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Kolbenventil
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Kolbenventil Die Erfindung betrifft ein Kolbenventil.
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Kolbenventile dieser Art dienen zur Steuerung von unter Druck stehendem
Fließmittel. Insbesondere betrifft die Erfindung die Konstruktion von Kolbenventilen,
die sich für derartige Anwendungszwecke eignen.
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Allgemein findet sich unter den Ventilen, die zur Steuerung von Druckmittel
dienen, eine Klasse, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Kolben oder ein
schieberähnliches bewegliches Glied Verwendung findet, welches sich innerhalb eines
Ventilkörpers bewegt und die Verbindung zwischen mehreren Durchlässen in dem Ventilkörper
steuert.
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Dabei sind flexible oder elastische Dichtungen vorgesehen,
um
unerwünschte Leckagen zwischen den Durchlässen zu verhindern. Wenn die Dichtungen
an den Ventilkörper angepaßt sind, weist das bewegliche Glied Umfangsnuten auf und
hat eine spulenartige Form, so daß derartige Ventile allgemein als Spulenventile
bezeichnet werden.
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Sind die Dichtungselemente aber an dem beweglichen Glied angebracht,
so wird ein derartiges Ventil allgemein als "Kolbenventil" bezeichnet. Im allgemeinen
weist ein Kolbenventil die einfachere Konstruktion auf, während ein Spulenventil,
obwohl es komplizierter aufgebaut ist, üblicherweise den Vorteil hat, daß bei einer
vorgegebenen physikalischen Ventilgröße eine größere Fließmittel-Strömungskapazität
sowie eine größere Lebenserwartung für die Dichtungen gegeben sind, weil die Dichtungen
relativ zu den Durchlässen festsitzen und das bewegliche Glied so ausgebildet werden
kann, daß sich ein weiches In-Eingriff-Kommen und Lösen der Dichtungen ergibt.
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Die Dichtungen, welche üblicherweise in Ventilen dieser Klasse Verwendung
finden, bestehen aus elastomerem Material, wie beispielsweise Neopren oder Nitrilkautschuk.
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Die Form und das Material der Dichtung werden so gewählt, daß sich
unter dem Druck, der durch das von dem Ventil gesteuerte Fließmittel ausgeübt wird,
eine Verformung der Dichtung in der Weise ergibt, wie sie notwendig ist, um ein
druckdichtes Ansitzen an den Flächen, mit denen die Dichtung in Kontakt steht, zu
gewährleisten. Die Auswahl der Form und des Materials für einen bestimmten Anwendungszweck
erfordert bei den Dichtungen eine beträchtliche Sorgfalt, um sowohl eine Leckage,
wie sie von einer unzureichenden Dichtungsdeformation unter Arbeitsdrücken resultiert,
als auch eine übermäßige Deformation der Dichtung
zu vermeiden,
die im allgemeinen zu einer Beschädigung der Dichtungsflächen, welche durch die
Dichtung beaufschlagt werden, führt.
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Bei Spulenventilen finden als Formen für das bewegliche Glied angefaste
oder abgerundete Erhebungen als Kontaktstellen für die Dichtungen Anwendung, welche
die Abtrennung und die wechselseitige Verbindung der verschiedenen Durchlässe im
Ventilkörper bei der Bewegung des Spulenkörpers gewährleisten. Die Dichtungen sind
in dem Körper zwischen den darin vorgesehenen Durchlässen durch Abstandshalter geeigneter
Konfiguration angeordnet, welche radiale Bohrungen für das Hindurchtreten des gesteuerten
Druckmittels aufweisen. Wenn die Dichtungen O-Ring-Form haben, sind die Enden der
Abstandshalter so geformt, daß sich eine Halterung ergibt, welche ein Kollabieren
der Dichtungselemente in die Spulennuten während der Bewegung der Spule verhindern.
In einigen Anwendungsfällen, insbesondere dann aber, wenn die Dichtungen eine zusammengesetzte
Form haben, die in Wahrheit nicht kollabieren kann, brauchen die Abstandshalter
keine speziell ausgebildeten Enden zum Halten der Dichtungen zu haben.
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Bei Kolbenventilen bewegen sich die Dichtungen relativ zu den Durchlässen
und überqueren wenigstens einige derselben. Aus diesem Grunde ist es allgemein gebräuchlich,
die Durchlässe in einer Buchse vorzusehen, welche in den Ventilkörper paßt, so daß
die Durchlässe, welche die Dichtung überqueren muß, die Form einer großen Zahl von
Bohrungen mit kleinem Durchmesser annehmen, in die eine darüber laufende Dichtung
kaum eintreten kann, so daß nur eine geringe Gefahr besteht, daß die Oberfläche
der Dichtung extrudiert wird und so verschleißt und/oder beschädigt
wird.
Eine derartige Buchse mit ihrer großen Anzahl von Bohrungen kleinen Durchmessers
ist aber relativ kostspielig in der Herstellung. Die vielen Bohrungen mit kleinem
Durchmesser brechen den Fließmitteldruck, welcher den Durchlaß durchsetzt, und bewirken
somit eine Herabsetzung des Wirkungsgrades. Wenn ein Ventil dieser Konstruktion
zur Steuerung von Fließmittel hohen Druckes verwendet wird, ist darüber hinaus eine
Deformation der Dichtungsfläche in die Bohrungen hinein während der Bewegung des
Kolbens nahezu unvermeidbar, woraus dementsprechend ein Verschleiß der Dichtungen
resultiert.
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Eine weniger gebräuchliche Form von Kolbenventilen weist Durchlässe
in Form enger Ringnuten in einer Buchse oder in einer Buchsenanordnung auf, die
an den Ventilkörper angepaßt ist. Bei dieser Ausbildungsform ergibt sich ein besserer
Fließmittelstrom bei vorgegebenem Gesamtquerschnitt des Durchlasses als bei der
oben beschriebenen Art, bei der eine Vielzahl kleiner Bohrungen Verwendung findet.
Es bleibt aber für die Dichtungsfläche eine gewisse Tendenz, bei der Bewegung des
Kolbens in die Ringnuten hinein extrudiert zu werden, insbesondere dann, wenn das
Ventil ein Fließmittel bei relativ hohem Druck zu steuern hat. Andererseits hat
diese Ausbildung einen zusätzlichen Vorteil insofern, als das Ventil so konstruiert
werden kann, daß sich der gewünschte Wechsel in der Verbindung der Durchlässe bei
einem sehr kurzen Laufweg des beweglichen Gliedes ergibt, weil der erforderliche
Hub durch die Durchlaßweite bestimmt wird, die im Falle ringförmiger, nutenähnlicher
Durchlässe klein sein kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kolbenventil zu schaffen,
mittels dessen sich die betriebsmäßigen Vorteile eines Spulenventiles - hohe Dichtungs-Lebensdauer-und
große
Fließmittel-Strömungskapazität für eine gegebene Ventilgröße bei einfachem Aufbau
erzielen lassen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Kolbenventil der eingangs
genannten Art gelöst durch eine derartige Anordnung der Dichtungen, daß eine der
Dichtungen in einer Stellung des beweglichen Gliedes mit einer Erhebung auf ihrer
Seite des Durchlasses in Kontakt steht, während die andere Dichtung dem Durchlaß
gegenüberliegt, wohingegen in einer anderen Stellung des beweglichen Gliedes die
andere Dichtung mit einer Erhebung auf ihrer Seite des Durchlasses in Kontakt steht
und die eine Dichtung dem Durchlaß gegenüberliegt.
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Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, daß die Dichtungen O-Ringe sind,
wobei auch Ringe mit anderen Querschnittformen vorgesehen sein können.
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Der Durchlaß oder die Durchlässe ist bzw. sind bei dieser Konstruktion
mit einer relativ weiten Mündung versehen.
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Der Durchlaß bzw. die Durchlässe sind direkt in dem Ventilkörper gebildet,
und zwar durch Materialbearbeitung oder durch andere Bearbeitungsprozesse, wobei
ein derartiger Durchlaß aber auch im Ganzen oder teilweise in einer Zylinderbuchse
oder Zylinderhülse, wenn dies gewünscht sein sollte, gebildet sein kann. Wenn dementsprechend
eine Dichtungsfläche einem derartigen Durchlaß gegenüberliegt, ist ein beträchtlicher
freier Querschnitt für die Fließmittelströmung zu dem Durchlaß oder von dem Durchlaß
hinter einer derartigen Dichtung verfügbar, in einer Art und Weise, die der Fließmittelströmung
hinter einer Dichtung in einem konventionellen Spulenventil entspricht.
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Obwohl der Strömungsweg des Fließmittels bei einem Kolbenventil nach
der Erfindung demjenigen in einem Spulenventil ähnelt, tritt eine konstruktionsmäßige
Begrenzung, die bei Spulenventilen als Resultat dieser Strömungswegkonfiguration
auftritt, bei dem erfindungsgemäßen Kolbenventil nicht in merklichem Ausmaß auf.
Während nämlich die Dichtungen bei einem Spulenventil in dem Körper angeordnet sind,
so daß also das Risiko besteht, daß die Dichtungen nach innen in eine Nut in dem
beweglichen Glied unter Fließmitteldruck kollabieren, wenn das bewegliche Glied
sich bewegt, um die Innenfläche der Dichtung freizulegen, so daß also zum Vermeiden
eines derartigen Kollabierens den Dichtungen bestimmte konstruktive Zwänge auferlegt
sind, befinden sich die Dichtungen bei einem Kolbenventil nach der Erfindung auf
dem beweglichen Glied, so daß eine Dichtung keine Tendenz hat, durch eine Auswärtsbewegung
zu kollabieren, wenn ihre Außenfläche nicht abgestützt ist, sobald sie sich in den
Bereich eines Durchlasses bewegt. Dementsprechend ist die Formgebung bei den Dichtungen
für Kolbenventile nach der Erfindung einfacher.
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Bei einem Kolbenventil nach der Erfindung ist die Dichtungsfunktion
für einen beliebigen Durchlaß welcher die beschriebene charakteristische Konstruktion
hat, wie bei einem Spulenventil unter zwei Dichtungen aufgeteilt, von denen nur
eine in einer bestimmten Position des beweglichen Gliedes eine Dichtungsfunktion
ausübt: Dementsprechend teilen die einzelnen Dichtungen beim erfindungsgemäßen Ventil
die Dichtungslast über einen Ventilarbeitszyklus auf und haben daher eine verlängerte
Lebensdauer, analog zu der Erfahrung, die man bei Spulenventilen gemacht hat.
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Bei herkömmlichen Kolbenventilen arbeitet eine Einzeldichtung üblicherweise
mit einem Ventilkörperdurchlaß zusammen und läuft vollständig von einer Seite zur
anderen Seite desselben während eines Arbeitshubes des beweglichen Kolbens. Werden
doppelte Dichtungen verwendet, laufen eine oder beide Dichtungen vollständig innerhalb
eines Arbeitshubes über den zugeordneten Durchlaß. Im Gegensatz hierzu braucht bei
dem erfindungsgemäßen Ventil jede der beiden Dichtungen nur eine Strecke zurückzulegen,
die wesentlich kleiner ist als die Gesamtbreite des Durchlasses, während die Bewegung
aus der Dichtungs- in die nicht dichtende Stellung erfolgt.
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Das bewegliche Glied des Ventiles kann also einen kurzen Hub, verglichen
mit Kolbenventilen herkömmlichen Aufbaus und ähnlicher Kapazität, aufweisen, wodurch
das erfindungsgemäße Ventil im Verhältnis zu seiner Kapazität sehr kompakte Abmessungen
haben kann.
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Ein Kolbenventil nach der Erfindung kann mit Nullüberlappung, Überlappung
oder Unterlappung konstruiert sein, je nachdem, wie es für den bestimmten Anwendungszweck
gewünscht wird. Für eine Nullüberlappung wird der Abstand der Dichtungen an dem
beweglichen Glied in Übereinstimmung mit der Gesamtbreite der Mündung des Ventilkörperdurchlasses,
mit dem die Dichtungen zusammenarbeiten sollen, so gewählt, daß eine Dichtung die
Erhebung an ihrer Seite des Durchlasses gleichzeitig freigibt, wenn die andere Dichtung
mit der Erhebung auf der anderen Seite des Durchlasses in Eingriff kommt.
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Eine Unterlappung ergibt sich dann, wenn die Dichtungen dichter zueinander
angeordnet werden, als dies bei der beschriebenen Nullüberlappung erforderlich ist,
während sich eine Überlappung ergibt, indem ein größerer Dichtungsabstand
als
bei der Nullüberlappung gewählt wird.
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Vorzugsweise sind die Kanten des Ventilkörperdurchlasses in der Weise
angefast, daß sich eine Anschrägung oder Anfasung mit relativ kleinem Winkel zur
Bewegungsrichtung des beweglichen Gliedes und der darauf sitzenden, zusammenwirkenden
Dichtungen ergibt, so daß die Dichtungen die jeweiligen Anschrägungen an jeder Seite
des Durchlasses hinauflaufen und sanft in und außer Dichtungseingriff mit den Erhebungen
an ihren Durchlaßseiten geleitet werden. Ein Anfasen in dieser Form erleichtert
auch die Herstellung: Es sollte aber klar sein, daß auch ein Anfasen in Form facettierter
und/oder gekrümmter Flächen möglich ist und gegebenenfalls wünschenswert sein kann,
um unter bestimmten Umständen, wie noch dargelegt werden wird, die richtige Wirkungsweise
zu gewährleisten. Beispielsweise gewährleisten konvex gekrümmte Flächen, die in
die benachbarten Körpererhebungen übergehen, einen raschen, aber weichen Dichtungseingriff
sowie ein entsprechendes Außer-Eingriff-Kommen der Dichtungen.
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Zum Steuern von Fließmitteldrücken von bis zu etwa 6 Atmosphären können
die Dichtungen in dem beweglichen Glied in herkömmlichen Nuten aufgenommen sein,
wobei die Nutenform von den Querschnittsformen der verwendeten Dichtungen abhängt.
Für einen Betrieb bei höheren Drücken kann es wünschenswert sein, Halteeinrichtungen
für die Dichtungen vorzusehen, so daß eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
gekennzeichnet ist durch Halteeinrichtungen zum Sichern der Dichtungen gegen eine
übermäßige Ausdehnung, wobei die Halteeinrichtungen natürlich eine geeignete Konfiguration
zum verläßlichen Halten der
Dichtungen an ihrer Stelle haben.
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Beispielsweise kann das bewegliche Glied also im Falle von O-Ring-Dichtungen
einen Durchmesser haben, der geringfügig den Hauptdurchmesser der Dichtung überschreitet.
Dabei kann das bewegliche Glied Voll-Ring-Nuten geeigneter Tiefe aufweisen, um die
Dichtungen aufnehmen zu können, wobei über das bewegliche Glied Halteringe oder
Haltekragen geschoben sind, deren Enden so geformt sind, daß sie über den Kanten
der Nuten in dem beweglichen Glied liegen und mit den O-Ring-Dichtungen in der Weise
in Eingriff stehen, daß diese in den Nuten gehalten werden und deren übermäßige
Deformation nach außen unter dem Einfluß hoher Fließmitteldrücke in den Nuten verhindert
wird. Das bedeutet also, das Heraustreiben einer Dichtung aus ihrer Nut durch hohen
Fließmitteldruck beim Bewegen der Dichtung von einer Erhebung weg und in die Mündung
des zugeordneten Körperdurchlasses während einer Bewegung des beweglichen Gliedes
wird verhindert.
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Die Haltekragen können aus beliebigem geeigneten Material hergestellt
sein. Beispielsweise können sie aus Kunststoffmaterial bestehen, wie Polyamid oder
Polyäthylen.
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Derartige Halteringe oder Haltekragen können in beliebiger, geeigneter
Art an dem beweglichen Glied angeordnet und in ihrer Position festgehalten werden:
Beispielsweise können die Halteringe nach innen gerichtete Flansche aufweisen, die
in Nuten an dem beweglichen Glied sitzen, oder durch Endkappen, die auf die Enden
des beweglichen Gliedes augeschoben sind, festgehalten sein. Alternativ hierzu können
derartige Halteringe oder Haltekragen auch durch Stifte (auch durch Dübel der Senkschrauben)
oder
durch Verklebung mit dem beweglichen Glied verbunden sein.
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In einigen Fällen gibt auch eine geeignete Materialauswahl für das
bewegliche Glied bzw. für die Halteringe die Möglichkeit, daß die Halteringe das
bewegliche Glied erfassen, indem sie dessen Oberfläche durch geeignete, nach innen
gerichtete Flansche oder Vorsprünge an den Ringen oder Kragen durchdringen.
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Die Art und Weise des Festhaltens der Dichtungen durch Verwendung
von Haltekragen an dem beweglichen Glied gibt auch die Möglichkeit, bewegliche Glieder
mit und ohne derartige Kragen miteinander austauschbar zu machen, um so an einen
Ventilkörper herkömmlicher Konfiguration anpaßbar zu sein. Hierdurch gibt sich die
Möglichkeit, ein Ventil, welches sich für die Steuerung hoher bzw.
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niedriger Drücke eignet, jeweils selektiv zusammenzubauen.
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Einige, beispielsweise die Endkragen oder Endringe auf einem beweglichen
Glied können, wenn dies erwünscht ist, mit größerem Durchmesser als die anderen
Ringe ausgebildet sein, wodurch derartige weitere Ringe die Führung des beweglichen
Gliedes in der Ventilkörperbohrung gewährleisten.
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Alternativ hierzu kann auch, um ein übermäßiges Expandieren der Dichtungen
bei Steuerung von unter hohem Druck stehenden Fließmitteln durch das Ventil zu vermeiden,
vorgesehen sein, daß die Dichtungen in Ausnehmungen des beweglichen Gliedes sitzen,
wobei jede Ausnehmung eine stromab gelegene Wand aufweist, gegen welche die zugeordnete
Dichtung durch auf die Dichtung bei Ausführung ihrer Dichtungsfunktion einwirkenden
Fließmitteldruck deformiert wird; und daß die Ausnehmung weiterhin einen
durch
die Dichtung gesteuerten und auf die übermäßige Expansion der Dichtung bei Bewegung
des beweglichen Teiles in Richtung auf diejenige Position desselben, in dem die
Dichtung dem zugeordneten Durchlaß gegenüber liegt, ansprechenden Ablaß aufweist,
infolgedessen der auf die Dichtung wirkende und die Deformation hervorrufende Druck
abgesenkt wird.
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Die Ausnehmung kann eine Vielzahl von Formen annehmen.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, daß der Ablaß der Ausnehmung eine in
dem Ablaß stromab in einer derartigen Position vorgesehene Ausnehmung aufweist,
daß sie durch die Dichtung, wenn diese ihre Dichtungsfunktion ausübt, abgedeckt
wird, jedoch bei einer Uberexpansion der Dichtung in die Mündung des zugeordneten
Durchlasses hinein freigelegt wird.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, daß die stromab gelegene Wandung der
Ausnehmung eine Vielzahl derartiger Ablaßöffnungen aufweist. Die Anzahl und die
gesamte Querschnittsfläche der Vielzahl von Ablaßöffnungen werden so gewählt, daß
sich die gewünschte Rate an Druckentlastung ergibt, in Abhängigkeit von der Konfiguration
der Dichtung und der Ausnehmung, der Bewegungsrate des beweglichen Gliedes, dem
zu steuernden Fließmitteldruck und anderen konstruktiven und Betriebsparametern,
die weiter unten noch erläutert werden Während die Komponenten eines erfindungsgemäßen
Ventils durch für derartige Zwecke bekannte Herstellungsmethoden hergestellt werden
können, wird der Ventilkörper selbst am besten durch Verlustwachs-Gießen (lost-wax
casting) hergestellt, wobei sich eine minimale interne Bearbeitung
ergibt,
so daß die Konstruktion von Ventilen geringer Abmessungen erleichtert wird.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen
und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung
im einzelnen erläutert sind. Dabei zeigt bzw. zeigen: Fig. 1 einen axialen Schnitt
eines Teiles eines ersten Ausführungsbeispieles; Fig. 2 in vergrößertem Maßstab
einen Teil einer Abwandlung des Ausführungsbeispieles von Fig. 1, wobei das bewegliche
Glied sich annähernd in einer Mittelhubstellung befindet, um den Zusammenhang zwischen
dem Dichtungsraum oder der Dichtungsbreite zur Durchlaßweite zu zeigen; Fig. 3 im
axialen Schnitt einen Teil eines anderen Ausführungsbeispieles; Fig. 4 in vergrößerter
Darstellung einen Teil von Fig. 3, wobei im Detail ein Teil der Konstruktion wiedergegeben
ist; Fig. 5 in vergrößerter, fragmentarischer Ansicht eine abgewandelte Dichtungs-
und Haltekonstruktion, die bei bestimmten Ausführungsbeispielen verwendet werden
kann; Fig. 6 einen Teilschnitt, bei dem der Zusammenhang zwischen der Dichtungsgröße
und der Kolbenbewegung, welche notwendig ist, um einen vorgegebenen Spielraum für
gesteuerte Fließmittelströme zu erzielen, wiedergegeben ist; Fig. 7 und 8 Teilschnitte,
welche abweichende Formen der Durchlaßfreigabe zeigen; Fig. 9 bzw. 10 einen Querschnitt
bzw. eine Teilansicht eines abgewandelten Kolbens für ein Ventil, bei dem die Erfindung
verwirklicht ist; und
Fig. 11 in axialem Schnitt einen Teil eines
Kolbenventiles, bei dem der Kolben von Fig. 9 und 10 Verwendung findet.
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In der Zeichnung zeigt Fig. 1 den zentralen Teil eines Kolbenventiles
nach der Erfindung mit fünf Durchlässen, wobei das Ventil einen Ventilkörper 1 aufweist,
in dem fünf Durchlässe ausgebildet sind, von denen nur die zentralen drei Durchlässe
2, 3 und 4 gezeigt sind. All diese Durchlässe haben die Form von Ringnuten, wobei
aber die Ringnuten der Durchlässe 2 und 4 abgesetzte oder hinterdrehte Kanten aufweisen,
die in diesem Fall abgeschrägte, kegelstumpfförmige Flächen 5, 6 bilden, die zur
Achse der Bohrung des Körpers 1 unter einem kleinen Winkel geneigt sind. Die Durchlässe
weisen Kanäle 2a, 3a, 4a auf, die mit den jeweiligen Nuten kommunizieren und sich
zu geeigneten, nicht gezeigten äußeren Leitungen erstrecken. Der Körper 1 kann aus
Metall bestehen. Die Durchlässe können im Falle großer Abmessungen durch Bearbeitung
des Metalls mittels herkömmlicher Techniken gebildet sein. Bei geringeren Abmessungen
läßt sich der Körper am bequemsten durch Verlustwachs-Gießen (lost-wax casting)
herstellen. Für gewisse Anwendungszwecke kann der Körper auch aus anderen Materialien
und mittels anderer Herstellungs- oder Formmethoden hergestellt sein, beispielsweise
durch Spritzgießen geeigneten Kunststoffmaterials.
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Das Ventil weist weiterhin ein mobiles Glied oder einen Kolben 7 auf,
der in diesem Fall einen derartigen Außendurchmesser hat, daß er in der Bohrung
des Körpers 1 mit Paßsitz läuft. Der Kolben 7 weist Umfangsnuten 8 auf, welche Dichtungen
9 aufnehmen, die in diesem Fall die
Form von O-Ringen haben.
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Wie ersichtlich ist, ist ein Paar Dichtungen 9 am Kolben 7 jedem Durchlaß
im Ventilkörper 1 zugeordnet, wobei die Dichtungen der Paare, die den mit weiten
Mündungen versehenen Durchlässen 2, 4 zugeordnet sind, einen derartigen Abstand
haben und so angeordnet sind, daß in einer Hub-Endposition des Kolbens 7 eine Dichtung
des Paares mit einer Erhebung an seiner Seite des zugeordneten Durchlasses in Eingriff
steht, während die andere Dichtung dem Durchlaß zugewandt ist: In der anderen Hub-Endposition,
welche dadurch erreicht wird, daß der Kolben 7 in Richtung eines Pfeiles 10 bewegt
wird, bewegt sich die Dichtung 9, welche vorher mit einer Erhebung in Eingriff stand,
in den Bereich des Durchlasses , während die andere Dichtung sich entlang der benachbarten
Fläche 7 auf die Erhebung an der dort vorhandenen Seite des Durchlasses bewegt.
Bei der dargestellten Hub-Endposition des Kolbens ist der Durchlaß 2 mit dem Durchlaß
3 verbunden, während letzterer gegenüber dem Durchlaß 4 abgeschlossen ist. In der
anderen Hub-Endposition wird der Durchlaß 3 mit dem Durchlaß 4 verbunden, jedoch
vom Durchlaß 2 abgetrennt.
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In Fig. 2 ist eine abgewandelte Form des Ventiles von Fig. 1 gezeigt,
wobei die Durchlässe 2 und 4 in diesem Fall aus vollen Ringnuten bestehen, während
der Durchlaß 3 (und die nicht wiedergegebenen Durchlässe außer halb der Durchlässe
2 und 4) die charakteristische Konfiguration mit weiter Mündung haben. Allgemein
können alle Durchlässe diese Konfiguration mit weiter Mündung haben; wenn aber nicht,
so muß ein Durchlaß mit dieser Konfiguration einer beliebigen Voll-Ringnut benachbart
sein, welche aufgrund des Anwendungszweckes des Ventiles
mit dem
benachbarten Durchlaß bei einem Setzen des beweglichen Gliedes oder des Kolben kommunizieren
soll.
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In Fig. 2 ist auch gezeigt, auf welche Weise die Dichtungen 9, welche
dem Durchlaß 3 mit weiter Mündung zugeordnet sind, voneinander einen Abstand aufweisen,
der geringfügig kleiner ist als der Axialabstand der Kanten der angeschrägten Flächen
5, 6. Der Abstand ist dabei so bemessen, daß die linke Dichtung 9 gerade mit der
äußersten Kante der Fläche 5 in Kontakt kommt, wenn sich die rechte Dichtung 9,
in der Zeichnung nach rechts gesehen, bewegt und in die exakte Mittelhub-Position
gelangt, wobei sie mit der äußersten Kante der Fläche 6 in Kontakt kommt, wodurch
also in dieser Mittelhub-Position der Durchlaß 3 von den Durchlässen 2 und 4 getrennt
ist, und zwar in einer Null-Uberlappung-Anordnung. Eine Betrachtung dieser Figur
zeigt, daß ein engerer Abstand der Dichtungen 9 zu einer Unterlappung führt, wobei
die Durchlässe 2 und 4 in der Hubmitte zum Durchlaß 3 geöffnet sind, während ein
größerer Abstand der Dichtungen 9 zu einer Überlappung führt, wobei der Durchlaß
3 sowohl von dem Durchlaß 2 als auch von dem Durchlaß 4 für eine kurze Hubstrecke
an beiden Seiten der exakten Hub-Mittelstellung getrennt ist.
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In den Figuren 3 und 4 ist eine weitere Abwandlung des in den Figuren
1 und 2 gezeigten, oben beschriebenen Ausführungsbeispieles wiedergegeben. In den
Figuren 3 und 4 hat der Kolben 7 einen Durchmesser, der geringfügig kleiner ist
als der Durchmesser der Bohrung des Körpers 1, jedoch nichtsdestoweniger größer
als der Hauptdurchmesser (Ringachsendurchmesser) der Dichtungen in Form von O-Ringen.
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Der Kolben ist mit Voll-Ringnuten 8 versehen, die den
Nuten
im Kolben des Ventiles von Fig. 1 und 2 ähnlich, jedoch weniger tief sind. Weiterhin
trägt der Kolben einen Satz von Halteringen 11, 12, die passend auf dem Kolben sitzen
und die Nuten 8 überlagern, so daß die Dichtungen 9 darin gefangen sind. Das Ausmaß
des Überhanges oder Vorsprunges a, wie es in Fig. 4 gezeigt ist, hängt von der Form
des überhängenden Teiles ab, welches in der gezeigten Weise mit einem Winkel in
der Weise angefast sein kann, daß sich eine Fläche ergibt, die im wesentlichen tangential
zur Dichtungsfläche liegt. Auch kann der überhängende oder vorspringende Teil gekrümmt
sein, so daß er der Dichtungsfläche entspricht: In beiden Fällen ist die Anordnung
so getroffen, daß sich für das Fließmittel ein hinreichender freier Raum zum Eintreten
in die Nut 8 ergibt und die Dichtung soweit ausgelenkt wird, wie es notwendig ist,
um ein Dichten an einer Erhebung oder einem Anschlag des Körpers zu gewährleisten.
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Wie gezeigt ist, bestehen die Zwischen-Halteringe 11 aus einfachen
Bändern geeigneter Größe, die auf den Kolben 7 passen:1 Die Endringe allerdings,
wie der Ring 12, sind so ausgebildet, daß sie im Zusammenwirken mit dem Kolben in
ihrer Position gehalten werden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Ring
oder Kragen 12 einen nach innen gewandten Flansch 12a auf, der in eine am Kolben
vorgesehene Nut 13 eingreift. Der Flansch 12a kann eine angefaste Innenfläche aufweisen,
damit er sich leichter über das Ende des Kolbens hinüberdrücken läßt, wenn der Ring
12 am Kolben befestigt wird: Der Anfas- oder Anschrägungswinkelyskann 25 bis 350
betragen.
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In Fig. 5 ist ein modifiziertes Ausführungsbeispiel einer Dichtungs-
und Halteanordnung gezeigt. Dichtungen 14,
die dort gezeigt sind,
haben einen Vielpunktkontakt, wobei zwei äußere Lippen 14a eine Erhebung 15 des
Körpers berühren, wenn die Dichtung sich in einem Körper 16 in einer Dichtungsposition
befindet. Weiterhin sind zwei innere Lippen 14b vorgesehen, die an der Außenfläche
eines Vollzylinderkolbens 17 dichten. Haltekragen 18 weisen Enden auf, die so geformt
sind, daß sie den Dichtungen entsprechen. Sie dienen dazu, die Dichtungen 14 aufzunehmen
und am Kolben in ihrer Position zu halten.
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Die Haltekragen 18 selbst sind in geeigneter Weise am Kolben befestigt.
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Eine derartige Dichtungs- und Halteanordnung erfordert einen längeren
Arbeitshub der Ventilanordnung als im Falle von O-Ringen oder im Falle anderer Einzelkontaktdichtungen.
Außerdem ist eine Erhebung oder ein Anschlag 15 größerer Weite (axialer Länge) notwendig,
als dies bei einer Einzelkontaktdichtung der Fall ist. Dichtungen dieser Konfiguration
können aber aus nicht-elastomerem Material hergestellt werden und ermöglichen so
die Verwendung von Materialien, die vorteilhaftere Eigenschaften in gewissen Anwendungszwecken
als die verfügbaren elastomeren Materialien aufweisen. Beispielsweise können derartige
Dichtungen aus Polyäthylen gegossen oder geformt werden, einem Material, welches
über vorteilhafte Verschleißeigenschaften und chemische Stabilität für gewisse Anwendungszwecke
verfügt.
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Es hat sich herausgestellt, daß die erforderliche Neigung der Flächen
5, 6 wenigstens an der Stelle ihres Zusammen-.
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treffens mit einer benachbarten Erhebung sowohl mit der Flexibilität
des Dichtungsmaterials als auch mit der Arbeitsgeschwindigkeit des Ventilkolbens
zusammenhängt. Der
gesteuerte Fließmitteldruck, welcher auf das
Ventil aufgebracht wird, unterwirft die Dichtungen gewissen mechanischen Verformungen.
Das Ausmaß der Verformung bei jedwedem gegebenen Druckniveau variiert umgekehrt
zum Härtegrad des Dichtungsmaterials. Eine Dichtung, die aus einem elastomeren Material
mit einer Shore-Härte von 900 besteht, verformt sich weniger leicht als eine Dichtung
derselben Abmessungen, jedoch mit einer Shore-Härte von 750. Dies hat den Effekt,
daß dann, wenn eine Dichtung mit ihrem Kolben aus einer mit einer Erhebung in Kontakt
stehenden oder geschlossenen Stellung in Richtung auf eine einem Durchlaß gegenüberliegende
oder offene Stellung bewegt wird, die durch den Fließmitteldruck hinter der Dichtung
erzeugte Verformung die Tendenz hat, die Dichtung mit der Fläche 5 oder 6 in Kontakt
zu halten, wobei dieser Effekt im Falle einer weichen Dichtung größer ist als im
Falle einer harten Dichtung.
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Wenn die Bewegungsgeschwindigkeit hoch ist, wie dies bei einem luftgesteuerten
Ventil der Fall ist, bei dem der Kolben seinen Hub in nur 3 Millisekunden ausführen
kann, hat die Dichtung kaum genug Zeit, sich zu entfalten, bevor das Ventil ganz
geöffnet ist, so daß die Ausdehnung der Dichtung in kontinuierlichen Eingriff mit
der Fläche 5 oder 7 nicht möglich ist. Wenn die Bewegung aber langsam ist, so hat
die Dichtung Zeit, sich in dauernden Eingriff mit der Fläche 5 oder 6 zu bewegen.
Wenn das Dichtungsmaterial weich genug ist, kann die Dichtung sogar dann in Kontakt
mit der Fläche 5 oder 6 bleiben, wenn der Kolbenhub beendet ist. Unter diesen extremen
Bedingungen bleibt der Ventildurchlaß in der Schließstellung wirksam.
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Läßt man alle anderen Betrachtungen außer Acht, so läßt
sich
die Anschrägung der Flächen 5, 6 steil genug machen, um sicherzustellen, daß die
spezifische Offnungsrate (d.
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h., diejenige Rate, mit der sich-der Strömungsquerschnitt vergrößert,
wenn der Kolben sich bewegt) in Abhängigkeit von der Bewegungsgeschwindigkeit des
Kolbens so ist, daß selbst bei langsamster Kolbenbewegung die Dichtung nicht in
Kontakt mit der Fläche 5 oder 6 bleiben kann: Der Grund hierfür liegt darin, daß
es eine Maximalrate der möglichen Expansion für jedes bestimmte Dichtungsmaterial
und für jede bestimmte Konfiguration gibt. Es existieren also zwei Hauptfaktoren,
die bestimmen, ob bei einem bestimmten Ventil die Dichtung bei einer Bewegung in
die Offenstellung mit der Fläche 5 oder 6 in Kontakt bleiben kann: Die wahre öffnungsrate,
welche eine Funktion des Tangens des Neigungswinkels der Fläche 5, 6 gegenüber der
Zentrallinie der Ventilbohrung ist; und die Fähigkeit der Dichtung, Aufblähdrücken
zu wiederstehen. Während aber eine steile Neigung der Flächen 5, 7 unter diesem
Gesichtspunkt wünschenswert ist, ist eine geringe Neigung in dem Sinne vorteilhaft,
daß sie ein sanftes Rückführen der Dichtung auf die benachbarte Erhebung der Ventilbohrung
gewährleistet, wenn der Kolben und die Dichtung sich in ihre Schließstellung bewegen.
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Ein ausgezeichneter Kompromiß besteht darin, daß eine facettierte
Anfasung gewählt wird, wobei also mit anderen Worten jede Fläche 5, 6 in zwei Abschnitte
unterteilt wird, einen mit einer geringeren Neigung (von beispielsweise 220), der
der Erhebung benachbart liegt und eine axiale Länge von beispielsweise 0,38 mm aufweist,
und einen anderen mit einer größeren Neigung (von beispielsweise 300). Die optimalen
Neigungen und relativen Längen der Abschnitte hängen von der Querschnittsform und
der Querschnittsfläche
der Dichtung ab, weiterhin vom Dichtungsmaterial,
vom Bohrungsdurchmesser des Ventiles und vom Arbeitshub desselben. Wird eine O-Ring-Dichtung
verwendet, so ist die Anwachsrate im Ringspielraum zwischen der äußeren Kontaktlinie
der Dichtung und einer schrägen Fläche 5, -6 bei einem Ring mit kleinem Querschnitt
größer als im Fall eines Ringes mit größerem Querschnitt. Obwohl also unter dem
Gesichtspunkt des Aufblähwiderstandes ein O-Ring mit großem Querschnitt besser als
ein O-Ring mit kleinem Querschnitt ist, kann ein O-Ring mit sehr großem Querschnitt
hinsichtlich der öffnungsrate kritischer sein. Aus diesem Grunde ist es vorteilhaft,
die aus praktischen Gründen kleinstmögliche Größe einer O-Ring-Dichtung zu wählen,
und zwar sowohl hinsichtlich des Querschnittes als auch hinsichtlich des Durchmessers.
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Wie bereits ausgeführt wurde, können auch Dichtungen von anderer als
Toroidform (O-Ring) verwendet werden, wobei in gewissem Ausmaß auch bei derartigen
abweichenden Dichtungsformen alle vorstehend genannten Faktoren zutreffen.
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Fig. 6 zeigt einen Teilschnitt, bei dem ein Durchlaß (3) des Ventiles
von Fig. 2 und die Relativpositionen eines Paares von O-Ring-Dichtungen 9 wiedergegeben
sind. Die Neigung der Flächen 5, 6 ist durch gekennzeichnet und kann zwischen 15
und 300 variieren. (b) ist die Bewegungsstrecke des Kolbens bei dieser Dichtungsanordnung,
während (c) die zusätzliche Kolbenbewegung wiedergibt, die notwendig ist, um in
der Öffnungsstellung denselben Ringraum freizulegen, wenn ein O-Ring mit größerem
Querschnitt verwendet wird, wie er bei 9a in strichpunktierten Linien gezeigt ist.
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Fig. 7 zeigt einen anderen Teilschnitt, in dem eine facettierte Anschrägung
wiedergegeben ist. Dabei hat ein Abschnitt 6a die Neigung und eine Länge (d) zwischen
etwa 0,125 mm und etwa 0,762 mm, während ein Abschnitt 6b eine größere Neigung (())
aufweist, die von 300 bis 450 geht.
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Fig. 8 zeigt einen Durchlaß 3 mit angefasten Flächen, welche einen
Abschnitt 6c aufweisen, der konkav ist und einen Radius (R) anstelle einer kegelstumpfförmigen
Fläche hat. Der konkave Abschnitt 6c geht in die Bohrung des Ventiles über einen
konvex gekrümmten Abschnitt mit einem Radius (r) über. Diese Konfiguration gewährleistet
eine hohe öffnungsrate, kann aber Herstellungsprobleme mit sich bringen, insbesondere
bei der Herstellung des Ubergangsabschnittes mit dem Radius (r).
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Aus den vorstehenden Ausführungen geht hervor, daß ein verläßliches
Freikommen einer Dichtung von der mit ihr zusammenwirkenden Erhebung und der zugeordneten,
eine öffnung freigebenden Fläche 5, 6 in einem Ventil, welches einen hohen Fließmitteldruck
steuert, entweder durch mechanisches Festhalten der Dichtung gegen eine überexpansion,
wie dies im Zusammenhang mit den Figuren 3 und 4 diskutiert wurde, oder durch eine
geeignete Wahl der Konfiguration der Freigabe fläche in Abhängigkeit von anderen
konstruktiven und betriebsmäßigen Parametern erreicht wird, um nämlich eine hohe
spezifische öffnungsrate zu erzielen, wie dies in Verbindung mit den Figuren 6 bis
8 diskutiert wurde. Unter gewissen Umständen kann es richtig sein, sowohl eine mechanische
Halterung als auch eine Konfiguration mit hoher spezifischer öffnungsrate zu wählen.
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Als Alternative oder als Ergänzung zu beiden vorgenannten Konstruktionsmerkmalen
kann auch eine Vorkehrung getroffen sein, um den Fließmitteldruck, der auf eine
Dichtung wirkt und die Tendenz hat, diese während der Bewegung in die Öffnungsstellung
zu stark zu expandieren, zu verringern. Auf diese Weise läßt sich die Tendenz einer
Dichtung, sich zu stark zu expandieren, dazu verwenden, ein Überdruckventil zu steuern.
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In den Figuren 9 bis 11 ist dargestellt, in welcher Weise ein Kolbenventil
der unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschriebenen Form mit einem modifizierten Kolben
versehen werden kann, der für eine Selbstentlastung des gesteuerten Fließmitteldruckes
sorgt, welcher auf eine Dichtung wirkt und die Tendenz hat, diese Dichtung zu stark
zu expandieren.
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Fig. 11 stellt dementsprechend eine Teilansicht eines Teiles des Ventiles
von Fig. 1 in der Nachbarschaft des Durchlasses 4 dar, wobei ein modifizierter Kolben
7a der in den Figuren 9 und 10 gezeigten Form vorgesehen ist.
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Der Kolben 7a weist, wie der Kolben 7 des Ventiles von Fig. 1, ein
Paar von O-Ring-Dichtungen 9 auf, welche mit dem Durchlaß 4 zusammenwirken. Entlastungsflächen
5 und 6 definieren die Mündung der öffnung. Die Erhebungen in der Ventilkörperbohrung
außerhalb der Flächen 5, 6 haben die bereits beschriebene Form. Die Dichtungen sitzen
passend in Ausnehmungen in Form von Nuten 8, entsprechend den in ähnlicher Weise
ausgebildeten Nuten von Fig. 1.
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Wie sich am besten in Fig. 9 erkennen läßt, weist der Kolben 7a äußere
Längsnuten 20 mit einer Tiefe auf, die geringer ist als die Tiefe der Dichtungsnuten
8. Auf diese Weise gibt also die Abmessung "A" den Gesamtdurchmesser des Kolbens
7a wieder und entspricht dem Bohrungsdurchmesser
im Ventilkörper
1, mit geeignetem Laufspielraum, während die Abmessung C den Basisdurchmesser der
Nut 8 wiedergibt. Die Dimension "B" gibt den Wurzeldurchmesser der Nuten 20 wieder,
wobei, wie dies offensichtlich ist, die Abmessung "B" größer ist als die Abmessung
"C".
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Die Differenz zwischen den Abmessungen "B" und C hängt von der Form
und den Abmessungen der O-Ringe 9 und dem Ausmaß ab, um welches letztere überexpandiert
werden dürfen, bevor ein Entlüften des Durchlasses und damit ein Ablassen des Druckes
stattfinden.
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In Fig. 11 ist die Situation dargestellt, wie sie sich während der
Bewegung des Ventilkolbens 7a (in Fig. 11 nach rechts gesehen) aus einer durchlaßverschließende
in eine durchlaßöffnende Position ergibt, wobei angenommen wird, daß der Durchlaß
4 ein Aus laß oder ein Abblasdurchlaß ist, der in der den Durchlaß öffnenden Stellung
des Kolbens 7a Fließmittel von dem Durchlaß 3 im Ventil von Fig. 1 aufnimmt, links
von dem Ventilteil, welches in Fig. 11 wiedergegeben ist.
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Wenn der Kolben 7a sich in der den Durchlaß schließenden Position
befindet, sitzt die linke Dichtung 9 auf der normalen Bohrungsfläche oder der Erhebung
des Ventilkörpers auf, während die rechte Dichtung 9 sich innerhalb des Durchlaßbereiches
befindet, um vielleicht Fließmittel von einem weiter rechts von dem gezeigten Ventildurchlaß
liegenden Durchlaß hierhin strömen zu lassen. In der den Durchlaß schließenden Stellung
bewirkt der an der linken Seite der linken Dichtung 9 anliegende Druck eine Verschiebung
der Dichtung in Richtung auf die rechte Seite
ihrer Nut 8, so daß
sie an der stromab gelegenen (rechten) Wandung der Ausnehmung und an der Bohrung
des Ventilkörpers 1 anliegt. Die Tiefe der Nuten 20 ist so bemessen, daß jede Nut
20 in dieser "normalen" Dichtungsstellung der Dichtung 9 außerhalb des Hauptdurchmessers
des O-Ringes 9 liegt und auf diese Weise durch diesen abgedeckt und verschlossen
ist.
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Betrachtet man nun wiederum die in Fig. 11 wiedergegebene Situation,
so zeigt sich, daß die linke Dichtung, wenn sie sich aus der beschriebenen, durchlaßschließende
Position nach rechts bewegt, sich von der normalen Bohrungsfläche oder der Erhebung
des Ventilkörpers 1 wegbewegt und expandiert hat, so daß sie mit der Entlastungsfläche
5 in Kontakt bleibt. Diese Expansion der Dichtung 9 ist das Ergebnis des Fließmitteldruckes
innerhalb der Dichtungsnut 8, welche vorher in der Weise wirksam war, daß die Dichtung
9 hinreichend fest gegen die Bohrungsfläche des Ventilkörpers gehalten wurde, um
zu verhindern, daß Fließmittel hinter der Dichtung in Richtung auf den Durchlaß
4 strömte.
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In der gezeigten Weise hat aber diese Überexpansion der linken Dichtung
9 dazu geführt, daß sie sich die stromab gelegene (rechte) Wandung der Nut 8 soweit
hinaufbewegt hat, daß die'Nuten 20, die darin vorgesehen sind, freigelegt wurden.
Dementsprechend kann das Fließmittel innerhalb der Nut 8 über den durch die Pfeile
wiedergegebenen Strömungsweg entweichen. Der Druck, welcher auf die Dichtung 9 wirkt
und diese expandiert und die Tendenz hat, sie mit der Fläche 5 in Kontakt zu halten,
wird also automatisch gesenkt, wenn die Dichtung 9 um ein Ausmaß überexpandiert
worden ist, welches ausreicht, um die Nuten 20 freizulegen, so daß also die Dichtung
9 in ihre
normale, unverformte Konfiguration zurückkehren kann,
in der sie eine klare Fließmittelströmung zum Durchlaß 2 gewährleistet.
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Die druckentlastenden Nuten 20 können, wie gezeigt, entlang der gesamten
Länge des Kolbens 7a gebildet sein, sie können aber auch so ausgebildet sein, daß
sie sich nur in diejenigen Wandungen der Nuten 8 erstrecken, in denen für eine Druckentlastung
Sorge getragen werden muß. Die Nuten 20 können durch verschiedene Techniken hergestellt
sein, wie beispielsweise durch Räumen, Fräsen, Gießen, Gesenkschmieden, Hobeln oder
auf andere Weise, wie dies üblich ist, um Zahnräder oder Ritzel herzustellen. Die
Nuten 20 müssen eine hinreichende Zahl und Weite haben, um das Entweichen von unter
Druck stehendem Fließmittel mit geeigneter Rate zu gewährleisten. Die kleinste praktikable
Weite für eine Nute 20 ist durch das Herstellungsverfahren bestimmt. Bei einem Ventil,
dessen Körperbohrung einen Druchmesser von beispielsweise 16 mm hat, ist ein Kolben
mit acht Nuten 20 mit einer Weite von etwa 0,127 mm für die meisten Anwendungszwecke
geeignet. Eine zu große Weite der Nut gibt die Möglichkeit, daß die Dichtung in
die Nut hinein verformt wird, wodurch die Dichtung beschädigt werden kann. Auch
können sich hier Fehlfunktionen insofern ergeben, als durch das Verformen der Dichtung
in die Nut hinein die Druckentlastungswirkung nur dann erfolgen kann, wenn die Dichtung
sich übermäßig aufgebläht hat.
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Zusätzlich hierzu behindert eine Verformung der Dichtung in die Nut
hinein das Rückkehren der Dichtung in ihre Normalstellung, wodurch ein mechanischer
Widerstand gegen das Rückkehren der Dichtung in die Bohrung des Ventiles, wenn die
Bewegung in die durchlaßschließende Stellung erfolgt, bewirkt wird. Die Erfahrung
hat gezeigt, daß eine
Nutbreite von etwa 1,5 mm bei normalen Dichtungsmaterialien
einen Maximalwert darstellt.