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Dokumentenidentifikation DE102007002153B3 20.12.2007
Titel Proportional-Druckregelventil
Anmelder FESTO AG & Co., 73734 Esslingen, DE
Erfinder Ott, Helmut, 73770 Denkendorf, DE;
Kulla, Steffen, 73333 Gingen, DE;
Geiger, Simon, 73072 Donzdorf, DE
Vertreter Patentanwälte Magenbauer & Kollegen, 73730 Esslingen
DE-Anmeldedatum 15.01.2007
DE-Aktenzeichen 102007002153
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 20.12.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.12.2007
IPC-Hauptklasse F16K 31/06(2006.01)A, F, I, 20070115, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F15B 13/043(2006.01)A, L, I, 20070115, B, H, DE   
Zusammenfassung Es wird ein Proportional-Druckregelventil (1) vorgeschlagen, das ein eine Einlasskammer (7a) durchsetzendes, endseitig in einer Arbeitskammer (7b) und in einer Entlüftungskammer (7c) endendes Steuerglied (14) aufweist. Mittels eines Proportional-Stellantriebes (5) kann eine Stellkraft auf das Steuerglied (14) ausgeübt werden, die ein Maß für den sich in der Arbeitskammer (7b) einstellenden Sekundärdruck ist. An dem Steuerglied (14) sind zwei Ventilteller (23, 36) angeordnet, die in einer Schließstellung des Steuergliedes (14) ein dichtes Absperren der Einlasskammer (7a) gewährleisten und gleichzeitig eine sekundärseitige wie auch primärseitige Druckkompensation hervorrufen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Proportional-Druckregelventil,

  • – mit einem länglichen, zur Ausführung einer Steuerbewegung axial beweglich in einem Ventilgehäuse angeordneten Steuerglied, das einenends in eine mit der Atmosphäre kommunizierende Entlüftungskammer und andernends in eine mit einem anzusteuernden Verbraucher verbindbare Arbeitskammer hineinragt, wobei es eine zwischen diesen beiden Kammern liegende, mit einer Druckluftquelle verbindbare Einlasskammer durchsetzt,
  • – der in der Arbeitskammer liegende Endabschnitt des Steuergliedes weist einen ersten Ventilteller auf, der einem ventilgehäusefesten ersten Ventilsitz gegenüberliegt, der einen von dem Steuerglied durchsetzten Überströmkanal zwischen der Einlasskammer und der Arbeitskammer umrahmt,
  • – es sind Rückstell-Federmittel vorhanden, durch die das Steuerglied in Richtung einer Schließstellung vorgespannt ist, in der es mit seinem ersten Ventilteller durch Anliegen an dem ersten Ventilsitz den Überströmkanal absperrt,
  • – das Steuerglied ist von einem Entlüftungskanal durchsetzt, der einenends in die Arbeitskammer und andernends axial in die Entlüftungskammer mündet, wobei die der Entlüftungskammer zugeordnete stirnseitige Kanalmündung von einem am Steuerglied angeordneten zweiten Ventilsitz umrahmt ist, der von einem gegenüberliegenden zweiten Ventilteller beaufschlagbar ist, der dem antriebsmäßig mit dem Steuerglied zusammenarbeitenden Betätigungsglied eines elektrischen Proportional-Stellantriebes zugeordnet ist, und
  • – an dem Steuerglied ist ein dessen Steuerbewegung mitmachendes Abdichtelement angeordnet, das durch Zusammenwirken mit einer gehäusefesten Dichtfläche verhindert, dass in der Schließstellung des Steuergliedes ein Fluidübertritt zwischen der Einlasskammer und der Entlüftungskammer durch die diese beiden Kammern verbindende und von dem Steuerglied durchsetzte Durchgangsöffnung hindurch stattfindet.

Ein Proportional-Druckregelventil dieser Art wird von der Anmelderin unter der Typenbezeichnung "MPPES" vertrieben und ist auf Seite 2/6. 1–15 der Produktinformation "Proportional pressure regulators MPPE/VPPE/MPPES", Products 2004/2005 der Anmelderin erwähnt. Es ermöglicht die Regelung eines in der Arbeitskammer herrschenden Sekundärdruckes auf einen konstanten Wert. Die Betätigung des Steuergliedes erfolgt mittels eines als Elektromagnet ausgebildeten Proportional-Stellantriebes, dessen Betätigungsglied mit einer den Rückstell-Federmitteln entgegenwirkenden Stellkraft auf das Steuerglied einwirken kann. Damit in der Schließstellung keine Druckluft aus der Einlasskammer entweicht, ist diese zur Arbeitskammer hin mittels eines ersten Ventiltellers abgesperrt und zur Entlüftungskammer hin mittels eines Dichtungsringes, der auf dem Steuerglied sitzt und gleitverschieblich an einer Dichtfläche anliegt, die vom Innenumfang eines Durchgangskanals definiert ist, der sich zwischen der Einlasskammer und der Entlüftungskammer erstreckt.

Trotz zufriedenstellender Funktion erscheint das bekannte Proportional-Druckregelventil unter anderem hinsichtlich seines Hystereseverhaltens verbesserungswürdig. Aufgrund der Reibung zwischen dem Dichtungsring und der Dichtfläche tritt eine unerwünschte Ansprechverzögerung auf.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht folglich in einer Verbesserung des Hystereseverhaltens des bekannten Proportional-Druckregelventils.

Um diese Aufgabe zu lösen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Abdichtelement von einem innerhalb der Einlasskammer an dem Steuerglied angeordneten dritten Ventilteller gebildet ist, dem als zugeordnete Dichtfläche ein die Durchgangsöffnung umrahmender gehäusefester dritter Ventilsitz axial gegenüberliegt, an dem der dritte Ventilteller in der Schließstellung des Steuergliedes dichtend anliegt, wobei die dem während der Schließstellung in der Einlasskammer herrschenden Primärdruck ausgesetzten, einander entgegengesetzt orientierten Primärdruck-Wirkflächen des ersten und dritten Ventiltellers gleichgroß ausgebildet sind, und wobei der sich an den dritten Ventilsitz anschließende Längenabschnitt der Durchgangsöffnung eine über einen Druckausgleichskanal mit der Arbeitskammer verbundene Kompensationskammer bildet, wobei die dem während der Schließstellung in der Arbeitskammer und folglich auch in der Kompensationskammer herrschenden Sekundärdruck ausgesetzten, einander entgegengesetzt orientierten Sekundärdruck-Wirkflächen des ersten und dritten Ventiltellers ebenfalls gleichgroß ausgebildet sind.

Somit erfolgt die während der Schließstellung vorhandene Abdichtung zwischen der Einlasskammer und einerseits der Arbeitskammer sowie andererseits der Entlüftungskammer über je eine eigenständige Sitzventilkonfiguration. Mit anderen Worten kann man von einer Doppelsitzausführung sprechen. Anders als beim Stand der Technik rufen die für die Abdichtung verantwortlichen Mittel aufgrund der axialen Abdichtung somit kaum mehr eine Reibung hervor, was für ein optimiertes Ansprechverhalten sorgt. Das Steuerglied reagiert mit seinen Steuerbewegungen sehr schnell auf etwaige Sekundärdruckänderungen. Durch das Wegfallen der dynamischen Dichtungen ist die Reibung sehr klein, was die Genauigkeit des Sekundärdruckes wesentlich erhöht. Gleichzeitig ist aufgrund der erwähnten Wirkflächenverhältnisse nicht nur sekundärseitig, sondern auch primärseitig eine Druckkompensation gegeben, die das Stellverhalten von primärseitigen Druckschwankungen unabhängig macht.

Ein weiterer Vorteil der Anordnung liegt darin, dass der Durchmesser des entlüftungsseitigen zweiten Ventilsitzes variiert werden kann, ohne die Druckkompensation zu beeinflussen. Dadurch lässt sich die Stellkraft des Proportional-Stellantriebes auch in Fällen geringer Betriebsdrücke sehr gut ausnutzen. Durch entsprechende Vergrößerung des Ventilsitzdurchmessers kann die auf den zweiten Ventilteller einwirkende, aus dem Sekundärdruck herrührende Rückwirkungskraft in einen für den Proportional-Stellantrieb günstigen Arbeitsbereich angehoben werden. Die Konstellation bei der Doppelsitzanordnung kann hierbei unverändert beibehalten werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Die relative Justierbarkeit zwischen erstem und drittem Ventilteller ermöglicht es, bei der Montage des Druckregelventils eine präzise Einstellung dahingehend vorzunehmen, dass in der Schließstellung des Steuergliedes auch tatsächlich beide am Steuerglied angeordneten Ventilteller mit dem ihnen zugeordneten Ventilsitz in Dichtkontakt stehen. Eine einfache Justierung ist insbesondere dann möglich, wenn der erste Ventilteller am Steuerglied aufgeschraubt ist.

In zweckmäßiger Ausgestaltung verfügt das Steuerglied über einen von dem Entlüftungskanal koaxial durchsetzten rohrförmigen Stößel, der den ersten und dritten Ventilteller trägt. Mit seinen stirnseitigen Kanalmündungen kommuniziert der Entlüftungskanal zum einen ständig mit der Arbeitskammer und zum anderen, durch den zweiten Ventilteller gesteuert, mit dem Entlüftungskanal.

Die Rückstell-Federmittel, die das Steuerglied zweckmäßigerweise koaxial umschließen, können platzsparend in der Einlasskammer untergebracht sein. Hierbei können sie den dritten Ventilteller beaufschlagen.

Der für den sekundärseitigen Druckausgleich verantwortliche Druckausgleichskanal erstreckt sich zweckmäßigerweise im Steuerglied. Dies vereinfacht die Herstellung des umgebenden Ventilgehäuses.

Es ist von Vorteil, wenn der Entlüftungskanal zur Bildung des Druckausgleichskanals beiträgt. So kann insbesondere der zur Arbeitskammer ausmündende Längenabschnitt des Entlüftungskanals gleichzeitig einen Längenabschnitt des Druckausgleichskanals bilden, der über eine oder mehrere, das Steuerglied auf Höhe der Kompensationskammer durchquerende Querbohrungen mit der Kompensationskammer kommuniziert.

Es ist zweckmäßig, während des Betriebs des Druckregelventils sekundärseitig eine minimale, definierte Leckage vorzusehen. Diese sorgt dafür, dass der Sekundärdruck ständig nachgeführt werden muss. Als Folge hiervon wird der Arbeitspunkt des Ventils stets im unteren Bereich der Hysteresekurve gehalten, was einen reproduzierbaren Druckwert ergibt.

Der für die geringfügige Leckage verantwortliche Leckagekanal zweigt vorzugsweise von der Kompensationskammer ab, wobei er insbesondere von einem Strömungsspalt gebildet sein kann, der radial zwischen dem Steuerglied und der von diesem durchsetzten Durchgangsöffnung definiert ist. Der Spaltquerschnitt kann hier, insbesondere durch eine Metallausführung der aneinander anliegenden Flächen, sehr klein eingestellt werden, ohne die Leichtgängigkeit der Steuerbewegung zu beeinträchtigen.

Um zu verhindern, dass der sich an die Entlüftungskammer anschließende Proportional-Stellantrieb verschmutzt und/oder austrocknet, empfiehlt sich die Zwischenschaltung einer elastischen, gasdichten Trennmembran, die einen Eintritt der bei der Entlüftung entweichenden Druckluft ins Innere des Proportional-Stellantriebes verhindert. Um auch bei hohen Drücken beziehungsweise hohen Durchflüssen eine Beschädigung der Trennmembran zu vermeiden, kann dieser eine Abstützwand zugeordnet sein, an die sie sich bei der Druckluftbeaufschlagung anlegen kann.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:

1 einen Längsschnitt durch eine bevorzugte Bauform des Proportional-Druckregelventils in der unbetätigten Grundstellung, wobei das Steuerglied seine Schließstellung einnimmt,

2 eine Zwischenstellung bei bereits aktiviertem Proportional-Stellantrieb, jedoch weiterhin eingenommener Schließstellung des Steuergliedes, und

3 in wiederum einer Längsschnittdarstellung eine Arbeitsstellung des Druckregelventils bei in eine Offenstellung umgeschaltetem Steuerglied.

Das in seiner Gesamtheit mit Bezugsziffer 1 bezeichnete Proportional-Druckregelventil enthält einen Ventilteil 2 mit Ventilgehäuse 3 und einen Antriebsteil 4 mit einem Proportional-Stellantrieb 5. Die beiden Teile 2, 4 sind unter Bildung einer Baueinheit lösbar aneinander angebaut.

Das Ventilgehäuse 3 des Ventilteils 2 enthält mehrere in Richtung einer Hauptachse 6 aufeinanderfolgend angeordnete Ventilkammern 7. Unter diesen Ventilkammern 7 befindet sich eine Einlasskammer 7a, die – in Richtung der Hauptachse 6 – diesseits von einer Arbeitskammer 7b und jenseits von einer Entlüftungskammer 7c flankiert ist. Bei der beispielhaften Ausrichtung des Proportional-Druckregelventils 1 liegt die Entlüftungskammer 7c oberhalb und die Arbeitskammer 7b unterhalb der Einlasskammer 7a.

Die Einlasskammer 7a kommuniziert mit einem Einlasskanal 8, an den eine nicht weiter gezeigte Druckluftquelle anschließbar ist. Ein von der Arbeitskammer 7b abgehender Arbeitskanal 9 ermöglicht den Anschluss eines ebenfalls nicht weiter abgebildeten Verbrauchers, der mit Druckluft eines bestimmten konstanten Druckes versorgt werden soll.

Die Entlüftungskammer 7c schließlich steht über mindestens einen in einer anderen Ebene verlaufenden und daher nur gestrichelt angedeuteten, das Ventilgehäuse 3 durchsetzenden Entlüftungskanal 10 mit der Atmosphäre in Verbindung.

Als Einsatzgebiet für das Ventil 1 kommt das gesamte Pneumatikspektrum in Frage. Es eignet sich dabei auch besonders für mobile Anwendungen, insbesondere in Kraftfahrzeugen. Hierbei kann es beispielsweise zur Ansteuerung von Abgasturbolader, Motorbremse, Abgasrückführung, Retarderbremse oder einem automatisierten Getriebe eingesetzt werden.

Einlasskanal 8 und Arbeitskanal 9 münden zur Außenfläche des Ventilgehäuses 3 aus, wobei ihren Mündungen beispielhaft als Anschlussgewinde ausgebildete Befestigungsmittel 13 zugeordnet sind, die ein lösbares Anschließen von Druckluftleitungen ermöglichen.

Ein längliches Steuerglied 14, dessen Längsachse mit der Hauptachse 6 zusammenfällt, erstreckt sich im Innern des Ventilgehäuses 3 zwischen der Arbeitskammer 7b und der Entlüftungskammer 7c, wobei es die dazwischen angeordnete Einlasskammer 7a durchsetzt. Das Steuerglied 14 ist in Richtung der Hauptachse 6 unter Ausführung einer durch einen Doppelpfeil angedeuteten linearen Steuerbewegung 15 hin und her bewegbar.

Mit einem schaftförmigen Führungsabschnitt 16 durchgreift das Steuerglied 14 eine die Einlasskammer 7a mit der Entlüftungskammer 7c verbindende bohrungsartige Durchgangsöffnung 17. Hierdurch ergibt sich eine präzise Linearführung für das Steuerglied 14. Im Kontaktbereich sind der Außenumfang des Führungsabschnittes 16 und der Innenumfang der Durchgangsöffnung 17 insbesondere metallisch ausgebildet, sodass sich eine reibungsarme Gleitpaarung ergibt. Dies kann durch eine Metallbeschichtung oder durch eine Vollmetallausführung realisiert werden.

Mit seinem entgegengesetzten Endabschnitt durchsetzt das Steuerglied 14 mit relativ großem radialem Zwischenraum einen die Einlasskammer 7a mit der Arbeitskammer 7b verbindenden Überströmkanal 18. Die der Arbeitskammer 7b zugewandte Mündung des Überströmkanals 18 ist dabei von einem gehäusefesten ersten Ventilsitz 22 umrahmt, der in Richtung der Hauptachse 6 zu der Arbeitskammer 7b hin orientiert ist.

Ein in der Arbeitskammer 7b angeordneter erster Ventilteller 23 ist Bestandteil des Steuergliedes 14 und liegt dem ersten Ventilsitz 22 axial gegenüber. Er macht die Steuerbewegung 15 des Steuergliedes 14 mit. Liegt er am ersten Ventilsitz 22 an, ist die Fluidverbindung zwischen Einlasskammer 7a und Arbeitskammer 7b abgesperrt. Im vom ersten Ventilsitz 22 abgehobenen Zustand ist diese Fluidverbindung mehr oder weniger weit freigegeben.

Insbesondere koaxial durch das Steuerglied 14 hindurch erstreckt sich ein Entlüftungskanal 24. Er mündet an den beiden einander entgegengesetzten Stirnseiten des Steuergliedes 14 aus. Seitens der der Arbeitskammer 7b zugewandten ersten Entlüftungskanalmündung 25 liegt unabhängig von der Position des Steuergliedes 14 eine ständige Fluidverbindung zwischen Entlüftungskanal 24 und Arbeitskammer 7b vor.

Die entgegengesetzte, der Entlüftungskammer 7c zugewandte zweite Entlüftungskanalmündung 26 ist von einem stirnseitig am Steuerglied 14 angeordneten zweiten Ventilsitz 27 umrahmt. Dieser weist in Richtung der Hauptachse 6 von der Einlasskammer 7a weg. Ihm liegt ein bezüglich dem Steuerglied 14 gesonderter zweiter Ventilteller 28 gegenüber, der auch in Richtung der Hauptachse 6 beweglich ist. Seine bei 32 durch einen Doppelpfeil verdeutlichte Bewegung kann aktiv durch ein Betätigungsglied 33 des Proportional-Stellantriebes 5 hervorgerufen werden.

Der Proportional-Stellantrieb 5 ist im Bereich der Entlüftungskammer 7c an das Ventilgehäuse 3 angebaut. Er enthält ein bevorzugt stößelartiges Betätigungsglied 33, dessen Längsachse mit der Hauptachse 6 zusammenfällt und das durch Bestromung des Proportional-Stellantriebes 5 zu einer Linearbewegung in Richtung der Hauptachse 6 veranlasst werden kann.

Bevorzugt handelt es sich bei dem Proportional-Stellantrieb 5 um einen sogenannten Proportionalmagnet, wobei das Betätigungsglied 33 vom beweglichen Anker eines Elektromagneten 31 gebildet ist. Entsprechend der angelegten Spannung ergibt sich eine spezifische magnetische Stellkraft, die auf das Betätigungsglied 33 einwirkt und dieses längs der Hauptachse 6 positioniert.

Das Betätigungsglied 33 kann hierbei stirnseitig auf das Steuerglied 14 einwirken. Dies geschieht unter Zwischenschaltung des zweiten Ventiltellers 28, der zweckmäßigerweise fest mit dem Betätigungsglied 33 verbunden oder unmittelbar von diesem gebildet ist.

Wird das Betätigungsglied 33 in Richtung des Steuergliedes 14 verlagert, übt es über den zweiten Ventilteller 28 eine Stellkraft FS auf das Steuerglied 14 in Richtung der Arbeitskammer 7b aus, wobei der zweite Ventilteller 28 durch seinen Kontakt mit dem zweiten Ventilsitz 27 gleichzeitig die zweite Entlüftungskanalmündung 26 verschließt.

Eine bevorzugt in der Entlüftungskammer 7c angeordnete mechanische Federeinrichtung 34 stützt sich zwischen dem Ventilgehäuse 3 und dem zweiten Ventilteller 28 ab und beaufschlagt diesen in Richtung einer von dem zweiten Ventilsitz 27 abgehobenen Ausgangsstellung. Diese Ausgangsstellung ist in 1 ersichtlich. Sie liegt vor, wenn das Proportional-Druckregelventil die unbestromte Grundstellung einnimmt. Die Stellkraft FS muss also die Federkraft der Federeinrichtung 34 überwinden, die allerdings relativ klein ist.

Ein die Steuerbewegung 15 mitmachender, zum Steuerglied 14 gehörender dritter Ventilteller 36 ist innerhalb der Einlasskammer 7a angeordnet und liegt einem dritten Ventilsitz 35 axial gegenüber, der die Durchgangsöffnung 17 umrahmt. Der dritte Ventilsitz 35 hat die gleiche Orientierung wie der erste Ventilsitz 22 und ist wie dieser gehäusefest angeordnet. Liegt der dritte Ventilteller 36 am dritten Ventilsitz 35 an, kann keine Druckluft aus der Einlasskammer 7a in die Durchgangsöffnung 17 überströmen. Die primärseitige Druckluft ist dann eingesperrt.

Durch Rückstell-Federmittel 37 ist das Steuerglied 14 in eine aus 1 und 2 ersichtliche Schließstellung vorgespannt. In der Schließstellung liegen gleichzeitig der erste und dritte Ventilteller 23, 36 am jeweils zugeordneten ersten (22) beziehungsweise dritten (35) Ventilsitz dichtend an und sperren die Einlasskammer 7a von sowohl der Arbeitskammer 7b als auch der Entlüftungskammer 7c ab. Bevorzugt sind die Rückstell-Federmittel 37 platzsparend in der Einlasskammer 7aangeordnet, wobei sie sich steuergliedseitig 14 insbesondere an dem dritten Ventilteller 36 abstützen können.

Als weitere Ventilkammer 7 ist im Ventilgehäuse 3 eine für eine sekundärseitige Druckkompensation sorgende Kompensationskammer 7d vorhanden, die von dem sich unmittelbar an den dritten Ventilsitz 35 anschließenden Längenabschnitt der Durchgangsöffnung 17 gebildet ist. Im Bereich der Kompensationskammer 7d hat die Durchgangsöffnung 17 einen größeren Querschnitt als der sich anschließende, mit dem Führungsabschnitt 16 kooperierende Längenabschnitt.

Die Kompensationskammer 7d steht unabhängig von der Stellung des Steuergliedes 14 über einen Druckausgleichskanal 38 ständig mit der Arbeitskammer 7b in Fluidverbindung. Bevorzugt ist der Druckausgleichskanal 38 im Steuerglied 14 ausgebildet, sodass auf eine entsprechende Kanalgestaltung im Ventilgehäuse 3 verzichtet werden kann. Exemplarisch setzt sich der Druckausgleichskanal 38 zusammen aus dem zu der Arbeitskammer 7b ausmündenden Längenabschnitt des Entlüftungskanals 24 und einer oder mehreren Querbohrungen 42, die die Wandung des Steuergliedes 14 auf Höhe der Kompensationskammer 7d quer zu der Hauptachse 6 durchsetzen.

Somit erfüllt der das Steuerglied 14 längs durchsetzende Kanal eine Doppelfunktion, indem er sowohl als Entlüftungskanal 24 als auch als Druckausgleichskanal 38 fungiert.

Aufgrund des Druckausgleichskanals 38 herrscht in der Kompensationskammer 7d zumindest in der Schließstellung des Steuergliedes 14 auch der in der Arbeitskammer 7b anstehende Sekundärdruck. Dieser beaufschlagt im Übrigen auch die von dem zweiten Ventilsitz 27 umrahmte Schließfläche 43 des zweiten Ventiltellers 28 und beaufschlagt diesen mit einer von der Höhe des Sekundärdruckes abhängigen Rückführkraft FR.

Der erste Ventilsitz 22 und der dritte Ventilsitz 35 umgrenzen die gleiche Querschnittsfläche. Dies hat zur Folge, dass sowohl die dem in der Einlasskammer 7a herrschenden Primärdruck ausgesetzten Primärdruck-Wirkflächen 44, 45 der beiden Ventilteller 23, 36 untereinander gleich sind als auch die an diesen Ventiltellern 23, 36 ausgebildeten, dem in der Arbeitskammer 7b herrschenden Sekundärdruck ausgesetzten Sekundärdruck-Wirkflächen 46, 47.

Dies hat eine sowohl primärseitige als auch sekundärseitige Druckkompensation zur Folge, wenn das Steuerglied 14 seine Schließstellung einnimmt. Beide Drücke wirken sich daher nicht auf das Bewegungsverhalten des Steuergliedes 14 aus.

Eine typische Betriebsweise des Proportional-Druckregelventils stellt sich wie folgt dar.

Im stromlosen Zustand des Proportional-Stellantriebes 5 liegt die aus 1 ersichtliche Grundstellung vor. Der zweite Ventilteller 28 ist hier durch die Federeinrichtung 34 vom zweiten Ventilsitz 27 des Steuergliedes 14 abgehoben, das durch die Rückstell-Federmmittel 37 in seiner Schließstellung gehalten ist. Die Druckluft ist folglich primärseitig in der Einlasskammer 7a eingesperrt, und die Arbeitskammer 7b ist über den das Steuerglied 14 durchsetzenden Entlüftungskanal 38, die Entlüftungskammer 7c und den gehäuseseitigen Entlüftungskanal 10 zur Atmosphäre entlüftet. Dieser Zustand ist in 1 gezeigt.

Durch das Anlegen einer Spannung an den Proportional-Stellantrieb 5 verlagert sich das Betätigungsglied 33 zusammen mit dem zweiten Ventilteller 28 in Richtung des axial in die Entlüftungskammer 7c hineinragenden zweiten Ventilsitzes 27, bis es an diesem dichtend zur Anlage gelangt. Diese Zwischenstellung geht aus 2 hervor. Das Steuerglied 14 nimmt hierbei noch immer die Schließstellung ein.

Der aus dem Proportional-Stellantrieb 5 resultierenden Stellkraft FS des zweiten Ventiltellers 28 wirken die Federeinrichtung 34 und die Rückstell-Federmittel 37 entgegen sowie die aus dem Sekundärdruck der Arbeitskammer 7b abgeleitete Rückführkraft FR, die durch den Entlüftungskanal 24 hindurch auf die Schließfläche 43 einwirkt.

Unmittelbar nach dem Einschalten des Proportional-Stellantriebes 5 ist wegen druckloser Arbeitskammer 7b noch keine Rückführkraft FR vorhanden. Dies führt dann dazu, dass der zweite Ventilteller 28 das Steuerglied 14 in die aus 3 ersichtliche Offenstellung verlagert, in der gleichzeitig der erste Ventilteller 23 und der dritte Ventilteller 36 von den ihnen zugeordneten Ventilsitzen 22, 35 abgehoben werden. Durch den somit freigegebenen Überströmkanal 18 strömt nun unter dem Primärdruck stehende Druckluft aus der Einlasskammer 7a in die Arbeitskammer 7b über und von dort über den Arbeitskanal 9 zum zu versorgenden Verbraucher.

Die an dem Proportional-Stellantrieb 5 angelegte Spannung entspricht dem angestrebten Sollwert für den Sekundärdruck. Mit zunehmendem Druckanstieg in der Arbeitskammer 7b steigt die Rückführkraft FR an, bis schließlich bei mit dem Sollwert übereinstimmendem Istwert des Sekundärdruckes die Rückführkraft FR so groß ist, dass die insgesamt an dem Steuerglied 14 angreifenden Kräfte dieses in die Zwischenstellung gemäß 2 zurück verlagern.

Steigt in der Folge der Luftbedarf in der Arbeitskammer 7b wieder an, stellt sich wegen der wieder abnehmenden Rückführkraft FR neuerlich der Zustand aus 3 ein, wobei Druckluft aus der Einlasskammer 7a in die Arbeitskammer 7b nachgeführt wird.

Übersteigt der Sekundärdruck den Sollwert, wird der zweite Ventilteller 28 durch die erhöhte Rückführkraft FR von dem zweiten Ventilsitz 27 abgehoben, sodass sich eine mit der Grundstellung aus 1 entsprechende Stellung ergibt. Diese bewirkt einen sekundärseitigen Druckabbau über den geöffneten Entlüftungskanal 24 hindurch.

Dem Regelverhalten förderlich ist eine definierte Leckage an der Sekundärseite, die zur Folge hat, dass der Sekundärdruck ständig nachgeführt werden muss. Dadurch wird der Arbeitspunkt stets im unteren Bereich der Hysteresekurve gehalten. Diese bewusste Leckage wird durch mindestens einen Leckagekanal 48 gewährleistet, der eine ständige geringfügige Leckage aus der Arbeitskammer 7b zur Atmosphäre zulässt.

Der Leckagekanal 48 geht vorzugsweise von der Kompensationskammer 7d ab. Es könnte sich bei ihm prinzipiell um einen kapillarähnlichen Kanal minimalen Durchmessers handeln. Bevorzugt sind jedoch der Außendurchmesser des Führungsabschnittes 16 und der Innendurchmesser der Durchgangsöffnung 17 so aufeinander abgestimmt, dass hier ein minimaler Strömungsspalt verbleibt, der den Leckagekanal 48 bildet. Anders ausgedrückt wird hier auf eine Weichdichtung verzichtet, und man greift auf eine den ungehinderten Fluidaustritt verhindernde Spaltdichtung zurück, die die Eigenheit hat, einen minimalen Luftaustritt zuzulassen.

Die Leckageströmung fließt also am Außenumfang des Steuergliedes 14 vorbei in die Entlüftungskammer 7c und von dort zur Atmosphäre.

Das Steuerglied 14 des Ausführungsbeispiels zeichnet sich durch eine besonders vorteilhafte Bauweise aus. Es besteht aus einem von dem Entlüftungskanal 24 koaxial durchsetzten rohrförmigen Stößel 52, an dem der erste Ventilteller 23 und der dritte Ventilteller 36 axial unbeweglich fixiert sind.

Während der dritte Ventilteller 36 exemplarisch auf den Stößel 52 aufgepresst oder aufgeklebt ist, liegt zwischen dem ersten Ventilteller 23 und dem Stößel 52 eine Schraubverbindung 53 vor, die bei der Montage des Proportional-Druckregelventils 1 eine axiale Justierung der Relativposition zwischen den beiden Ventiltellern 23, 36 ermöglicht.

Beispielhaft verfügt der Stößel 52 an seinem in die Arbeitskammer 7b hineinragenden Endabschnitt über ein Außengewinde, auf das der hülsenförmige erste Ventilteller 23 mit einem komplementären Innengewinde aufgeschraubt ist. Die Aufschraubtiefe kann durch einen Sicherungsring oder durch sonstige Sicherungsmittel gesichert werden.

Auf diese Weise ist eine Einstellung möglich, die garantiert, dass die beiden Ventilteller 23, 36 stets gleichzeitig auf dem ihnen zugeordneten Ventilsitz 22, 35 aufsitzen oder davon abgehoben sind.

Prinzipiell könnte der Proportional-Stellantrieb 5 unmittelbar eine Begrenzungswand der Entlüftungskammer 7c bilden, wobei die Abluft dann auch in der Lage sein könnte, ins Innere des Proportional-Antriebes einzudringen. Häufig ist die Abluft jedoch mit Schmutz oder Öl verunreinigt und/oder weist eine erhöhte Temperatur auf. In diesem Fall können die Komponenten des Proportional-Stellantriebes 5 in Mitleidenschaft gezogen werden. Beim Ausführungsbeispiel ist die Entlüftungskammer 7c daher zu dem sich anschließenden Proportional-Stellantrieb 5 hin durch eine elastische, gasdichte Trennmembran 54 abgeschlossen, die mit ihrem äußeren Rand am Ventilgehäuse 3 oder am Gehäuse des Proportional-Stellantriebes 5 abgedichtet fixiert ist und die mit ihrem inneren Rand an dem beweglichen zweiten Ventilteller 28 unter Abdichtung befestigt ist. Sie ist also ringförmig gestaltet. Aufgrund ihrer Flexibilität beeinträchtigt sie die Beweglichkeit des Betätigungsgliedes 33 und des zweiten Ventiltellers 28 nicht. Sie verhindert jedoch einen Übertritt von Abluft in den sich anschließenden Proportional-Stellantrieb 5.

Damit die Trennmembran 54 von der unter Umständen mit noch relativ hohem Druck abströmenden Abluft nicht beschädigt wird, kann der Proportional-Stellantrieb 5 an der der Entlüftungskammer 7c entgegengesetzten Rückseite der Trennmembran 54 eine Abstützwand 55 aufweisen, an der sich die Trennmembran 54 abstützen kann. Die Abstützwand 55 kann hierbei eine Konkavität 56 aufweisen, in die sich die Trennmembran 54 hineinschmiegen kann. Somit unterliegt sie durch den abluftseitigen Überdruck keinen schädigenden Zugkräften.

Das Proportional-Druckregelventil 1 hat den Vorteil, dass das Steuerglied 14 bei seinen Stellbewegungen nur minimaler Reibung ausgesetzt ist, sodass bei den Einstellvorgängen eine nur geringe Hysterese auftritt. Aufgrund der metallischen Gleitflächen ändert sich zudem das Reibungsverhalten auch bei Temperaturänderungen nicht, sodass stets gleichbleibende Verhältnisse vorliegen. Die Leckage im nicht betätigten Zustand ist sehr gering, gleichwohl ermöglich die definierte Leckage durch den Leckagekanal 48 eine stets korrekte Einstellung des Sekundärdruckes auf den Sollwert.

Das Steuerglied 14 ist durch den Primärdruck keiner resultierenden Stellkraft ausgesetzt. Auch bei schwankendem Primärdruck kann somit der Sekundärdruck problemlos konstant gehalten werden. Bei alledem ermöglicht das Ventil hohe Durchflusswerte, was kurze Befüllzeiten und Entlüftungszeiten ermöglicht.

Das beispielhafte Proportional-Druckregelventil hat die Funktionalität eines 3/3-Wegeventils. Dadurch können die drei Grundfunktionen "Druck erhöhen", "Druck senken" und "Druck halten" problemlos gewährleistet werden.

Durch den Entfall dynamischer Dichtungen im Bereich des Steuergliedes 14 ist die auftretende Reibung sehr klein, was die Genauigkeit des einzustellenden Sekundärdruckes wesentlich erhöht.

Die Realisierung des Leckagekanals 48 als eine Art Spaltdichtung zwischen dem Steuerglied 14 und der Durchgangsöffnung 17 vereinigt den Vorteil minimaler Reibung mit demjenigen einer einfachen Bereitstellung einer für den Regelungsvorgang vorteilhaften Leckageströmung. Die Spaltbreite beträgt nur einige Mikrometer.

Der dritte Ventilteller 23 sorgt im Zusammenwirken mit dem zugeordneten dritten Ventilsitz 35 in der stromlosen Grundstellung des Ventils 1 für die Abdichtung der Einlasskammer 7a vom Leckagekanal 48. Gleichzeitig garantiert er wegen seiner kompensierenden Wirkung die Unabhängigkeit der Regelung vom Primärdruck.

Bei dem Stößel 52 kann es sich beispielsweise um ein Aluminium-Drehteil handeln. Die Durchgangsöffnung 17 mit zugeordnetem drittem Ventilsitz 35 wie auch der Überströmkanal 18 mit zugeordnetem erstem Ventilsitz 22 können jeweils Bestandteil eines gesonderten Einsatzkörpers 57, 58 sein, der unter Abdichtung in eine Aufnahme 62 des zu Montagezwecken vorzugsweise zweigeteilten Ventilgehäuses 3 einsetzbar ist.


Anspruch[de]
Proportional-Druckregelventil,

– mit einem länglichen, zur Ausführung einer Steuerbewegung (15) axial beweglich in einem Ventilgehäuse (3) angeordneten Steuerglied (14), das einenends in eine mit der Atmosphäre kommunizierende Entlüftungskammer (7c) und andernends in eine mit einem anzusteuernden Verbraucher verbindbare Arbeitskammer (7b) hineinragt, wobei es eine zwischen diesen beiden Kammern liegende, mit einer Druckluftquelle verbindbare Einlasskammer (7a) durchsetzt,

– der in der Arbeitskammer (7b) liegende Endabschnitt des Steuergliedes (14) weist einen ersten Ventilteller (23) auf, der einem ventilgehäusefesten ersten Ventilsitz (22) gegenüberliegt, der einen von dem Steuerglied (14) durchsetzten Überströmkanal (18) zwischen der Einlasskammer (7a) und der Arbeitskammer (7b) umrahmt,

– es sind Rückstell-Federmittel (37) vorhanden, durch die das Steuerglied (14) in Richtung einer Schließstellung vorgespannt ist, in der es mit seinem ersten Ventilteller (23) durch Anliegen an dem ersten Ventilsitz (22) den Überströmkanal (18) absperrt,

– das Steuerglied (14) ist von einem Entlüftungskanal (24) durchsetzt, der einenends in die Arbeitskammer (7b) und andernends axial in die Entlüftungskammer (7c) mündet, wobei die der Entlüftungskammer (7c) zugeordnete stirnseitige Kanalmündung (26) von einem am Steuerglied (14) angeordneten zweiten Ventilsitz (22) umrahmt ist, der von einem gegenüberliegenden zweiten Ventilteller (28) beaufschlagbar ist, der dem antriebsmäßig mit dem Steuerglied (14) zusammenarbeitenden Betätigungsglied (33) eines elektrischen Proportional-Stellantriebes (5) zugeordnet ist, und

– an dem Steuerglied (14) ist ein dessen Steuerbewegung (15) mitmachendes Abdichtelement angeordnet, das durch Zusammenwirken mit einer gehäusefesten Dichtfläche verhindert, dass in der Schließstellung des Steuergliedes (14) ein Fluidübertritt zwischen der Einlasskammer (7a) und der Entlüftungskammer (7c) durch die diese beiden Kammern verbindende und von dem Steuerglied (14) durchsetzte Durchgangsöffnung (17) hindurch stattfindet,

dadurch gekennzeichnet,

dass das Abdichtelement von einem innerhalb der Einlasskammer (7a) an dem Steuerglied (14) angeordneten dritten Ventilteller (36) gebildet ist, dem als zugeordnete Dichtfläche ein die Durchgangsöffnung (17) umrahmender gehäusefester dritter Ventilsitz (35) axial gegenüberliegt, an dem der dritte Ventilteller (36) in der Schließstellung des Steuergliedes (14) dichtend anliegt, wobei die dem während der Schließstellung in der Einlasskammer (7a) herrschenden Primärdruck ausgesetzten, einander entgegengesetzt orientierten Primärdruck-Wirkflächen (44, 45) des ersten und dritten Ventiltellers (23, 36) gleichgroß ausgebildet sind, und wobei der sich an den dritten Ventilsitz (35) anschließende Längenabschnitt der Durchgangsöffnung (17) eine über einen Druckausgleichskanal (38) mit der Arbeitskammer (7b) verbundene Kompensationskammer (7d) bildet, wobei die dem während der Schließstellung in der Arbeitskammer (7b) und folglich auch in der Kompensationskammer (7d) herrschenden Sekundärdruck ausgesetzten, einander entgegengesetzt orientierten Sekundärdruck-Wirkflächen (46, 47) des ersten und dritten Ventiltellers (23, 36) ebenfalls gleichgroß ausgebildet sind.
Druckregelventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und dritte Ventilteller (23, 36) an dem Steuerglied (14) in Richtung der Steuerbewegung (15) relativ zueinander justierbar sind, um in der Schließstellung des Steuergliedes (14) das gleichzeitige abdichtende Zusammenwirken mit den zugehörigen Ventilsitzen (22, 35) zu gewährleisten. Druckregelventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ventilteller (23) im Rahmen einer Schraubverbindung axial justierbar an dem Steuerglied (14) fixiert ist. Druckregelventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerglied (14) einen von dem Entlüftungskanal (24) koaxial durchsetzten rohrförmigen Stößel (52) aufweist, der den ersten und dritten Ventilteller (23, 36) trägt. Druckregelventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstell-Federmittel (37) in der Einlasskammer (7a) angeordnet sind, wobei sie sich steuergliedseitig an dem dritten Ventilteller (36) abstützen. Druckregelventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckausgleichskanal (38) im Steuerglied (14) ausgebildet ist. Druckregelventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Längenabschnitt des Druckausgleichskanals (38) von dem in die Arbeitskammer (7b) ausmündenden Entlüftungskanal (24) des Steuergliedes (14) gebildet ist, der über mindestens eine Querbohrung (42) des Steuergliedes (14) auch mit der Kompensationskammer (7d) kommuniziert. Druckregelventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitskammer (7b) über mindestens einen eine geringfügige Leckage gewährleistenden Leckagekanal (48) ständig mit der Atmosphäre kommuniziert. Druckregelventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Leckagekanal (48) von der Kompensationskammer (7d) abgeht. Druckregelventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Außenumfang des Steuergliedes (14) und dem Innenumfang der vom Steuerglied (14) durchsetzten Durchgangsöffnung (17) ein den Leckagekanal (48) definierender minimaler Strömungsspalt vorliegt. Druckregelventil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenumfang der Durchgangsöffnung (17) und der Außenumfang des die Durchgangsöffnung durchsetzenden Längenabschnittes des Steuergliedes (14) metallisch ausgebildet sind, derart, dass diese Komponenten eine rein metallische Gleitpaarung bilden. Druckregelventil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Proportional-Stellantrieb (5) einen Elektromagnet (31) enthält, dessen beweglicher Anker das Betätigungsglied (33) bildet. Druckregelventil nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Ventilteller (28) fest mit dem Betätigungsglied (33) des Proportional-Stellantriebes (5) verbunden ist. Druckregelventil nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Entlüftungskammer (7c) zu dem sich anschließenden Proportional-Stellantrieb (5) hin durch eine elastische, gasdichte Trennmembran (54) abgeschlossen ist, die zum einen gehäusefest und zum anderen an dem zweiten Ventilteller (28) oder an dem Betätigungsglied (33) fixiert ist. Druckregelventil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Proportional-Stellantrieb (5) an der der Entlüftungskammer (7c) zugewandten Seite eine die Trennmembran (54) abstützende Abstützwand (55) aufweist. Druckregelventil nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützwand (55) an der der Trennmembran (54) zugewandten Seite konkav ausgebildet ist. Druckregelventil nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ventilsitz (22) und der dritte Ventilsitz (35) einen gleichgroßen Querschnitt umgrenzen, wobei zweckmäßigerweise auch die diese Ventilsitze (22, 35) durchsetzenden Abschnitte des Steuergliedes (14) einen gleichgroßen Querschnitt aufweisen.






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