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Die Erfindung betrifft ein elektromotorisch betriebenes Ventil für den Einsatz in Gaszählern gemäß Anspruch 1.
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Ventile, insbesondere Kugelventile der oben erwähnten Art, sind im Allgemeinen bekannt. Sie bestehen im Wesentlichen aus einem Gehäuse, in dem eine Ventilkugel als Absperrelement gelagert ist. Bei derartigen Ventilen dient als Strömungsführung ein in Richtung der Gasströmung sich erstreckender Kanal innerhalb der Ventilkugel. In einer offenen Stellung des Ventils ist der Eingang mit dem Ausgang des Ventils in der Strömungsrichtung durch die Durchgangsbohrung der Ventilkugel miteinander verbunden und in einer Schließstellung über die Ventilkugel voneinander getrennt. Um die Ventilkugel aus der Offenstellung in die Schließstellung verdrehen zu können, ist die Ventilkugel mit einer im Wesentlichen zu der Strömungsrichtung orthogonalen Schaltwelle zur Betätigung der Ventilkugel verbunden und durch die beiden die Ventilkugel umgebenen Dichtungen drehbar gelagert. Durch die hohe Reibung, bedingt durch die beiden Dichtungen, ist ein erhöhtes Drehmoment und somit Energie notwendig, um die Kugel zu bewegen. Dies macht den Einsatz solcher Lösungen besonders im explosionsgefährdeten Bereich nicht oder nur begrenzt möglich.
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Bei den vorbekannten Ventilen, die im Gasraum zum Einsatz kommen und mittels eines linear beweglichen Hubkolbens die offene und geschlossene Position erreichen, besteht der wesentliche Nachteil darin, dass sie beim Einsatz als Gasventile mittels eines Kolbens geöffnet oder geschlossen werden. Bei diesen linearen Lösungen ist nur ein Bruchteil der Energie zum Öffnen oder Schließen im Vergleich zu den Kugelventilen mit zwei Dichtungen erforderlich. Hierbei ist aber aufgrund des Hubwegs des Kolbens keine kompakte Baugröße des Ventils möglich; gleichzeitig kommt es zu höheren Druckverlusten beim Durchströmen des Gases als bei Kugelventilen. Bei hohen Volumenströmen die einen höheren Durchmesser des Strömungskanals erfordern, können solche Kolbenventile wegen des großen erforderlichen Bauraums nur begrenzt zum Einsatz kommen.
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Aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus der Druckschrift
DE 42 30 341 A1 , sind Ventile vorbekannt, deren Drehung der Ventilkugel aus der Schließstellung in die Offenstellung und auch umgekehrt durch einen elektromechanischen Antrieb erfolgt. Dieser Drehbewegung einer Ventilachse wird über ein Zahnrad auf eine Nocke unter Verwendung einer Kupplung, die mit dem Kugelhahn verbunden ist, übertragen. Durch die Nocke ist dabei eine maximale Drehung des Kugelhahns um 90° zulässig. Dabei kann entweder in einer ersten Position des Kugelhahns ein Schalter oder können bei einer dazu um 90° gedrehten, zweiten Position des Kugelhahns bzw. der Ventilachse zwei Schalter zur Steuerung eines Motors zum Antrieb der Ventilachse betätigt werden.
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In der
US 4,046,350 A ist ebenfalls ein gattungsgemäßes Ventil offenbart, das mittels eines, z. B. durch einen Elektromotor betriebenen, Kraftstellglieds angetrieben wird. Das Stellglied ist mittels eines Schafts mit einem Kugelventil verbunden. Der Schaft weist Getriebezähne auf, die in die Zähne eines Kolbens eingreifen. Durch die longitudinale Bewegung des Kolbens kommt es zur Drehung des Schafts und somit zur Verstellung des Kugelventils um maximal 90°. Andere Ausführungen von Ventilen sind solche, wo ein Kolben durch eine lineare Bewegung das Öffnen und Schließen des Durchgangskanals ermöglicht. Diese bekannten linearen Systeme haben allerdings den Nachteil, dass sie hohe Druckverluste im Gas verursachen und den maximalen erreichbaren Durchfluss beschränken. Weiterhin ist es mit Ventilen dieser Bauart nicht oder nur unzureichend möglich, durch das Anfahren von Zwischenpositionen den Gasstrom kontinuierlich zu beeinflussen, also modulierend zu arbeiten.
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Ein anderes Problem der aus dem Stand der Technik vorbekannten Ventile besteht in der Abdichtung der Kugelventile. Die Ventilkugel ist über zwei Lagerringe im Gehäuse gelagert, die in Durchflussrichtung eines Fluids durch das Kugelventil vorn und hinten an der Ventilkugel angrenzen. In jedem Lagerring ist jeweils ein Dichtring vorgesehen, der sich auf der Außenumfangsfläche der Ventilkugel abstützt. Um zu gewährleisten, dass der Dichtring auch bei leichten Bewegungen der Ventilkugel eine Abdichtung gewährleistet, ist es erwünscht, dass der Dichtring als ganzes beweglich ist und gegen die Ventilkugeloberfläche mit Hilfe einer Federkraft angepresst wird. Dies führt dazu, dass die derzeitigen Systeme mit aufwendigen Ausgleichmechanismen, z. B. Federelementen, arbeiten oder Toleranzen über eine hohe Verpressung der Dichtelemente ausgleichen. Dadurch ist ein großes Moment zum Bewegen aus einer in die andere Stellung nötig, was sich ebenso besonders nachteilig auswirkt. Ebenfalls ist bei derartigen Systemen die Gefahr des Verklebens von Dichtelementen und Dichtkörper groß und/oder keine Langzeitstabilität gegeben. Auch die Verwendung von zwei Dichtringen ist nicht zufriedenstellend, da durch Reibung an beiden Stellen hohe Verluste entstehen.
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Ein weiterer Nachteil der aus dem Stand vorbekannten Gasventile besteht darin, dass diese Gasventile überwiegend aus metallischen Komponenten bestehen, was naturgemäß sehr kostenintensiv ist. Sie sind kaum an anderen Systemen einsetzbar oder umbaufähig, da es für jede Anforderung bezüglich der Energieversorgung eine angepasste Lösung des Ventilsystems gibt, was bei Änderungen der Spezifikation zu einem hohen Entwicklungsaufwand und ebenfalls zu hohen Kosten führt. Darüber hinaus ist eine einfache und kostengünstige Montage der Gasventile nicht gegeben.
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Ein weiterer Nachteil der bekannten Gasventile besteht darin, dass sie sich aufgrund geringer Effizienz der Versorgungsenergie nicht für einen Batteriebetrieb eignen. Dies führt dazu, dass die Ventile nicht oder nur begrenzt direkt im Gasraum eingesetzt werden können.
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Aus der
CN 201462054 U ist ein elektrisch gesteuertes Kugelventil für den Einsatz in Gaszählern bekannt, welches einen Ventilkörper, in dem eine drehbare Ventilkugel und ein Dichtungsring angeordnet sind, und ein Motorgehäuse mit einem Antriebsmotor für den Rotationsantrieb der Ventilkugel aufweist. Durch die Rotation der Ventilkugel kann ein Verbindungsdurchgang zwischen einem Lufteinlass und einem Luftauslass geöffnet oder geschlossen werden. Am Lufteinlass ist ein Anschlussstück befestigt.
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In der
FR 2594202 A1 ist ein Fluid-Hahn mit einer Dichtung, beispielsweise einer U-förmigen Lippendichtung, offenbart, wobei die Dichtung zwischen einem Sitz eines rotierenden Teils und einer Wand des Hahnkörpers untergebracht ist, um eine Verbindung zwischen einerseits einem Totraum, der insbesondere durch das rotierende Teil, den Sitz und den Hahnkörper begrenzt wird, und andererseits einem Fluidzugang, der in den Sitz des rotierenden Teils mündet, abzudichten. Die Dichtung soll ein Austreten von Fluid aus dem Totraum ermöglichen, ohne dass eine zweite Dichtung zwischen dem rotierenden Teil und dem Sitz beschädigt wird. Die Dichtung ist unidirektional ausgebildet und dichtet den Fluid-Zugang zum Totraum sowie einen Fluiddurchgang in entgegengesetzter Richtung ab. Die Dichtung kann einen U-förmigen Längsschnitt haben, wobei Lippen gegen den Hahnkörper und den Sitz gedrückt werden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein kompaktes elektromotorisches Ventil vorzuschlagen, welches die oben genannten Nachteile vermeidet. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein autonom arbeitendes Ventil zu entwickeln, welches durch seine Ausführung sehr wenig Energie zum Betätigen benötigt und auch innerhalb einer explosionsgefährdeten Atmosphäre eingesetzt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst, wobei zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung durch die Merkmale in den Unteransprüchen angegeben sind.
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Nach der Konzeption der Erfindung umfasst das elektromotorisch betriebene Ventil für den Einsatz in Gaszählern zumindest eine Ventileinheit (V) mit einem Ventilkörper und einem Dichtkörper, eine Antriebseinheit (A) und eine Anschlusseinheit, wobei die Einheiten (V, A, S) miteinander verbindbar und voneinander trennbar sind. Erfindungsgemäß ist der Dichtkörper als kugelförmiger oder zylinderförmiger Dichtkörper ausgebildet, welcher mittels nur eines als Lippendichtung ausgeführten Dichtelements gegenüber dem Ventilkörper abgedichtet ist, wobei der innere Durchmesser der Lippendichtung dem Durchmesser der Durchbruchsöffnung des Dichtkörpers derart entspricht, dass die Lippe der Lippendichtung in die Durchbruchsöffnung passgenau eingesetzt ist, wobei der Ventilkörper eine Aussparung aufweist, worin der Dichtkörper drehbar gelagert ist, und eine Schutzelektronik am Ventil vorgesehen ist, welche die Ausbildung eines zündfähigen Funkens verhindert.
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Dieser Aufbau mit nur einem einzigen Dichtelement führt zu einer geringen inneren Reibung und somit zu einem geringen Energiebedarf sowie auch zu einer signifikanten Kostenreduktion.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die für die Gasströmung vorgesehene Durchgangsbohrung des kugelförmigen oder zylinderförmigen Dichtkörpers im Querschnitt kreisförmig oder von der Kreisform abweichend gestaltet.
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Durch die Abweichung von einer Kreisform kann der Strömungswiderstand in Abhängigkeit von der Stellung des Dichtkörpers gezielt eingestellt oder beeinflusst werden. Damit läßt sich dann eine gewünschte Abhängigkeit zwischen dem Verdrehwinkel des Dichtkörpers und dem daraus resultierenden Gasstrom erreichen, was insbesondere in Hinblick auf die Anwendung in modulierenden Systemen sehr vorteilhaft ist.
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Erfindungsgemäß weist der Dichtkörper zwei diametral zueinander angeordnete und im Querschnitt kreisförmig ausgebildete Achsstummel auf, die der Aussparung gegenüberliegenden Seite ausgebildet sind und in die Aussparung in der Innenwand des Ventilkörpers einführbar sind. Die Aussparung ist vorteilhaft als eine Nut oder eine Rinne ausgebildet, wobei ihre Gestaltung an der Form bzw. Gestaltung und Lage der Achsstummel des Dichtkörpers so abgestimmt ist, dass die Achsstummel stabil in ihr drehbar gelagert sind. Der Dichtkörper und die Achsstummel sind vorzugsweise symmetrisch im Bezug zur orthogonalen Achse des Dichtkörpers angeordnet, wodurch eine stabile Lagerstellung des Dichtkörpers erzielt wird. Diese stabile Lagerung, welche einen Toleranzausgleich zwischen Lippendichtung und Ventilkörper gewährleistet, ermöglicht eine Reduzierung der Anzahl der Dichtungselemente von zwei Dichtungselementen auf einen, d.h. sie ermöglicht den Wegfall der zweiten Dichtung, die in der Gasflussrichtung nach der Kugel angeordnet ist.
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Abweichend von der im Bezug zur orthogonalen Achse des Dichtkörpers symmetrischen Anordnung der Achsstummel können diese Achsstummel auch exzentrisch zur orthogonalen Achse des Dichtkörpers angeordnet sein. Dadurch wird die Lippendichtung im offenen Ventilzustand entspannt, was wiederum zu einer geringeren notwendigen Antriebsleistung aufgrund der reduzierten Reibung führt. Dies kann insbesondere bei Batteriebetrieb von Vorteil sein.
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Wie bereits erwähnt, kann der Dichtkörper als Kugel oder als verdrehbarer Zylinder ausgebildet sein, wobei sich der Zylinder orthogonal zur Strömungsrichtung des Gases erstreckt und einen orthogonal zur Zylinderachse ausgerichteten Kanal aufweist. Durch Drehung des Zylinders und somit Einschwenken des Kanals in die bzw. aus der Gasströmungsrichtung kann der Gasstrom gezielt geöffnet oder geschlossen werden. Die Ausführung mit einer Ventilkugel erlaubt eine kompaktere Gestaltung des Ventils und wird deshalb bevorzugt. Dabei ähneln sich die konstruktiven Details einer möglichen Ausführung mit Kugel oder Zylinder stark. Auch hier ist eine exzentrische Lagerung wie vorab beschrieben möglich.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Module durch zumindest eine formschlüssige Verbindung modular miteinander verbindbar und auch ebenfalls voneinander lösbar. Diese erfindungsgemäße modulare Bauweise in wählbare Anschlüsse, Ventil- und Antriebseinheit oder Module, die aus mehr als zwei Modulen gebildet sind, ermöglicht die Ventile an Markt- und Kundenbedürfnisse sowie neue Spezifikationen kosteneffizient anzupassen. Insbesondere macht die modulare Bauweise eine Variationsvielfalt an Ventilsystemen möglich, die aus einem oder mehreren dieselben und unterschiedliche Modulen, wie Ventileinheit/Antriebseinheit Modul, oder Ventileinheit/Anschlusseinheit, nach den Anforderungen steckbauweise montiert werden können. Ebenfalls führt diese erfindungsgemäße Bauweise zum einfachen und schnellen Austausch der Schnittstellen und Antriebseinheit, was die Zeit- und Kostenaufwand bei Wartungsarbeiten wesentlich reduziert und die Reparaturfreundlichkeit erhöht. Als mögliche Änderungsgründe zählen Änderung der Energieversorgung, die normative Einstufung der Applikation und eine darauf angepasste Aktorwahl, sowie unterschiedliche Dichtheitsanforderungen. Denkbar wäre eine Anpassung des Ventilkörpers für unterschiedliche Volumenströme und Druckabfälle durch unterschiedlichen Kugel- bzw. Zylinderdurchmesser und Größen des Innenraums von Ventilgehäusen. Durch den einfachen Wechsel des Anschlusses ist die Montage an jede beliebige Schnittstelle möglich.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Ventils sind die formschlüssigen Verbindungen als gegenwirkende Rastelemente ausgebildet, die beim Verschließen ineinander greifen und dadurch eine formschlüssige Verbindung bilden. Damit erfolgt ein Aufsetzen eines Moduls bzw. das Verschließen des Moduls durch eine Translationsbewegung eines Moduls auf das andere Modul. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn ein Modul von oben auf ein anderes Modul, z.B. das Ventilgehäuse lediglich aufgesteckt oder aufgeclipst wird. Dies ermöglicht ein automatisches Verschließen beider Module.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die formschlüssige Verbindung der Module mindestens zwei, vorzugsweise drei oder mehrere Rastelementpaare, da mehrere Rastelementpaare eine Mehrfachsicherung ermöglichen und somit zum sicheren Verschließen der Module beitragen. Unter Rastelementpaare sind zwei Rastelemente zu verstehen, die gegenseitig einen Formschluss bewirken. Es ist allerdings denkbar, auch unter Umständen eine Vielzahl von Rastelemente unter Rastelementpaare zu verstehen, die aufgrund ihrer ähnlichen Ausgestaltung und gleichen Wirkungsweise lediglich als ein Rastelementpaar angesehen werden.
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Eine andere Möglichkeit der formschlüssigen Verbindung der Module bietet ein Bajonettverschluss, in dem die Verbindung über eine Steck-Dreh-Bewegung erfolgt. Die beiden zu verbindenden Teile werden durch ein Ineinanderstecken und ein entgegengesetztes Drehen verbunden und so auch wieder getrennt. Auch eine Kombination von Rast- und Bajonett Verbindungen ist denkbar.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die Antriebseinheit ein Getriebe, die nach der Verbindung der Ventileinheit mit der Antriebseinheit in eine Moduleinheit im Ventilkörper integriert ist.
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Erfindungsgemäß weist das Getriebe der Antriebseinheit ein Kupplungsstück auf, das zwei Anschlüsse, die nachstehend auch als Mitnehmer gekennzeichnet sind, umfasst, die zur Betätigung der Ventilkugel mit der Ventilkugel zusammenwirken. Dadurch kann die Lagerstellung d.h. die Offen- und Schließstellung der Ventilkugel durch die Antriebseinheit gesteuert werden. Die Offenstellung der Ventilkugel ist gegeben, wenn der Eingang mit dem Ausgang des Ventils in der Strömungsrichtung durch die in der Ventilkugel ausgebildete Durchgangsbohrung miteinander verbunden ist und in einer Schließstellung über die Ventilkugel voneinander getrennt sind. Um die Ventilkugel aus der Offenstellung in die Schließstellung verdreht zu können, ist die Ventilkugel um eine im Wesentlichen zu der Stromrichtung vertikale Achse drehbar gelagert und mit einem Kupplungsstück der Antriebseinheit zur Betätigung der Ventilkugel verbunden.
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Erfindungsgemäß wird das Kupplungsstück vorzugsweise durch ein Schneckenradgetriebe der Antriebseinheit elektromechanisch betrieben. Die Antriebseinheit umfasst einen Schalter und eine Schaltnocke, die derart ausgebildet ist, dass mit dem Schalter die offene und geschlossene Position der Ventilkugel erkannt wird. Ein Überlaufen über 90 Grad wird gleichzeitig dadurch verhindert, dass das Kupplungsstück am Ventilgehäuse bis zum Anschlag fährt. Diese erfindungsgemäße Ausbildung der Schaltnocke ist sehr vorteilhaft, da sie zur Reduzierung der Anzahl der Schalter zur Realisierung der Positionserkennung von zwei, wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, auf einen führt.
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Der Schalter zum Erfassen der Endlage weist einen Stift auf, wobei der Schalter so ausgebildet ist, dass beim Eindrücken des Stiftes zum Schaltvorgang kommt. Das Kupplungsstück ist drehbar gelagert und mit der Kugel durch die Mitnehmer verbunden. Weiterhin besitzt das Kupplungsstück oder das Schneckenrad des Getriebes zumindest eine Schaltnocke welche für den Stift des Schalters als Rampe fungiert und diesen in beiden Endstellungen eindrückt. Vorteilhaft umfasst das Kupplungsstück oder das Schneckenrad des Getriebes hierbei zwei Schaltnocken die derart gestaltet sind, dass der Stift des Schalters sowohl in der offenen als auch in der geschlossenen Position durch die Schaltnocke am Kupplungsstück eingedrückt wird und ein Signal ausgibt. Durch diese Ausgestaltung in Kombination mit der zusätzlichen Information der Drehrichtung der Ventilkugel kann genau bestimmt werden, ob sich die Kugel in der offenen oder geschlossenen Position befindet.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst der Ventilkörper ferner zwei Aussparungen, wodurch das Kupplungsstück mit den zwei Anschlüssen durchgeführt werden kann und mit der Kugel formschlüssig verbunden ist, wobei die Aussparungen so ausgebildet sind, dass sie einen Anschlag für die Anschlüsse bilden, welcher ein Überlaufen über 90 Grad verhindert.
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Erfindungsgemäß ist das Dichtelement zwischen Dichtkörper und Ventilkörper als eine Lippendichtung ausgeführt. Diese Form des Dichtelementes reduziert die Anpresskraft bei gleichzeitiger Verbesserung der Robustheit gegenüber Toleranzschwankungen und Bauteilfehlern. Ebenfalls bietet sie aufgrund ihrer geometrisch definierten Flexibilität Langzeitstabilität und Toleranzausgleich. Dies alles ergibt ein geringes Last- und Reibmoment, höhere Energiereserven beim Antrieb und folglich längere Laufzeit bei Batteriebetrieb. Durch den geringen Energiebedarf und der effizienten und kompakten Bauweise ist es möglich, dieses Ventil batteriebetrieben auch direkt im Gasraum zu betreiben.
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Bevorzugt sind der Ventilkörper und/oder die Ventilkugel aus Kunststoff gefertigt, wodurch das erfindungsgemäße Ventil auch innerhalb einer explosionsgefährdeten und/oder sehr aggressiven Atmosphäre eingesetzt werden kann.
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Vorteilhaft ist der Schalter mit einem Antriebsmotor über einen Flachleiter verbunden, welcher elektronische Bauelemente, wie z. B. Dioden, aufweist, wodurch Schutzmaßnahmen getroffen werden, welche die Ausbildung eines zündfähigen Funkens verhindern. Durch den verwendeten Flachleiter lassen sich diese elektronischen Bauelemente direkt an den elektrisch aktiven Elementen (Motor, Schalter) und innerhalb des Gasraumes anbringen, wodurch die Übertragung der Zündenergie aus den aktiven Elementen in ein zündfähiges Gas/Luftgemisch optimal verhindert wird. Durch die gewählte Anordnung können derzeit geltende Sicherheitsforderungen, z. B. Atex, optimal erfüllt werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführung des Ventils ergibt sich, wenn das Ventil einen Funkempfänger oder ein Funkempfänger und ein Funksender aufweist, um mit einem Funksender und/oder Funkempfänger außerhalb des Gaszählers Informationen auszutauschen. Dadurch wird eine einfach in den Zähler zu integrierende, vollständig mit Batterie betreibbare, die Gehäusewand des Gaszählers nicht durchstoßende und manipulationssichere Ventileinheit möglich.
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Die elektronischen Bauelemente für den Funkempfänger und/oder Funksender können dabei vorteilhaft direkt auf dem Flachleiter angeordnet oder in diesen integriert sein, das Funkmodul kann aber auch anderweitig im Ventil integriert sein.
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Die Ziele und Vorteile dieser Erfindung sind nach sorgfältigem Studium der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der hier bevorzugten, nicht einschränkenden Beispielausgestaltungen der Erfindung mit den zugehörigen Zeichnungen besser zu verstehen und zu bewerten, von denen zeigen:
- 1.1: eine Explosionsdarstellung des modular aufgebauten Ventils,
- 1.2 eine perspektivische Ansicht der Antriebseinheit,
- 2.1: eine perspektivische Darstellung des Ventilkörpers gemäß 1.1,
- 2.2: einen Querschnitt des Ventilkörpers gemäß 2.1
- 2.3: eine perspektivische Darstellung der Gehäusekappe
- 3.1: eine perspektivische Darstellung des Kupplungsstücks und des Schalters,
- 3.2: eine perspektivische Darstellung der zusammengebauten Antriebseinheit gemäß 1.1,
- 4.1: eine perspektivische Darstellung des Dichtungselements sowie
- 4.2: einen Querschnitt des Dichtungselements.
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In 1.1 ist eine erste Variante der modularen Bauweise des Ventils illustriert, wobei 1.2 eine perspektivische Ansicht der Antriebseinheit A zeigt. Die Module und ihre Einzelteile sind deutlichkeitshalber getrennt voreinander dargestellt. In 1.1 sind folgende drei Module zu sehen: eine mit „A“ gekennzeichnete Antriebseinheit, eine mit „V“ gekennzeichnete Ventileinheit“ und eine mit „S“ gekennzeichnete Anschlusseinheit, nachstehend auch als Anschlüssstück gekennzeichnet. Alle Module weisen Formschlussverbindungen zur Verbindung des Moduls mit zumindest einem anderen Modul auf, die entweder als gegeneinander wirkende Rastelemente und/oder als Bajonettverschlüsse ausgebildet sind.
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Die Ventileinheit „V“ ist detailliert in der 2.1 dargestellt. Sie umfasst einen Ventilkörper 6 mit einer seitlichen Öffnung, die zwei Aussparungen 6.1 zur Aufnahme eines Betätigungsorgans 8 für den als Ventilkugel ausgebildeten Dichtkörper 5 aufweist. Rund um die seitliche Öffnung 6.1 des Ventilkörpers 6 ist einen Anschlussadapter in Form eines hervorstehenden Kragens 6.2 einstückig mit dem Ventilkörper 6 ausgebildet. Entlang des Kragens 6.2 sind vier symmetrisch zu einander hervorstehende Rastelemente 6.3 platziert. Der Ventilkörper weist an seinem oberen Ende des Ventileingangs, an seinem äußerem Rand weitere vier Rastelemente 6.4 auf, wobei in 2.1 nur zwei von den vier Rastelementen zu sehen sind. Zwei weitere Rastelemente 6.5 sind am unteren Ende des Ventilgehäuses angeordnet, wobei nur ein Rastelement von beiden in 1.1 dargestellt ist. Die Verschlüsse sind symmetrisch zueinander angeordnet, wobei ihre Anordnung und ihre Anzahl erfindungsgemäß variabel sind. Durch diese Anordnung der Verschlüsse und kompakte Bauweise des Ventilkörpers können an den Ventilkörper drei Module (oben, unten und seitlich) angeschlossen werden. Der Ventilkörper ist einstückig mit den Rastelementen ausgebildet.
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Die innere Wand des Ventilkörpers 6 ist in der Querschnittansicht der 2.2 detailliert dargestellt. Sie weist zwei sich gegenüberstehende senkrecht verlaufende längliche Nuten bzw. Rinnen 6.6 zur Aufnahme der beiden sich gegenüber liegenden und symmetrisch angeordneten Achsstummel 5.2 der Ventilkugel 5 auf. Die beiden Achsstummele sind so ausgebildet, dass sie in die Aussparungen 6.6 einführbar und drehbar gelagert werden können. Die Ventilkugel 5 und die beiden Achsstummel 5.2 sind erfindungsgemäß symmetrisch im Bezug zur vertikalen Achse der Ventilkugel 5 angeordnet, wodurch eine stabile Lagerstellung der Ventilkugel 5 gegeben ist. Die Ventilkugel 5 in 1.1 weist auf einer Seite am Achsstummel der Antriebseinheit A zugewandten Seite zwei symmetrisch zu einander ausgebildeten Nuten 5.1 auf. Die zwei Nuten 5.1 sind nach der Einführung der Ventilkugel 5 in den Ventilkörper 6 über die Aussparungen 6.1 der seitlichen Öffnung zur Aufnahme eines Betätigungsorgans 8 für die Ventilkugel vorgesehen. Der Betätigungsorgan 8 ist detailliert in 3.1 dargestellt. Zwischen der Ventilkugel 5 und der Gehäusekappe 3, welche Rastelemente 3.1 und Bajonettverschlüsse aufweist, ist ein Dichtungselement 4 vorgesehen, das in der 5 detailliert dargestellt ist. Der Dichtungsring 4 ist gleitend innerhalb des Ventilkörpers 6 auf die Ventilkugel 5 eingepasst und wird durch die formschlüssige Verbindung der Rastelemente 3.1 der Gehäusekappe und der Rastelemente 6.4 des Ventilkörpers 5 zusammengepresst, so dass der Dichtungsring 4 zwischen der Gehäusekappe 3 und der Ventilkugel 5 eingeschlossen ist.
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Der Einbau der gesamten Ventileinheit „V“ gestaltet sich denkbar einfach. Zuerst wird die Ventilkugel 5 mit den beiden symmetrisch zueinander angeordneten im Querschnitt kreisförmigen Achsstummeln 5.2 in die länglichen Nuten 6.6 des Ventilkörpers 6 eingeführt. Durch die erwähnte Ausbildung der Achsstummels 5.2 kann die Ventilkugel 5 in ihrer Lage verdreht werden. Die Innenwand des Ventilgehäuses weist in dem Bereich außerdem eine Aussparung auf, deren Form an der Ventilkugel abgestimmt ist, so dass keine unnötige Reibung zwischen der Innenwand des Ventilkörpers und der Oberfläche der Ventilkugel entsteht. Daraufhin wird von oben auf die Ventilkugel den Dichtungsring 4 und folglich die Dichtungskappe 3 derart aufgelegt, so dass ein Verschließen der Rastelemente 3.1, 6.4 durch eine Translationsbewegung erfolgt.
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Die in 1.1 dargestellte Antriebseinheit „A“ weist einen Betätigungsorgan 8, auf, der nachfolgend als Kupplungsstück bezeichnet wird und der derart ausgebildet ist , dass er in die Nuten 5.1 der Ventilkugel 5 durch die seitliche Öffnung 6.1 des Ventilkörpers 6 aufgenommen bzw. integriert werden kann.
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Das Kupplungsstück 8 weist einen innen und zentral ausgebildeten Mitnehmer auf, welcher in das Gegenstück 10 des Getriebes so eingreift, das eine sichere und spielfreie Übertragung des Drehmomentes bei sehr einfacher Montage des Getriebemoduls gewährleistet werden kann. Gleichzeitig weist der Mitnehmer 8.1 einen mittig ausgebildeten zylindrischen Teil auf. Ein Dichtelement 15 ist dabei so zwischen dem Getriebegehäuse und dem mittig ausgebildeten zylindrisch Teil des Mitnehmers 8.1 eingesetzt, dass kein Gasstrom zwischen der Ventileinheit V und der Antriebseinheit A entstehen kann.
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Die Antriebseinheit A umfasst einen Schalter 12 und eine Schaltnocke, die derart ausgebildet ist, dass mit dem Schalter die offene und geschlossene Position der Ventilkugel erkannt wird und ein Überlaufen über 90 Grad verhindert wird.
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Bei Drehung des Kupplungsstücks wird die Ventilkugel 5 zwischen der Offen- und der Schließstellung des Ventils verdreht. Die seitliche Öffnung 6.1 des Ventilkörpers 6 mit einem O-Ring (nicht dargestellt) kann durch die formschlüssige Verbindung zwischen der Rastelemente 6.3 der Ventileinheit „V“ und der Rastelemente (nicht dargestellt) der Antriebseinheit „A“ mit der Antriebseinheit modular verbunden werden. Durch die formschlüssige Verbindung wird der notwendige Dichtdruck erreicht.
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Die in 1.1 dargestellte Anschlusseinheit „S“ umfasst einen Anschlussadapter, der Elemente 3.2 des Bajonettverschlusses, die in 2.3 dargestellt sind, aufweist, die mit den Elementen des Bajonettverschlusses 3.1 der Gehäusekappe 3 der Ventileinheit „V“ zusammenwirken können. Bei der Verbindung der Module der Ventileinheit „V“ und der Anschlusseinheit „S“ wird einen O-Ring zur Abdichtung der Verbindung dazwischen gelegt. Die Anschlusseinheit ist mit einem Ventildeckel 1 verschlossen. Die Gehäusekappe ist in 2.3 an ihrem äußeren Rand mit drei Rastelementen 3.2 zur formschlüssigen Verbindung mit dem Ventilkörper 6 versehen.
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Die 2.1 und 2.2 illustrieren eine perspektivische Darstellung sowie einen Querschnitt der Ventileinheit „V“. In den aus dem Stand der Technik bekannten Ventilen ist die Ventilkugel auf einer Tragordnung gelagert, die aus zwei Dichtringen besteht, die sich auf der Außenumfangsfläche der Ventilkugel anlegen, einer vor der Ventilkugel und einer hinter der Ventilkugel. Bei dem erfindungsgemäßen Ventil ist aufgrund der erfindungsgemäßen Lagerung der Ventilkugel 5 nur ein Dichtungselement 4 zur Abdichtung der Ventilkugel 5 erforderlich, nämlich nur das, welches benachbart zur Anschlusseinheit „S“ angeordnet ist. Die Ventilkugel 5 ist durch das Zusammenwirken von Achsstummel 5.2 und Nut 6.6 im Ventilkörper 6 stabil gelagert.
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In 3. 1 ist das Kupplungsstück 8 mit dem Schalter 9 detailliert dargestellt. Das Kupplungsstück 8 weist einen innen und zentral ausgebildeten Mitnehmer auf, welcher in das Gegenstück 10 des Getriebes so eingreift, das eine sichere und spielfreie Übertragung des Drehmomentes bei sehr einfacher Montage des Getriebemoduls gewährleistet werden kann. Gleichzeitig weist der Mitnehmer 8.1 einen mittig ausgebildeten zylindrischen Teil auf. Ein Dichtelement 15 ist dabei so zwischen dem Getriebegehäuse und dem mittig ausgebildeten zylindrisch Teil des Mitnehmers 8.1 eingesetzt, dass kein Gasstrom zwischen der Ventileinheit V und der Antriebseinheit A entstehen kann.
Die Antriebseinheit A umfasst einen Schalter 12 und eine Schaltnocke 10.1, die derart ausgebildet ist, dass mit dem Schalter die offene und geschlossene Position der Ventilkugel erkannt wird und ein Überlaufen über 90 Grad verhindert wird. Diese erfindungsgemäße Ausbildung der Schaltnocke ist sehr vorteilhaft, da sie zur Reduzierung der Anzahl der Schalter zur Realisierung der Positionserkennung von zwei, wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, auf einen führt.
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Der Schalter 12 weist einen Stift 12.1 auf, wobei der Schalter 12 so ausgebildet ist, dass beim Eindrücken des Stiftes 12.1 zum Schaltvorgang kommt. Das Kupplungsstück 8 ist drehbar gelagert und mit der Kugel 5 durch die Mitnehmer 8. 1 verbunden (nicht dargestellt). Weiterhin umfasst das Kupplungsstück zumindest eine Schaltnocke 10.1 welche für den Stift 12.1 des Schalters 12 als Rampe fungiert und diesen in beiden Endstellungen eindrückt. Vorteilhaft umfasst das Kupplungsstück 8 oder das Schneckenrad 10 hierbei zwei Schaltnocken 10.1 die derart gestaltet sind, dass der Stift 12.1 des Schalters 12 sowohl in der offenen als auch in der geschlossenen Position durch die Schaltnocke 10.1 am Kupplungsstück 8 oder am Schneckenrad 10 eingedrückt wird und ein Signal ausgibt. Durch diese Ausgestaltung des Kupplungsstücks 8 mit der zusätzlichen Information der Drehrichtung der Ventilkugel 5 kann genau bestimmt werden ob sich die Kugel 5 in der offenen oder geschlossenen Position befindet.
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3.2 stellt eine aus der Getriebekappe 13, dem Motor 12 mit der Schnecke 11, dem Schalter 9, dem Kupplungsstück und dem Getriebegehäuse 7 zusammengebaute und betriebsbereite Antriebseinheit A dar.
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Die 4.1 und 4.2 zeigen eine perspektivische Darstellung sowie einen Querschnitt des Dichtungselementes 4. Das Dichtungselement 4 ist erfindungsgemäß als Lippendichtung 4.1 ausgebildet. Der innere Durchmesser der Lippendichtung 4.1 entspricht dem Durchmesser der Durchbruchsöffnung der Ventilkugel 5 derart, so dass die Lippe 4.2 der Lippendichtung 4 in die Durchbruchsöffnung passgenau eingesetzt werden kann. Durch diese spezielle Form des Dichtungselements 4 wird die Anpresskraft bei gleichzeitiger Verbesserung der Robustheit gegenüber Toleranzschwankungen und Bauteilfehlern reduziert. Ebenfalls bietet sie aufgrund ihrer geometrisch definierten Flexibilität eine hohe Langzeitstabilität und einen optimalen Toleranzausgleich. Dies alles ergibt ein geringes Lastmoment, geringere Energiereserven beim Antrieb und folglich längere Laufzeit bei Batteriebetrieb.
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Aus der vorstehenden Schilderung der Erfindung ist es deutlich geworden, dass das erfindungsgemäße Gasventil gegenüber herkömmlichen Gasventilen ein autonomes, kompaktes und einbaufertiges Ventil darstellt, welches ein optimales Verhältnis zwischen Baugröße, Durchflussraten, Energieverbrauch und Druckverlust aufweist und einfacher und kostengünstiger zu fertigen ist.
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Bezugszeichenliste
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- A
- Antriebseinheit
- V
- Ventileinheit
- S
- Anschlusseinheit, Anschlüssstück
- 1
- Ventildeckel
- 2
- O-Ring
- 3
- Gehäusekappe
- 3.1
- Bajonettverschluss der Gehäusekappe
- 3.2
- Rastelemente der Gehäusekappe
- 4
- Dichtungselement
- 4.1
- Lippendichtung
- 5
- Dichtkörper
- 5.1
- Nut des Dichtkörpers
- 5.2
- Achsstummel
- 6
- Ventilkörper
- 6.1
- Aussparung des Ventilkörpers in seiner seitlichen Öffnung
- 6.2
- Seitlicher Anschlussadapter des Ventilkörpers
- 6.3
- Rastelemente an dem seitlichen Anschlussadapter
- 6.4
- Rastelemente an dem oberen Rand des Ventilkörpers
- 6.5
- Rastelemente an dem unteren Rand des Ventilkörpers
- 6.6.
- Aussparung in der Innenwand des Ventilkörpers
- 7
- Getriebegehäuse
- 8.
- Kupplungsstück
- 8.1
- Anschluss, Mitnehmer
- 9
- Schalter
- 10
- Schneckenrad
- 10.1
- Schaltnocke, Funktionsfläche
- 11
- Schnecke
- 12
- Motor
- 12.1
- Stift
- 13
- Getriebekappe
- 14
- Flachleiter
- 15
- Dichtelement
