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Die
Erfindung betrifft ein Ventil mit einem Magnetantrieb und einem
darin in einer Axialrichtung bewegbar angeordneten Kern zum Öffnen
und Schließen eines Ventilsitzes.
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Vor
allem bei Ventilen, die zur Durchflussregelung von flüssigen
oder gasförmigen Medien eingesetzt werden sollen, und nicht
nur eine Auf/Zu-Funktion gefragt ist, muss das Stellglied innerhalb
des Maximalhubs im Kernführungsrohr zuverlässig
reproduzierbar und schnell jede gewünschte Position einnehmen
können. Bei diesem Vorgang ist auftretende Reibung und
der daraus resultierende „Stick-Slip”-Effekt,
bei größerer Haftreibung im Vergleich zur Gleitreibung,
besonders störend: Eine zuverlässige Regelung
des Durchflusses ist dann nicht mehr gewährleistet.
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Deshalb
besteht ein Interesse an Ventilen, in denen die Stellglieder reibungsfrei
mittels eines Aktors bewegt werden können. Eine bekannte
Möglichkeit ist die Verwendung von Flachfedern als Führungselemente.
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Aus
der
EP 1 536 169 ist
ein Regelventil bekannt, bei dem der Kern an seinen beiden Enden
mittels zweier Flachfedern mit minimalem Radialspiel im Kernführungsrohr über
den gesamten Hub berührungslos und somit reibungsfrei geführt
wird.
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Mit
der Elimination der Reibung geht allerdings auch eine Reduzierung
der Dämpfung des schwingungsfähigen Systems Ventilanker/Flachfedern
einher; dieses ist daher leichter zu Schwingungen anregbar. Solche
Anregungen können z. B. von Schallwellen kommen, die bei
höheren Drücken hinter dem Ventilsitz entstehen,
wo sich das Gas entspannt und es in der Regel zu Verdichtungsstößen kommt.
Wenn diese Schallwellen an stromabwärts (außerhalb
des Ventils) befindlichen Strömungswiderständen
(Drosseln, Leitungsverbindungen etc.) teilweise reflektiert werden,
kann es zu Resonanzen und damit verbundener Anregung von unerwünschten
Schwingungen des Kerns kommen. Eine Regelung des Durchflusses ist
dann nicht mehr möglich.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, ein Ventil zur Verfügung zu
stellen, das diese Nachteile nicht aufweist.
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Ein
erfindungsgemäßes Ventil umfasst einen Magnetantrieb
und einen darin in einer Axialrichtung bewegbaren Kern zum Öffnen
und Schließen eines Ventilsitzes. An einem axialen Ende
des Kerns sind mindestens zwei aufeinander gestapelte Flachfedern angeordnet.
Die Flachfedern dienen der Kernführung und stellen dessen
reibungsfreie Bewegung im Kernführungsrohr sicher. Ein
Kippen des Kerns ist somit ausgeschlossen. Natürlich kann
auch ein Federstapel aus mehr als zwei Flachfedern verwendet werden.
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Stapelt
man identische Flachfedern sich vollständig überdeckend übereinander,
so verändert die Anzahl der Federn die wirkende Federkraft.
Man könnte durch entsprechende Auslegung einer Feder, zum
Beispiel mit einer dickeren Flachfeder, dieselbe Kraft erzielen
wie mit zwei gestapelten dünneren.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform eines Ventils werden
die mindestens zwei Flachfedern so aufeinander gestapelt, dass gerade
keine vollständige Überdeckung eintritt. Diese
sich nicht überdeckende Anordnung der Flachfedern zueinander
bewirkt eine Dämpfung des Systems: eine unerwünschte
Schwingungsanregung des Kerns kann so völlig vermieden
werden.
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Eine
nicht überdeckende Anordnung der Flachfedern kann insbesondere
dadurch erreicht werden, dass sich die Flachfedern in ihrer Gestalt und/oder
Orientierung zueinander unterscheiden.
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Gemäß den
bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung weisen die
mindestens zwei Flachfedern im Wesentlichen die gleiche, vorzugsweise
identische Gestalt auf und sind gegeneinander verdreht. Gegeneinander
Verdrehen bedeutet entweder Drehen um die in der Ebene der Feder
liegende Mittelachse einer Flachfeder um 180° oder Drehen einer
Flachfeder um ihre dazu senkrecht stehende Mittelachse um einen
beliebigen Winkel.
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Vorteilhafterweise
sind die gestapelten Flachfedern fest miteinander verbunden, so
dass die gewünschte Positionierung dauerhaft fixiert ist
und ein späteres Verschieben ausgeschlossen. Die Flachfedern
werden vorzugsweise miteinander verpresst oder verschraubt.
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In
einer weiteren Ausführungsform sind die aufeinander gestapelten
Flachfedern an dem axialen Ende des Kerns angeordnet, das dem Ventilsitz
gegenüberliegt. Bedingt durch den üblichen Ventilaufbau,
steht auf der Seite des Ventilsitzes mehr Platz zur Verfügung
als auf der Seite des Ventilstopfens. Aber es ist auch denkbar,
dass die aufeinander gestapelten Flachfedern auf der vom Ventilsitz
abgewandten Seite des axialen Endes des Kerns angeordnet sind. Von
der Wirkungsweise her betrachtet spielt es keine Rolle an welchem
der beiden Kernenden die Flachfedern positioniert sind.
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Die
Flachfedern stützen sich an ihren Außenrändern
vorzugsweise auf einer Schulter im Fluidgehäuse ab und
sind durch den Magnetantrieb, insbesondere durch ein verlängertes
Kernführungsrohr, fixiert. Die Flachfedern können
zwischen dem Magnetantrieb und dem Fluidgehäuse, in dem
der Ventilsitz angeordnet ist, eingespannt sein. Ein verlängertes Kernführungsrohr
des Magnetantriebs kann in das Fluidgehäuse ragen und die
Flachfedern gegen die Schulter im Fluidgehäuse drücken.
Zwischen der Schulter im Fluidgehäuse und den Flachfedern
kann zusätzlich ein Einlegering angeordnet sein, so dass sich
diese dann am Einlegering abstützen.
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Die
Flachfedern sind vorzugsweise scheibenartig ausgebildet und weisen
zwei konzentrische Ringe auf, die über Arme miteinander
verbunden sind. Es können beispielsweise drei oder vier
Arme als Verbindungsglieder zwischen den beiden Ringen dienen. Die
Arme weisen insbesondere eine mäanderförmige Struktur
auf. Die Herstellung der Flachfedern erfolgt gemäß bekannter
Verfahren, wie Laserschneiden oder chemischem Nassätzen.
Werden Flachfedern so aufeinander gestapelt. dass sie sich nicht überdecken,
so hat das zur Folge, dass die Arme gekreuzt sind.
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Die
Innenringe der Flachfedern sind bevorzugt zwischen einem Dichtungshalter,
der mit dem Ventilsitz zusammenwirkt und einem dem Ventilsitz gegenüberliegenden
Ende des Kerns eingeklemmt. Es ist aber auch möglich, eine
Dichtung ohne separaten Dichtungshalter direkt am Ende des Kerns
zu befestigen und den Innenrand der Flachfedern mit dem Ende des
Kerns fest zu verbinden.
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In
einer weiteren Ausführungsform ist mindestens eine weitere
Flachfeder am axialen Ende des Kerns angeordnet, das vom Ventilsitz
abgewandt ist. Diese Flachfeder hat, wie auch schon die anderen Flachfedern,
die Aufgabe, den Kern reibungsfrei im Kernführungsrohr
zu führen. Die mindestens eine weitere Flachfeder kann
zusätzlich die Rückstellfunktion im Ventil übernehmen.
Das hat den Vorteil, dass dann keine weitere Feder benötigt
wird, die im geschlossenen Zustand des Ventils den Kern mit Dichtung
auf den Ventilsitz drückt.
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Die
weitere Flachfeder stützt sich vorzugsweise mit ihrem Außenrand
an einer Schulter am Kern ab, und ein Innenring der weiteren Flachfeder wird
mittels einer Justierschraube gehalten. Über die Justierschraube
werden auf bekannte Weise die Vorspannung und der Ventilhub eingestellt.
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Bei
einer anderen Ausführungsform des Ventils ist die weitere
Flachfeder mit ihrem Außenrand fest mit einem Stopfen (im
Inneren des Magnetantriebs) verbunden, insbesondere durch Punktschweißen
und ein Innenring der weiteren Flachfeder stützt sich an
einem Lagerteil am Kern ab. Lagerteil und Kern können auch
einstückig ausgeführt sein.
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Je
nach Anwendungsfall, das heißt je nach geforderten Leistungsdaten
des Ventils, greift am Kern ein weiteres Federelement zur Rückstellung
an. Das weitere Federelement ist vorzugsweise zwischen Kern und
Stopfen eingesetzt. Dadurch kann die Dichtheit des Ventils auch
bei höheren am Ventilsitz anstehenden Mediumsdrücken
sichergestellt werden.
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Das
erfindungsgemäße Ventil eignet sich besonders
zum Regeln von Flüssigkeiten oder Gasen. Für diese
Anwendungen wird ein Magnetantrieb mit Proportionalverhalten bevorzugt.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. In
den Zeichnungen zeigen:
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1 ein
Schnittbild durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Ventils;
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2 ein
Schnittbild durch eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Ventils;
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3a ein
Schnittbild eines Kerns mit Flachfedern;
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3b eine
Explosionsdarstellung des Kerns und der Flachfedern von 3a;
und
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3c eine
Draufsicht auf den Kern mit den Flachfedern gemäß 3a und 3b.
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In 1 ist
ein Schnittbild eines Ventils 10 mit einem Magnetantrieb 20 und
einem Fluidgehäuse 30 dargestellt, die dicht miteinander
verbunden sind. Im Magnetantrieb 20 ist ein Kernführungsrohr 40 mit einem
feststehenden Stopfen 50 und einem in Axialrichtung bewegbaren
Kern 60 zum Öffnen und Schließen eines
Ventilsitzes 70 angeordnet. Der Ventilsitz 70 ist
im Fluidgehäuse 30 am Ende des Fluideingangs 80 angeordnet
und steht in fluidischer Verbindung mit mindestens einer Gehäuseausnehmung 90,
die in den Fluidausgang 100 mündet.
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Mit
dieser Anordnung ist eine ”Unter-Sitz-Anströmung” realisiert.
Es ist aber auch möglich, dass der Ventilsitz am Ende des
Fluidausgangs angeordnet ist und mit dem Fluideingang in fluidischer
Verbindung steht, wodurch eine ”Über-Sitz-Anströmung” erreicht
wird. Erfindungsgemäße Ventile sind für
beide Betriebsarten geeignet.
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Gegenüberliegend
zum Ventilsitz 70 ist die Dichtung 110 an einem
Ende des Kerns 60, das in das Fluidgehäuse 30 ragt,
angeordnet und kann den Ventilsitz 70 bei Bewegung des
Kerns 60 freigeben oder verschließen. Die Dichtung 110 ist
im Dichtungshalter 120 gehalten, der mit dem Ende des Kerns 60 fest
verbunden, beispielsweise eingepresst, ist. Die Dichtung 110 kann
aber auch direkt am, dem Ventilsitz 70 gegenüberliegenden,
Ende des Kerns 60 angeordnet sein.
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Der
Kern 60 weist an seinen beiden axialen Enden Flachfedern 130, 140 auf,
mittels derer der Kern 60 reibungsfrei im Kernführungsrohr 40 geführt wird.
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Wie
aus 3b ersichtlich sind die Flachfedern 130 scheibenartig
ausgebildet und weisen einen Außenring 150 und
einen Innenring 160 auf, die konzentrisch angeordnet sind
und durch Arme 170 miteinander verbunden sind. In der dargestellten
Ausführungsform weisen die Flachfedern 130 drei
Arme 170 mit einer mäanderartigen Form auf. Die
gezeigte Geometrie der Flachfeder 130 ist beispielhaft.
Erfindungsgemäße Ventile funktionieren auch mit
Flachfedern, die eine andere Geometrie oder mehr als drei Arme aufweisen.
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Am
axialen Ende des Kerns 60, das dem Ventilsitz 70 gegenüberliegt,
sind mindestens zwei aufeinander gestapelte, sich nicht überdeckende Flachfedern 130 angeordnet.
Die so aufeinander gestapelten Flachfedern 130 bewirken
eine vorteilhafte Dämpfung des Systems, so dass eine unerwünschte Anregung
zu Schwingungen ausgeschlossen wird, was eine optimale Regelbarkeit
der Ventile gewährleistet.
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In 3a ist
ein Schnittbild eines Kerns 60 gezeigt, der an einem Ende
mit Flachfedern 130 fest verbunden ist. Die Innenringe 160 der
Flachfedern 130 werden zwischen einem Dichtungshalter 120 und
einem axialen Ende des Kerns 60 eingeklemmt. Der Dichtungshalter 120 trägt
die Dichtung 110, die im Ventil 10 den Ventilsitz 70 freigibt
oder verschließt.
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In
den 3a–3c werden
zwei identische Flachfedern 130 aufeinander gestapelt,
die um einen Winkel von 60° gegeneinander verdreht sind. Die
60° ergeben sich aus Symmetriegründen bei einer
Anzahl von drei Armen 170. Bei vier Verbindungsarmen würde
man einen Verdrehwinkel von 45° wählen. Der gewünschte
Dämpfungseffekt, der durch sich nicht überdeckende
Flachfedern erzielt wird, wird auch erreicht, wenn die Flachfedern
sich in ihrer Gestalt unterscheiden, das heißt wenn nicht identische
Flachfedern eingesetzt werden. Bei identischen Flachfedern kann
auch eine der Flachfedern um eine Mittelachse um 180° gedreht
werden, die in der Ebene der Flachfeder liegt.
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Die
Flachfedern 130 werden fest miteinander verbunden, insbesondere
verpresst oder verschraubt. Dadurch ist sichergestellt, dass im
Ventilbetrieb, beispielsweise durch auftretende Erschütterungen,
die Flachfedern ihre Position zueinander nicht verändern.
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Der
Kern 60 mit aufeinander gestapelten Flachfedern 130 gemäß den 3a–3c ist
im Ventil 10 im Kernführungsrohr 40 des
Magnetantriebs 20 axial bewegbar angeordnet. Die Flachfedern 130 stützen
sich, wie in 1 gezeigt, an ihrem Außenrand 150 auf
dem Einlegering 180 ab, der im Fluidgehäuse 30 oberhalb
des Ventilsitzes 70 angeordnet ist, und werden durch eine
Verlängerung 190 des Kernführungsrohrs 40 im
Fluidgehäuse 30 festgehalten.
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Der
Einlegering 180, der zur Strömungskonditionierung
des Mediums dient, ist optional. Ohne Einlegering stützen
sich die Flachfedern auf einer Schulter im Fluidgehäuse 30 ab
und werden dort zwischen Magnetantrieb 20 und Fluidgehäuse
eingeklemmt.
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Am
axialen Ende des Kerns 60, das vom Ventilsitz 70 abgewandt
ist, ist eine weitere Flachfeder 140 angeordnet. Die Flachfeder 140 weist
den gleichen Aufbau wie die Flachfedern 130 auf. Es können
auch an diesem Ende des Kerns 60 mehrere aufeinander gestapelte
Flachfedern 140 eingesetzt werden.
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Die
Flachfeder 140 stützt sich an ihrem Außenrand 150 auf
einer Schulter 200 am Kern 60 ab. Der Innenring 160 der
Flachfeder 140 wird mittels der Justierschraube 210 gehalten,
die den Stopfen 50 auf beiden Seiten axial durchragt. Justierschrauben
sind bekannt. Damit lassen sich Vorspannung der Flachfeder 140 und
Ventilhub einstellen. Die Flachfeder 140 dient vorteilhaft
zur Führung des Kerns 60, und sie sorgt ebenso
für seine Rückstellung. Das heißt, dass
die Federkraft der Flachfeder 140 bei stromlosem Zustand
des Magnetantriebs 20 ein dichtes Verschließen
des Ventilsitzes 70 sicherstellt.
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2 zeigt
ein Schnittbild einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Ventils 10, das sehr ähnlich ist zum Ventil 10 entsprechend 1.
Auch hier werden aufeinander gestapelte Flachfedern 130 verwendet,
die unerwünschte Schwingungen des Kerns 60 verhindern.
Die Flachfedern 130 und 140 haben beide die Aufgabe,
den Kern 60 reibungsfrei im Kernführungsrohr 40 zu
führen.
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Die
Rückstellung des Kerns 60 übernimmt hier
ein weiteres Federelement 220, insbesondere in Form einer
Schraubenfeder, die innerhalb des Stopfens 50 zwischen
der Justierschraube 210 und dem Kern 60 angeordnet
ist. Das Federelement 220 wird vor allem dann benötigt,
wenn mit dem Ventil 10 höhere Mediumsdrücke
geregelt werden sollen.
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In
dieser Ausführungsform ist die Flachfeder 140 an
ihrem Außenrand 150 fest mit einer Schulter 230 im
Stopfen 50 verbunden, insbesondere verschweißt.
Der Innenring 160 stützt sich am Lagerteil 240 ab,
das fest mit dem Ende des Kerns 60 verbunden ist, das vom
Ventilsitz 70 abgewandt ist.
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Erfindungsgemäße
Ventile 10 sind besonders für Magnetantriebe 20 mit
Proportionalverhalten geeignet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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