DE102010015341A1

DE102010015341A1 - Mehrwegeventil

Info

Publication number: DE102010015341A1
Application number: DE201010015341
Authority: DE
Inventors: Jürgen Schnatterer
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2010-04-17
Filing date: 2010-04-17
Publication date: 2011-10-20
Anticipated expiration: 2030-04-18
Also published as: DE102010015341B4

Abstract

Es wird ein Mehrwegeventil (1) vorgeschlagen, dessen Ventilglied zwei Betätigungsflächen (23a, 23b) aufweist, die jeweils eine Betätigungskammer (35) begrenzen, die zum Umschalten des Ventilschiebers (13) in eine Extremstellung mit einem Betätigungsfluid beaufschlagbar ist. Jede Betätigungskammer (35) ist durch ein Schubglied (28a, 28b) fluiddicht von einer Schubkammer (36) abgetrennt, die mit einem als Schubmittel fungierenden fluidischen Druckmedium gesteuert beaufschlagbar ist. Durch Beaufschlagung beider Schubkammern (36) kann der Ventilschieber (13) in einer Mittelstellung zentriert werden. Zum Umschalten in eine Extremstellung wird die dem Ventilschieber (13) in der Umschaltrichtung vorgelagerte Schubkammer (36) druckentlastet, um eine kurze Umschaltgeschwindigkeit zu erhalten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Mehrwegeventil, mit einem in einem Ventilgehäuse angeordneten Ventilschieber, der relativ zum Ventilgehäuse zwischen einer durch eine Zentriereinrichtung zentrierten Mittelstellung und zwei diesseits und jenseits der Mittelstellung liegenden Extremstellung axial umschaltbar ist, wobei der Ventilschieber im Bereich seiner beiden Stirnseiten jeweils eine zum Umschalten des Ventilschiebers in eine Extremstellung mit einem Betätigungsfluid beaufschlagbare Betätigungsfläche aufweist und die Zentriereinrichtung im Bereich jeder Stirnseite des Ventilschiebers ein der dortigen Betätigungsfläche vorgelagertes, axial bewegliches Schubglied aufweist, das auf den Ventilschieber eine Schubkraft ausüben kann, wobei auf der der Betätigungsfläche axial entgegengesetzten Seite jedes Schubgliedes eine Schubkammer angeordnet ist, in der ein Schubmittel zur Erzeugung der Schubkraft auf das Schubglied einwirken kann, so dass das Schubglied in der zum Ventilschieber weisenden axialen Richtung in eine durch gehäusefeste Anschlagmittel definierte Mittelstellungs-Vorgabestellung verlagerbar ist.
Ein derartiges Mehrwegeventil ist unter der Bezeichnung „Magnetventile MEBH, ISO 5599-1" in dem Produktkatalog „Ventile", Band 2, Ausgabe 10/2003, 37. Auflage, Seiten 2/1.2–43 und 2/1.2–44 der Festo AG & Co. KG illustriert. Dieses bekannte Mehrwegeventil verfügt über einen Ventilschieber mit zwei stirnseitigen Betätigungskolben, denen jeweils ein tassenförmiges, relativ zum Ventilgehäuse bewegliches Schubglied gegenüberliegt. Das Schubglied begrenzt eine Schubkammer, in der sich eine mechanische Rückstellfeder befindet, die das Schubglied ständig in Richtung zum Ventilschieber beaufschlagt. Jede Betätigungsfläche begrenzt eine Betätigungskammer, die auch die Schubkammer beinhaltet und die mit einem Betätigungsfluid beaufschlagbar ist, um den Ventilschieber in eine Extremstellung umzuschalten. Bei diesem Umschalten wird das in der Umschaltrichtung vorgelagerte Schubglied unter Überwindung der zugeordneten Federkraft zurückgedrängt. Wird das Betätigungsfluid abgeschaltet, erfolgt durch die Schubkraft des unter Federvorspannung stehenden Schubgliedes ein Zurückschieben des Ventilschiebers in die Mittelstellung.
Das bekannte Mehrwegeventil ermöglicht ein zuverlässiges Positionieren des Ventilschiebers in insgesamt drei Schaltstellungen. Da zum Umschalten in eine Extremstellung eine Federkraft zu überwinden ist, ist jedoch ein nicht unterschreitbarer Mindestdruck für das Betätigungsfluid unabdingbar, um die Schaltfunktionen zu gewährleisten. Die zu überwindenden Federkräfte beeinträchtigen zudem die Schaltzeiten. Schließlich hat das Mehrwegeventil die systembedingte Eigenart, bei einem vollständigen Druckausfall automatisch in die Mittelstellung zurückzuschalten, was bei neuerlicher Inbetriebnahme von Nachteil sein kann.
Auch die US 2,916,879 beschreibt ein Mehrwegeventil, das mehrere Schaltstellungen eines Ventilschiebers ermöglicht, wobei durch Federmittel eine zentrierte Mittelstellung vorgebbar ist.
Aus der EP 1 048 854 A2 ist ein Mehrwegeventil bekannt, das zwischen zwei Schaltstellungen umschaltbar ist. Das Umschalten erfolgt durch fluidische Beaufschlagung zweier stirnseitig am Ventilschieber angeordneter Betätigungskolben. Einem dieser Betätigungskolben ist zur Kraftverstärkung ein zweiter Betätigungskolben vorgelagert, der den gleichen Hub ausführen kann.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein mittenzentriertes Mehrwegeventil zu schaffen, das sich mit geringem Betätigungsdruck betreiben lässt und kurze Schaltzeiten zulässt.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, dass die Schubkammer durch das Schubglied fluiddicht von einer zwischen dem Schubglied und der Betätigungsfläche angeordneten Betätigungskammer abgetrennt ist, die zum Umschalten des Ventilschiebers in eine Extremstellung getrennt von der Schubkammer mit dem Betätigungsfluid beaufschlagbar ist, wobei das Schubmittel von einem fluidischen Druckmedium gebildet und durch Steuerventilmittel zu- und abschaltbar ist, derart, dass zum Umschalten des Ventilschiebers in eine Extremstellung die dem Ventilschieber in der Umschaltrichtung vorgelagerte Schubkammer druckentlastbar ist.
Auf diese Weise ist eine Mittenzentrierung ohne Einsatz mechanischer Federmittel möglich. Die zentrierte Mittelstellung stellt sich ein, wenn beide Schubkammern mit einem im Folgenden auch als fluidisches Schubmittel bezeichneten fluidischen Druckmedium beaufschlagt sind. In diesem Fall sind beide Schubglieder in eine zum Ventilschieber orientierte Richtung verlagert und nehmen eine Mittelstellungs-Vorgabestellung ein, in der sie gehäuseseitig abgestützt sind. Zum Umschalten in eine Extremstellung wird eine der Betätigungskammern mit dem Betätigungsfluid beaufschlagt, wobei der umschaltende Ventilschieber das auf der gegenüberliegenden Seite angeordnete Schubglied vor sich herschiebt. Da das diesem Schubglied zugeordnete Schubmittel durch die vorhandenen Steuerventilmittel abschaltbar ist, kann die betreffende Schubkammer drucklos geschaltet werden, so dass keine relevante Gegenkraft zu überwinden ist, was auch bei geringen Betätigungsdrücken kurze Umschaltzeiten gewährleistet. Sollte in einer beliebigen Schaltstellung aufgrund einer Störung ein Druckausfall auftreten, verharrt der Ventilschieber in der momentanen Schaltstellung, so dass angeschlossene Verbraucher keine unvorhergesehenen Aktionen ausführen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Die Steuerventilmittel des Mehrwegeventils sind zweckmäßigerweise mit dem Ventilgehäuse zu einer Baugruppe zusammengefasst. Beispielsweise sind sie außen an das Ventilgehäuse angebaut.
Es besteht die Möglichkeit, die Steuerventilmittel so auszubilden, dass eine voneinander unabhängige, individuelle Ansteuerung der vorhandenen Betätigungskammern und Schubkammern möglich ist. Dies ermöglicht bei Bedarf eine optimale Ansteuerung in sicherheitstechnischer Hinsicht. Beispielsweise wäre eine Sicherheitsverknüpfung dahingehend denkbar, dass eine Fluidbeaufschlagung einer Betätigungskammer nur möglich ist, wenn zuvor eine Druckentlastung der gegenüberliegenden Schubkammer iniziiert worden ist.
Eine steuerungstechnisch besonders einfach zu realisierende Variante sieht eine dahingehende Ausgestaltung der Steuerventilmittel vor, dass die Fluidbeaufschlagung einer auf der einen Seite des Ventilschiebers angeordneten Betätigungskammer mit einer gleichzeitigen Druckentlastung der auf der anderen Seite des Ventilschiebers angeordneten Schubkammer einhergeht. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Hervorrufen der Fluidbeaufschlagung einer Betätigungskammer zwangsweise eine Druckentlastung der auf der anderen Seite des Ventilschiebers angeordneten Schubkammer nach sich zieht. Derartiges lässt sich besonders komfortabel mittels eines fluidischen Steuerkreises realisieren.
Zweckmäßigerweise ist vorgesehen, dass die Steuerventilmittel zum Erhalt der Mittelstellung des Ventilschiebers beide Schubkammern mit dem fluidischen Schubmittel beaufschlagen, während gleichzeitig die beiden Betätigungskammern druckentlastet sind. Diese Druckentlastung der Betätigungskammern hat den Vorteil, dass das fluidische Schubmittel keine fluidische Gegenkraft überwinden muss und somit der zum Erhalt der Schubkraft erforderliche fluidische Schubdruck relativ gering ausfallen kann.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Steuerventilmittel sieht für jede Betätigungskammer ein eigenes Betätigungsventil und für jede Schubkammer ein eigenes Schubsteuerventil vor. Auf diese Weise besteht unter anderem die Möglichkeit, dass von einem mit der Betätigungskammer verbundenen Betätigungskanal jedes Betätigungsventils ein fluidisches Schaltsignal abgegriffen wird, das einem Schubsteuerventil zu dessen Betätigung zugeleitet wird, das die Fluidbeaufschlagung der auf der entgegengesetzten Seite des Ventilschiebers angeordneten Schubkammer steuert.
Zumindest bei den Betätigungsventilen handelt es sich zweckmäßigerweise um elektrisch betätigte Ventile, vorzugsweise um Magnetventile.
Die Schubsteuerventile sind zweckmäßigerweise in eine Grundstellung vorgespannt, in der sie der von ihnen steuerbaren Schubkammer das fluidische Steuermittel zugeschaltet haben. Zum Abschalten eines Schubmittels ist hier das zugeordnete Schubsteuerventil folglich zu aktivieren. Soll der Ventilschieber aus einer Extremstellung in die Mittelstellung zurückgeschaltet werden, genügt somit das Abschalten des zuvor auferlegten Betätigungsdruckes sowie das Zurückschalten der Schubsteuerventile in die Grundstellung. Der Ventilschieber wird dann durch das zuvor ausgelenkte Schubsteuerglied in die Mittelstellung zurückgeschoben.
Vorzugsweise ist das Schubglied als axial verschiebbar im Ventilgehäuse angeordneter Kolben ausgebildet. Er bildet zweckmäßigerweise eine unmittelbare, fluddichte Trennwand zwischen der Betätigungskammer und der Schubkammer. Zur fluiddichten gegenseitigen Abtrennung von Betätigungskammer und Schubkammer verfügt der Kolben zweckmäßigerweise über eine ringförmige Dichtung, mit der er an einer gehäusefesten Gleitfläche dichtend anliegt.
Die Betätigungsflächen sind zweckmäßigerweise jeweils an einem Betätigungskolben des Ventilschiebers angeordnet. Zwischen den beiden Betätigungskolben erstreckt sich ein Steuerabschnitt des Ventilschiebers, der durch Zusammenwirken mit gehäusefesten Dichtflächen dafür sorgt, dass im Mehrwegeventil verlaufende Ventilkanäle in einem vorbestimmten Muster voneinander getrennt bzw. miteinander verbunden werden.
Vorzugsweise wird als Betätigungsfluid und als fluidisches Schubmittel ein den gleichen Druck aufweisendes fluidisches Druckmedium verwendet. Dieses fluidische Druckmedium kann beispielsweise im Innern des Mehrwegeventils von einem Speisekanal abgezweigt werden, in den das vom Mehrwegeventil an einen angeschlossenen Verbraucher zu verteilende Fluid eingespeist wird.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur (1) zeigt einen Längsschnitt durch eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mehrwegeventils, wobei der Ventilschieber unterhalb der Mittellinie in seiner zentrierten Mittelstellung und oberhalb der Mittellinie in einer nach links ausgelenkten Extremstellung gezeigt ist.
Das Mehrwegeventil 1 dient zur Steuerung von Fluidströmen und wird insbesondere zur Steuerung und Verteilung von Druckluft eingesetzt. Es eignet sich allerdings auch für den Betrieb mit anderen gasförmigen und auch mit flüssigen Medien.
Das Mehrwegeventil 1 unterteilt sich funktionell in ein Hauptventil 2 und in zur Betätigung des Hauptventils 2 dienende Steuerventilmittel 3. Zweckmäßigerweise sind das Hauptventil 2 und die Steuerventilmittel 3 zu einer Baueinheit zusammengefasst.
Exemplarisch enthält das Mehrwegeventil 1 ein Ventilgehäuse 4, bei dem es sich zugleich um das Ventilgehäuse des Hauptventils 2 handelt. Die Steuerventilmittel 3 sind zweckmäßigerweise außen an das Ventilgehäuse 4 unter Bildung einer Baugruppe angebaut. Das Ventilgehäuse 4 verfügt zu diesem Zweck über eine oder mehrere Anbauflächen 5.
Aus Gründen einer einfachen Handhabbarkeit bei Herstellung und Montage sind die Steuerventilmittel 3 bevorzugt zu zwei Steuerventileinheiten 3a, 3b zusammengefasst. Jede dieser beiden Steuerventileinheiten 3a, 3b kann unabhängig von der anderen am Hauptventil 2 montiert sein.
Das Mehrwegeventil 1 weist an der Außenseite des Ventilgehäuses 4 – insbesondere an der der mindestens einen Anbaufläche 5 entgegengesetzten Unterseite – eine Anschlussfläche 6 auf, zu der mehrere im Ventilgehäuse 2 verlaufende Ventilkanäle 7 ausmünden. Mit der Anschlussfläche 6 voraus kann das Mehrwegeventil 1 an einen nur strichpunktiert angedeuteten Anschlusskörper 8 angebaut werden, der von nicht weiter abgebildeten Anschlusskörperkanälen durchzogen ist, die im an dem Anschlusskörper 8 montierten Zustand des Mehrwegeventils 1 mit den Ventilkanälen 7 kommunizieren. Auf diese Weise kann ein zur Steuerung eines Verbrauchers, beispielsweise eines fluidbetätigten Antriebes, genutztes fluidisches Druckmedium durch den Anschlusskörper 8 hindurch in das Mehrwegeventil 1 eingespeist und aus diesem wieder abgeführt werden.
Die Ventilkanäle 7 kommunizieren mit einer im Innern des Ventilgehäuses 2 ausgebildeten länglichen Ventilkammer 12, die einen ebenfalls länglichen Ventilschieber 13 in koaxialer Anordnung aufnimmt. Unter Ausführung einer durch einen Doppelpfeil angedeuteten Umschaltbewegung 14 ist der Ventilschieber 13 in Richtung seiner Längsachse 15, die gleichzeitig die Längsachse der Ventilkammer 12 darstellt, linear verschiebbar.
Der Ventilschieber 13 kann im Rahmen der Umschaltbewegung 14 zwischen einer in 1 unterhalb der Längsachse 15 gezeigten Mittelstellung und je einer ausgehend von der Mittelstellung in die eine oder in die andere Richtung verschobenen ersten bzw. zweiten Extremstellung umgeschaltet werden. Die 1 zeigt oberhalb der Längsachse 15 die nach links ausgelenkte erste Extremstellung.
Durch mit Abstand axial aufeinanderfolgend angeordnete ringförmige Dichtungsmittel 16, die ortsfest bezüglich des Ventilgehäuses 4 angeordnet sind, ist die Ventilkammer 12 axial in mehrere Kammerabschnitte 17 unterteilt, die jeweils mit einem der umfangsseitig in die Ventilkammer 12 einmündenden Ventilkanäle 7 in Verbindung stehen. Der Ventilschieber 13 hat eine in axialer Richtung abgestufte Außenkontur, so dass er je nach Schaltstellung mit unterschiedlichen der Dichtungsmittel 16 in Dichtkontakt steht und die verschiedenen Kammerabschnitte 17 schaltstellungabhängig in unterschiedlichem Muster miteinander verbunden und voneinander abgetrennt werden.
Das Mehrwegeventil 1 des Ausführungsbeispiels ist ein 5/3-Wegeventil. Es enthält insgesamt fünf mit je einem Ventilkanal 7 kommunizierende Kammerabschnitte 17. Der mittlere Kammerabschnitt 17 ist ein Speiseabschnitt 17a und kommuniziert mit einem als Speisekanal 7a ausgebildeten Ventilkanal 7, der im Betrieb mit einer nicht weiter abgebildeten Druckfluidquelle verbunden ist. Die beiden axial ganz außenliegenden Kammerabschnitte 17 sind Entlastungsabschnitte 17b, 17c und kommunizieren mit je einem als Entlastungskanal 7b, 7c ausgebildeten Ventilkanal, der je nach Art des Fluides mit der Atmosphäre oder einem Tank verbunden ist. Zwischen dem Speiseabschnitt 17a und jedem Entlastungsabschnitt 17b bzw. 17c liegt jeweils ein weiterer Kammerabschnitt 17, der als Arbeitsabschnitt 17d bzw. 17e bezeichnet wird und jeweils mit einem als Arbeitskanal 7d, 7e fungierenden Ventilkanal 7 verbunden ist, an den ein zu betätigender Verbraucher angeschlossen werden kann.
Die Mittelstellung des Ventilschiebers 13 ist durch eine Zentriereinrichtung 18 hervorrufbar. Ausgehend von der Mittelstellung kann der Ventilschieber 13 durch Beaufschlagung mittels eines Betätigungsfluides in wahlweise die erste oder zweite Extremstellung umgeschaltet werden. Das Zurückschalten aus einer Extremstellung in die Mittelstellung wird zweckmäßigerweise wiederum durch die Zentriereinrichtung 18 bewirkt.
Zur Beaufschlagung mit dem für das Umschalten verantwortlichen Betätigungsfluid weist der Ventilschieber 13 im Bereich seiner beiden Stirnseiten – im Folgenden als erste bzw. zweite Stirnseite 22a, 22b bezeichnet – jeweils eine durch das Betätigungsfluid beaufschlagbare erste bzw. zweite Betätigungsfläche 23a, 23b auf. Diesen beiden Betätigungsflächen 23a, 23b sind axial orientiert und weisen voneinander weg.
Jede Betätigungsfläche 23a, 23b ist zweckmäßigerweise Bestandteil eines an der betreffenden Stirnseite 22a, 22b angeordneten Betätigungskolbens 24a, 24b des Ventilschiebers 13, wobei sich zwischen den beiden Betätigungskolben 24a, 24b ein die oben erwähnte, mehrfach axial abgestufte Kontur aufweisender Steuerabschnitt 25 erstreckt. Während beim Ausführungsbeispiel die beiden Betätigungskolben 24a, 24b separat von dem Steuerabschnitt 25 ausgebildet sind und daran stirnseitig nur lose anliegen, können sie auch ohne weiteres fest und insbesondere einstückig mit dem Steuerabschnitt 25 verbunden sein.
Jeder Betätigungskolben 24a, 24b liegt mit seinem Außenumfang gleitverschiedlich und dichtend an der peripheren Umfangswand 26 der Ventilkammer 12 an.
Die Ventilkammer 12 ist an beiden Stirnseiten durch jeweils eine Abschlusswand 27a, 27b abgeschlossen. Diese ist insbesondere Bestandteil eines stirnseitigen Gehäusedeckels des Ventilgehäuses 4.
Axial zwischen jedem Betätigungskolben 24a, 24b und der zugeordneten Abschlusswand 27a, 27b ist in der Ventilkammer 12 ein erstes bzw. zweites Schubglied 28a, 28b angeordnet, das axial, also in Achsrichtung der Längsachse 15, verschieblich ist. Die Schubglieder 28a, 28b sind nach Art von fluidbeschlagbaren Kolben ausgebildet und enthalten einen fluiddicht ausgebildeten Kolbenkörper 32, der im Bereich seines Außenumfanges eine umlaufende Dichtung 33 trägt, mit der er dynamisch dichtend an einer gehäusefesten Gleitfläche 34 anliegt, die beim Ausführungsbeispiel von der Umfangswand 26 der Ventilkammer 12 gebildet ist.
Anstelle der Betätigungskolben 24a, 24b könnten auch am Außenumfang statisch abgedichtet am Ventilgehäuse 4 fixierte Membranelemente vorgesehen sein. Entsprechendes gilt für die Schubglieder 28a, 28b.
Jedes Schubglied 28a, 28b unterteilt den zugeordneten Endabschnitt der Ventilkammer 12 fluiddicht in zwei sich axial unmittelbar aneinander anschließende Teilkammern, die im Folgenden als Betätigungskammer 35 und als Schubkammer 36 bezeichnet werden. Die Betätigungskammer 35 liegt axial zwischen dem Betätigungskolben 24a, 24b und dem Schubglied 28a, 28b. Die Schubkammer 36 liegt zwischen dem Schubglied 28a, 28b und der Abschlusswand 27a, 27b.
Mit anderen Worten bildet also ein jeweiliges Schubglied 28a, 28b, eine die Betätigungskammer 35 von der Schubkammer 36 unmittelbar fluiddicht abtrennende Trennwand, die relativ zum Ventilgehäuse 4 in der axialen Richtung des Ventilschiebers 13 beweglich ist. Da keine feste Verbindung zwischen dem Schubglied 28a, 28b und dem sich anschließenden Betätigungskolben 24a, 24b vorliegt, können diese beiden Komponenten unabhängig voneinander axial bewegt werden.
Der Kolbenkörper 32 ist zweckmäßigerweise tassenförmig geformt, so dass er eine Ausnehmung definiert, die der jeweils zugeordneten Abschlusswand 27a, 27b zugewandt ist. Jeder Kolbenkörper 32 hat eine beim Ausführungsbeispiel von dem Tassenboden gebildete Stützwand 37, die dem benachbarten Betätigungskolben 24a, 24b zugewandt ist.
Der axiale Hub jedes Schubgliedes 28a, 28b ist begrenzt. Jedes Schubglied 28a, 28b kann lediglich zwischen einer äußeren und einer inneren Endstellung verlagert werden. In der äußeren Endstellung liegt das Schubglied an der zugeordneten Abschlusswand 27a, 27b an. In der inneren Endstellung ist es von dieser Abschlusswand 27a, 27b axial abgehoben und in Richtung zum Ventilschieber 13 verlagert, wobei es an einem gehäusefesten Anschlagmittel 38 anliegt, das die Weiterbewegung verhindert. Das gehäusefeste Anschlagmittel 38 ist beim Ausführungsbeispiel von einer ringförmigen Abstufung der Umfangswand 26 gebildet.
Wenn beide Schubglieder 28a, 28b die innere Endstellung einnehmen, befindet sich der Ventilschieber 13 in der Mittelstellung. Die innere Endstellung jedes Schubgliedes 28a, 28b wird daher im Folgenden auch als Mittelstellungs-Vorgabestellung bezeichnet.
Die axiale Länge des Ventilschiebers 13 ist so gewählt, dass selbiger spielfrei oder mit nur geringem axialem Spiel zwischen den beiden Schubgliedern 28a, 28b gefangen ist, wenn beide Schubglieder 28a, 28b zur gleichen Zeit die Mittelstellungs-Vorgabestellung einnehmen.
Ersichtlich kann somit die Mittelstellung des Ventilschiebers 13 dadurch eingestellt werden, dass beide Schubglieder 28a, 28b in der Mittelstellungs-Vorgabestellung positioniert werden.
Jede Betätigungskammer 35 kommuniziert mit einem eigenen fluidischen Betätigungskanal 42. Jede Schubkammer 36 kommuniziert ebenfalls mit einem eigenen Fluidkanal, der zur besseren Unterscheidung als Mittelstellungskanal 43 bezeichnet sei. Über diese Kanäle 42, 43 sind die Betätigungskammern 35 und Schubkammern 36 an die Steuerventilmittel 3 angeschlossen.
In Abhängigkeit vom Betriebszustand der Steuerventilmittel 3 besteht die Möglichkeit, die Betätigungskammern 35 entweder mit einem Betätigungsfluid zu beaufschlagen oder druckmäßig zu entlasten bzw. zu entlüften. Das druckmäßige Entlasten geschieht insbesondere durch Anlegen der betreffenden Betätigungskammer 35 an atmosphärischen Druck.
Die Steuerventilmittel 3 ermöglichen es ferner, in den Schubkammern 36 ein im Folgenden auch als Schubmittel oder fluidisches Schubmittel bezeichnetes fluidisches Druckmedium zuzuschalten oder abzuschalten. „Zuschalten” bedeutet eine Druckbeaufschlagung, „Abschalten” bedeutet eine Druckentlastung, insbesondere ein Druckabbau auf Atmosphärendruck.
Um den Ventilschieber 13 in der Mittelstellung zu positionieren, werden durch entsprechende Betätigung der Steuerventilmittel 3 die beiden Betätigungskammern 35 druckentlastet und die beiden Schubkammern 36 mit dem fluidischen Schubmittel beaufschlagt. Die beiden Schubglieder 28a, 28b bewegen sich dadurch in ihre Mittelstellungs-Vorgabestellung. Hatte sich der Ventilschieber 13 zuvor in einer Extremstellung befunden, wird er durch das mit der Stützwand 37 an ihm anliegende Schubglied 28a oder 28b mechanisch in die Mittelstellung verschoben. Das fluidische Schubmittel übt hier also unter Zwischenschaltung des Schubgliedes 28a bzw. 28b eine Schubkraft auf den Ventilschieber 13 aus.
Um den Ventilschieber 13 aus seiner Grundstellung in eine Extremstellung zu verlagern, wird eine der Betätigungskammern 35 mit Betätigungsfluid beaufschlagt. Damit diese Betätigungskraft so gering wie möglich sein kann und sich eine möglichst hohe Umschaltgeschwindigkeit einstellt, erfolgt dies in Verbindung mit einer dahingehenden Betriebsweise der Steuerventilmittel 3, dass zur gleichen Zeit die der entgegengesetzten Stirnseite des Ventilschiebers 13 zugeordnete Schubkammer 36 druckentlastet wird, das dortige Schubmittel also abgeschaltet wird. Somit ist der Ventilschieber 13 in der Lage, das ihm in der momentan gewählten Umschaltrichtung vorgelagerte Schubglied 28a oder 28b vor sich her zu schieben, bis es in der äußeren Endstellung angelangt ist. Somit definiert die äußere Endstellung des in der Umschaltrichtung voreilenden Schubgliedes 28a, 28b die zugeordnete Extremstellung des Ventilschiebers 13.
Zweckmäßigerweise wird der für das Umschalten des Ventilschiebers 13 in die Extremstellung verantwortliche Betätigungsdruck so lange in der zugeordneten Betätigungskammer 35 aufrechterhalten, wie die Extremstellung beibehalten werden soll. Erst zum Zurückschalten in die Grundstellung wird die betreffende Betätigungskammer 35 druckentlastet, wobei gleichzeitig die bis dahin druckentlastete Schubkammer 36 fluidbeaufschlagt wird, um die das Zurückschalten in die Grundstellung bewirkende Schubkraft zu erzeugen.
Beim Umschalten in eine Extremstellung kann diejenige Schubkammer 36, die der dem Betätigungsfluid ausgesetzten Betätigungskammer 35 benachbart ist, unverändert mit dem Schubmittel beaufschlagt sein. Es bedarf hier keiner Druckentlastung, was den Energieverbrauch optimiert. Das zugeordnete Schubglied 28a, 28b verharrt somit in seiner Mittelstellungs-Vorgabestellung und nimmt diese auch dann noch ein, wenn der Ventilschieber 13 wieder in Richtung der Grundstellung zurückgeschaltet wird.
Prinzipiell könnten die Betätigungskammern 35 und die Schubkammern 36 mit unter voneinander abweichendem Druck stehenden Druckmedien beaufschlagt werden. Wesentlich einfacher ist jedoch die beim Ausführungsbeispiel realisierte Maßnahme, in beiden Fällen einen gleich hohen Fluiddruck zu verwenden. Dies lässt sich problemlos dadurch erreichen, dass sowohl das Betätigungsfluid also auch das Schubmittel aus dem Speiseabschnitt 17a des Hauptventils 2 abgegriffen wird. Die Steuerventilmittel 3 sind zu diesem Zweck beim Ausführungsbeispiel über mindestens einen und vorzugsweise zwei Abgriffskanäle 44 an den genannten Speiseabschnitt 17a angeschlossen.
Abweichend vom Ausführungsbeispiel könnte die Fluidversorgung aber auch auf anderem Wege stattfinden.
Die Umschaltbewegung 14 des Ventilschiebers 13 wird bei dem Mehrwegeventil 1 ausschließlich durch fluidische Kräfte hervorgerufen. Der Ventilschieber 13 steht zu keiner Zeit unter einer mechanischen Federvorspannung. Es sind keine mechanischen Federmittel vorhanden, die direkt oder indirekt auf den Ventilschieber 13 einwirken.
Ein wesentlicher Vorteil dieser Maßnahme besteht darin, dass der Ventilschieber 13 im Falle einer Störung, die einen Druckabfall zur Folge hat, in der augenblicklichen Schaltstellung verbleibt. Damit können unkontrollierte Aktionen des angeschlossenen Verbrauchers vermieden werden.
Die Steuerventilmittel 3 des Ausführungsbeispiels enthalten zwei jeweils an eine der beiden Betätigungskammern 35 angeschlossene erste und zweite Betätigungsventile 45a, 45b und ebenso zwei jeweils an eine der beiden Schubkammern 36 angeschlossen, erste und zweite Schubsteuerventile 46a, 46b. Beide Arten von Ventilen sind beim Ausführungsbeispiel als 3/2-Wegeventile ausgebildet.
Jedes Betätigungsventil 45a, 45b wird zum einen mit dem fluidischen Betätigungsmedium versorgt und ist zu diesem Zweck eingangsseitig beispielhaft an einen der Abgriffskanäle 44 angeschlossen. Von jedem Betätigungsventil 45a, 45b geht außerdem ein zur Atmosphäre führender Entlastungskanal 47 ab. Ferner ist jedes Betätigungsventil 45a, 45b über einen der oben erwähnten Betätigungskanäle 42 an eine der Betätigungskammern 35 angeschlossen.
Es handelt sich bei den Betätigungsventilen 45a, 45b zweckmäßigerweise um elektrisch und insbesondere um elektromagnetisch betätigbare Ventile, vorzugsweise um Magnetventile.
Jedes Betätigungsventil 45a, 45b kann eine erste Schaltstellung einnehmen, in der der Betätigungskanal 42 über den Entlastungskanal 47 druckentlastet ist – bei gleichzeitiger Abtrennung des Abgriffskanals 44 –, oder eine zweite Schaltstellung, in der der Betätigungskanal 42 über den Abgriffskanal 44 oder einen sonstigen Speisekanal mit dem Betätigungsfluid versorgt wird – bei gleichzeitiger Abtrennung des Entlastungskanals 47.
Die vorgenannte erste Schaltstellung ist zweckmäßigerweise die im deaktivierten Zustand eingenommene Grundstellung der Betätigungsventile 45a, 45b.
Jedes Schubsteuerventil 46a, 46b hat einen Schubmitteleingang 48, an dem das fluidische Schubmittel ständig ansteht. Ferner ist jedes Schubsteuerventil 46a, 46b über einen Entlastungskanal 51 mit der Atmosphäre verbunden. Schließlich kommuniziert noch jedes Schubsteuerventil 46a, 46b über einen der schon erwähnten Mittelstellungskanäle 43 mit einer der Schubkammern 36.
Jedes Schubsteuerventil 46a, 46b kann zwei Schaltstellungen einnehmen. In der ersten Schaltstellung ist der Schubmitteleingang 48 mit dem Mittelstellungskanal 43 verbunden, so dass das Schubmittel der zugeordneten Schubkammer 36 zugeschaltet ist. In der zweiten Schaltstellung ist der Schubmitteleingang 48 abgesperrt und die Schubkammer 36 über den Mittelstellungskanal 43 und den Entlastungskanal 41 zur Atmosphäre entlüftet. In diesem Fall ist das fluidische Schubmittel in der betreffenden Schubkammer 36 abgeschaltet.
Vorzugsweise sind Federmittel 50 vorhanden, die jedes Schubsteuerventil 46a, 46b im deaktivierten Zustand in die erste Schaltstellung zwingen. Die erste Schaltstellung ist dementsprechend die Grundstellung. Mit anderen Worten bedeutet dies, das im unbetätigten Zustand der Schubsteuerventile 46a, 46b beide Schubkammern 36 durch das Schubmittel beaufschlagt sind.
Der Schubmitteleingang 48 wird zweckmäßigerweise wie die Betätigungsventile 45a, 45b von dem Speiseabschnitt 17a mit Druckmedium versorgt. Er ist daher in Parallelschaltung zu je einem Betätigungsventil 45a, 45b an einen der Abgriffskanäle 44 angeschlossen.
Auch die Schubsteuerventile 46a, 46b könnten eigenständig betätigbare Ventile sein, wie die Betätigungsventile 45a, 45b. Es könnte sich insbesondere um elektrisch betätigbare Ventile handeln, wie dies bei 52 durch eine strichpunktiert angedeutete elektromagnetische Betätigungseinrichtung illustriert ist. In diesem Fall wäre es möglich, alle vier vorhandenen Ventile 45a, 45b, 46a, 46b in jedem beliebigen Schema unabhängig voneinander zu betätigen. Dies begünstigt insbesondere Sicherheitsaspekte, da hier die Möglichkeit besteht, gewisse Schaltfunktionen nur dann ausführen zu lassen, wenn bestimmte Ventile betätigt oder nicht betätigt sind.
Besonders vorteilhaft ist auch die beim Ausführungsbeispiel verwirklichte Zwangskopplung der Ventilfunktionen. Diese ist so ausgeführt, dass die Fluidbeaufschlagung einer auf der einen Seite des Ventilschiebers 13 angeordneten Betätigungskammer 35 mit einer insbesondere gleichzeitigen Druckentlastung der auf der anderen Seite des Ventilschiebers 13 angeordneten Schubkammer 36 einhergeht. Dadurch ist gewährleistet, dass der durch das Betätigungsfluid hervorgerufenen Umschaltkraft keine Schubkraft entgegenwirkt, die den Umschaltvorgang beeinträchtigen und insbesondere verlangsamen könnte.
Die Zwangskopplung könnte elektrisch stattfinden. Vorzugsweise ist sie, wie beim Ausführungsbeispiel, auf fluidischem Wege realisiert. Dies geschieht zweckmäßigerweise dadurch, dass die beiden Schubsteuerventile 46a, 46b durch Fluidkraft betätigbar ausgebildet sind und von jedem Betätigungskanal 42 ein fluidisches Schaltsignal abgegriffen wird, das demjenigen Schubsteuerventil 46a oder 46b zugeleitet wird, das die Fluidbeaufschlagung der auf der jeweils anderen Seite des Ventilschiebers 13 angeordneten Schubkammer 36 steuert.
Der Abgriff des fluidischen Schaltsignals erfolgt über je einen Steuerkanal 53a, 53b, wobei ein erster Steuerkanal 53a den Betätigungskanal 42 des ersten Betätigungsventils 45a mit einem Steuereingang 54b des zweiten Schubsteuerventils 46b verbindet, während ein zweiter Steuerkanal 53b den Betätigungskanal 42 des zweiten Betätigungsventils 45b mit einem Steuereingang 54a des ersten Schubsteuerventils 46a verbindet.
Die beiden Schubsteuerventile 46a, 46b sind durch die Federmittel 50 in die erste Schaltstellung vorgespannt, solange kein Steuersignal anliegt. Öffnet das funktionell zugeordnete Betätigungsventil 45a, 45b, bewirkt das erzeugte fluidische Schaltsignal ein Umschalten in die zweite Schaltstellung.
Wenn wie beim Ausführungsbeispiel für jede Betätigungskammer 35 und für jede Schubkammer 36 ein eigenes Ventil vorhanden ist, können die gewünschten Schaltfunktionen optimal ausgelegt und miteinander verknüpft werden.
Vorzugsweise enthält jede der beiden beim Ausführungsbeispiel vorhandenen Steuerventileinheiten 3a, 3b eines der Betätigungsventile 45a, 45b sowie eines der Schubsteuerventile 46a, 46b. Zweckmäßigerweise ist hierbei das erste Betätigungsventil 45a mit dem ersten Schubsteuerventil 46a zusammengefasst und das zweite Betätigungsventil 45b ist mit dem zweiten Schubsteuerventil 46b zusammengefasst.
Man könnte die von diesen beiden Paaren von Ventilen realisierten Schaltfunktionen auch in jeweils einem einzigen höherwertigen Steuerventil zusammenfassen. Denkbar wäre es ebenfalls, sämtliche zur Ansteuerung dienenden Ventile 45a, 45b, 46a, 46b gänzlich individuell auszubilden.
Während in der Zeichnung die Steuerkanäle 53a, 53b als externe Kanäle illustriert sind, die beispielsweise in Form von Fluidschläuchen realisiert sein könnten, besteht selbstverständlich auch die Möglichkeit einer Integration in das Ventilgehäuse 4 des Mehrwegeventils 1 zur Vermeidung externer Leitungen und Schläuche.
Damit ein Umschalten des Ventilschiebers 13 in die Mittelstellung, insbesondere bei Auftreten einer Fehlfunktion, auch dann möglich ist, wenn der den Ventilschieber 13 in eine Extremstellung umgeschaltete Betätigungsdruck weiterhin ansteht, ist es zweckmäßig, wenn die vom Fluid beaufschlagbare Querschnittsfläche jedes Schubgliedes 28a, 28b größer ist als diejenige eines jeden Betätigungskolbens 24a, 24b. Bei gleichgroßen Betätigungs- und Schubdrücken überwiegt in diesem Fall die die Mittelstellung vorgebende Schubkraft.
Während beim Ausführungsbeispiel die Schubglieder 28a, 28b unmittelbar in den beiden Endabschnitten der Ventilkammer 12 untergebracht sind, könnten sie abweichend hiervon auch jeweils in einer sich axial an die Ventilkammer 12 anschließenden separaten Aufnahmekammer angeordnet sein. In diesem Falle kann beispielsweise durch einen von dem jeweiligen Schubglied 28a, 28b wegragenden Schubstößel, der eine die Betätigungskammer von der Aufnahmekammer abteilende gehäusefeste Trennwand durchsetzt, die notwendige Schubkraft auf den Ventilschieber 13 ausgeübt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2916879 [0004]
EP 1048854 A2 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Magnetventile MEBH, ISO 5599-1” [0002]
„Ventile”, Band 2, Ausgabe 10/2003, 37. Auflage, Seiten 2/1.2–43 und 2/1.2–44 der Festo AG & Co. KG [0002]

Claims

Mehrwegeventil, mit einem in einem Ventilgehäuse (4) angeordneten Ventilschieber (13), der relativ zum Ventilgehäuse (4) zwischen einer durch eine Zentriereinrichtung (18) zentrierten Mittelstellung und zwei diesseits und jenseits der Mittelstellung liegenden Extremstellungen axial umschaltbar ist, wobei der Ventilschieber (13) im Bereich seiner beiden Stirnseiten (22a, 22b) jeweils eine zum Umschalten des Ventilschiebers (13) in eine Extremstellung mit einem Betätigungsfluid beaufschlagbare Betätigungsfläche (23a, 23b) aufweist und die Zentriereinrichtung (18) im Bereich jeder Stirnseite (22a, 22b) des Ventilschiebers (13) ein der dortigen Betätigungsfläche (23a, 23b) vorgelagertes, axial bewegliches Schubglied (28a, 28b) aufweist, das auf den Ventilschieber (13) eine Schubkraft ausüben kann, wobei auf der der Betätigungsfläche (23a, 23b) axial entgegengesetzten Seite jedes Schubgliedes (28a, 28b) eine Schubkammer (36) angeordnet ist, in der ein Schubmittel zur Erzeugung der Schubkraft auf das Schubglied (28a, 28b) einwirken kann, so dass das Schubglied (28a, 28b) in der zum Ventilschieber (13) weisenden axialen Richtung in eine durch gehäusefeste Anschlagmittel (38) definierte Mittelstellungs-Vorgabestellung verlagerbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schubkammer (36) durch das Schubglied (28a, 28b) fluiddicht von einer zwischen dem Schubglied (28a, 28b) und der Betätigungsfläche (23a, 23b) angeordneten Betätigungskammer (35) abgetrennt ist, die zum Umschalten des Ventilschiebers (13) in eine Extremstellung getrennt von der Schubkammer (36) mit dem Betätigungsfluid beaufschlagbar ist, wobei das Schubmittel von einem fluidischen Druckmedium gebildet und durch Steuerventilmittel (3) zu- und abschaltbar ist, derart, dass zum Umschalten des Ventilschiebers (13) in eine Extremstellung die dem Ventilschieber (13) in der Umschaltrichtung vorgelagerte Schubkammer (36) druckentlastbar ist.
Mehrwegeventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerventilmittel (3) mit dem Ventilgehäuse (4) zu einer Baugruppe zusammengefasst sind, wobei sie zweckmäßigerweise außen an das Ventilgehäuse (4) angebaut sind.
Mehrwegeventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerventilmittel (3) derart ausgebildet sind, dass die Fluidbeaufschlagung einer auf der einen Seite des Ventilschiebers (13) angeordneten Betätigungskammer (35) mit einer gleichzeitigen Druckentlastung der auf der anderen Seite des Ventilschiebers (13) angeordneten Schubkammer (36) einhergeht.
Mehrwegeventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerventilmittel (3) derart ausgebildet sind, dass in der Mittelstellung des Ventilschiebers (13) beide Betätigungskammern (35) druckentlastet und zugleich beide Schubkammern (36) druckbeaufschlagt sind.
Mehrwegeventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerventilmittel (3) zur Steuerung jeder Betätigungskammer (35) ein eigenes Betätigungsventil (45a, 45b) und zur Steuerung jeder Schubkammer (36) ein eigenes Schubsteuerventil (46a, 46b) enthalten.
Mehrwegeventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass von einem mit der Betätigungskammer (35) verbundenen Betätigungskanal (42) jedes Betätigungsventils (45a, 45b) ein fludisches Schaltsignal abgegriffen wird, das einem Schubsteuerventil (46b, 46a) zu dessen Betätigung zugeleitet wird, das die Fluidbeaufschlagung der auf der jeweils anderen Seite des Ventilschiebers (13) angeordneten Schubkammer (36) steuert.
Mehrwegeventil nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Betätigungsventile (45a, 45b) als elektrisch betätigte Ventile, insbesondere Magnetventile, ausgebildet sind.
Mehrwegeventil nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass beide Schubsteuerventile (46a, 46b) durch Federmittel (52) in eine Grundstellung vorgespannt sind, in der das von ihnen steuerbare Schubmittel in die angeschlossene Schubkammer (36) einspeisbar ist.
Mehrwegeventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Schubglied (28a 28b) als Kolben ausgebildet ist, der zweckmäßigerweise eine unmittelbare Trennwand zwischen der Betätigungskammer (35) und der Schubkammer (36) bildet.
Mehrwegeventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Schubglied (28a, 28b) eine ringförmige Dichtung (52) aufweist, mit der es an einer gehäusefesten Gleitfläche (34) dichtend anliegt.
Mehrwegeventil nach einem der Ansprüche 1 bis l0, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungsflächen (23a, 23b) jeweils an einem Betätigungskolben (24a, 24b) angeordnet sind und der Ventilschieber (13) einen sich zwischen diesen beiden Betätigungskolben (24a, 24b) erstreckenden Steuerabschnitt (25) aufweist, der im Zusammenwirken mit gehäusefesten Dichtungsmitteln (16) die Verbindung zwischen Ventilkanälen (7) steuert.
Mehrwegeventil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungsfluid und das als Schubmittel fungierende fluidische Druckmedium den gleichen Fluiddruck aufweisen.