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Die Erfindung betrifft ein druckbeaufschlagtes Fluidschaltventil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Allgemein bekannt ist die Verwendung von Fluidschaltventilen, insbesondere Ölschaltventilen, die auf einem magnetischen Schaltprozess basieren. Solche Fluidschaltventile weisen in der Regel innerhalb eines Gehäuses eine auf einen hohlen Spulenkörper gewickelte Spule auf, welche bestromt werden kann. Zur Führung des bei Bestromung entstehenden magnetischen Felds sind auf der einen Seite der Spule eine Rückschlussplatte und auf der anderen Seite der Spule ein Polkern vorgesehen.
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Bei der Bauart „normal offen”, bei der bei unbestromter Spule das Fluidschaltventil geöffnet ist, ist der Polkern ist zumindest teilweise innerhalb der Spule angeordnet und weist eine parallel zur Längsachse der Spule ausgerichtete Ausnehmung auf, in die ein Stößel eingeführt ist. Der Stößel besitzt an seiner dem Fluid zugewandten Seite einen Kopf, der als Verschlusselement für einen Ventilsitz dient. Bei nicht bestromter Spule gibt der Kopf des Stößels den Ventilsitz als Folge des Fluiddruckes frei, so dass ein Fluidfluss erfolgen kann. Zusätzlich kann eine Rückstellfeder am Stößel vorgesehen sein, die die Freigabe des Ventilsitzes unterstützt. Das andere Ende des Stößels ist so angeordnet, dass zumindest bei bestromter Spule eine Wechselwirkung mit einem teilweise im Inneren der Spule angeordneten Anker erfolgt. Der aus der Spule herausragende Teil des Ankers ist durch eine zentrierte Ausnehmung der Rückschlussplatte hindurchgeführt.
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Beim Bestromen der Spule wird der Anker durch die entstehende magnetische Kraft weiter in die Spule hineingezogen und drückt gegen den Stößel. Überwindet die magnetische Kraft den Gegendruck des Fluids und die Federkraft der etwaig vorgesehenen Rückstellfeder, so wird der Stößel weiter aus dem Inneren der Spule herausgedrückt, was zur Blockierung des Ventilsitzes durch den Kopf des Stößels führt und den Fluidfluss stoppt.
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Auch der umgekehrte Aufbau („normal geschlossen”) ist möglich. Hierbei ist die Rückschlußlappte der Fluid-Zustromseite zugewandt und der Stößel verschließt den Ventilsitz allein durch Federkraft. Das Öffnen des Ventilsitzes erfolgt durch Wegziehen des Stößels durch den mit ihm verbundenen Anker bei Bestromen der Spule.
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Kritisch bei dieser an sich bekannten Art von Fluidschaltventilen ist die Tatsache, dass hierbei das Fluid mit Druck beaufschlagt ist, so dass die dem Fluid zugewandte. Seite des Fluidschaltventils dem Fluiddruck ausgesetzt ist. Dabei ist unbedingt zu verhindern, dass es zu einem Eintreten des Fluids durch den Polkern bzw. die Rückschlussplatte in den Spulenraum, also den Raum, in dem die Wicklungen der Spule angeordnet sind, und von dort unter Umständen in den Kabelsatz kommt, da dieses einen Ausfall des Fluidschaltventils mit sich brächte.
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Um ein solches Eintreten in den Spulenraum zu verhindern wird nach dem Stand der Technik ein hochpräzises, in der Regel durch Präzisionsdrehen gefertigtes, insbesondere weichmagnetisches Stahlteil als Polkern bzw. Rückschlussplatte verwendet, das aufwändig hergestellt, passgenau eingesetzt und aufwändig abgedichtetet ist. Diese Lösung ist aber sehr teuer und mit hohem Aufwand verbunden.
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Aus der
DE 10 2005 051 177 A1 ist ein druckbeaufschlagtes Fluidschaltventil mit einer Anordnung aus einer auf einen Spulenträger gewickelten Spule, einem zumindest teilweise in die Spule eingeführten Anker, einer Rückschlussplatte und einem Polkern sowie einem Stößel als Dichtelement bekannt.
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Aus der
DE 60 2004 003 143 T2 ist ein Magnetventil bekannt, bei dem Ventilelemente durch Sintern hergestellt werden und die poröse Struktur eine Beschichtung aufweist.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik stellt sich das Problem, ein druckbeaufschlagtes Fluidschaltventil bereitzustellen, das einerseits die hohen Dichtigkeitsanforderungen hinsichtlich der Verhinderung des Eintritts von Fluid in den Spulenraum erfüllt, aber einfacher und damit preisgünstiger herzustellen ist.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß gelöst durch ein druckbeaufschlagtes Fluidschaltventil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass ein Polkern bzw. eine Rückschlussplatte aus an sich leicht porösem und damit fluiddurchlässigem, zwechmäßigerweise weichmagnetischen Sintermaterial durch Oberflächenbehandlung resistent gegen Eindringen von Fluid auch bei hohen Fluiddrücken wird.
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Demzufolge umfasst das erfindungsgemäße druckbeaufschlagte Fluidschaltventil eine Anordnung aus einer auf einen Spulenträger gewickelten Spule, einem zumindest teilweise in die Spule eingeführten und durch eine vorgesehene Rückschlussplatte durchgeführten Anker und einem Polkern mit einer Ausnehmung, durch welche ein Stößel hindurchgeführt ist, wobei der Polkern und/oder die Rückschlussplatte aus einem Sintermaterial besteht und zumindest auf den dem Fluid zugewandten Flächen und/oder zumindest auf direkt an einen Spulenraum angrenzenden Flächen des Polkerns und/oder der Rückschlussplatte beschichtet ist.
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In einer hinsichtlich der Dichtigkeit besonders vorteilhaften Ausführungsform ist der gesamte Polkern aus Sintermaterial und/oder die gesamte Rückschlussplatte aus Sintermaterial beschichtet.
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Die Beschichtung kann vorteilhafterweise durch Tränken der Poren des Sintermaterials mit einem Kleber aufgebracht werden, also aus mit einem Kleber getränktem Sintermaterial bestehen.
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Alternativ kann es hinsichtlich des fertigungstechnischen Aufwands vorteilhaft sein, die Beschichtung durch Heißdampfbeschichten mit überhitztem Dampf aufzubringen. Bei der Heißdampfbeschichtung entsteht auf dem Sintermaterial eine ein oder mehrere μm dicke Schicht aus schwarzem Eisenoxid, die einen Fluiddurchsatz effizient verhindert.
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Es hat sich gezeigt, dass das Sintermaterial des Polkerns und/oder der Rückschlussplatte vorzugsweise zumindest in seinen am besten pressbaren Bereichen aus einem Sintermaterial mit einer Dichte von mehr als 6,8 g/cm3 besteht, da ein solches Material für das Vorsehen einer Beschichtung, die das Durchdringen eines druckbeaufschlagten Fluids effektiv verhindert, besonders gut geeignet ist.
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Weiter ist es vorteilhaft, in der dem Fluid zugewandten Fläche des Polkerns und/oder der Rückschlussplatte zumindest eine Ausnehmung zur Aufnahme eines O-Rings vorzusehen. Durch die zumindest teilweise Beschichtung des Polkerns ist zwar ein direkter Leckpfad für Fluid durch das Sintermaterial des Polkerns und/oder der Rückschlussplatte ausgeschlossen; es besteht aber noch immer die Gefahr, dass Fluid entlang einer Grenzfläche zwischen einem Gehäuse des Fluidschaltventils und dem Polkern und/oder der Rückschlussplatte zum Spulenraum kriechen könnte. Ein solcher Strom wird durch einen in einer entsprechenden Ausnehmung des Polkernes zwischen Gehäuse und Polkern angeordneten O-Ring effektiv blockiert.
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Besonders günstig ist es dabei, die Ausnehmung am Übergang zwischen Frontfläche und Seitenfläche des Polkerns anzuordnen, da bei dieser Anordnung eine einfache Montage des O-Rings mit Zentrierung des O-Rings am Außendurchmesser beim Einlegen ins Gehäuse erfolgen kann.
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Eine weitere Verbesserung der Dichtigkeit des druckbeaufschlagten Fluidschaltventils wird dadurch erzielt, dass innerhalb des Spulenträgers eine fluiddichte Hülse vorgesehen ist, die zumindest den Anker und einen in die Spule eingeführten Teil des Polkerns radial umgibt. Durch diese fluiddichte, z. B. aus Metall bestehende Hülse wird sichergestellt, dass etwaig durch hohen Druck in die Ausnehmung des Polkerns, in der der Stößel aufgenommen ist, und/oder die Rüchschlussplatte eingepresstes Fluid nicht radial in den Spulenraum eindringen kann.
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Vorteilhafterweise weist insbesondere sowohl die fluiddichte Hülse als auch der Polkern und/oder die Rückschlussplatte eine Stufe auf, wobei diese Stufen so zueinander angeordnet sind, dass ein Zwischenraum zur Lagerung eines O-Rings zwischen fluiddichter Hülse und Polkern entsteht. Ein an dieser Stelle eingebrachter O-Ring verhindert, dass etwaig eingedrungenes Fluid entlang der Innenseite der fluiddichten Hülse zu ihrem in der Ausnehmung des Polkerns gelagerten Rand und von dort in den Spulenraum eindringen kann.
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Gegenstand einer bevorzugten Ausführungsform ist dabei eine Anordnung, in der die fluiddichte Hülse, insbesondere ihr unterer Rand, in einer Ausnehmung des Polkerns gelagert ist, was eine Fluiddiffusion in den Spulenraum noch weiter erschwert.
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Die Ausnehmung des Polkerns, welche die fluiddichte Hülse aufnimmt und lagert, weist in einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung auf ihrer Innenseite, an der die fluiddichte Hülse anliegt, eine zum Boden der Ausnehmung hin nach außen angeschrägte oder ausgebeulte Wandung auf. Durch diese Ausgestaltung wird die fluiddichte Hülse unter eine mechanischen Spannung gesetzt, die die unerwünschte Ausbreitung von Fluid entlang der fluiddichten Hülse noch schwieriger macht.
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In einer für das Zusammenspiel zwischen Anker und Polkern besonders geeigneten Ausgestaltung des Polkerns sind an seinen dem Anker zugewandten Seiten Kontaktflächen vorgesehen, die an die Ausformung der dem Polkern zugewandten Seite des Ankers angepasst sind.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Kontaktflächen schräg zu einer Längsachse des Fluidschaltventils verlaufen, da durch die entstehende konusförmige Ausnehmung die Magnetkennlinie gesteuert werden kann.
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Um die Werkzeugkosten bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Polkerns gering zu halten, hat es sich als hilfreich herausgestellt, Sinterfasen im radial gesehen äußeren Bereich der Kontaktflächen vorzusehen, da die sonst notwendige Bereitstellung von Werkzeugen mit sehr scharfen Kanten, die im Formgebungsprozess leicht angenutzt würden, dadurch vermieden wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Ausnehmung für die Aufnahme des Stößels in den Polkern mit einer umlaufenden Stufe versehen, die als Widerlager für eine den Stößel im unbestromten Zustand des Fluidschaltventils rückstellende Feder dient. Damit wird unabhängig vom aktuellen Fluiddruck auf den Stößel eine Rückkehr des Stößels in die Grundposition, in der der Fluiddurchfluss ungehindert ablaufen kann, sichergestellt.
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Die Erfindung wird anhand des in den folgenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels ausführlich erläutert.
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Es zeigt:
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1: eine Schnittzeichnung eines erfindungsgemäßen druckbeaufschlagten Fluidschaltventils „normal offen”
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2: eine Ausschnittsvergrößerung des Polkerns aus 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung
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3: eine Schnittzeichnung eines erfindungsgemäßen druckbeaufschlagten Fluidschaltventils „normal geschlossen”
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Soweit nichts anderes angegeben ist, bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Bauteile.
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1 zeigt eine Ausführungsform eines Fluidschaltventils „normal offen” 100 gemäß der Erfindung als Schnittzeichnung. Im Material 20 ist eine Vertiefung 21 eingearbeitet, mit welcher eine mit einem Ventilsitz 18 abgeschlossene Fluidzufuhr P, und ein Fluidablauf A in Verbindung stehen. Aufgabe des Fluidschaltventiles ist es, zu regeln, ob unter Druck in der Fluidzufuhr P herangeführtes Fluid weiter in den Fluidablauf A gelangt oder nicht.
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In die Vertiefung 21 ist ein Gehäuse 1 eingesetzt, wobei zwischen dem Boden der Vertiefung 22 und dem ihm zugewandten Bereich des Gehäuses 1 ein Abstand verbleibt. Zum Erzielen einer fluiddichten Verbindung zwischen den Seitenwänden 23 der Vertiefung 21 und dem Gehäuse 1 ist in einer Ausnehmung der Seitenwand der Vertiefung 21 ein O-Ring 16 angeordnet und mit einem Ring 17 gesichert. Das aus der Fluidzufuhr P gegebenenfalls ausströmende Fluid kann somit nur durch den Fluidablauf A abfließen.
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Innerhalb eines Gehäuses 1 ist eine auf einen hohlen Spulenkörper 3 gewickelte Spule 2 angeordnet, welche über einen Mag-Mate Kontakt 5 bestromt werden kann. Die Stromzufuhr zum Mag-Mate Kontakt 5 erfolgt dabei mittels zweier Pins 6, die durch ein Steckergehäuse 8, das das Gehäuse 1 in der vom Fluid abgewandten Richtung abschließt, geführt ist. Durch das Vorsehen eines O-Rings 4 in einer Ausnehmung des Steckergehäuses 8 ist in diesem Ausführungsbeispiel sichergestellt, dass die Verbindung zwischen Gehäuse 1 und Steckergehäuse 8 jedenfalls fluiddicht ist.
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Zur Führung des bei Bestromung der Spule 2 entstehenden magnetischen Felds sind auf der dem Fluid abgewandten Seite der Spule 2 eine Rückschlussplatte 10 und auf der dem Fluid zugewandten Seite der Spule 2 ein Polkern 13 vorgesehen. Der Polkern 13 ist zumindest teilweise innerhalb der Spule 2 angeordnet und weist eine parallel zur Längsachse L der Spule 2 ausgerichtete Ausnehmung auf, in die ein Stößel 15 eingeführt ist. Der Stößel 15 besitzt an seiner dem Fluid zugewandten Seite einen Kopf, der als Verschlusselement für den Ventilsitz 18 dient. Bei nicht bestromter Spule 2 gibt der Kopf des Stößels 15 den Ventilsitz 18 als Folge des Fluiddruckes frei, so dass ein Fluidfluss erfolgen kann. Zusätzlich ist im Ausführungsbeispiel der 1 eine nicht zwingend erforderliche Feder 11 am Stößel 15 vorgesehen, die die Freigabe des Ventilsitzes und die Rückführung des Stößels 15 nach dem Ausschalten der Bestromung unterstützt und in der gezeigten Ausführungsform als Druckfeder ausgelegt ist.
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Das andere Ende des Stößels 15 ist in einer konusförmigen Vertiefung des dem Fluid abgewandten Endes des Polkerns 13 so angeordnet, dass zumindest bei bestromter Spule 2 eine Wechselwirkung mit einem teilweise im Inneren der Spule angeordneten Anker 9 erfolgt. Der aus der Spule herausragende Teil des Ankers ist durch eine zentrierte Ausnehmung der Rückschlussplatte 10 hindurchgeführt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Ruheposition des Ankers 9 bei nicht bestromter Spule 2 durch die durch die Federkraft der Feder 11 und den Fluiddruck definierte Position des Stößels 15 in diesem Zustand einerseits und den Kontakt mit zwei Vorsprüngen am Steckergehäuse 8 über einen Deckel einer fluiddichten Hülse 7, deren Funktion weiter unten detailliert dargestellt wird, andererseits definiert.
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Beim Bestromen der Spule wird der Anker 9 durch die entstehende magnetische Kraft weiter in die Spule hineingezogen und drückt gegen den Stößel 15. Überwindet die magnetische Kraft den Gegendruck des Fluids und die Federkraft der Feder 11, so wird der Stößel 15 weiter aus dem Inneren der Spule 2 herausgedrückt, was zur Blockierung des Ventilsitzes 18 durch den Kopf des Stößels 15 führt und den Fluidfluss stoppt.
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Wesentlich für die Erfindung ist die genaue Ausgestaltung des Polkerns 13, zu deren Erläuterung auch die 2, die den Polkern 13 im Detail zeigt, herangezogen wird. Um die Verwendung eines teuren Präzisionsdrehteils aus insbesondere weichmagnetischem Stahl zu vermeiden besteht der Polkern 13 aus einem vorzugsweise weichmagnetischen Sintermaterial.
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Ohne weitere Vorkehrungen könnte bei der Verwendung eines solchen naturgemäß leicht porösen Sintermaterial bei einem druckbeaufschlagten, d. h. unter Druck stehend zugeführten Fluid aber ein signifikanter Leckstrom zwischen der dem Fluid zugewandten Fläche des Polkerns 13 und dem teilweise an den Polkern angrenzenden Spulenraum auftreten, der zumindest mittelfristig zu einer Beschädigung des Fluidschaltventils 100 führen würde.
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Um diesen Leckstrom zu blockieren, wird das verwendete Sintermaterial, vorzugsweise eines, das an den am besten pressbaren Stellen eine Dichte von über 6,8 g/cm3 aufweist, durch Aufbringen einer Beschichtung 212 auch für druckbeaufschlagtes Fluid unpassierbar gemacht. Im in 2 gezeigten Beispiel ist die Beschichtung an der gesamten Oberfläche angeordnet, sie kann aber beispielsweise auch an den gemäß der gezeigten Ausführungsform der Erfindung unmittelbaren Grenzflächen zwischen Polkern 13 und Spulenraum erfolgen oder im gesamten Querschnitt des Polkerns 13 vorhanden sein. Dies ist zum Beispiel durch Vakuumtränken des Polkerns erreichbar.
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Ferner ist in der 2 eine ringförmige Ausnehmung 202 zu erkennen, die am Übergang zwischen Frontfläche 201 und Seitenfläche 203 des Polkerns 13 angeordnet ist. Wie in Verbindung mit 1 deutlich wird, dient diese Ausnehmung der Aufnahme eines weiteren O-Rings 14, der dazu vorgesehen ist, einen weiteren prinzipiell Leckpfad für druckbeaufschlagtes Fluid zu blockieren, der anhand der 1 leicht nachvollziehbar ist. Dieser Leckpfad führt entlang der Grenzfläche zwischen Gehäuse 1 und Polkern 13 und wird offenbar effektiv von dem O-Ring 14 blockiert.
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Die umlaufende Ausnehmung 207 dient zur Aufnahme des mit einer Einführschräge für den O-Ring (12) versehenen offenen Endes einer fluiddichten Hülse (7). Dadurch schränkt der erforderliche axiale Bauraum der Einführschräge nicht den für die Wicklung nutzbaren Raum ein.
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Zugleich kann in dieser Ausnehmung 207 der untere Rand der fluiddichten Hülse 7 gelagert werden.
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Die fluiddichte Hülse 7 umgibt insbesondere den Anker und einen in die Spule eingeführten Teil des Polkerns radial. Ihre Funktion der fluiddichten Hülse liegt in einer zusätzlichen Sicherung gegen ein Eindringen von Fluid in den Spulenraum, falls solches als Konsequenz der Druckbeaufschlagung durch die Ausnehmung 211 im Polkern 13 in den Innenraum der Spule eindringen sollte, da sie ein radiales Eindringen des Fluids in den Spulenraum unmöglich macht. Allenfalls wäre denkbar, dass das Fluid entlang der fluiddichten Hülse bis zur Lagerung der fluiddichten Hülse in der Vertiefung 207 im Polkern vordringt und von dort in den Spulenraum diffundiert. Um dies zu erschweren ist die innere Wandung 208 der Vertiefung zu ihrem Boden hin leicht geneigt, wodurch eine Spannung der fluiddichten Hülse 7 bewirkt wird, die das Vordringen des Fluids erschwert.
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Oberhalb der Vertiefung 207 ist eine Stufe 209 im Polkern 13 vorgesehen, welche, wie am besten in 1 zu erkennen ist, gemeinsam mit einer Stufe 19 fluiddichten Hülse 7 einen Hohlraum zur Aufnahme eines O-Rings 12 bildet, der eine Propagation von Fluid effektiv unterbindet.
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Anhand der 2 erkennt man gut, dass die Ausnehmung 211 zur Aufnahme des Stößels 15 eine umlaufenden Stufe 210 aufweist, die als Widerlager für die der 1 zu entnehmende, als Druckfeder ausgeführte Feder 11 dient. Außerdem ist in dieser vergrößerten Darstellung des Polkerns 13 gut zu erkennen, dass die schräg verlaufenden, an die entsprechende Gegenform des Ankers angepassten Kontaktflächen 205 Sinterfasen 206 aufweisen.
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3 zeigt eine alternative Ausführung eines Fluidschaltventils „normal geschlossen” 100 gemäß der Erfindung als Schnittzeichnung. Die Funktionsweise entspricht prinzipiell der des in 1 dargestellten Ventils, jedoch mit unbestromt verschlossenem Ventilsitz 18. Hier ist auch die gesinterte Rückschlussplatte 10 dem Fluiddruck und muss wie der Polkern 13 über O-Ringe 12, 14 gegen direkte Leckage entlang der Grenzflächen zu Gehäuse 1 und Hülse 7 sowie durch Beschichtung gegen Diffusionsleckage abgedichtet werden. Durch die Ausführung der Rückschlussplatte 10 als Sinterteil kann auf ein teures Drehteil verzichtet werden und es bestehen mehr formgeberische Freiheiten als bei einem Stanzteil.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuse
- 2
- Spule
- 3
- Spulenträger
- 4
- O-Ring
- 5
- Mag-Mate
- 6
- Pin
- 7
- Hülse
- 8
- Steckergehäuse
- 9
- Anker
- 10
- Rückschlussplatte
- 11
- Feder
- 12
- O-Ring
- 13
- Polkern
- 14
- O-Ring
- 15
- Stößel
- 16
- O-Ring
- 17
- Ring
- 18
- Ventilsitz
- 19
- Stufe
- 20
- Material
- 21
- Vertiefung
- 22
- Boden
- 23
- Seitenwand
- 200
- Polkern
- 201
- Frontfläche
- 202
- Ausnehmung
- 203
- Seitenfläche
- 205
- Kontaktfläche
- 206
- Sinterfase
- 207
- Ausnehmung
- 208
- Wandung
- 209
- Stufe
- 210
- Stufe
- 211
- Ausnehmung
- 212
- Beschichtung
- A
- Fluidablauf
- L
- Längsachse
- P
- Fluidzulauf