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Die Erfindung betrifft ein Sitzventil gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Insbesondere betrifft die Erfindung ein Sitzventil mit einem Ventilkörper mit einem Einlass und einem Auslass, wobei der Auslass durch wenigstens eine Öffnung in dem Ventilkörper gebildet ist, einem Ventilsitz, der an dem Ventilkörper zwischen dem Einlass und dem Auslass angeordnet ist und eine Ventilbohrung aufweist, die Einlass und Auslass verbindet, einem Schließelement, das mindestens zum teilweise Öffnen und Schließen der Ventilbohrung mit dem Ventilsitz zusammenwirkt und von einem Stößel betätigbar ist, sowie einem auf den Stößel wirkenden Anker, der durch Bestromung einer Spule bewegbar ist.
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Solche Sitzventile sind beispielsweise aus
DE 20 2015 100 601 U1 ,
DE 10 2004 057 873 A1 ,
DE 10 2004 061 800 A1 ,
DE 699 01 933 T2 , und
DE 100 48 938 A1 bekannt. Sitzventile werden bevorzugt in Hochdruckanwendungen verwendet, insbesondere zur Volumenstromregelung bei Hochdruckpumpen, wie sie beispielsweise in Common-Rail-Systemen von Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen Anwendung finden, in denen der Kraftstoff in einem Hochdruckspeicher unter hohem Druck vorgehalten und dann über eine gemeinsame Leitung in den jeweiligen Zylinder eingespritzt wird. Pro Zylinder ist ein Injektor vorhanden, der im geöffneten Zustand den Kraftstoff einspritzt. Bei einer derartigen Ausführung eines Sitzventils arbeitet der Proportionalmagnet der Magneteinheit gegen den Druck an, beispielsweise bei einem Aufbau mit Düse und Prallplatte. Derartige Sitzventile nehmen aber nicht nur eine geöffnete oder geschlossene Stellung ein, sondern können die Größe des Volumenstroms, der den Ventilsitz durchströmt, weitgehend stufenlos regeln. Diese Sitzventile können aber auch in anderen Hoch- oder Niederdruckumgebungen eingesetzt werden. Die Q/I-Kennlinie des Ventils, die den Durchfluss in L/min zur Stromstärke in A beschreibt, kann für solche Sitzventile sehr einfach eingestellt werden.
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Um den Volumenstrom kontrollieren zu können, sollte die Strömung möglichst laminar bleiben. Dies ist der Fall, wenn die Reynoldszahl der Re Strömung sich unter einem bestimmten kritischen Wert befindet. Die Reynoldszahl Re ist das Verhältnis von Trägheits- zu Zähigkeitskräften und wird durch die folgende Formel definiert: Re = ρ·ν·d / η wo ρ die Dichte des Fluids ist, ν die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids gegenüber dem Körper, η die Viskosität des Fluids und d die charakteristische Länge des Körpers. Unter dem kritischen Wert ist die Strömung eher laminar, während über diesem Wert Turbulenzen auftauchen können.
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Bei hohen Volumenströmen steigt die Reynoldszahl, so dass es zu Verwirbelungen und Strömungsablösungen im Bereich des Ventilsitzes kommen kann. Dies führt zur Instabilität des Ventils. Insbesondere kann das Schließelement unerwünschten Schwingungen ausgesetzt sein, so dass eine genaue Kontrolle der Position des Schließelements und des Volumenstroms nicht mehr möglich ist. Insbesondere kann die Q/I-Kennlinie des Ventils nicht mehr eingestellt werden.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein Sitzventil bereitzustellen, das Verwirbelungen im Bereich des Ventilsitzes minimiert bzw. vermeidet, ohne den Aufbau des Ventils zu verkomplizieren.
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Diese Aufgabe wird durch einen Ventilsitz mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß hat die Ventilbohrung einen sich verjüngenden Abschnitt. Ein erfindungsgemäßes Sitzventil weist außerdem mindestens ein Leitelement auf, das einen Zulauf einer vom Einlass bis zum Auslass laufenden Flüssigkeit zumindest in dem sich verjüngenden Abschnitt der Ventilbohrung in zumindest zwei Teilzuläufe aufspaltet, wobei das Schließelement als eine Kugel ausgebildet ist.
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Eine Aufspaltung des Zulaufs dient der Beruhigung der Verwirbelungen. Insbesondere können die Charakteristiken der Teilzuläufe so beeinflusst werden, dass keine oder nahezu keine Verwirbelungen vorkommen. Dies ist insbesondere möglich durch die Auswahl des Leitelements. Das Leitelement kann nämlich so ausgewählt sein, dass die Reynoldszahlen der entsprechenden Teilzuläufe im Vergleich zum Hauptzulauf verringert werden. Dies führt zu möglichst laminaren Zuläufen, die die Stabilität des Ventils und eine lineare Q/I-Kennlinie gewährleisten. Mit der Ausbildung des Schließelementes als eine Kugel kann eine sehr gute Dichtung zwischen Ventilsitz und Schließelement beim Schließen des Ventils erzeugt werden. Außerdem ist man in der Auswahl der Form für den Ventilsitz relativ frei. Zudem kann auf einfache Weise eine Volumenstromregelung realisiert werden. Insbesondere kann die Kennlinie des Ventils eingestellt werden.
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Vorzugsweise ist das Leitelement zylindrisch ausgebildet.
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Damit kann die Reynoldszahl der Teilzuläufe einfach verringert werden. Das Leitelement teilt nämlich den Zulauf in einen ersten Teilzulauf innerhalb des zylindrischen Teilelements und einen zweiten Teilzulauf außerhalb des zylindrischen Teilelements, wobei die Teilzuläufe entlang der Flächen des Teilelements geführt werden. Aufgrund der Geometrieänderung wird die Reynoldszahl automatisch verringert, so dass die Strömung sogar bei hohen Volumenströme laminar sein kann und das Ventil stabil ist. Außerdem ist ein zylindrisches Leitelement in seiner Herstellung einfach und das Ventil kann drehsymmetrisch bleiben.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist das Leitelement zumindest an seinem vorderen, dem Zulauf zugewandten Teil, konisch ausgebildet. Damit kann der Anstellwinkel des Zulaufs erhöht werden. So wird die Symmetrie des Zulaufs gestört, was zu einer Hysterese führen kann, die die Bildung von Verwirbelungen vermeidet.
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Das Leitelement kann ein Ende aufweisen, das in Richtung des Einlasses weist und nach innen abgekantet ist. Mit den Kanten können ebenfalls Hysteresen hergestellt werden, die die Bildung von Verwirbelungen vermeiden kann.
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Vorzugsweise taucht das zum Einlass weisende Ende des Leitelements in die Ventilbohrung ein. Damit kann die Effizienz des Leitelements noch vergrößert werden. Verwirbelungen erfolgen insbesondere in der Ventilbohrung, wo der Durchmesser für den Zulauf am engsten ist. Indem das Leitelement in die Ventilbohrung eintaucht, können die Teilzuläufe so früh wie möglich und so lang wie möglich gezielt geführt werden, so dass Verwirbelungen vermieden werden und ein ständig laminares Verhalten des Sitzventils möglich ist.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung weist das Leitelement zumindest eine Öffnung für den Zulauf der Flüssigkeit in Richtung des Auslasses auf.
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Durch die Öffnung kann, zum Beispiel im Fall eines zylindrischen Teilelements, der innere Teilzulauf in den Auslass geführt werden, wo er sich mit dem äußeren Teilzulauf trifft und wiedervereinigt.
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Vorzugsweise ist das Leitelement als eine Hülse ausgebildet, die um den Stößel herum angeordnet ist. Dies bildet eine besonders einfache und kompakte Anordnung des Leitelements. Das Leitelement kann dabei am Stößel fest angeordnet sein. Dies resultiert in einer stabilen und festen Anordnung am Ventil. Somit kann sich auch das Leitelement mit dem Stößel bewegen und noch weit in die Ventilbohrung eingeführt werden.
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Es ist besonders vorteilhaft, wenn der Stößel in der Zulaufrichtung von dem Einlass bis zu dem Auslass einen ersten zylindrischen Teil und einen zweiten zylindrischen Teil aufweist, wobei der zweite Teil einen Durchmesser aufweist, der größer als ein Durchmesser des ersten Teils ist. Zweckmäßigerweise ist das Leitelement dabei am zweiten Teil des Stößels fest angeordnet.
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Damit wird zwischen dem ersten Teil des Stößels und dem Leitelement ein Raum für den Teilzulauf gebildet, wobei der Durchmesser des Leitelements dem Durchmesser des zweiten Teils des Stößels entspricht. Insbesondere wenn das Leitelement zylindrisch oder konisch ausgebildet ist, sind in einem axialen Querschnitt zwei konzentrischen Ringspalte jeweils für einen Teilzulauf gebildet, wobei die charakteristische Länge eines Ringspalts mit der Ringbreite verbunden ist. Die Reynoldszahl jedes Teilzulaufs ist damit automatisch verringert. Damit ist es außerdem möglich abhängig von den Durchmesser der Teile des Stößels die Teilzuläufe zu kontrollieren.
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Vorzugsweise reicht die zumindest eine Öffnung des Leitelements zumindest bis zum zweiten Teil des Stößels. Damit kann der innere Teilzulauf ohne Behinderung durch die Öffnung im Leitelement zum Auslass auslaufen.
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Das zum Einlass weisende Ende des Leitelements kann zumindest bis zu einem zum Einlass weisende Ende des Stößels axial reichen. Damit taucht das Leitelement so weit wie möglich in das Sitzventil, so dass Verwirbelungen von Anfang an vermieden werden können. Die Teilzuläufe werden dann so lange wie möglich zwischen dem Leitelement und dem Stößel einerseits und dem Leitelement und dem Sitzventil andererseits geführt.
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Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist das Leitelement aus Metall gefertigt. Dies führt zu einer ausreichenden Stabilität. Außerdem können zylinderförmige Metallbleche einfach und kostengünstig hergestellt werden.
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Das Sitzventil gemäß der vorliegenden Anmeldung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Schnittansicht von der Seite eines Ausführungsbeispiels eines Sitzventils,
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2 einen vergrößerten Ausschnitt der Ansicht der 1,
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3 eine Diagramm der Q/I-Kennlinie eines Ventils ohne Leitelement und des Ventils der 1.
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In den nachfolgenden Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
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In 1 ist eine Schnittansicht von der Seite eines Ausführungsbeispiels eines Sitzventils 10 dargestellt.
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Das Sitzventil 10 weist ein im Wesentlichen topfförmiges Gehäuse 80 mit einem Boden 81, einen drehsymmetrischen Ventilkörper 20, einen zylinderförmigen Anker 60 sowie eine Spule 61 auf. Außerdem weist das Sitzventil 10 eine Drehachse A auf.
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Der Ventilkörper 20 ist innerhalb des Gehäuses 80 angeordnet und überragt axial das Gehäuse 80 in die Gegenrichtung des Bodens 81. Die Spule 62 ist in dem Gehäuse 80 teilweise um den Ventilkörper 20 herum angeordnet, wobei zwischen der Spule 62 und dem Ventilkörper 20 ein Spulenkörper 62 angeordnet ist, auf dem die Spule 62 sitzt.
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Der Ventilkörper 20 weist eine innere, zylindrische Bohrung um die Achse A auf, in der sich der Anker 60 axial bewegen kann. Durch Bestromung der Spule 61 ist der Anker 60 axial bewegbar. Der Anker 60 kann aus weichmagnetischen und/oder hartmagnetischen Materialien ausgebildet sein. Der Anker 60 ist in einer Hülse gehalten, die mit dem Inneren des Ventilkörpers 20 fluchtet. Der Anker 60 weist ebenfalls eine innere, zylindrische Bohrung um die Achse A auf, in der ein zylindrischer Stößel 50 angeordnet ist. Der Stößel 50 ist am Anker 60 befestigt und bewegt sich daher axial mit dem Anker 60. An einem in Richtung des Bodens 81 des Gehäuses 80 weisenden ersten Ende des Ankers 60 ist innerhalb des Ventilkörpers 20 eine Feder 63 angeordnet, die den Anker 60 und den Stößel 50 in Gegenrichtung des Gehäuses 80 beaufschlagt. Es ist auch denkbar, dass der Stößel 50 an einem dem ersten Ende des Ankers 60 gegenüberliegenden zweiten Ende angeordnet ist. Dann braucht der Stößel 50 an dem Anker 60 nicht befestigt sein und wird dann einfach durch den Anker 60 in axiale Richtung geschoben.
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Der Ventilkörper 20 weist einen Einlass 21 und einen Auslass 22 für den Zulauf der Flüssigkeit auf. Der Einlass 21 ist durch eine axiale kreisförmige Öffnung gebildet, die an einem ersten Ende des Ventilkörpers 20, das einem in Richtung des Bodens 81 des Gehäuses 80 weisende, zweiten Ende des Ventilkörpers 20 gegenüberliegt, angeordnet ist. Der Auslass 22 ist durch eine Vielfalt von radialen Öffnungen 23, vorliegend vier, gebildet. Zwischen dem Einlass 21 und dem Auslass 22 ist innerhalb des Ventilkörpers 20 ein Ventilsitz 30 mit einer Ventilbohrung 31, die den Einlass 21 und den Auslass 22 verbindet, angeordnet. Die Ventilbohrung 31 weist einen sich verjüngenden Abschnitt auf. Zwischen dem Einlass 21 und dem Ventilsitz 20 ist ein Schließelement 40 angeordnet, das an einem in Richtung des Einlasses 21 weisenden Ende 53 des Stößels 50 sitzt. Das Schließelement 40 kann an dem Stößel 50 befestigt sein. Es kann auch lose am Stößel 50 anliegen. Das Schließelement 40 ist im vorliegenden Beispiel kugelförmig ausgebildet. Es kann aber auch weitere Formen aufweisen. Ein Durchmesser des Schließelements 40 ist größer als ein Durchmesser des sich verjüngenden Abschnitts des Ventilsitzes 30, so dass das Schließelement 40 zwischen dem Einlass 21 und dem Ventilsitz 20 gefangen ist. Die Feder 63 beaufschlägt das Schließelement 40 durch den Stößel 50 in Richtung des Einlasses 21, so dass in einem nicht bestromten Zustand der Spule 61 das Schließelement 40 den Ventilsitz 30 nicht abdichtet. Ein Zulauf zwischen dem Einlass 21 und dem Auslass 22 ist daher möglich und das Ventil 10 befindet sich in einer offenen Stellung.
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An dem Schließelement 40 ist außerdem durch eine Federkappe 42 eine Feder 41 angeordnet. Die Feder 41 ist an einer Aufprallplatte 44 befestigt, die am Einlass 21 angeordnet ist. Die Feder 41 drückt das Schließelement 40 in axiale Richtung in Richtung des Ventilsitzes 30 und erlaubt eine besonders dichte Anordnung des Schließelements 40 in den Ventilsitzes 20, wenn das Ventil 10 geschlossen ist. Die Kraft der Feder 41 ist jedoch kleiner als die Kraft der Feder 63 ausgebildet.
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Die Feder 41 ist außerdem in einer inneren, axialen Bohrung eines im Wesentlichen zylindrischen Körpers 43 angeordnet, der selbst innerhalb einer inneren, axialen Bohrung des Ventilkörpers 20 angeordnet ist. Außerhalb des Ventilkörpers 20 ist dazu eine radiale, ringförmige Dichtung 24 angeordnet, die axiale Spannungen auf den Ventilkörper 20 und den Körper 43 ausübt, um den Körper 43 zu befestigen. Es ist auch denkbar, dass das Schließelement 40 zwischen dem Ventilsitz 30 und dem Auslass 22 angeordnet ist. Dann ist das Ventil 10 im nicht bestromten Zustand geschlossen.
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Wenn die Spule 61 bestromt ist, bewegt sich der Anker 60 in Richtung des Bodens 81 des Gehäuses 80 und in Gegenrichtung der Federkraft der Feder 63 entlang der Achse A und nimmt den Stößel 50 mit. Gleichzeitig drückt die Feder 41 das Schließelement 40 in den Ventilsitz 30, so dass der Zulauf zwischen dem Einlass 21 und dem Auslass 22 verringert wird. Abhängig von Strom kann die Position des Schließelements 40 eingestellt werden, um den Volumenstrom zu drosseln.
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In 2 ist ein vergrößerter Ausschnitt von 1 im Bereich des Ventilsitzes 30 dargestellt. In Richtung des Einlasses 21 ist der Ventilsitz 30 sich konisch erweiternd ausgebildet.
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Der Stößel 50 weist in der Zulaufrichtung vom Einlass 21 zum Auslass 22 entlang der Achse A an seinem Ende 53 einen ersten zylindrischen Teil 51 mit einem ersten Durchmesser, einen konischen Übergangsteil 55, einen zweiten zylindrischen Teil 52 mit einem zweiten Durchmesser sowie einen dritten zylindrischen Teil 54 mit einem dritten Durchmesser auf, wobei der Durchmesser des dritten Teils 54 größer als der Durchmesser des zweiten Teils 52 und der Durchmesser des zweiten Teils 52 größer als der Durchmesser des ersten Teils 51 ausgebildet sind.
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Ein Leitelement 70 ist im Bereich des Ventilsitzes 30 angeordnet. Das Leitelement 70 ist im vorliegenden Beispiel hohlzylinderförmig, wobei das Leitelement 70 als eine Hülse um den ersten Teil 51 und den zweiten Teil 52 des Stößels 50 ausgebildet ist. Das Leitelement 70 kann auch konisch ausgebildet sein, wobei das Leitelement 70 sich in Richtung des Ventilsitzes 30 vergrößert. Das Leitelement 70 kann ein Metallblech sein. Im vorliegenden Beispiel ist das Leitelement 70 am zweiten Teil 52 des Stößels 50 befestigt, so dass es sich mit dem Stößel 50 bewegt. In anderen Ausgestaltungen des Ventils 10 braucht das Leitelement 70 nicht am Stößel 50 befestigt zu sein, sondern ist beispielsweise am Gehäuse 80 des Sitzventils 10 festgelegt. Das Leitelement 70 ist außerdem an einem in Richtung des Einlasses 21 weisenden Ende 71 nach innen abgekantet. Das Ende 71 des Leitelements 70 reicht außerdem bis zum Ende 53 des Stößels 50, so dass zumindest ein Teil des Leitelements 70 bis in die Ventilbohrung 31 reicht. Dazu weist das Leitelement 70 eine Vielzahl von axialen Öffnungen 72, die sich zwischen einer Stelle am ersten Teil 52 bis zum zweiten Teil 51 erstrecken.
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Der Zulauf der Flüssigkeit vom Einlass 21 zum Auslass 22 ist in 1 und 2 durch Pfeile angedeutet. Wenn die Spule 61 bestromt ist, läuft das Medium durch den Ventilsitz 30. Aufgrund des Leitelements 70 spaltet sich in der Ventilbohrung 31 des Ventilsitzes 30 das Medium in zwei Teilzuläufe auf, wie in 2 gut sichtbar. Der erste Teilzulauf läuft zwischen einer äußeren Oberfläche des Stößels 50 und einer inneren Oberfläche des Leitelements 70 entlang der Achse A bis zu den Öffnungen 72 des Leitelements 70. Der zweite Teilzulauf läuft zwischen einer äußeren Oberfläche des Leitelements 70 und einer inneren Oberfläche des Ventilsitzes 30 entlang der Achse A. An den Öffnungen 72 des Leitelements 70 vereinigen sich die Teilzuläufe und werden bis zu den Öffnungen 23 des Auslasses 22 geführt. In einem radialen Querschnitt sind also in der Ventilbohrung 30 zwei Ringspalte durch das Leitelement 70 ausgebildet. Die charakteristische Länge eines Ringspalts hängt von der Spaltbreite ab. Indem die Spaltbreite jedes Ringspalts kleiner ist als die Spaltbreite zwischen dem Stößel 50 und dem Ventilsitzes 30, wird die Reynoldszahl für jeden Ringspalt mit Leitelement 70 im Vergleich zu der Reynoldszahl des einzelnen Ringspalts ohne Leitelement 70 kleiner. Mit der Reduktion der Reynoldszahl kann der Zulauf damit für hohe Volumenströme laminar gehalten werden.
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Es sind auch andere Formen des Leitelements 70 denkbar, die ebenfalls eine Reduzierung der Reynoldszahl und der Verwirbelungen im Bereich des Ventilsitzes 30 bezwecken. Insbesondere können mehrere Leitelemente 70 vorgesehen werden, um den Zulauf des Mediums in mehr als zwei Teilzuläufe aufzuspalten.
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3 zeigt die Q/I-Kennlinien eines Ventils ohne Leitelement 70 und des Ventils nach 1. Die Q/I-Kennlinie beschreibt den Durchfluss in Liter/Minute (L/min) zwischen dem Einlass 21 und dem Auslass 22 zur Stromstärke in der Spule 61 in A. Die Kennlinien weisen in einem bestimmten Bestromungsbereich linear eine konstante Steigung auf. Dies bedeutet, dass der Durchfluss durch die Bestromung der Spule 61 eingestellt werden kann. Es sind aber für das Ventil ohne Leitelement erhebliche Schwankungen sichtbar, die auf Verwirbelungen und Strömungsablösungen eines turbulenten Zulaufs zurückgehen. Solche Schwankungen sind unerwünscht. Im Gegensatz dazu zeigt das Ventil 10 mit Leitelement 70 gemäß der vorliegenden Erfindung eine Kennlinie ohne solche Schwankungen. Dies bedeutet, dass das Leitelement 70 die Schwankungen des Volumenstroms vermindert bzw. vermeidet. Mit dem Leitelement 70 kann nämlich eine möglichst laminare Strömung gewährleistet werden. Zusätzlich ist eine sichere Kontrolle des Volumenstroms möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Sitzventil
- 20
- Ventilkörper
- 21
- Einlass
- 22
- Auslass
- 23
- Öffnung
- 24
- Dichtung
- 30
- Ventilsitz
- 31
- Ventilbohrung
- 40
- Schließelement
- 41
- Feder
- 42
- Federkappe
- 43
- Körper
- 44
- Aufprallplatte
- 50
- Stößel
- 51
- Erster Teil
- 52
- Zweiter Teil
- 53
- Ende
- 54
- Dritter Teil
- 60
- Anker
- 61
- Spule
- 62
- Spulenträger
- 63
- Feder
- 70
- Leitelement
- 71
- Ende
- 72
- Öffnung
- 80
- Gehäuse
- 81
- Boden
- A
- Achse
