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Die Erfindung betrifft ein Ventil, insbesondere Proportional-Druckregelventil für pneumatische Anwendungen, mit einem Ventilkörper, der zur Regelung eines Medienflusses zwischen zumindest einem ersten und einem zweiten Medienanschluss mittels einer Betätigungseinrichtung längs einer Verfahrachse zwischen einer Schließstellung, in der er durch Anlage an einem Sitzkörper den Mediendurchfluss sperrt, und vom Sitzkörper abgehobenen Regelstellungen verfahrbar ist.
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Ventile dieser Art sind Stand der Technik. Häufig werden solche Ventile zur Regelung der Druckversorgung bei Pneumatiksystemen eingesetzt.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik stellt sich die Erfindung die Aufgabe, ein Ventil dieser Gattung zur Verfügung zu stellen, das sich bei einfachem konstruktivem Aufbau durch ein günstiges Betriebsverhalten auszeichnet.
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Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch ein Ventil gelöst, das die Merkmale des Patentanspruchs 1 in seiner Gesamtheit aufweist.
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Nach dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 besteht eine wesentliche Besonderheit der Erfindung darin, dass der Sitzkörper eine Dichtfläche aufweist, die in einer zur Verfahrachse senkrechten Ebene liegt und in geschlossener Linie die Mündung eines Medienkanals umgibt, der sich vom ersten Medienanschluss in Richtung auf den Ventilkörper erstreckt, wobei der Ventilkörper eine vorzugsweise plattenförmig ausgebildete Dichteinrichtung aufweist, die mit ihrer Schließfläche mit der Dichtfläche zusammenwirkt. Diese Ventilbauweise mit einer Kombination aus einem zur Verfahrachse des Ventilkörpers koaxialen Medienkanal, der in einer zur Verfahrachse in senkrechter Ebene liegenden Dichtfläche endet, mit einer am Ventilkörper vorgesehenen Dichtplatte führt zum einen besonders günstigen Betriebsverhalten des Ventils, insbesondere wenn das Ventil für pneumatische Anwendungen zur Steuerung einer Druckluftversorgung vorgesehen ist.
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In besonders vorteilhafter Weise kann die Geometrie des Sitzkörpers in spezieller Weise so gestaltet sein, dass der Sitzkörper mindestens eine Stützfläche aufweist, die in einer zu der Dichtfläche parallelen Ebene liegt und die Dichtfläche in einem Abstand umgibt, wobei an der Stützfläche mindestens ein Mediendurchlass gebildet ist, der eine Verbindung zwischen dem zweiten Medienanschluss und dem zwischen Stützfläche und Dichtfläche befindlichen Raum bildet. Eine derartige Sitzgeometrie führt einerseits zu einem günstigen Öffnungsverhalten des Ventils bei Übergängen aus der Schließstellung und zeichnet sich zum anderen durch eine hohe Betriebssicherheit aus, da die Stützfläche die Belastungen der Dichtplatte bei Bewegungen in die Schließstellung abmildern und dadurch die Lebensdauer erhöht.
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Bei besonders vorteilhaften Ausführungsbeispielen ist die Stützfläche an einem Ringkörper gebildet, der zwischen sich und der Dichtfläche einen Raum in Form einer axialen Vertiefung des Ventilsitzes umgibt, wobei als Mediendurchlass mindestens eine Bohrung im Ringkörper vorgesehen ist.
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Anstelle eines die Stützfläche ausbildenden vollen Ringkörpers kann die Stützfläche auch aus Ringsegmenten gebildet sein, die die Dichtfläche im Abstand umgeben, wobei als Mediendurchlass mindestens eine Lücke zwischen aufeinanderfolgenden Ringsegmenten vorgesehen sein kann.
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In besonders vorteilhafter Weise kann die Anordnung so getroffen sein, dass Dichtfläche und Stützfläche kreisrund und zur Verfahrachse konzentrisch sind und dass die zwischen ihnen befindliche Vertiefung die Form eines Ringraums besitzt. Bei solcher Gestaltung als Rotationskörper kann der Sitzkörper als einfaches Drehteil rationell und kostengünstig gefertigt werden. Ein derartiges Drehteil mit fertig bearbeiteter Sitzgeometrie kann, ohne Fräsarbeiten durchführen zu müssen und ohne dass aufwendiges Entgraten erforderlich ist, hergestellt werden.
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Bei besonders vorteilhaften Ausführungsbeispielen liegen Dichtfläche und Stützfläche in einer gemeinsamen, zur Verfahrachse senkrechten Ebene und wirken mit der am Ventilkörper befindlichen Dichtplatte der Dichteinrichtung zusammen. Als Kontaktflächen für die Anlage der Dichtplatte weisen Dichtfläche und Stützfläche vorzugsweise die Form von ringförmigen, am freien Ende gerundeten Rippen auf.
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Alternativ kann die Anordnung so getroffen sein, dass die Stützfläche in einer Ebene liegt, die vom Ventilkörper geringfügig weiter entfernt ist als die Ebene der Dichtfläche. Bei der Schließstellung, bei Anlage der Dichtplatte sowohl an Dichtfläche als auch an Stützfläche, ergibt sich somit eine die sichere Abdichtung begünstigende höhere Flächenpressung an der Dichtfläche als an der Stützfläche.
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Für die Zusammenwirkung mit gerundeten Flächen an Dichtfläche und Stützfläche kann in besonders vorteilhafter Weise die aus einem Elastomer oder einem Gummi-Metall-Verbundteil gebildete Dichtplatte am Ventilkörper vorgesehen sein.
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Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen ist der Ventilkörper mittels einer Schließfeder in die Schließstellung vorgespannt und mittels der Betätigungseinrichtung gegen die Kraft der Feder aus der Schließstellung bewegbar.
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Hinsichtlich der Betätigungseinrichtung kann die Anordnung dabei mit besonderem Vorteil so getroffen sein, dass die Betätigungseinrichtung einen im Polrohr einer Elektromagneteinrichtung bewegbaren Anker aufweist, der über einen sich aus dem Polrohr erstreckenden, axialen Fortsatz mit dem Ventilkörper verbunden ist, wobei die Schließfeder den Fortsatz umgibt und zwischen dem Ventilkörper und einem außerhalb des Polrohres befindlichen Teil des Ventilgehäuses eingespannt ist. Dabei kann ein sog. „ziehender” Elektromagnet vorgesehen sein, der den Anker bei Bestromen der Magnetwicklung gegen die Wirkung der Schließfeder zurückzieht und damit den Ventilkörper aus der Schließstellung bewegt.
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Gemäß dem Patentanspruch 16 ist Gegenstand der Erfindung auch eine Ventilanordnung, die insbesondere für pneumatische Anwendungen vorgesehen ist und mehr als ein Ventil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15 aufweist.
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Nachstehend ist die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
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1 einen Längsschnitt eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Ventils;
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2 eine gegenüber 1 in größerem Maßstab gezeichnete, perspektivische Schrägansicht des Ventilsitzkörpers des Ausführungsbeispiels von 1;
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3 eine der 2 ähnliche Darstellung einer abgewandelten Form des Ventilsitzkörpers;
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4 eine skizzenhafte, schematische Darstellung zur Verdeutlichung der Anordnung der Dichtfläche und der durch Segmente gebildeten Stützfläche am Ventilsitzkörper von 3;
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5 einen Längsschnitt eines Ausführungsbeispiels einer Ventilanordnung, die zwei Ventile gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung enthält;
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6 in vergrößert gezeichnetem Längsschnitt eine abgewandelte Ausführungsform des Ventilsitzkörpers für das Ausführungsbeispiel von 1;
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7 und 8 stärker vergrößerte Teilausschnitte des in 6 mit VII, VIII gezeichneten Bezirks, wobei unterschiedliche Konfigurationen der Dichtfläche gezeigt sind;
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9 in vergrößertem Längsschnitt eine weitere Ausführungsform des Ventilsitzkörpers des Ausführungsbeispiels von 1 und
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10 einen stärker vergrößerten Teilausschnitt des in 9 mit X bezeichneten Bezirks.
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Nachstehend ist die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Beispielen eines Proportional-Druckregelventils für pneumatische Anwendungen erläutert. Das in 1 gezeigte Ventil weist ein Ventilgehäuse 1 auf, in dem ein Durchgang 3 ausgebildet ist, der auf einem großen Teil kreiszylindrisch ist, wobei die Zylinderachse mit 5 bezeichnet ist. Am in der Zeichnung unteren Ende geht der Durchgang 3 in einen Medienanschluss 7 über, bei dem es sich beim vorliegenden Beispiel um den druck- oder eingangsseitigen P-Anschluss handelt. Oberhalb des Medienanschlusses 7 mündet ein zweiter Medienanschluss 9 als Verbraucher- oder A-Anschluss in den Durchgang 3. Zwischen beiden Anschlüssen 7 und 9 ist in einen unteren, im Durchmesser verjüngten Gewindeabschnitt 11 ein Sitzkörper 13 eingeschraubt, der den gehäusefesten Ventilsitz für das Ventil bildet. Als relativ zum Sitzkörper 13 axial entlang der Achse 5 verfahrbares Ventilelement weist das Ventil einen Ventilkörper 15 auf, der in der Zeichnung in einer vom Sitzkörper 13 abgehobenen Regelposition dargestellt ist, bei der ein Strömungsweg durch das Ventil freigegeben ist. Der Ventilkörper 15 weist an seiner dem Sitzkörper 13 zugewandten Seite eine zur Achse 5 konzentrische axiale Vertiefung 17 auf, deren Durchmesser etwas größer ist als der Durchmesser des benachbarten Endes des Sitzkörpers 13. In der Vertiefung 17 ist eine runde Dichtplatte 19 passend aufgenommen, die aus einem elastomeren Werkstoff gebildet ist. In der (nicht dargestellten) Schließstellung liegt der Ventilkörper 15 mit der Dichtplatte 19 an einer Dichtfläche 53 des Sitzkörpers 13 sowie an einer Stützfläche 57 an. Die spezielle Ausgestaltung der Dichtfläche 53 und der Stützfläche 57 wird unter Bezug auf 2 bis 4 noch näher erläutert.
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In der Schließstellung liegt der Ventilkörper 15 am Sitzkörper 13 mit einer durch eine Schließfeder 21 erzeugten Schließkraft an. Die Schließfeder 21 ist als Schrauben-Druckfeder im Durchgang 3 des Ventilgehäuses 1 angeordnet und stützt sich einerseits am Ventilkörper 15 und andererseits an einem am oberen Ende des Durchgangs 3 befindlichen Einschraubteil 23 ab. Dieses weist eine zentrale, durchgehende Öffnung 25 auf.
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Eine als Ganzes mit 27 bezeichnete Betätigungseinrichtung weist eine Elektromagneteinrichtung auf, bei der es sich beim vorliegenden Beispiel um einen sog. „ziehenden” Magneten handelt. Durch Bestromen der zugehörigen Magnetwicklung 29 (dieser Zustand ist in 1 dargestellt), bewegt sich der Magnetanker 31 innerhalb eines Polrohres 35 an einen Polkern 33 heran. Der Magnetanker 31 weist, koaxial zur Achse 5, einen Fortsatz 37 auf, der durch die Öffnung 25 im Einsatzteil 23 hindurch in den Durchgang 3 des Ventilgehäuses 1 vorspringt. Das Ende des Fortsatzes 37 ist mit dem Ventilkörper 15 verschraubt. Bei der durch Bestromen der Wicklung 29 bewirkten, anziehenden Bewegung des Ankers 31 wird daher der Ventilkörper 15 gegen die Schließkraft der Feder 21 vom Sitzkörper 13 abgehoben, wie in 1 dargestellt.
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In an sich bekannter Weise ist in Fortsatz 37 und Magnetanker 31 ein zentraler Druckausgleichskanal 39 gebildet. Wie ebenfalls an sich bekannt ist, ist zwischen Polrohr 35 und Polkern 33 ein Freiraum 41 zur magnetischen Entkopplung vorgesehen. Bei 43 ist das Polrohr 35 mit dem Polkern 33 verbördelt.
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Die 2 zeigt nähere Einzelheiten einer Ausgestaltung der am Sitzkörper 13 gebildeten und für die Zusammenwirkung mit der Dichtplatte 19 vorgesehenen Dichtfläche 53 und Stützfläche 57. Der Sitzkörper 13 ist ein Rotationskörper, genauer gesagt ein Drehteil aus einem nicht rostenden metallischen Werkstoff, vorzugsweise aus Edelstahl, so dass keine Maßnahmen zum Korrosionsschutz erforderlich sind. Hinsichtlich des Korrosionsschutzes gilt Entsprechendes auch für das Polrohr 35, das aus einem magnetischen Edelstahl gefertigt sein kann. Der Sitzkörper 13 weist ein Außengewinde 45 zum Einschrauben in den Gewindeabschnitt 11 am Übergang zwischen dem Durchgang 3 des Ventilgehäuses 1 und dem Medienanschluss 7 auf, wobei ein O-Ring 47 als Dichtelement vorgesehen ist. Oberhalb des Außengewindes 45 geht der Sitzkörper 13 in ein im Durchmesser verringertes Zylinderteil 49 über. Für die Verbindung mit dem Medienanschluss 7 weist der Sitzkörper 13 einen zur Achse 5 konzentrischen Medienkanal 51 auf. Der dem Ventilkörper 15 zugewandte obere Endrand des Medienkanals 51 bildet die Dichtfläche 53, die kreisrund und linienförmig ist. Radial außerhalb dieser Dichtfläche 53 ist in der dem Ventilkörper 15 zugewandten Frontseite des Sitzkörpers 13 eine Vertiefung in Form eines Ringraums 55 ausgebildet. Dadurch bildet das Zylinderteil 49 einen Ringkörper 58 mit einem kreisrunden Endrand, der als Stützfläche 57 die Dichtfläche 53 in einem radialen Abstand umringt. Für die Zusammenwirkung mit der Dichtplatte 19 sind Stützfläche 57 und Dichtfläche 53 durch kreisrunde Rippen gebildet, die endseitig abgerundet sind. Unter Einwirkung der Schließkraft können sich die so gebildeten Ringrippen leicht in die elastomere Dichtplatte 19 eindrücken.
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Zur Bildung eines Mediendurchlasses zwischen dem Ringraum 55 und der Außenseite des Sitzkörpers 13, die mit dem Anschluss 9 in Verbindung steht, sind beim vorliegenden Beispiel vier Bohrungen 59 zwischen Außenseite des Zylinderteils 49 und Ringraum 55 vorgesehen.
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Die beim vorliegenden Beispiel vorgesehene Anordnung der Schließfeder 21 innerhalb des Durchgangs 3 des Ventilgehäuses 1, also in einem außerhalb des Polrohres 35 befindlichen Bereich, vermeidet die Gefahr einer magnetischen Sättigung, wie sie bei einer innerhalb des Polrohres angeordneten Federanordnung gegeben ist. Mittels der Elektromagneteinrichtung ist daher eine erhöhte Betätigungskraft über den Hub des Ankers realisierbar. Bei einer außerhalb des Polrohres 35 befindlichen Feder 21, für die ein vergleichsweise größerer Einbauraum zur Verfügung steht, bietet sich für die Auslegung der Feder 21 auch ein größerer Gestaltungsspielraum, beispielsweise die Möglichkeit einer geringeren Steifigkeit wegen des größeren, zur Verfügung stehenden Windungsdurchmessers, was wiederum eine bessere Regelbarkeit des Ventils ermöglicht.
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Die 3 und 4 zeigen die Konfiguration eines abgewandelten Ventilsitzkörpers 13. Dieser hat, wie auch der Ventilsitzkörper 13 von 2, die Form eines Gewindeeinsatzes, der mit seinem Außengewinde 45 in das zugeordnete Ende der Ventilbohrung 3, 14 des Gehäuses 1 derart einschraubbar ist, dass er mit einem erweiterten Flanschteil 52 an einer am Ende der Ventilbohrung 14 (5) gebildeten Stufenfläche 54 anliegt. Aus dem Flanschteil 52 nach oben vorstehende Teile bilden die eigentliche Ventilsitzgeometrie, also diejenigen Teile des Sitzkörpers 13, die für die Zusammenwirkung mit der Dichtplatte 19, 46 des Ventilkörpers 15 vorgesehen sind. Wie die 3 und 4 zeigen, ist hierbei eine eine geschlossene Dichtlinie bildende Dichtfläche 53 vorgesehen, die, wie beim Beispiel von 2, durch eine an der Mündung des Medienkanals 51 axial vorspringende Ringrippe gebildet ist. In einem radialen Abstand von dieser kreisrunden, zur Verfahrachse 5 konzentrischen Dichtfläche 53 ist eine Stützfläche 57 vorgesehen, die ebenfalls durch vorspringende Rippen gebildet ist, wobei diese Rippen in diesem Fall lediglich Segmente oder Teilabschnitte eines gedachten Kreises bilden, der die Dichtfläche 53 konzentrisch umgibt. Wiederum liegen die den Anlagebereich für die Dichtplatte 19 bildenden oberen Enden von Dichtfläche 53 und Stützfläche 57 in einer gemeinsamen, zur Verfahrachse 5 senkrechten Ebene, wobei diese oberen Endflächen jeweils gerundet sind. Zwischen den die Stützfläche 57 bildenden Segmenten, von denen beim gezeigten Beispiel vier je einen Teilabschnitt der Stützfläche 57 bildende Segmente gezeigt sind und die eine jeweils gleiche, auf den gedachten Kreis bezogene Umfangsfläche aufweisen. Dementsprechend sind vier Lücken 61, ebenfalls von jeweils gleicher Länge, vorgesehen. Diese Lücken 61 bilden entsprechende Mediendurchlässe, wie sie beim Beispiel von 2 durch die Bohrungen 59 gebildet sind.
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Die 5 zeigt eine Ventilanordnung, bei der zwei gleich ausgebildete Ventile 4 und 6 vorgesehen sind, bei denen der Ventilsitzkörper 13 jeweils die in 2 oder die in 3 und 4 gezeigte Sitzgeometrie aufweist.
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Die Ventile 4, 6 bilden mit einem ihnen gemeinsamen Ventilgehäuse 1 einen Ventilblock. Von den am Ventilgehäuse 1 vorgesehenen Medienanschlüssen sind ein zur Druckversorgung, im vorliegenden Fall mit Druckluft, vorgesehener Druckanschluss mit P, zwei Verbraucheranschlüsse mit A und ein Abluftanschluss mit T bezeichnet. Vom Druckanschluss P her versorgt das in 5 linksseitig gelegene Proportional-Druckregelventil 4 über seinen Ausgang 8 die Verbraucheranschlüsse A über eine Ausgangsleitung 9. Das zweite, gleich ausgebildete Proportional-Druckregelventil 6 ist als Druckbegrenzungsventil eingangsseitig mit der Ausgangsleitung 9 und an seinem Ausgang 12 mit dem Anschluss T in Verbindung.
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Das Ventilgehäuse 1 weist für jedes Ventil 4, 6 eine Ventilbohrung 14 auf, die entlang einer Achse 5 verläuft, die für den bewegbaren Ventilkörper 22 der Ventile 4, 6 die Verfahrachse bildet. Beim in 5 linksseitig gelegenen Ventil 4 ist das untere Ende der Ventilbohrung 14 mit dem Druckanschluss P in Verbindung. Bei dem rechtsseitig gelegenen Ventil 6 ist das untere Ende der Ventilbohrung 14 mit der Ausgangsleitung 10 in Verbindung. An jedem dieser unteren Enden der beiden Ventilbohrungen 14 befindet sich für jedes Ventil 4, 6 ein Ventilsitzkörper 13 mit einem koaxialen, inneren Medienkanal 51, der den Medieneingang für das Ventil 4, 6 bildet. Die spezielle Bauweise des Ventilsitzkörpers 13 ist in den 2 bis 4 näher dargestellt.
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Der für die Zusammenwirkung mit dem Ventilsitzkörper 13 vorgesehene und längs der Achse 5 verfahrbare Ventilkörper 22 ist durch das Ende eines Fortsatzes 24 eines Magnetankers 26 gebildet, der entlang der Achse 5 verfahrbar in einem Polrohr 28 einer als Betätigungseinrichtung vorgesehenen Elektromagneteinrichtung 27 geführt ist. Diese ist in an sich bekannter Weise als sog. „ziehender” Elektromagnet ausgebildet, der bei Bestromen seiner Magnetwicklung 32 den Anker 26 gegen die Kraft einer Schließfeder 34 gegen einen Polkern 36 bewegt. Die Schließfeder 34 ist in einer zentralen Vertiefung 38 im Anker 26 angeordnet und stützt sich am Polkern 36 ab. Eine sich von der Vertiefung 38 in den Fortsatz 24 erstreckende Bohrung 40 bildet einen Druckausgleichskanal zur inneren Ventilbohrung 14 hin. Freiräume 44 zwischen Polrohr 26 und Polkern 36 sind in üblicher Weise zur magnetischen Entkopplung vorgesehen. Bei 42 ist das Polrohr 26 mit dem Polkern 36 verbördelt.
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Das in 5 linksseitig gelegene Ventil 4 befindet sich bei nicht bestromter Magnetwicklung 32 unter Einfluss der Schließfeder 34 in der Schließstellung, in der der Ventilkörper 22 die Abdichtung am Ventilsitzkörper 13 bildet. Für die abdichtende Zusammenwirkung mit dem Sitzkörper 13 weist der Ventilkörper 22 eine Dichtplatte 46 auf. Dabei handelt es sich um eine ebene, kreisrunde Platte aus einem elastomeren Werkstoff, die in einer Vertiefung 48 am Ende des den Ventilkörper 22 bildenden Fortsatzes 24 passend aufgenommen ist und deren Durchmesser etwas größer ist als der Durchmesser des benachbarten Endes des Ventilsitzkörpers 13. Bei dem linksseitig gelegenen Ventil 4 ist die Magnetwicklung 32 unbestromt, so dass sich das Ventil dabei in der Schließstellung befindet. Bei der Darstellung von 5 ist bei dem rechtsseitig gelegenen Ventil 6 jedoch die Magnetwicklung 32 bestromt, so dass der Anker 26 gegen die Kraft der Schließfeder 34 an den Polkern 36 angezogen ist und sich das Ventil 6 in einer Regelstellung befindet, bei der die Dichtplatte 46 vom Ventilsitzkörper 13 abgehoben ist, wobei in 5 der Zustand der vollen Öffnung des Ventils 6 dargestellt ist.
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Die 6 bis 10 zeigen weitere Varianten des Ventilsitzkörpers 13 für das erfindungsgemäße Ventil. Dabei betreffen die 6 bis 8 jeweils einen Ventilsitzkörper 13, an dem sowohl eine Dichtfläche 53, die in geschlossener Linie den Medienkanal 51 umgibt, als auch Stützflächen 57 vorgesehen sind. Letztere umgeben, wie dies auch bei dem Sitzkörper 13 von 2 der Fall ist, als Ringkörper einen vertieften Ringraum 55, in dem Bohrungen 59 als Mediendurchlässe vorgesehen sind. Eine Besonderheit gegenüber der Ausführungsform von 2 besteht darin, dass Dichtfläche 53 und Stützfläche 57 in parallelen Ebenen liegen, die geringfügig zueinander versetzt sind, so dass sich die Ebene der Stützfläche 57 in einem größeren Abstand vom Ventilkörper 15; 22 des Ventils befindet, wie dies aus 7 und 8 deutlich erkennbar ist. Als weitere Besonderheit ist das abgerundete Ende der die Dichtfläche 53 bildenden Rippe speziell so geformt, dass zwischen den Seitenrändern ein schmaler Kontaktbereich 67 für die Anlage an der Dichtplatte 19; 53 vorgesehen ist, wobei bei der Ausführungsform von 8 eine steilere Rampe 69 vom Innenrand zum schmalen Kontaktbereich 67 hin verläuft. Die Stützfläche 57 weist zwischen den abgerundeten Rändern jeweils ein ebenes Flächenstück 65 auf.
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Die 9 und 10 zeigen eine weiter abgewandelte Form des Ventilsitzkörpers 13, wobei keine Stützfläche 57 vorhanden ist. Die ringförmige Dichtfläche 53 ist, wie die 10 in vergrößerter Darstellung zeigt, derart geformt, dass zwischen gerundeten Rändern ein ebenflächiger Kontaktbereich 67 gebildet ist.
