung eines Wandbereichs überdeckenden flächigen
Gebilden. Die mehrteilige Ausführung des Ventilkolbens
ermöglicht auf einfache Art und Weise eine hohe Formen-
und Dimensionsvielfalt durch bausatzartige Zusammensetzung und damit
eine einfache und kostengünstige Anpassung an die unterschiedlichsten
Einsatzerfordernisse.
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In
einer alternativen Ausführung wird der örtliche
Strömungswiderstand direkt von der Membran gebildet. Dabei
wird diese gezielt verformt, um den Strömungswiderstand
bildenden Flächenbereich auszubilden. Die Membran ist die Öffnung
im Ventilgehäuse überdeckend angeordnet und der
Ventilkolben weist eine zur Membran gerichtete Druckfläche auf,
die an der äußeren, vom Innenraum des Ventilgehäuses
weggewandten Oberfläche der Membran in Bewegungsrichtung
des Ventilkolbens an dieser wirksam wird. Die Form der Druckfläche
bestimmt dabei im Zusammenwirken mit den elastischen Eigenschaften
der Membran die Formgebung des Strömungswiderstands.
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Die
Druckfläche des Ventilkolbens ist derart ausgebildet und
gegenüber der Membran angeordnet, dass die Membran mit
einem Flächenbereich ihrer zum Innenraum des Ventilgehäuses
gerichteten inneren Oberfläche mit einem Ventilsitz im
Ventilgehäuse in Wirkverbindung bringbar ist. Um mit geringen
Kräften arbeiten zu können, ist vorzugsweise die Druckfläche
fluchtend zur Ventilsitzfläche führbar angeordnet.
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Die
Druckfläche entspricht hinsichtlich der Ausführung
und Dimensionierung zumindest einem Teilbereich der Ventilsitzfläche,
vorzugsweise vollständig dieser, wobei in der geschlossenen
Ventilstellung die Membran durch die Druckkraft am Ventilsitz gehalten
wird.
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Durch
die in Abhängigkeit der Ausbildung der Druckfläche
relativ freie Verformbarkeit der Membran ist es ferner nicht mehr
zwingend erforderlich, die Ventilsitzfläche vollständig
von der den Zu- oder Ablauf begrenzenden Wandung des Ventilgehäuses auszubilden,
so dass nunmehr auch einfachere Ventilgehäusegestaltungen
realisierbar sind, die für die einzelnen Anschlüsse
gemeinsame Wandungsbereiche nutzen und lediglich nur ein Teilbereich
als Ventilsitzfläche mit den daran gestellten Anforderungen ausgeführt
werden muss.
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In
allen Ausführungen ist die Membran in der vollständig
geöffneten Schaltstellung der Ventilanordnung vorzugsweise
drucklos und die elastischen Eigenschaften werden nur zur Steuerung
der Volumenströme bei Bewegung des Ventilkolbens in Richtung
der geschlossenen Schaltstellung der Ventilanordnung genutzt.
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Der
den Strömungswiderstand bildende Teilbereich oder die Druckfläche
des Ventilkolbens kann hinsichtlich der Form und Dimensionierung
verschiedenartig ausgeführt sein. Vorzugsweise werden Ausführungen
mit sich änderndem Querschnitt gewählt. Die Druckfläche
oder der den Strömungswiderstand bildende Teilbereich des
Ventilkolbens ist dann beispielsweise kegelförmig, kegelstumpfförmig,
halb- oder teilkugelförmig ausgeführt.
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Die
Elastizität der Membran wird zumindest als Funktion einer
erforderlichen Verstellbewegung des Ventilkolbens gewählt.
In einer vorteilhaften Weiterentwicklung ist die Membran als Faltmembran ausgeführt
und die Auslegung der Falten und/oder Elastizität der Membran
wird als Funktion einer erforderlichen Verstellbewegung des Ventilkolbens
gewählt. Dehnung und Ausrollbewegung der Membran können
allein oder aber überlagert werden, wodurch die Beanspruchung
der Membran insgesamt relativ gering gehalten werden kann.
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Für
den Einsatz zur Steuerung von Volumenströmen in Maschinen
zur Herstellung von Materialbahnen, in welchen eine Vielzahl von
Volumenströmen über die Breite der Maschine im
jeweiligen Funktionsabschnitt–Stoffauflauf oder Formiereinheit – aufgebracht
werden müssen, werden vorzugsweise eine Mehrzahl derartiger
Ventilanordnungen in einer maschinen- oder bahnbreiten Verteilereinheit
angeordnet. Die Anordnung erfolgt vorzugsweise mit konstanter Ausrichtung
der Zu- und Abläufe zueinander. Die Ausrichtung des Strömungswegs
kann mit Richtungsänderung in einer horizontalen oder vertikalen Ebene
erfolgen.
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Die
erfindungsgemäße Lösung wird nachfolgend
anhand von Figuren erläutert. Darin ist im Einzelnen Folgendes
dargestellt:
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1 zeigt
in schematisiert vereinfachter Darstellung eine erste Variante einer
ersten erfindungsgemäßen Ausführung einer
Ventilanordnung im Axialschnitt;
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2 zeigt
in schematisiert vereinfachter Darstellung eine zweite Variante
einer ersten erfindungsgemäßen Ausführung
einer Ventilanordnung im Axialschnitt;
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3 zeigt
in schematisiert vereinfachter Darstellung eine dritte Variante
einer ersten erfindungsgemäßen Ausführung
einer Ventilanordnung im Axialschnitt;
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4 zeigt
in schematisiert vereinfachter Darstellung eine vierte Variante
einer ersten erfindungsgemäßen Ausführung
einer Ventilanordnung im Axialschnitt;
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5 zeigt
in schematisiert vereinfachter Darstellung eine erste Variante einer
zweiten erfindungsgemäßen Ausführung
einer Ventilanordnung im Axialschnitt;
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6 zeigt
in schematisiert vereinfachter Darstellung eine zweite Variante
einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführung
einer Ventilanordnung im Axialschnitt;
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7a zeigt
in schematisiert vereinfachter Darstellung eine dritte Variante
einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführung
einer Ventilanordnung im Axialschnitt;
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7b zeigt
eine Ansicht A-A gemäß 7a;
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7c zeigt eine Ansicht B-B gemäß 7a;
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8a zeigt
in schematisiert vereinfachter Darstellung eine vierte Variante
einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführung
einer Ventilanordnung im Axialschnitt;
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8b zeigt
eine Ansicht B-B gemäß 7a;
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9 zeigt
eine erste Anordnung von Zulauf und Ablauf; und
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10 zeigt
eine weitere Anordnung von Zulauf und Ablauf.
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Die 1 bis 4 verdeutlichen
in schematisiert vereinfachter Darstellung anhand jeweils eines
Axialschnitts unterschiedliche Varianten einer ersten Ausführung
einer erfindungsgemäß ausgebildeten Ventilanordnung 1 zur
Beeinflussung von Volumenströmen, insbesondere zur Steuerung
des Durchflussquerschnitts eines Strömungsmediums entlang
eines Strömungswegs 4. Zur Verdeutlichung der
einzelnen Richtungen ist an die Ventilanordnung 1 ein Koordinatensystem
angelegt. Die X-Richtung entspricht der Längsrichtung.
Die Y-Richtung beschreibt in einer horizontalen Ebene die Richtung senkrecht
zur Längsrichtung und entspricht damit der Breitenrichtung.
Die Z-Richtung beschreibt die Höhenrichtung.
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Die
Ventilanordnung 1 umfasst ein Ventilgehäuse 5 mit
zumindest zwei Anschlüssen, die je nach Durchströmungsrichtung
funktional als Zulauf 2 und Ablauf 3 fungieren.
Die Verbindung zwischen den Anschlüssen beschreibt einen
Strömungsweg 4. Der Strömungsweg 4 ist
innerhalb des Ventilgehäuses 5 angeordnet bzw.
wird durch Innenumfang beschreibende Teilbereiche der Gehäusewandung 8 des
Ventilgehäuses 5 beschrieben. Des Weiteren umfasst eine
erfindungsgemäß ausgeführte Ventilanordnung 1 zumindest
einen Ventilkolben 7, welcher durch eine Öffnung 6 der
Gehäusewandung 8 im Ventilgehäuse 5 verschiebbar
geführt ist, wobei dessen Position zwischen Zulauf 2 und
Ablauf 3 relativ zu diesen unter Ausbildung eines Strömungswiderstands 9 verstellbar
ist. Das Ventilgehäuse 5 kann einteilig oder aber
auch mehrteilig ausgeführt sein. Insbesondere zur Realisierung
der Öffnung 6 weist dieses ein Deckelelement 17 auf,
welches über Befestigungsmittel 16 mit dem Gehäusegrundkörper
verbunden ist. Der Ventilkolben 7 dient dabei der zumindest
mittelbaren Änderung des Durchflussquerschnitts im Strömungsweg 4 zwischen
Zulauf 2 und Ablauf 3 unter Ausbildung eines Strömungswiderstands 9.
Zwischen dem Ventilkolben 7 und dem Ventilgehäuse 5,
insbesondere im Bereich der mechanischen Durchführung des
Ventilkolbens 7 durch die Öffnung 6 sind
Mittel 13 zur Abdichtung des Strömungswegs 4 gegenüber
der Umgebung vorgesehen. Diese umfassen zumindest eine Membran 14,
welche verschiedenartig aufgebaut und angeordnet werden kann.
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Gemäß der
ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Lösung wird der Strömungswiderstand 9 direkt
vom Ventilkolben 7 gebildet. Dieser ist als Funktion der
Geometrie des im Inneren des Ventilgehäuses 5 angeordneten
Teils des Ventilkolbens 7 und dessen Position zwischen
Zulauf 2 und Ablauf 3 charakterisiert. Dazu umfasst
der Ventilkolben 7 zumindest einen ersten, den Strömungswiderstand 9 bildenden
Teilbereich 10 und einen zweiten Teilbereich 11,
welcher mit dem ersten Teilbereich 10 zumindest mittelbar
gekoppelt ist, sich durch die Öffnung 6 der Gehäusewandung 8 erstreckt
und relativ gegenüber dieser verschiebbar geführt
ist. Die Verstellbewegung des Ventilkolbens 7 erfolgt vorzugsweise
senkrecht zur Gehäusewandung 8 beziehungsweise
in Richtung einer die Ausrichtung der Öffnung 6 beschreibenden
Achse. Zur Realisierung der Verstellbewegung ist ein Antrieb 12 vorgesehen. Dieser
kann verschiedenartig ausgeführt sein. Denkbar sind beispielsweise
elektrische, mechanische, hydraulische, pneumatische Antriebe oder
eine Kombination aus diesen. In den Figuren wird daher auf die Darstellung
eines konkreten Antriebsprinzips verzichtet und die Funktion des
Antriebs 12 ist durch die Angabe der Verstellbewegungsrichtungen
mittels Doppelpfeil angedeutet. Die Bewegung des Ventilkolbens 7 erfolgt
relativ zum Strömungsweg 4 zumindest rein translatorisch.
Die Verstellbewegung ist eine Hubbewegung. Der erste Teilbereich 10 des Ventilkolbens 7 beschreibt
eine den Strömungswiderstand 9 bildende Fläche 18,
welche derart ausgeführt und dimensioniert ist, dass diese
geeignet ist, zumindest mit einer Teilfläche 19 mit
einem im Ventilgehäuse 5 angeordneten Ventilsitz 15 zusammenzuwirken. Die
Ventilanordnung 1 kann stufenlos oder stufenweise durch
entsprechende Betätigung des Ventilkolbens 7 als
Stelleinrichtung betrieben werden. Dementsprechend sind zumindest
zwei Schaltstellungen I, II der Ventilanordnung 1 möglich,
eine erste Schaltstellung I, in welcher der Strömungsweg 4 zwischen Zu-
und Ablauf 3 zumindest teilweise freigegeben ist und eine
weitere Schaltstellung II, in welcher der Strömungsweg 4 abgesperrt
ist. Diese Aussagen gelten allgemein für alle in den nachfolgenden
Figuren beschriebenen Ausführungen der Ventilanordnungen 1.
Vorzugsweise sind eine Vielzahl von Schaltstellungen, insbesondere
Schaltstellungen I mit Freigabe des Strömungswegs 4 denkbar.
In einzelnen Figuren ist zumindest eine erste Schaltstellung I dargestellt, während
für die zweite Schaltstellung 11 lediglich das den
Strömungswiderstand bildende Element und die Lage der Membran 14 im
verformten Zustand 14 stark schematisiert mittels unterbrochener
Linie angedeutet ist.
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Zur
Abdichtung der mechanischen Durchführung des Ventilkolbens 7 sind
Mittel 13, insbesondere eine zwischen Ventilgehäuse 5 und
Ventilkolben 7 angeordnete Membran 14 als hermetische
Dichtung vorgesehen. Diese ist als dynamische Dichtung ausgeführt,
welche sich an die Bewegung des Ventilkolbens 7 anpasst,
so dass unerwünschte Relativbewegungen zwischen den Dichtflächen
und dem Ventilkolben 7 vermieden werden. Dazu wird gemäß der ersten
Variante der ersten Ausführungsform die Membran 14 als
elastische Membran ausgebildet, die bei Steuerung des Durchflussquerschnitts
durch Bewegung des Ventilkolbens 7 gegenüber dem
Strömungsweg 4 zwischen Zulauf 2 und
Ablauf 3 eine elastische Verformung, insbesondere Dehnung,
erfährt. Die Membran 14 umfasst drei Teilbereiche,
einen ersten, den durch das Ventilgehäuse 5 zu
führenden Teilbereich 11 des Ventilkolbens 7 in
Längsrichtung, das heißt Verstellrichtung des
Ventilkolbens 7 in Umfangsrichtung hülsenartig
umschließenden Membranbereich 14.1 sowie zumindest
zwei weitere Membranbereiche 14.2, 14.3 zur Befestigung
am Ventilgehäuse 5 und dem Ventilkolben 7.
Der Membranbereich 14.2 bildet zumindest eine Flanschfläche zum
dichtenden Anliegen am Ventilkolben 7, insbesondere einem
von der den Strömungswiderstand 9 bildenden Fläche 18 weggerichteten
Flächenbereich, während der Membranbereich 14.3 Flanschflächen zum
dichtenden Anliegen am Gehäusegrundkörper und
dem Deckelelement 17 bildet. Das Umschließen des
Teilbereichs 11 des Ventilkolbens 7 durch den Membranbereich 14.1 erfolgt
dabei derart, dass eine Relativbewegung zwischen dem Teilbereich 11 und der
Membran 14 zulässig ist und frei von einer Berührung
erfolgt. Die Flanschfläche am Membranbereich 14.3 ist
derart ausgeführt und ausgerichtet, dass diese geeignet
ist, an der von der Fläche 18 weggewandten Seite
des Teilbereichs 10 des Ventilkolbens 7 an diesem
anzuliegen und mit diesem gekoppelt zu werden. Die Dichtfunktion
wird allein durch die Membran 14 ausgeübt, welche
bei der Bewegung des Ventilkolbens 7 eine Längsdehnung
parallel zur Mittenachse des Ventilkolbens 7 erfährt.
Die Regelung des Durchflussquerschnitts erfolgt allein durch den Ventilkolben 7.
Die Dichtfunktion wird durch die Dehnung der Membran 14 bei
der Hubbewegung des Ventilkolbens 7 beibehalten. Der Vorteil
dieser ersten Ausführungsvariante besteht darin, dass hier
keine Druckkräfte auf die Membran 14 wirken, sondern
lediglich Druckkräfte im Fall einer Auslenkung. Das Ventilgehäuse 5 selbst
kann hinsichtlich der geometrischen Ausführung relativ
einfach gehalten werden. Die ansonsten übliche Dichteinrichtung
wird hier durch eine aktive, die Bewegung des Ventilkolbens 7 nachbildende
Dichteinrichtung ersetzt.
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Gemäß der
ersten Variante der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Lösung ist der Ventilkoben 7 als rotationssymmetrisches
Element ausgeführt. Denkbar sind jedoch auch andere Ausführungen,
insbesondere des zweiten Teilbereichs 11. Der zweite Teilbereich 11 wird
vorzugsweise zylindrisch ausgebildet, während der erste,
den Strömungswiderstand 9 bildende Teilbereich 10 vorzugsweise
kegelförmig ausgeführt ist, das heißt
einen sich ändernden Querschnitt in Bewegungsrichtung des Ventilkolbens 7 aufweist.
Die die Kegeloberfläche beschreibende Fläche 18 bildet
den Strömungswiderstand 9.
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Im
dargestellten Fall sind der Zulauf 2 und der Ablauf 3 beispielhaft
in einem Winkel zueinander angeordnet, das heißt fluchten
nicht. Der Winkel beträgt im dargestellten Beispiel 90°.
Der Strömungsweg 4 erfährt zwischen Zulauf 2 und
Ablauf 3 somit eine Richtungsänderung und der
Ventilkolben 7 ist vorzugsweise lediglich in Richtung einer
der Anschlüsse, des Zulaufs 2 oder des Ablaufs 3 verstellbar.
Im dargestellten Fall erfolgt die Verstellbewegung des Ventilkolbens 7 fluchtend
zum Ablauf 3, weshalb der Ventilsitz 15 im Ventilgehäuse 5 am
Ablauf 3 ausgebildet wird.
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Auch
in den weiteren in den 2 bis 4 dargestellten
Varianten der ersten Ausführungsform ist eine als hermetische
Dichtung fungierende Membran 14 zwischen Ventilgehäuse 5 und
Ventilkolben 7 angeordnet und der Strömungswiderstand 9 wird
direkt vom Ventilkolben 7, insbesondere dem Teilbereich 10 gebildet.
Die Ausführungen gemäß der 2 bis 4 sind
jedoch dadurch charakterisiert, dass der Ventilkolben 7 die
Membran 14 durchsetzt, vorzugsweise mehrteilig ausgeführt
ist und die einzelnen Teilbereiche beidseitig der Membran 14 unter Kopplung
miteinander angeordnet sind. Im einfachsten Fall ist dazu der den
durchgeführten Teilbereich 11 beschreibende Schaft
gemäß 2 oder 4 in zumindest
zwei Unterbereiche 11.1 und 11.2 unterteilt, die
miteinander über Verbindungsmittel 20 gekoppelt
sind. Die Kopplung erfolgt vorzugsweise drehfest in Umfangsrichtung
und in axialer Richtung frei von einer Verschiebbarkeit unter Zwischenschaltung
der Membran 14 miteinander. Die Kopplung kann kraft- oder
formschlüssig erfolgen. Die Membran 14 ist ferner
mit dem Ventilgehäuse 5 der Ventilanordnung 1 verbunden,
insbesondere bildet einen Wandbereich zur Abdeckung der Öffnung 6 im Durchführungsbereich.
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Demgegenüber
zeigt 3 eine zweiteilige Ausführung des Ventilkolbens 7 mit
einer Verbindungsebene zwischen erstem und zweitem Teilbereich 10, 11 unter
Zwischenordnung der Membran 14. In allen Ausführungen
gemäß den 2 bis 4 verschließt
die Membran 14 die Öffnung 6 und ist
zwischen Gehäusegrundkörper und Deckelelement 17 angeordnet
und zwischen diesen über Befestigungsmittel 16 verspannt.
Die Geometrie der Membran 14 ist an die Öffnung 6 angepasst
und durch größere Abmessungen charakterisiert.
Vorzugsweise sind Öffnung 6 und Membran 14 in
einer hier nicht dargestellten Ansicht von oben kreisförmig ausgeführt,
wobei der Randbereich der Membran 14 die An- bzw. Auflagefläche
am Gehäusegrundkörper bildet.
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Die
in den 2 bis 4 dargestellten Ausführungen
sind beispielhaft, wobei auch diese durch eine Änderung
der Richtung des Strömungswegs 4 charakterisiert
sind, der Ventilkolben 7 entweder fluchtend dem Zulauf 2 oder,
wie in den einzelnen Figuren dargestellt dem Ablauf 3 zugeordnet
ist und der Ventilsitz 15 am Ablauf 3 gebildet
wird. Die Ausführung des den Strömungswiderstand 9 bildenden Teilbereichs 10 des
Ventilkolbens 7 kann verschiedenartig erfolgen. Vorzugsweise
werden Ausführungen mit sich in Bewegungsrichtung des Ventilkolbens veränderndem
Querschnitt, insbesondere in Richtung zum Endbereich des Ventilkolbens
in Richtung der Schaltstellung II zum Schließen der Ventilanordnung 1 verjüngendem
Querschnitt zum Einsatz gelangen, insbesondere kegelförmige,
kegelstumpfförmige, kugelförmig ausgebildete Teilbereiche 10.
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2 zeigt
eine Anordnung der Membran 14 zwischen den Unterbereichen 11.1 und 11.2 des
Teilbereichs 11 des Ventilkolbens 7 in räumlicher
Entfernung vom Strömungswiderstand 9 bildenden
Teilbereich 10. Die Membran 14 erfährt
bei Verschiebung des Ventilkolbens 7 in Richtung zum Ablauf 3 in
der dargestellten beispielhaften ausgelenkten Stellung 14' daher
nur eine geringfügige Verformung.
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Demgegenüber
zeigt 3 eine alternative Ausführung mit Anordnung
der Membran 14 als die Öffnung 6 abdeckendes
Element direkt zwischen erstem und zweitem Teilbereich 10, 11.
Diese Lösung bietet den Vorteil einer einfachen Herstellbarkeit
des Ventilkolbens 7 mit geringer Bauteilzahl und mit der Möglichkeit
einer großen Vielfalt an Strömungswiderstand 9 bildenden
Geometrien des Teilbereichs 10. Die Kopplung zwischen den
einzelnen Teilbereichen 10, 11 erfolgt über
Verbindungsmittel 20. Der Teilbereich 10, insbesondere
die den Strömungswiderstand 9 bildende Fläche 18 verschließt
den Ablauf 3 und die Membran 14 liegt in der ausgelenkten
Stellung im Zustand 14', welche der Schaltstellung II entspricht,
am Ventilsitz 15 am Ablauf 3 an. Bei dieser Ausführung
kann der Verstellbereich des Ventilkolbens 7 relativ klein
gewählt werden. Die Membran 14 erfährt
nur eine geringfügige Auslenkung, wodurch das Ventilgehäuse 5 relativ
kompakt aufgebaut werden kann.
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Die
Ausführungen gemäß den 1 bis 3 nutzen
bei Verstellbewegung des Ventilkolbens 7 die Eigenschaft
der Membran 14, Zugkräfte aufnehmen und sich bei
Entlastung reversibel zurückstellen zu können.
Dies wird im Wesentlichen durch die Elastizität der Membran
ermöglicht.
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Demgegenüber
ist in 4, welche eine Weiterentwicklung einer Ausführung
gemäß 2 beschreibt, die Membran 14 als
Faltmembran ausgeführt. Der Grundaufbau des Ventilkolbens 7,
der Zuordnung zum Ablauf 3 sowie der Anordnung der Membran 14 zur
Abdeckung der Öffnung 6 entspricht dem in 2 beschriebenen,
weshalb für gleiche Elemente gleiche Bezugsziffern verwendet
werden. Die Membran 14 ist jedoch derart ausgeführt
und angeordnet, dass diese einen entgegen der Hauptbewegungsrichtung
zum Schließen der Ventilanordnung 1 und damit
der Schaltstellung II ausgerichteten und einen Vorsprung beschreibenden
Membranbereich aufweist. Diese zusätzliche Ansammlung von Material
erlaubt es, die Bewegung des Ventilkolbens 7 ohne Belastung
der Membran 14 durch Abrollen dieser, insbesondere dem
Aufrollen der Falten nachzubilden. Die Faltenbildung erfolgt vorzugsweise
derart, dass die Membran 14 bei der Hubbewegung des Ventilkolbens 7 nicht
gedehnt wird, sondern das Material lediglich anders angeordnet wird.
Der Vorteil dieser Lösung besteht damit in der geringen
Beanspruchung der Membran 14 sowie einer einfachen Geometrie
des Ventilgehäuses 5. Die Regelung des Durchflussquerschnitts
und damit Volumenstroms erfolgt auch hier über den Ventilkolben 7 selbst,
insbesondere den Strömungswiderstand bildenden Teilbereich 10.
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Alle
Ausführungen gemäß den 1 bis 4 sind
dadurch charakterisiert, dass bei geöffneter Schaltstellung
I der Ventilanordnung 1 keine Druckkräfte auf
die Membran 14 wirken.
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Die 5 bis 8 verdeutlichen eine zweite Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Ausbildung einer Ventilanordnung.
Der Grundaufbau der Ventilanordnung 1, insbesondere des
Ventilgehäuses 5 entspricht im Wesentlichen dem
in den 1 bis 4 beschriebenen, weshalb diesbezüglich
auf diese Figuren verwie sen wird und für gleiche Elemente
die gleichen Bezugsziffern verwendet werden. Bei dieser Ausführung
fungieren jedoch die Mittel 13 zur Abdichtung zwischen
Ventilkolben 7 und Ventilgehäuse 5 direkt
als Strömungswiderstand 9 zur Beeinflussung des
Durchflussquerschnitts im Strömungsweg 4. Damit
fungiert die Membran 14 in einer Doppelfunktion als Dichteinrichtung
und zusätzlich als Stellglied zur Steuerung/Regelung des
Volumenstroms, insbesondere des Durchflussquerschnitts im Strömungsweg 4.
Die Membran 14 überdeckt auch hier die Öffnung 6 unter
Ausbildung eines den Strömungsweg 4 begrenzenden
Wandbereichs. An diesem wird an der vom Innenraum des Ventilgehäuses 5 weggewandten äußeren
Oberfläche 22 der Ventilkolben 7 wirksam,
um durch elastische Verformung der Membran 14 den Durchflussquerschnitt
zwischen Zulauf 2 und Ablauf 3 zu beeinflussen.
Der Wandbereich kann dabei an beliebiger Stelle am Ventilgehäuse 5 angeordnet
werden. Die Anordnung erfolgt jedoch vorzugsweise einem Ventilsitz 15 gegenüberliegend.
Die Formgebung des Ventilkolbens 7 sowie die Elastizitätseigenschaften
der Membran 14, insbesondere die theoretisch mögliche
Ausdehnung bestimmen dabei die theoretisch mögliche Änderung
des Durchflussquerschnitts im Strömungsweg 4 zwischen
Zulauf 2 und Ablauf 3.
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Das
Bezugszeichen 14' zeigt in den 5 bis 8 schematisiert vereinfacht die verformte
Membran 14 in der Schaltstellung II der Ventilanordnung 1, das
heißt der geschlossenen Schaltstellung. In den Figuren
sind die Schaltstellungen I für eine geöffnete Schaltstellung
und II für die geschlossene Schaltstellung der Ventilanordnung 1 angedeutet.
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Die 5 zeigt
eine Ausführung mit in einem Winkel zueinander angeordneten
Anschlüssen, insbesondere Zulauf 2 und Ablauf 3,
wobei der Ventilkolben 7 hier vorzugsweise in fluchtender
Lage zum Ablauf 3 und dementsprechend die Öffnung 6 ebenfalls in
fluchtender Lage zum Ablauf 3 angeordnet ist. Die Öffnung 6 wird
durch die Membran 14 verschlossen, die mittels Befestigungsmitteln 16 zwischen
Deckelelement 17 und Gehäusegrundkörper
dichtend verspannt ist. Der Ventilkolben 7 wirkt mit seiner
Druckfläche 21 auf die äußere
Oberfläche 22 der Membran 14 und bewirkt
dadurch eine Dehnung der Membran 14 in Bewegungs richtung
des Ventilkolbens 7. Die zum Innenraum des Ventilgehäuses 5 gerichtete
innere Oberfläche 23 der Membran 14 bildet
den Strömungswiderstand 9 und dient gleichzeitig
dem Zusammenwirken mit dem Ventilsitz 15 beim Schließen der
Ventilanordnung 1. Die Hubbewegung des Ventilkolbens 7 wird
hier allein durch die elastische Dehnung der Membran 14 ausgeglichen.
Deren elastisches Verhalten bestimmt dabei die Änderung
des Durchflussquerschnitts. In geöffneter Schaltstellung der
Ventilanordnung 1 wirken so gut wie keine Druckkräfte
auf die Membran 14 und das Ventilgehäuse 5 kann
auch hier hinsichtlich seiner geometrischen Ausführung
einfach aufgebaut werden. Um mit dem Ventilsitz 15 zusammenwirken
zu können, ist die Druckfläche 21 des
Ventilkolbens 7 an die Ventilsitzgeometrie anzupassen.
Die Anpassung erfolgt unter Berücksichtigung zumindest
der Membrandicke. In 5 wird die Druckfläche 21 von
einer gekrümmten Fläche, insbesondere einer Teilfläche
der Oberfläche einer Kugel gebildet.
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Demgegenüber
zeigt die 6 eine Ausführung des
Ventilkolbens 7 mit ebener, vorzugsweise kreisförmiger
Druckfläche 21, die eine Verformung der Membran 14 bewirkt,
welche die Druckfläche 21 in der geschlossenen
Schaltstellung II der Ventilanordnung 1 vollständig
gegenüber dem Ablauf 3 abdichtet. Die Verformung
der Membran 14 erfolgt derart, dass diese mit einer Teilfläche
dichtend am Ventilsitz 15 aufliegt. Der Ventilkolben 7 ist
vorzugsweise in seinem, die Druckfläche 21 bildenden
Endbereich plattenförmig ausgebildet. Die Membran 14 wird
bei dieser Ausführung nur geringfügig ausgelenkt,
und bei geöffneter Schaltstellung der Ventilanordnung 1 wirken
keinerlei Druckkräfte auf die Membran 14. Auch
hier kann das Ventilgehäuse 5 relativ einfach ausgeführt
sein.
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7a zeigt
eine alternative Ausführung der Druckfläche 21 als
in nur einer Ebene gekrümmte Fläche. Die Druckfläche 21 ist
an die Fläche des Ventilsitzes 15 angepasst und
die Anordnung des Ventilkolbens 7 erfolgt vorzugsweise
fluchtend zum Ventilsitz 15. In der 7b dargestellt
ist eine Teilansicht A-A des Ventilkolbens 7 und in 7c eine Ansicht B-B von oben gemäß 7a.
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Der
Zulauf 2 ist hier in horizontaler Richtung ausgerichtet,
der Ablauf 3 in einem Winkel zum Zulauf 2, vorzugsweise
in vertikaler Richtung zu diesem. Dabei erfolgt zwischen Zulauf 2 und
Ablauf 3 auch hier eine Strömungsumlenkung. Diese
wird über eine den Ventilsitz 15 bildende Wandung
realisiert, welche den Zulauf 2 vom Ablauf 3 trennt
und im Zusammenwirken mit der Membran 14 einen Übertritt von
Strömungsmedium verhindert. Auch hier erfolgt die Steuerung
des Durchflussquerschnitts allein durch die Membran 14 aufgrund
der Hubbewegung des an ihrer äußeren Oberfläche 22 wirkenden
Ventilkolbens 7. Die Membran 14 ist dabei derart
ausgebildet und ausgelegt, dass diese geeignet ist, bei Hubbewegung
des Ventilkolbens 7 dichtend an der zu dieser gewandten
Fläche des Ventilsitzes 15 der Zwischenwandung
anzuliegen und somit den Ablauf 3 zu versperren. Aufgrund
der Anordnung der den Strömungsweg abdichtenden Membran 14 und
der Anordnung der Zwischenwandung sowie der von dieser gebildeten
Ventilsitzfläche im Bereich der maximal-theoretischen Auslenkung
im Mittenbereich in axialer Richtung der Membran 14 betrachtet,
erfolgt hier nur eine minimale Auslenkung der Membran 14 zum
Schließen der Ventilanordnung 1 und damit zum Erreichen
der Schaltstellung II. In der geöffneten Schaltstellung
I wirken auch hier keine Druckkräfte auf die Membran 14,
da diese lediglich die den Innenraum begrenzende Außenwandung
des Strömungswegs 4 bildet.
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Die 8a zeigt
eine Weiterentwicklung der Ausführung gemäß 7a,
bei welcher die Ausführung des Ventilkolbens 7 weiter
modifiziert wurde. Dementsprechend wird die an der äußeren
Oberfläche 22 der Membran 14 wirkende
Druckfläche 21 von einem halbkugelförmigen
oder kegelförmig ausgebildeten Element gebildet. Die wirksame
Druckfläche 21 wird dadurch vergrößert.
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Die
erfindungsgemäße Lösung für
die Ausgestaltung einer Ventilanordnung 1 gemäß der
ersten und der zweiten Ausführungsform ist in besonders vorteilhafter
Weise für den Einsatz von Ventileinrichtungen zur Verteilung
von Strömungsmedien aus einer zentralen Verteilereinheit 25 über
die Maschinenbreite einer Maschine zur Herstellung einer Materialbahn,
insbesondere Faserstoffbahn, im Bereich des Stoffauflaufs oder einer
Formiereinrichtung anwendbar. Diese umfasst eine vorzugsweise maschinenbreite
Verteilerleiste, welche beispielhaft Bestandteil eines Verteilerrohrs
ist. An dieser oder in dieser integriert können die erfindungsgemäßen
Ventilanordnungen 1 angeordnet werden. Die Anordnung erfolgt dabei
vorzugsweise in Breitenrichtung der Maschine mit gleichmäßigem
Abstand zueinander. Die einzelnen Ventilanordnungen 1 sind
dabei einzeln oder in Gruppen ansteuerbar. Bezüglich der
Ausführung der Strömungsführung bestehen
keinerlei Restriktionen. Zulauf 2 und Ablauf 3 der
einzelnen Ventilanordnungen können gemäß 9 in
einer Ansicht von Rechts in einem Winkel und in vertikaler Richtung versetzt
zueinander angeordnet sein. Vorzugsweise sind die einzelnen Abläufe 3 der
einzelnen Ventilanordnungen 1 parallel zueinander ausgerichtet.
In Analogie gilt dies auch für die Anordnung der Zuläufe 2.
Dem gegenüber zeigt die 10 eine
Anordnung mit Versatz in axialer Richtung, das heißt, Maschinenrichtung
in einer Ansicht von oben am Beispiel eines Ausschnitts aus einer
Verteilereinheit 25.
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Die
erfindungsgemäße Lösung bietet den Vorteil
einer sehr einfachen und kompakten Ausgestaltung einer Ventilanordnung 1,
welche hinsichtlich ihrer Funktionsweise durch eine hohe Betriebssicherheit
charakterisiert ist.
-
- 1
- Ventilanordnung
- 2
- Zulauf
- 3
- Ablauf
- 4
- Strömungsweg
- 5
- Ventilgehäuse
- 6
- Öffnung
- 7
- Ventilkolben
- 8
- Gehäusewandung
- 9
- Strömungswiderstand
- 10
- Erster
Teilbereich
- 11
- Zweiter
Teilbereich
- 11.1
- Unterbereich
- 11.2
- Unterbereich
- 12
- Antrieb
- 13
- Mittel
zur Abdichtung
- 14
- Membran
- 14.1
- Membranbereich
- 14.2
- Membranbereich
- 14.3
- Membranbereich
- 14'
- Verformter
Zustand
- 15
- Ventilsitz
- 16
- Befestigungsmittel
- 17
- Deckelelement
- 18
- Fläche
- 19
- Flächenbereich
- 20
- Verbindungsmittel
- 21
- Druckfläche
- 22
- Äußere
Oberfläche
- 23
- Innere
Oberfläche
- 24
- Flächenbereich
- 25
- Zentrale
Verteilereinheit
- A-A
- Teilansicht
- B-B
- Ansicht
- I
- Erste
Schaltstellung
- II
- Zweite
Schaltstellung
- X
- Koordinate
- Y
- Koordinate
- Z
- Koordinate
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - EP 0633416
B1 [0004]
- - EP 0766031 B1 [0005]
- - DE 19522448 A1 [0007]