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Die Erfindung betrifft ein druckentlastetes Ventil, mit einem Ventilgehäuse, das eine Ventilkammer definiert, in die mehrere Ventilkanäle einmünden, wobei die kreisförmige Kanalmündung eines ersten Ventilkanals dieser mehreren Ventilkanäle von einem eine axiale Ventilsitzkante aufweisenden Ventilsitz umrahmt ist, dem in der Ventilkammer eine axial orientierte Verschlussfläche gegenüberliegt, die an einer vorderen Stirnseite eines eine Längsachse aufweisenden Ventilgliedes angeordnet ist, das im Rahmen einer in Achsrichtung seiner Längsachse orientierten Steuerbewegung zwischen einer den ersten Ventilkanal fluiddicht von der Ventilkammer abtrennenden Schließstellung, in der es die Kanalmündung des ersten Ventilkanals mit seiner Verschlussfläche abdeckt und gleichzeitig mit einem ringförmigen Dichtflächenabschnitt der Verschlussfläche abdichtend an dem Ventilsitz anliegt, und mindestens einer von dem Ventilsitz abgehobenen und dadurch einen Überströmquerschnitt zwischen dem ersten Ventilkanal und der Ventilkammer freigebenden Offenstellung bewegbar ist, wobei das Ventilglied eine axial entgegengesetzt zu der Verschlussfläche orientierte Kompensationsfläche aufweist, die eine Kompensationskammer begrenzt, die ständig über mindestens einen das Ventilglied durchsetzenden und mit mindestens einer Abgriffsöffnung in einem vom Zentrum der Verschlussfläche radial beabstandeten Bereich an der vorderen Stirnseite des Ventilgliedes ausmündenden Kompensationskanal mit dem der vorderen Stirnseite des Ventilgliedes axial vorgelagerten Bereich kommuniziert
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Ein aus der
DE 10 2007 050 151 A1 bekanntes Ventil dieser Art ist mit Druckentlastungsmaßnahmen ausgestattet, die einen Beitrag dazu leisten, dass das Ventilglied des Ventils mit einer relativ geringen Kraft betätigt werden kann. Das Ventilglied kann zwischen einer an einem Ventilsitz anliegenden Schließstellung und einer von dem Ventilsitz abgehobenen Offenstellung bewegt werden, wobei es in der Schließstellung einen ersten Ventilkanal von einer mit einem weiteren Ventilkanal verbundenen Ventilkammer fluiddicht abtrennt. Die Druckentlastungsmaßnahmen umfassen eine rückseitig dem Ventilglied zugeordnete Kompensationskammer, die durch einen Kompensationskanal hindurch ständig mit dem der vorderen Stirnseite des Ventilgliedes vorgelagerten Bereich in Fluidverbindung steht. Auf diese Weise herrscht in der Schließstellung des Ventilgliedes in der Kompensationskammer der gleiche Druck wie im ersten Ventilkanal, sodass die Schließstellung mit einer niedrigen Federkraft festgehalten werden kann, die sich mittels einer ebenfalls niedrigen Betätigungskraft überwinden lässt, um das Ventilglied in die Offenstellung umzuschalten. Da eine Antriebseinrichtung des Ventils mittels einer Stange im zentralen Bereich des Ventilgliedes angreift, ist die mit dem ersten Ventilkanal kommunizierende Abgriffsöffnung des Kompensationskanals in einem vom Zentrum des Ventilgliedes radial beabstandeten Bereich an der vorderen Stirnseite des Ventilgliedes angeordnet. Nimmt das Ventilglied eine Offenstellung ein, ergibt sich zwar auch eine gewisse Druckkompensation, wobei allerdings festgestellt wurde, dass die zum Offenhalten des Ventilgliedes aufzubringende Betätigungskraft um einiges größer ist als die zum Hervorrufen des Öffnungsvorganges benötigte Kraft.
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Aus der
DE 37 22 479 C2 ist ein Magnetventil bekannt, das als 3/2-Wegeventil konzipiert ist und das über ein Ventilglied verfügt, das mittels einer elektrisch aktivierbaren Antriebseinrichtung zwischen unterschiedlichen Schaltstellungen bewegbar ist. Bei diesem Magnetventil sind keine Druckentlastungsmaßnahmen verwirklicht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, Maßnahmen zu treffen, die auch in der Offenstellung des Ventilgliedes eine Beeinflussung der erforderlichen Betätigungskräfte durch den anstehenden Druck verringern.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist in Verbindung mit den eingangs genannten Merkmalen vorgesehen, dass sich die mindestens eine Abgriffsöffnung nach radial außen ausmündend an einem im zentralen Bereich der Verschlussfläche angeordneten und bezüglich dem Dichtflächenabschnitt der Verschlussfläche axial vorstehenden Druckabgriffsvorsprung des Ventilgliedes befindet, derart, dass durch die Abgriffsöffnung ein in dem der vorderen Stirnseite des Ventilgliedes axial vorgelagerten Bereich herrschender statischer Druck abgreifbar ist, wobei der Druckabgriffsvorsprung so geformt ist, dass in jeder Offenstellung des Ventilgliedes ein zwischen dem Druckabgriffsvorsprung und dem Ventilsitz vorhandener Ringspalt den kleinsten freigegebenen Überströmquerschnitt zwischen dem ersten Ventilkanal und der Ventilkammer definiert.
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Wenn sich bei dem erfindungsgemäßen Ventil das Ventilglied in der Schließstellung befindet, herrscht in dem ersten Ventilkanal und in der über den Kompensationskanal damit verbundenen Kompensationskammer der gleiche Druck, woraus eine Kompensation der Druckkraft resultiert. Dabei ist eine zumindest im Wesentlichen vollständige Kompensation realisierbar, wenn, was bevorzugt der Fall ist, die vom Ventilsitz der Kanalmündung des ersten Ventilkanals umrahmte Fläche gleich groß gewählt ist wie die am Ventilglied ausgebildete Kompensationsfläche. Hinzu kommt, dass auch in jeder Offenstellung des Ventilgliedes eine wirksame kräftemäßige Kompensation des am Ventilglied anstehenden Druckes eintritt. Dies hat seine Ursache darin, dass die mit radialem Abstand zum Zentrum der Verschlussfläche angeordnete mindestens eine Abgriffsöffnung radial orientiert ist und somit in dem der vorderen Stirnseite des Ventilgliedes vorgelagerten Bereich im Wesentlichen nur den statischen Druck abgreift, sodass auch nur dieser abgegriffene statische Druck in der Kompensationskammer ansteht. Dieser abgegriffene statische Druck ist geringer als der Gesamtdruck beziehungsweise Systemdruck, weil das in der Offenstellung zwischen dem ersten Ventilkanal und der Ventilkammer überströmende Druckmedium einen dynamischen Druck hervorruft, der mit zunehmender Nähe zum Rand der Kanalmündung des ersten Ventilkanals zunimmt und dort aufgrund eines Anstieges der Strömungsgeschwindigkeit für ein entsprechendes Absinken des statischen Druckes sorgt. Mithin wirkt auf die Verschlussfläche des Ventilgliedes insgesamt eine nichtlineare statische Druckverteilung, die zur Folge hat, dass der in der Öffnungsrichtung wirksame statische Druck in der Offenstellung des Ventilgliedes geringer ist als der Gesamtdruck bzw. Systemdruck. Indem nun der Kompensationskammer mit Hilfe der radial orientierten Abgriffsöffnung ein statischer Druck auferlegt wird, der geringer ist als dieser Gesamt- bzw. Systemdruck, ergibt sich eine Verringerung der auf das Ventilglied einwirkenden und aus dem Fluiddruck resultierenden Schließkraft. Folglich kann das Ventilglied mit einer geringen Betätigungskraft in der Offenstellung festgehalten werden.
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Bevorzugt wird die radial orientierte Abgriffsöffnung derart mit radialem Abstand zum Zentrum der Verschlussfläche platziert, dass sie einen statischen Druck abgreift, der zumindest im Wesentlichen dem die gesamte Verschlussfläche beaufschlagenden durchschnittlichen statischen Druck entspricht, sodass sich zumindest annähernd eine vollständige Druckkraftkompensation in den Offenstellungen des Ventilgliedes einstellt. Die geeignete Position wird entweder versuchsweise oder mittels geeigneter Berechnungsmethoden bestimmt.
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Ein weiterer wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht in der besonderen Formgebung des Druckabgriffsvorsprunges. Dieser ist so gestaltet, dass der zwischen ihm und dem Ventilsitz vorhandene Ringspalt in jeder Offenstellung des Ventilgliedes den kleinsten zwischen dem ersten Ventilkanal und der Ventilkammer freigegebenen Überströmquerschnitt definiert. Der maximal mögliche Durchfluss wird also unabhängig vom Öffnungsgrad des Ventilgliedes nicht von dem axialen Zwischenraum zwischen dem Ventilsitz und dem Dichtflächenabschnitt bestimmt, sondern ausschließlich von dem besagten Ringspalt. Insbesondere tritt auch kein örtlicher Wechsel des den kleinsten Überströmquerschnitt definierenden Bereiches auf, sodass das Ventil ein stetiges Verhalten besitzt. Um dennoch einen möglichst hohen Durchfluss zu gewährleisten, ist es allerdings vorteilhaft, den Druckabgriffsvorsprung so zu gestalten, dass die Querschnittsfläche des Ringspaltes nur minimal kleiner ist als die Querschnittsfläche des sich hubabhängig zwischen dem Ventilsitz und dem Dichtflächenabschnitt einstellenden axialen Zwischenraumes.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Bevorzugt ist der Druckabgriffsvorsprung kappenförmig gestaltet ist und hat eine sich ausgehend von dem Dichtflächenabschnitt zu einem vorderen Scheitelbereich hin verjüngende Formgebung.
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Besonders zweckmäßig ist es den Druckabgriffsvorsprung so zu gestalten, dass er über seine gesamte Höhe hinweg einen zu seiner Hochachse konzentrischen kreisförmigen Außendurchmesser "DS" aufweist. Die Hochachse des Druckabgriffsvorsprunges fällt mit der Längsachse des Ventilgliedes zusammen.
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Bevorzugt hat der Druckabgriffsvorsprung ringsum eine konvex gekrümmte Mantelfläche. Dies begünstigt das Strömungsverhalten des zu steuernden Fluides.
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Als besonders zweckmäßig wird es angesehen, den Druckabgriffsvorsprung paraboloidförmig zu gestalten.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Ventils hat dass der Druckabgriffsvorsprung eine mit der Längsachse des Ventilgliedes zusammenfallende Hochachse und ist so geformt, dass sein zu dieser Hochachse konzentrischer Außendurchmesser "DS" abhängig von dem bezüglich einer den Dichtflächenabschnitt enthaltenden Bezugsebene gemessenen Abstand "h" der folgenden Formel entspricht:
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Dabei bezeichnet "DA" den Durchmesser eines sich unmittelbar an die vom Ventilsitz umrahmte Kanalmündung anschließenden kreiszylindrischen Kanalendabschnittes des ersten Ventilkanals und "DM" den Durchmesser der Ventilsitzkante des Ventilsitzes. Der Außendurchmesser "DS" ist also in zu der Bezugsebene parallelen Ebenen gemessen, die um den Betrag "h" von der Bezugsebene beabstandet sind. Dieser Betrag "h" entspricht, von der Schließstellung aus gemessen, dem jeweiligen Öffnungshub des Ventilgliedes.
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In dem Druckabgriffsvorsprung ist bevorzugt mindestens ein zur Mantelfläche des Druckabgriffsvorsprunges ausmündender Schlitz ausgebildet, in den mindestens eine Abgriffsöffnung in einem zu der Mantelfläche beabstandeten Bereich einmündet, zweckmäßigerweise an einer Grundfläche des Schlitzes. Auf diese Weise kann die Abgriffsöffnung unabhängig von der Formgebung der Mantelfläche des Druckabgriffsvorsprunges so platziert werden, dass sie den für die Druckkompensation gewünschten statischen Druck abgreifen kann.
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Jeder Schlitz erstreckt sich zweckmäßigerweise in einer als Schlitzebene bezeichneten Ebene, die durch die Längsachse des Ventilgliedes und durch eine hierzu radiale Achse aufgespannt ist.
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Es ist des Weiteren vorteilhaft, wenn die mindestens eine Abgriffsöffnung so platziert ist, dass sie axial zumindest im Wesentlichen auf gleicher Höhe mit dem Dichtflächenabschnitt der Verschlussfläche des Ventilgliedes liegt.
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Vorzugsweise sind in dem Druckabgriffsvorsprung mehrere um die Längsachse des Ventilgliedes herum verteilt angeordnete Abgriffsöffnungen vorgesehen, wobei sich insbesondere eine Anzahl von drei oder vier Stück empfiehlt. Diese mehreren Abgriffsöffnungen kommunizieren vorzugsweise mit ein und demselben Kompensationskanal. Es liegt zweckmäßigerweise eine gleichmäßige Umfangsverteilung der Mehrzahl von Abgriffsöffnungen vor.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung verfügt über einen Kompensationskanal, der sich axial in den stirnseitig geschlossenen Druckabgriffsvorsprung hinein erstreckt, wobei jede Abgriffsöffnung von einer radialen Durchbrechung gebildet ist, die eine Wandung des Druckabgriffsvorsprunges durchsetzt.
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Der den Kompensationskanal an der dem ersten Ventilkanal zugewandten Stirnseite verschließende Wandabschnitt des Druckabgriffsvorsprunges ist mit seiner dem ersten Ventilkanal axial zugewandte Außenfläche dem Druck ausgesetzt, der in dem der vorderen Stirnseite des Ventilgliedes vorgelagerten Bereich herrscht. Die entgegengesetzte axiale Innenfläche dieses Wandabschnittes ist hingegen dem durch die mindestens eine Abgriffsöffnung abgegriffenen statischen Druck ausgesetzt und bildet einen Bestandteil der Kompensationsfläche.
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Die Verschlussfläche und jede Abgriffsöffnung gehören zweckmäßigerweise zu einem Verschlusskörper des Ventilgliedes, der an einem diesbezüglichen separaten Hauptkörper des Ventilgliedes befestigt ist. Während der Hauptkörper zweckmäßigerweise aus einem starren Material besteht, ist der Verschlusskörper vorzugsweise aus einem Elastomermaterial hergestellt. Auf diese Weise ergibt sich eine optimale Dichtwirkung, wenn der Verschlusskörper mit dem Dichtflächenabschnitt der Verschlussfläche auf der Ventilsitzkante das Ventilsitzes aufliegt.
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Die Erfindung lässt sich prinzipiell bei Ventilen beliebiger Funktionalität realisieren. Besonders vorteilhaft erweist sich die erfindungsgemäße Ausgestaltung in Verbindung mit einem 2/2-Wegeventil, bei dem außer dem ersten Ventilkanal nur noch ein zweiter Ventilkanal in die Ventilkammer einmündet.
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Die Erfindung lässt sich sowohl bei Schaltventilen als auch bei Proportionalventilen vorteilhaft verwirklichen.
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Damit zur Aufrechterhaltung der Schließstellung des Ventils keine externe Energie aufzuwenden ist, ist es vorteilhaft, wenn das Ventilglied durch Federmittel ständig in Richtung seiner Schließstellung vorgespannt ist. Eine Antriebseinrichtung des Ventils hat die Kraft der Federmittel zu überwinden, um das Ventilglied in eine Offenstellung umzuschalten und in der gewünschten Offenstellung festzuhalten.
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Vorzugsweise ist das Ventil mit einer elektrisch betätigbaren Antriebseinrichtung zur Erzeugung der Steuerbewegung des Ventils ausgestattet. Es handelt sich dabei insbesondere um eine mit einer elektrischen Spuleneinheit ausgestattete Antriebseinrichtung. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Ventil um ein Magnetventil. Insbesondere bei einer Ausgestaltung als Proportionalventil ist es vorteilhaft, wenn die elektrische Antriebseinrichtung eine elektromagnetische Antriebseinrichtung ist, die nach dem elektrodynamischen Wirkprinzip arbeitet.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:
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1 eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ventils in einem Längsschnitt entlang der Längsachse des Ventilgliedes, wobei die Schließstellung des Ventilgliedes illustriert ist,
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2 einen weiteren Längsschnitt des Ventils in der Schließstellung des Ventilgliedes in einer bezüglich 1 um 90° verdrehten Schnittebene,
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3 das Ventil aus 1 und 2 in einer vergleichbaren Schnittdarstellung mit einer Schnittebene entsprechend 1, wobei das Ventilglied in einer Offenstellung gezeigt ist, die zwischen der Schließstellung und der maximalen Offenstellung liegt,
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4 das Ventil der 1 bis 3 in einem Längsschnitt mit der gleichen Schnittebene wie 2, wobei das Ventilglied in einer maximalen Offenstellung gezeigt ist und wobei der strichpunktiert umrahmte Ausschnitt auch nochmals vergrößert dargestellt ist,
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5 eine Vorderansicht eines das Ventilglied und eine Antriebseinrichtung für das Ventilglied umfassenden Bestandteils des Ventils mit Blickrichtung gemäß Pfeil V aus 4, und
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6 eine perspektivische Einzeldarstellung des Ventilgliedes mit schrägem Blick auf die den Druckabgriffsvorsprung 45 aufweisende Vorderseite des Ventilgliedes.
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Das in seiner Gesamtheit mit Bezugsziffer 1 bezeichnete Ventil verfügt über ein Ventilgehäuse 2, das bevorzugt mehrteilig ausgebildet ist und das in seinem Innern eine Ventilkammer 3 aufweist.
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In die Ventilkammer 3 münden mehrere Ventilkanäle, bei denen es sich exemplarisch um einen ersten Ventilkanal 4 und um einen zweiten Ventilkanal 5 handelt. Jeder Ventilkanal 4, 5 mündet an seiner entgegengesetzten Seite über eine Anschlussöffnung 6 zu einer Außenfläche des Ventilgehäuses 2 aus, sodass die Möglichkeit besteht, eine weiterführende Fluidleitung anzuschließen.
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Bei einer typischen Betriebsweise des Ventils 1 wird der erste Ventilkanal 4 als mit einer externen Druckquelle P verbundener Einlasskanal und der zweite Ventilkanal 5 als mit einem Verbraucher V verbundener Auslasskanal genutzt. Eine umgekehrte Nutzung ist ebenfalls möglich.
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Das Ventil 1 erlaubt eine Steuerung der Fluidströmung zwischen dem ersten Ventilkanal 4 und dem zweiten Ventilkanal 5. Hierzu enthält das Ventil 1 ein bewegliches Ventilglied 13. Bevorzugt wird das Ventil 1 zur Steuerung von Druckluft eingesetzt, wenngleich es sich auch zur Steuerung anderer fließfähiger Medien eignet.
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Der erste Ventilkanal 4 mündet mit einer im Folgenden zur besseren Unterscheidung als erste Kanalmündung 7 bezeichneten Kanalmündung in die Ventilkammer 3 ein. Die erste Kanalmündung 7 ist kreisförmig gestaltet und markiert das axiale Ende eines kreiszylindrischen Kanalendabschnittes 4a des ersten Ventilkanals 4.
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Die erste Kanalmündung 7 ist von einem der Ventilkammer 3 zugewandten ringförmigen Ventilsitz 8 umrahmt. Dieser Ventilsitz 8 verfügt über eine axial in Richtung der Ventilkammer 3 vorstehende Ventilsitzkante 8a. Die Ventilsitzkante 8a erstreckt sich konzentrisch rings um eine Kanallängsachse 9, bei der es sich um die Längsachse des Kanalendabschnittes 4a des ersten Ventilkanals 4 handelt.
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Der Ventilsitz 8 hat zweckmäßigerweise einen abgerundeten Übergang zwischen dem Kanalendabschnitt 4a und der Ventilsitzkante 8a. Daher ist der Durchmesser "DA" des Kanalendabschnittes 4a geringfügig kleiner als der Durchmesser "DM" der Ventilsitzkante 8a. Die Abrundung begünstigt das Verschleißverhalten seitens des Ventilgliedes 13, kann aber prinzipiell auch entfallen, wobei dann der Durchmesser "DM" der Ventilsitzkante 8a dem Durchmesser "DA" des Kanalendabschnittes 4a entspricht.
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Der zweite Ventilkanal 5 mündet abseits der ersten Kanalmündung 7 in die Ventilkammer 3 ein, wobei seine Kanalmündung als zweite Kanalmündung 12 bezeichnet sei. Während die Fluidverbindung zwischen der Ventilkammer 3 und der zweiten Kanalmündung 12 ständig offen ist, ist die Fluidverbindung zwischen der ersten Kanalmündung 7 und der Ventilkammer 3 mittels des Ventilgliedes 13 steuerbar.
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Das Ventilglied 13 hat vorzugsweise eine längliche Gestalt und verfügt über eine imaginäre Längsachse 14. Es ist so ausgerichtet, dass seine Längsachse 14 mit der ebenfalls imaginären Kanallängsachse 9 des Kanalendabschnittes 4a zusammenfällt.
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Das Ventilglied 13 erstreckt sich exemplarisch in einer Ventilgliedaufnahme 16 des Ventilgehäuses 2, die an einer Vorderseite in die Ventilkammer 3 übergeht. Folglich schließt sich die Ventilgliedaufnahme 16 an die Ventilkammer 3 an. Das Ventilglied 13 hat einen vorderen Endabschnitt 17, mit dem es aus der Ventilgliedaufnahme 16 herausragt und in die Ventilkammer 3 hineinragt. Dabei ist eine axial orientierte vordere Stirnseite 18 des Ventilgliedes 13 dem Ventilsitz 8 und der ersten Kanalmündung 7 zugewandt.
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Die Ventilgliedaufnahme 16 ist peripher und an der der Ventilkammer 3 axial entgegengesetzten Seite durch das Ventilgehäuse 2 verschlossen. Ein auf der der Ventilkammer 3 axial entgegengesetzten Seite des Ventilgliedes 13 befindlicher Endabschnitt der Ventilgliedaufnahme 16 bildet eine hinsichtlich ihrer Funktion noch zu erläuternde Kompensationskammer 22. Sie ist einerseits vom Ventilgehäuse 2 und andererseits von einer axial in die gleiche Richtung wie der Ventilsitz 8 weisenden Fläche begrenzt, die als Kompensationsfläche 42 bezeichnet sei. Die Kompensationsfläche 42 ist am Ventilglied 13 ausgebildet, das folglich eine bewegliche Wand der Kompensationskammer 22 bildet.
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Ein zwischen dem Ventilglied 13 und dem Ventilgehäuse 2 angeordnetes Dichtelement 25 bildet eine dynamische Abdichtung und sorgt für eine fluiddichte Abschottung der Kompensationskammer 22 gegenüber den anderen Bereichen der Ventilgliedaufnahme 16.
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An der vorderen Stirnseite 18 verfügt das Ventilglied 13 über eine Stirnfläche, die aufgrund ihrer Funktion als Verschlussfläche 26 bezeichnet sei. Die Verschlussfläche 26 erstreckt sich sowohl über die erste Kanalmündung 7 als auch über den Ventilsitz 8 hinweg. Ein zu der Längsachse 14 koaxialer, ringförmiger Flächenabschnitt der Verschlussfläche 26 liegt dem Ventilsitz 8 axial gegenüber und sei als Dichtflächenabschnitt 26a bezeichnet. Sein Innendurchmesser ist bevorzugt etwas kleiner als der Durchmesser der Ventilsitzkante 8a, während sein Außendurchmesser diesbezüglich zumindest geringfügig größer ist. Der ringförmige Dichtflächenabschnitt 26a liegt in einer zu der Längsachse 14 rechtwinkeligen Ebene, die im Folgenden auch als Bezugsebene 59 bezeichnet sei.
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Auf Veranlassung einer Antriebseinrichtung 27 des Ventils 1, die bevorzugt von elektrisch betätigbarer Art ist, kann das Ventilglied 13 zu einer durch einen Doppelpfeil angedeuteten linearen Steuerbewegung 28 angetrieben werden. Dadurch kann das Ventilglied 13 wahlweise in einer ersten Bewegungsrichtung im Sinne einer Annäherung an den Ventilsitz 8 oder in einer diesbezüglich entgegengesetzten zweiten Bewegungsrichtung bewegt werden.
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Im Rahmen der Steuerbewegung 28 kann das Ventilglied 13 in unterschiedlichen Schaltstellungen positioniert werden. Eine dieser Schaltstellungen ist die aus 1 und 2 ersichtliche Schließstellung, in der das Ventilglied 13 mit seinem Dichtflächenabschnitt 26a unter Abdichtung an der Ventilsitzkante 8a anliegt und dabei gleichzeitig mit dem radial innerhalb der Ventilsitzkante 8a liegenden Flächenabschnitt der Verschlussfläche 26 die erste Kanalmündung 7 abdeckt. Auf diese Weise ist der erste Ventilkanal 4 von der Ventilkammer 3 und dem damit ständig verbundenen zweiten Ventilkanal 5 abgetrennt. Beim Ausführungsbeispiel ist dadurch der Verbraucher V von der Druckquelle P abgekoppelt.
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Bevorzugt ist das Ventil 1 mit Federmitteln 32 ausgestattet, die das Ventilglied 13 ständig in Richtung der Schließstellung vorspannen. Die Federmittel 32 sind insbesondere so ausgelegt, dass das Ventilglied 13 im deaktivierten Zustand der Antriebseinrichtung 27 in der Schließstellung festgehalten wird, auch wenn im ersten Ventilkanal 4 der Systemdruck ansteht. Die Antriebseinrichtung 27 ist daher so auszulegen, dass sie in der Lage ist, die Federkräfte der Federmittel 32 zu überwinden, um das Ventilglied 13 in eine vom Ventilsitz 8 abgehobene Offenstellung zu bewegen und so lange wie gewünscht in dieser Offenstellung festzuhalten.
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Bei den Federmitteln 32 handelt es sich insbesondere um mechanische Federmittel. Exemplarisch sind sie von einer Druckfeder gebildet. Beispielsweise sind die Federmittel 32 axial zwischen einen dem vorderen Endabschnitt 17 entgegengesetzten hinteren Endabschnitt 23 des Ventilgliedes 13 und eine die Ventilgliedaufnahme 16 rückseitig begrenzende Begrenzungswand 33 des Ventilgehäuses 2 eingegliedert. Die Begrenzungswand 33 kann ein fester Wandabschnitt des Ventilgehäuses 2 oder auch ein separates Verschlusselement sein.
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Die Antriebseinrichtung 27 ist bevorzugt von elektrisch betätigbarer Art. Durch Anlegen einer externen Betätigungsspannung kann die Antriebseinrichtung 27 eine Betätigungskraft hervorrufen, die die Steuerbewegung 28 bewirkt.
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Zweckmäßigerweise verfügt die elektrisch betätigbare Antriebseinrichtung 27 über eine elektrische Spuleneinheit 34, deren Bestromung ein Magnetfeld hervorruft. Die Spuleneinheit 34 ist beim Ausführungsbeispiel am Ventilgehäuse 2 angeordnet und kooperiert mit einem am Ventilglied 13 angeordneten oder unmittelbar von einem Abschnitt des Ventilgliedes 13 gebildeten Kooperationspartner 35. Bei dem Kooperationspartner 35 handelt es sich beispielsweise um eine Permanentmagneteinheit, die mit der Spuleneinheit 34 nach dem elektrodynamischen Wirkprinzip kooperiert. Es ist aber auch möglich, den Kooperationspartner 35 als ferromagnetische Einheit zu konzipieren, die nach dem Reluktanzprinzip mit der Spuleneinheit 34 zusammenwirkt. Entsprechend einem nicht illustrierten Ausführungsbeispiel ist auch ein umgekehrter Aufbau möglich, sodass die Spuleneinheit 34 am Ventilglied 13 und der diesbezügliche Kooperationspartner 35 am Ventilgehäuse 2 angeordnet ist.
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Es versteht sich, dass die Antriebseinrichtung 27 auch nach einem anderen als dem beschriebenen Funktionsprinzip aufgebaut sein kann.
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Durch entsprechende Betätigung der Antriebseinrichtung 27 kann das Ventilglied 13 aus der in den 1 und 2 illustrierten Schließstellung in mindestens eine Offenstellung bewegt werden, in der es unter Ausführung der Steuerbewegung 28 von dem Ventilsitz 8 abgehoben und diesbezüglich axial entfernt ist. Auf diese Weise ist die erste Kanalmündung 7 offen und es ist ein Überströmquerschnitt zwischen dem ersten Ventilkanal 4 und der Ventilkammer 3 freigegeben, der einen Fluidübertritt ermöglicht. Exemplarisch wird dadurch der Verbraucher V aus der Druckquelle P mit Druckmedium versorgt.
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Das Ventil 1 kann als Schaltventil ausgeführt sein, das nur eine einzige Offenstellung aufweist, wobei das Ventilglied 13 wahlweise entweder in der Schließstellung oder in der einzigen, maximalen Offenstellung positionierbar ist. Hiervon abweichend ist das Ventil 1 des Ausführungsbeispiels in vorteilhafter Weise als ein Proportionalventil ausgebildet, bei dem das Ventilglied 13 in Abhängigkeit von der Höhe der angelegten Betätigungsspannung in unterschiedlichen Offenstellungen positionierbar ist, die sich durch den axialen Abstand zwischen den Dichtflächenabschnitt 26a und der Ventilsitzkante 8a voneinander unterscheiden. Dieser Abstand bestimmt den freien Überströmquerschnitt, der dem Druckmedium für den Übertritt zwischen dem ersten Ventilkanal 4 und der Ventilkammer 3 zur Verfügung steht. Auf diese Weise lassen sich mittels des Ventils 1 unterschiedliche Strömungsraten vorgeben.
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In der Zeichnung ist in 4 eine maximale Offenstellung des Ventilgliedes 13 gezeigt. Hier hat der in Achsrichtung der Längsachse 14 gemessene axiale Abstand zwischen dem Dichtflächenabschnitt 26a und der Ventilsitzkante 8a ein Maximum. Im Vergleich dazu illustriert die 3 eine Zwischen-Offenstellung zwischen der Schließstellung der 1 und 2 und der maximalen Offenstellung der 4.
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Der dem Fluid in den Offenstellungen zur Verfügung stehende freie Überströmquerschnitt ist von demjenigen Bereich bestimmt, der den geringsten Abstand zwischen dem Ventilsitz 8 und der Verschlussfläche 26 des Ventilgliedes 13 definiert. Aufgrund einer besonderen Ausgestaltung der Verschlussfläche 26 ist dieser Bereich in keiner Offenstellung des Ventilgliedes 13 von dem axialen Zwischenraum zwischen der Ventilsitzkante 8a und dem Dichtflächenabschnitt 26a definiert. Die Querschnittsfläche dieses axialen Zwischenraumes ist stets größer als der kleinste freigegebene Überströmquerschnitt, der von einem Ringspalt 50 gebildet ist, der sich zwischen dem Ventilsitz 8 und einem den Dichtflächenabschnitt 26a axial in Richtung zu der ersten Kanalmündung 7 überragenden axialen Vorsprung 45 des Ventilgliedes 13 befindet, der im Folgenden aufgrund seiner eigentlichen Funktion als Druckabgriffsvorsprung 45 bezeichnet wird.
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Der Druckabgriffsvorsprung 45 befindet sich im zentralen Bereich der Verschlussfläche 26. Er hat eine als Mantelfläche 58 bezeichnete Außenfläche, die einen zentralen Flächenabschnitt der Verschlussfläche 26 bildet und die radial außen konzentrisch von dem ringförmigen Dichtflächenabschnitt 26a umschlossen ist.
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Bevorzugt ist der Druckabgriffsvorsprung 45 kappenförmig gestaltet und weist eine konvex gekrümmte Mantelfläche 58 auf, die sich zu einem vorderen Scheitelbereich 62 hin verjüngt. Der vordere Scheitelbereich 62 liegt auf einer Hochachse 49 des Druckabgriffsvorsprungs 45, die mit der Längsachse 14 des Ventilgliedes 13 zusammenfällt, wobei der Scheitelbereich 62 denjenigen Bereich der Verschlussfläche 26 definiert, der am weitesten axial von dem Dichtflächenabschnitt 26a beziehungsweise der durch den Dichtflächenabschnitt 26a definierten Bezugsebene 59 entfernt ist.
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Über seine gesamte, in Achsrichtung der Hochachse 49 gemessene Höhe hinweg hat der Druckabgriffsvorsprung 45 einen zu der Hochachse 49 konzentrischen kreisförmigen Außendurchmesser "DS". Dieser Außendurchmesser "DS" verändert sich über die Höhe des Druckabgriffsvorsprunges 45. Die Mantelfläche 58 ist insbesondere so gestaltet, dass der Außendurchmesser "DS" des Druckabgriffsvorsprunges 45 im Bereich des Dichtflächenabschnittes 26a ein Maximum hat und sich ausgehend von dort bis hin zu dem Scheitelbereich 62 kontinuierlich verringert.
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Als besonders zweckmäßig wird es angesehen, die Mantelfläche 58 des Druckabgriffsvorsprunges 45 entsprechend einem Paraboloid zu gestalten.
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Zweckmäßigerweise hat die Mantelfläche
58 des Druckabgriffsvorsprunges
45 eine Formgebung, bei der der Außendurchmesser "DS" eine spezielle Funktion des Abstandes "h" ist, den der jeweils betrachtete Durchmesserbereich von der Bezugsebene
59 aufweist. Diese Funktion ist durch die nachstehende Formel definiert:
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Dabei ist, wie weiter oben schon erwähnt, "DA" der Durchmesser des Kanalendabschnittes 4a und "DM" der Durchmesser der Ventilsitzkante 8a.
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Um trotz des Druckabgriffsvorsprunges 45 einen möglichst hohen Durchfluss zu ermöglichen, wird die Mantelfläche 58 bevorzugt so gestaltet, dass der Querschnitt des Ringspaltes 50 in jeder Offenstellung des Ventilgliedes 13 nur minimal kleiner ist als der Querschnitt des zwischen dem Dichtflächenabschnitt 26a und der Ventilsitzkante 8a vorhandenen axialen Zwischenraumes.
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Durch die geschilderte besondere Gestaltung der Verschlussfläche 26 wird erreicht, dass der engste freie Strömungsquerschnitt stets ein zwischen dem Ventilsitz 8 und dem Druckabgriffsvorsprung 45 definierter Ringspalt 50 ist und niemals der Fall auftreten kann, dass sich der kleinste freie Strömungsquerschnitt in den axialen Zwischenraum zwischen dem Ventilsitz 8 und dem Dichtflächenabschnitt 26a verlagert. Auf diese Weise bleiben die im Bereich der Verschlussfläche 26 herrschenden Strömungskräfte relativ gleichmäßig und es ergeben sich keine sprunghaften Änderungen, die die elektrische Ansteuerung des Ventils 1 erschweren.
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Das Vorhandensein des Druckabgriffsvorsprunges 45 hängt mit der angestrebten Kompensation der an dem Ventilglied 13 angreifenden fluidischen Druckkräfte zusammen. Darauf wird nachstehend eingegangen.
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Das Ventilglied 13 ist in seiner axialen Richtung von mindestens einem und bevorzugt von genau einem Fluidkanal durchsetzt, der aufgrund seiner Funktion im Folgenden als Kompensationskanal 36 bezeichnet sei. Der Kompensationskanal 36 mündet einerseits zur vorderen Stirnseite 18 des Ventilgliedes 13 und andererseits in die Kompensationskammer 22 aus. Exemplarisch hat der Kompensationskanal 36 eine hintere Kanalmündung 37, die rückseitig am Ventilglied 13 so platziert ist, dass sie zu der Kompensationskammer 22 offen ist.
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An der vorderen Stirnseite 18 des Ventilgliedes 13 mündet der Kompensationskanal 36 mit mindestens einer vorderen Kanalmündung aus, die im Folgenden aufgrund ihrer Druckabgriffsfunktion als Abgriffsöffnung 38 bezeichnet sei. Die mindestens eine Abgriffsöffnung 38 greift einen im Folgenden nur noch als "Druck" bezeichneten Fluiddruck aus dem der vorderen Stirnseite 18 des Ventilgliedes 13 vorgelagerten Bereich ab, sodass der abgegriffene Druck in gleicher Höhe auch in der Kompensationskammer 22 und folglich an der Kompensationsfläche 42 ansteht.
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Bei dem durch die mindestens eine Abgriffsöffnung 38 abgreifbaren beziehungsweise abgegriffenen Druck handelt es sich um einen statischen Druck, was im Folgenden noch näher erläutert wird.
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Das beispielhaft illustrierte Ventil 1 ist mit mehreren Abgriffsöffnungen 38 ausgestattet, könnte aber auch mit nur einer einzigen Abgriffsöffnung 38 versehen sein. Zur Vereinfachung wird im Folgenden in der Regel nur von der Abgriffsöffnung 38 die Rede sein, auch wenn mehrere Abgriffsöffnungen 38 gemeint sind.
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Der Kompensationskanal 36 bewirkt, dass in der Kompensationskammer 22 der durch die Abgriffsöffnung 38 abgegriffene Druck herrscht. Dies hat den Effekt, dass das Ventilglied 13 in beiden axialen Richtungen von einem Fluiddruck beaufschlagt ist, was eine gewisse Kompensation der fluidischen Druckkräfte bewirkt und den Effekt hat, dass zum Bewegen und Festhalten des Ventilgliedes 13 eine sehr geringe Betätigungskraft notwendig ist. Dementsprechend kann das Ventil 1 energiesparend und ohne ausgeprägte Wärmeentwicklung betrieben werden.
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Befindet sich das Ventilglied 13 in der Schließstellung, ergibt sich die in 1 und 2 illustrierte Konstellation, bei der keine Fluidströmung zwischen dem ersten Ventilkanal 4 und der Ventilkammer 3 stattfindet. Folglich ist die Verschlussfläche 26 in demjenigen Flächenabschnitt, der sich innerhalb der Ventilsitzkante 8a befindet, von einem statischen Druck beaufschlagt, der dem Gesamtdruck beziehungsweise Systemdruck entspricht, der in Ermangelung eines strömenden Fluides keine dynamischen Druckanteile hat. Der gleiche statische Druck wirkt hier durch den Kompensationskanal 36 hindurch auch in der Kompensationskammer 32 und beaufschlagt die axial entgegengesetzt zu der Verschlussfläche 26 orientierte Kompensationsfläche 42.
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Die Kompensationsfläche 42 ist bevorzugt gleichgroß oder zumindest annähernd gleichgroß wie der vom Ventilsitz 8 umrahmte Flächenabschnitt der Verschlussfläche 26. Dadurch egalisieren sich die einander entgegengesetzt wirkenden und auf dem statischen Druck basierenden Druckkräfte. Folglich muss die Antriebseinrichtung 27 nur die Federkraft der Federmittel 32 überwinden, um das Ventilglied 13 in eine Offenstellung zu bewegen.
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Eine Besonderheit der Kompensationsmaßnahmen besteht darin, dass die Abgriffsöffnung 38 in einem vom Zentrum der Verschlussfläche 26 radial beabstandeten Bereich, das heißt radial beabstandet zu der Hochachse 49, angeordnet ist, wobei sie bezüglich dieser Hochachse 49 radial nach außen orientiert ist. Durch diese Art der Anordnung und Ausgestaltung der Abgriffsöffnung 38 wird erreicht, dass die Abgriffsöffnung auch in jeder Offenstellung des Ventilgliedes 13 nur einen statischen Druck abgreift. Abgegriffen wird der statische Druck in einem vor der vorderen Stirnseite 18 des Ventilgliedes 13 liegenden Bereich, der zu der Längsachse 14 beziehungsweise der Hochachse 49 radial beabstandet ist.
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In der Schließstellung gemäß 1 und 2 hat die Platzierung der Abgriffsöffnung 38 keine Bedeutung. Der hier abgegriffene Druck ist der dem Gesamtdruck entsprechende statische Druck.
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Hingegen wirkt in jeder Offenstellung des Ventilgliedes auf die Verschlussfläche 26 im Mittel ein statischer Druck, der geringer ist als der Gesamtdruck beziehungsweise der in der Schließstellung herrschende statische Druck. Die Ursache dafür ist, dass sich aufgrund des nun strömenden Druckmediums vor der Verschlussfläche 26 eine nichtlineare statische Druckverteilung ausbildet. Sie rührt daher, dass der Druck im Bereich des strömenden Druckmediums über dynamische Druckanteile verfügt, womit eine Herabsetzung des statischen Druckes einhergeht. Die dynamischen Druckanteile sind im Zentrumsbereich der Verschlussfläche 26 am geringsten und zumindest annähernd gleich Null und nehmen zum Rand der ersten Kanalmündung 7 hin zu. Dementsprechend ergibt sich eine nichtlineare statische Druckverteilung, bei der der statische Druck im Bereich des Zentrums der Verschlussfläche 26 ein Minimum hat und zumindest im Wesentlichen dem Gesamtdruck entspricht, wohingegen der statische Druck mit zunehmendem radialem Abstand zu diesem zentralen Bereich abnimmt. Das Resultat ist der erwähnte gemittelte statische Druck, der in der Öffnungsrichtung auf die Verschlussfläche 26 einwirkt und eine auf das Ventilglied 13 wirkende Öffnungskraft hervorruft.
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Aufgrund der geschilderten Platzierung und Ausrichtung der Abgriffsöffnung 38 ist der von der Abgriffsöffnung 38 abgegriffene statische Druck niedriger als der Gesamtdruck und insbesondere auch niedriger als der dem Gesamtdruck entsprechende maximale statische Druck. Dementsprechend herrscht auch in der Kompensationskammer 22 ein reduzierter statischer Druck, weil der Druckabgriff vor der vorderen Stirnseite 18 in einem Bereich stattfindet, in dem der statische Druck aufgrund zusätzlicher dynamischer Druckanteile im Vergleich zum Gesamtdruck reduziert ist. Somit ergibt sich eine Reduktion der in Schließrichtung wirkenden Druckkräfte.
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Bevorzugt wird das System so ausgelegt, dass der radiale Druckabgriff durch die Abgriffsöffnung 38 in einem solchen, vom Zentrum der Verschlussfläche 26 radial beabstandeten Bereich erfolgt, in dem der statische Druck größenmäßig zumindest im Wesentlichen dem mittleren statischen Druck entspricht, durch den die Verschlussfläche 26 beaufschlagt ist. Dann kann auch in jeder Offenstellung des Ventilgliedes 13 unter Berücksichtigung der oben geschilderten Flächengleichheit zwischen der Querschnittsfläche der ersten Kanalmündung 7 und der Kompensationsfläche 42 ein zumindest annähernd vollständiger Druckkraftausgleich erzielt werden.
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Der Kompensationskanal 36 erstreckt sich zweckmäßigerweise von der Rückseite des Ventilglieds 13 her axial in den im zentralen Bereich stirnseitig vorne geschlossenen Druckabgriffsvorsprung 45 hinein. Folglich endet der Kompensationskanal 36 mit einem axialen Endabschnitt 47 nach Art eines Sackloches im Innern des Druckabgriffsvorsprunges 45. An seiner vorderen Stirnseite ist der axiale Endabschnitt 47 des Kompensationskanals 36 von einem stirnseitigen Wandabschnitt 48 des Druckabgriffsvorsprunges 45 begrenzt. Dieser stirnseitige Wandabschnitt 48 definiert den Scheitelbereich 62 des Druckabgriffsvorsprunges 45.
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Rings um den stirnseitigen Wandabschnitt 48 herum erstreckt sich ein peripherer Wandabschnitt 46 des Druckabgriffsvorsprunges 45. Dieser periphere Wandabschnitt 46 bildet zusammen mit dem stirnseitigen Wandabschnitt 48 den Druckabgriffsvorsprung 45, wobei die Außenflächen der besagten Wandabschnitte 46, 48 die Mantelfläche 58 definieren.
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Die Abgriffsöffnung 38 könnte prinzipiell unmittelbar auf der Mantelfläche 58 liegen. Der für den Abgriff des gewünschten statischen Druckes geeignete radiale Abstand zwischen der Abgriffsöffnung 38 und dem Zentrum beziehungsweise der Hochachse 49 des Druckabgriffsvorsprunges 45 lässt sich allerdings besonders gut einhalten, wenn die Abgriffsöffnung 38 beabstandet zu der Mantelfläche 58 im Innern des Druckabgriffsvorsprunges 45 platziert ist. Die erforderliche Fluidverbindung zu dem der Verschlussfläche 26 vorgelagerten Bereich wird in diesem Fall mit Hilfe mindestens eines in den Druckabgriffsvorsprung 45 eingebrachten Schlitzes 63 realisiert, der eine zur Mantelfläche 58 hin offene Schlitzöffnung 65 aufweist und in den die Abgriffsöffnung 38 einmündet.
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Der Schlitz 63 verläuft zweckmäßigerweise in einer Schlitzebene 64, die zum einen durch die Längsachse 14 des Ventilgliedes 13 und zum anderen durch eine diesbezüglich radiale Achse aufgespannt ist.
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Bevorzugt mündet die Abgriffsöffnung 38 an einer der Schlitzöffnung 65 gegenüberliegenden Grundfläche des Schlitzes 63 in den betreffenden Schlitz 63 ein.
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Die Abgriffsöffnung 38 ist bevorzugt so platziert, dass sie axial zumindest im Wesentlichen auf gleicher Höhe mit dem Dichtflächenabschnitt 26a der Verschlussfläche 26 liegt.
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Die Schlitzöffnung 65 hat einen gekrümmten Längsverlauf, entsprechend der Krümmung der Mantelfläche 58. Vorzugsweise ist der Schlitz 63 in dem peripheren Wandabschnitt 46 ausgebildet.
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In dem Druckabgriffsvorsprung 45 sind zweckmäßigerweise mehrere Abgriffsöffnungen 38 ausgebildet, die insbesondere gleichmäßig verteilt rings um die Hochachse 49 herum platziert sind. Exemplarisch handelt es sich um insgesamt drei solcher Abgriffsöffnungen 38. Sämtliche Abgriffsöffnungen 38 kommunizieren mit ein und demselben Kompensationskanal 36.
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Die Anzahl der Schlitze 63 entspricht der Anzahl der Abgriffsöffnungen 38. In jeden Schlitz 63 mündet eine der Abgriffsöffnungen 38. Dabei sind auch die Schlitze 63 entsprechend den Abgriffsöffnungen 38 rings um die Hochachse 49 herum verteilt.
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Die Mehrzahl von über den Umfang der Hochachse 49 verteilten Abgriffsöffnungen 38 bewirkt eine automatische Mittelwertbildung des an unterschiedlichen Stellen abgegriffenen statischen Druckes, sodass die Druckkompensation wenig anfällig ist für lokale Strömungsunregelmäßigkeiten.
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Exemplarisch ergibt sich jede Abgriffsöffnung 38 dadurch, dass die Schlitztiefe des zugeordneten Schlitzes 63 so gewählt ist, dass der Schlitz 63 im Bereich seiner Grundfläche direkt in den axialen Endabschnitt 47 des Kompensationskanals 36 übergeht.
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Bevorzugt ist das Ventilglied 13 mehrteilig ausgebildet und hat einen Hauptkörper 56, an dessen dem Ventilsitz 8 zugewandter vorderer Stirnseite ein separater Verschlusskörper 55 angebracht ist. An dem Verschlusskörper 55, der bevorzugt aus einem Elastomermaterial besteht, ist die gesamte Verschlussfläche 26 ausgebildet. Zweckmäßigerweise verfügt der Verschlusskörper 55 über einen scheibenförmigen Basisabschnitt 52, an dessen Vorderseite der Druckabgriffsvorsprung 45 einstückig angeformt ist. Der Basisabschnitt 52 hat einen größeren Durchmesser als der Druckabgriffsvorsprung 45 und bildet an seinem den Druckabgriffsvorsprung 45 radial überragenden Bereich den Dichtflächenabschnitt 26a.
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Das Ventil 1 des Ausführungsbeispiels ist ein 2/2-Wegeventil. Es kann allerdings auch mit einer anderen Funktionalität ausgebildet sein und beispielsweise mehr als nur zwei Ventilkanäle 4, 5 aufweisen, die durch das Ventilglied 13 hinsichtlich ihrer Fluidverbindung steuerbar sind.
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Vorzugsweise ist das Ventil 1 in einen Basisabschnitt 1a und einen bevorzugt lösbar an den Basisabschnitt 1a angesetzten Ventilkopf 1b unterteilt. Zu dem Basisabschnitt 1a gehören unter anderem die beiden Ventilkanäle 4, 5, die Ventilkammer 3 und der Ventilsitz 8. Die Ventilkammer 3 ist durch den an den Basisabschnitt 1a angesetzten Ventilkopf 1b verschlossen. Der Ventilkopf 1b beinhaltet unter anderem die Antriebseinrichtung 27, das Ventilglied 13 und die Kompensationskammer 22.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007050151 A1 [0002]
- DE 3722479 C2 [0003]
