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Title:
BLOW-OFF VALVE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2021/213682
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a blow-off valve having a flow housing (34) with a flow channel (36) between an inlet (38) and an outlet (40), a valve seat (42) formed between the inlet and the outlet, an actuator (10), an actuating member (28) which can be moved in translation by means of the actuator, and a control element (32) which is fastened to the actuating member and has a radially outer circumferentially closed peripheral surface (44), at the axial end of which a circumferential bearing edge (50) is formed which can be placed onto the valve seat and can be lifted off from the valve seat. On the axial side facing away from the actuating member, the control element has a radially inner axial inflow surface (66) and has a wall (46) which extends at least radially inwards from the peripheral surface (44) and in which at least one opening (52) is formed via which an interior space (54) of the blow-off valve is fluidically connected to the flow channel. The radially inner axial inflow surface is formed on a rotationally symmetrical inflow element (68) which has a radially inner central inflow point (72), from which the inflow surface extends continuously radially outwards as far as an outflow edge (74), the inflow surface having an axial distance from the actuating member which decreases as the radial distance from the central inflow point increases, and the at least radially extending wall with the at least one opening is offset in the direction of the actuating member with respect to the bearing edge and to the outflow edge.

Inventors:
LENK MARTIN (DE)
THIERY MICHAEL (DE)
WAGNER JURI (DE)
CAVDAR TANNER (DE)
Application Number:
PCT/EP2020/061533
Publication Date:
October 28, 2021
Filing Date:
April 24, 2020
Export Citation:
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Assignee:
PIERBURG GMBH (DE)
International Classes:
F16K31/06; F02B37/16; F02M26/26; F16K39/02
Foreign References:
DE102015101477A12016-08-04
DE102012224144B32014-05-15
US20180106381A12018-04-19
EP1762712B12013-04-10
DE102016118341A12018-03-29
EP1762712B12013-04-10
Attorney, Agent or Firm:
TERPATENT PATENTANWÄLTE TER SMITTEN EBERLEIN-VAN HOOF RÜTTEN DAUBERT PARTNERSCHAFTSGESELLSCHAFT MBB (DE)
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Claims:
Pierburg GmbH, 41460 Neuss

P A T E N T A N S P R Ü C H E 1. Schubumluftventil mit einem Strömungsgehäuse (34) mit einem Strömungskanal (36) zwischen einem Einlass (38) und einem Auslass (40), einem zwischen dem Einlass (38) und dem Auslass (40) ausgebildeten Ventilsitz (42), einem Aktor (10), einem mittels des Aktors (10) translatorisch bewegbaren Betätigungsglied (28), einem am Betätigungsglied (28) befestigten Regelkörper (32), der eine radial äußere umfänglich geschlossene Mantelfläche (44) aufweist, an deren axialem Ende eine umfängliche Auflagekante (50) ausgebildet ist, die auf den Ventilsitz (42) aufsetzbar und vom Ventilsitz (42) abhebbar ist, wobei der Regelkörper (32) an der vom Betätigungsglied (28) weg weisenden axialen Seite eine radial innere axiale Anströmfläche (66) aufweist, und eine Wand (46) aufweist, die sich von der Mantelfläche (44) zumindest radial nach innen erstreckt, und in der zumindest eine Öffnung (52) ausgebildet ist, über die ein Innenraum (54) des Schubumluftventils mit dem Strömungskanal (36) fluidisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die radial innere axiale Anströmfläche (66) an einem rotationssymmetrischen Anströmkörper (68) ausgebildet ist, der einen radial inneren zentralen Anströmpunkt (72) aufweist, von dem aus sich die Anströmfläche (66) stetig nach radial außen bis zu einer Abströmkante (74) erstreckt, wobei die Anströmfläche (66) mit wachsendem radialen Abstand vom zentralen Anströmpunkt (72) einen sich verringernden axialen Abstand zum Betätigungsglied (28) aufweist, und wobei die sich zumindest radial erstreckende Wand (46) mit der zumindest einen Öffnung (52) zu der Auflagekante (50) und zu der Abströmkante (74) axial in Richtung des Betätigungsgliedes (28) versetzt ist.

2. Schubumluftventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abströmkante (74) und die Auflagekante (50) in einer gemeinsamen Ebene (80) angeordnet sind.

3. Schubumluftventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Öffnung (52) in der sich zumindest radial erstreckenden Wand (46) so weit axial in Richtung des Betätigungsgliedes (28) zur Abströmkante (74) versetzt ist, dass ein Tangentenvektor (76) an die Abströmkante (74) der Anströmfläche (66) die Mantelfläche (44) an einer bezüglich der Wand (46), in der die zumindest eine Öffnung (52) ausgebildet ist, vom Betätigungsglied (28) weg weisenden Seite schneidet.

4. Schubumluftventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sich zumindest radial erstreckende Wand (46) so weit in Richtung zum Betätigungsglied (28) versetzt ist, dass ein erster Vektor (78) in radialer Richtung nach außen von der sich zumindest radial erstreckenden Wand (46) zur Auflagekante (50) zu der Ebene (80), die durch die Auflagekante (50) aufgespannt wird, mindestens einen Winkel von 20° einschließt.

5. Schubumluftventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Öffnung (52) so weit in Richtung zum Betätigungsglied (28) versetzt ist, dass ein zweiter Vektor (82) in radialer Richtung nach außen von der Öffnung (52) zur Auflagekante (50) zu der Ebene (80), die durch die Auflagekante (50) aufgespannt wird, mindestens einen Winkel von 30° einschließt und dass ein dritter Vektor (84) in radialer Richtung nach außen von der Abströmkante (74) zu der Öffnung (52) zu der Ebene (80), die durch die Auflagekante (50) aufgespannt wird, mindestens einen Winkel von 30° einschließt.

6. Schubumluftventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anströmfläche (66) in das Innere des Anströmkörpers (68) gewölbt ist.

7. Schubumluftventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Anströmkörper (68) jenseits der axialen Anströmfläche (66) von der Abströmkante (74) aus ausschließlich axial in Richtung zum Betätigungsglied (28) erstreckt.

8. Schubumluftventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich von der umfänglich geschlossenen Mantelfläche (44) des Regelkörpers (32) die Wand (46), in der die zumindest eine Öffnung (52) ausgebildet ist, radial nach innen bis zu einem Befestigungsabschnitt (48) des Regelkörpers (32) erstreckt, über den der Regelkörper (32) zumindest indirekt am Betätigungsglied (28) befestigt ist.

9. Schubumluftventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Anströmkörper (68) als Kappe (70) ausgebildet ist, die am Befestigungsabschnitt (48) des Regelkörpers (32) befestigt ist.

10. Schubumluftventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kappe (70) am Befestigungsabschnitt (48) Stoff- oder formschlüssig befestigt ist.

11. Schubumluftventil nach einem Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelkörper (32) über einen Boden (58) eines topfförmigen Befestigungselementes (56) am Betätigungsglied (28) befestigt ist, wobei am zum Boden (58) entgegengesetzten axialen Ende des Befestigungselementes (56) ein nach radial außen weisender Kragen (64) ausgebildet ist, der axial gegen den Befestigungsabschnitt (48) des Regelkörpers (32) anliegt.

12. Schubumluftventil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das topfförmige Befestigungselement (56) axial von der Kappe (70) in Richtung des Einlasses (38) bedeckt ist.

13. Schubumluftventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (10) ein Elektromagnet ist und das Betätigungsglied (28) der Anker des Elektromagneten ist.

Description:
B E S C H R E I B U N G Schubumluftventil

Die Erfindung betrifft ein Schubumluftventil mit einem Strömungsgehäuse mit einem Strömungskanal zwischen einem Einlass und einem Auslass, einem zwischen dem Einlass und dem Auslass ausgebildeten Ventilsitz, einem Aktor, einem mittels des Aktors translatorisch bewegbaren Betätigungsglied, einem am Betätigungsglied befestigten Regelkörper, der eine radial äußere umfänglich geschlossene Mantelfläche aufweist, an deren axialen Ende eine umfängliche Auflagekante ausgebildet ist, die auf den Ventilsitz aufsetzbar und vom Ventilsitz abhebbar ist, wobei der Regelkörper an der vom Betätigungsglied weg weisenden axialen Seite eine radial innere axiale Anströmfläche aufweist, und eine Wand aufweist, die sich von der Mantelfläche zumindest radial nach innen erstreckt, und in der zumindest eine Öffnung ausgebildet ist, über die ein Innenraum des

Schubumluftventils mit dem Strömungskanal fluidisch verbunden ist.

Schubumluftventile dienen in bekannter Weise zur Rezirkulation von verdichtetem Frischgas, gegebenenfalls mit zurückgeführtem Abgas von der Druckseite eines Verdichters eines Turboladers zurück zur Saugseite des Verdichters. Die Verbindung zwischen der Druckseite und der Saugseite des Verdichters durch eine Bypassleitung wird für den Übergang von einer hohen Last in den Schubbetrieb der Verbrennungskraftmaschine benötigt, um eine hohe Förderung des Turboladerverdichters gegen eine geschlossene Drosselklappe und den daraus entstehenden Pumpeffekt zu verhindern.

Schubumluftventile werden häufig elektromagnetisch betätigt, wobei der Regelkörper des Ventils über den Anker durch die elektromagnetische Kraft bewegt wird. Ein gattungsgemäßes Schubumluftventil ist beispielsweise aus der DE 10 2016 118 341 Al bekannt. Das Ventil weist eine

Druckausgleichsöffnung am mit dem Anker verbundenen Regelkörper auf, wodurch bei entsprechender Auslegung der wirksamen Flächen ein Kräftegleichgewicht bezüglich der auf den Regelkörper wirkenden pneumatischen Kräfte hergestellt wird, so dass zur Aktuierung lediglich die Kraft einer Feder überwunden werden muss, wodurch das

Schubumluftventil sehr kurze Stellzeiten aufweist. Bei diesem Ventil ist der Verschlusskörper direkt mit dem Anker verbunden und das Innere des Ventils ist über eine Membran vom Außenbereich getrennt. Es ergibt sich dennoch das Problem, dass bei sehr geringen Flüben aus der geschlossenen Position heraus aufgrund des entstehenden dynamischen Drucks der statische Druck sehr schnell fällt, wodurch auf den Regelkörper eine große Kraft in Schließrichtung wirkt.

Bei vorherigen Generationen von Schubumluftventilen, wie sie beispielsweise in der EP 1 762 712 Bl beschrieben werden, wurde versucht, diesen geringen beim Öffnen entstehenden statischen Druck auch auf die entgegengesetzte Seite des Regelkörpers zu übertragen, indem die Öffnungen direkt an den schmalen Öffnungsbereich herangeführt wurden. Dies führt jedoch dazu, dass relativ große Federkräfte zum Schließen zur Verfügung gestellt werden müssen und somit auch relativ große Kräfte zum Initiieren der Öffnungsbewegung durch den Elektromagneten, der entsprechend groß ausgeführt werden muss.

Es stellt sich daher die Aufgabe, ein Schubumluftventil zur Verfügung zu stellen, mit dem einerseits sehr schnelle Stellzeiten realisiert werden können und andererseits geringe elektromagnetische Stellkräfte benötigt werden, wodurch der Bauraum des Schubumluftventils und insbesondere der Raum für den Elektromagneten verringert werden kann und somit das Schubumluftventil kostengünstiger hergestellt werden kann. Diese Aufgabe wird durch ein Schubumluftventil mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.

Der Regelkörper des erfindungsgemäßen Schubumluftventils weist eine radial äußere, umfänglich geschlossene Mantelfläche auf, an deren axialen Ende eine umfängliche Auflagekante ausgebildet ist, die auf den Ventilsitz aufsetzbar und vom Ventilsitz abhebbar ist, wobei unter Auflagekante eine schmale kreisringförmige Fläche zu verstehen ist, die schmal zum Ventilsitz zuläuft. Der Regelkörper weist des Weiteren an der vom Betätigungsglied weg weisenden axialen Seite eine radial innere axiale Anströmfläche auf, welche über eine sich zumindest radial erstreckende Wand, zumindest indirekt mit der Mantelfläche verbunden ist. In dieser Wand ist zumindest eine Öffnung ausgebildet, über die ein Innenraum des Schubumluftventils mit dem Strömungskanal fluidisch verbunden ist, so dass unterhalb und oberhalb des Regelkörpers, zumindest solange dieser nicht bewegt wird, der gleiche Druck anliegt.

Erfindungsgemäß ist die radial innere axiale Anströmfläche an einem rotationssymmetrischen Anströmkörper ausgebildet, der einen radial inneren zentralen Anströmpunkt aufweist, von dem aus sich die Anströmfläche stetig nach radial außen bis zu einer Abströmkante erstreckt, wobei die Anströmfläche mit wachsendem radialen Abstand vom zentralen Anströmpunkt einen sich verringernden axialen Abstand zum Betätigungsglied aufweist, und wobei die sich zumindest radial erstreckende Wand mit der zumindest einen Öffnung zu der Auflagekante und zu der Abströmkante axial in Richtung des Betätigungsgliedes versetzt ist. Unter Abströmkante wird in diesem Zusammenhang eine Kante verstanden, ab der der an der Anströmfläche entlang gleitende Gasstrom sich vom Abströmkörper löst, da dieser keine Erstreckungskomponente mehr nach radial außen aufweist. Zwischen der Abströmkante der Anströmfläche und der Auflagekante des Regelkörpers liegt lediglich ein geringer axialer Versatz vor, wodurch der Hauptluftstrom beim ersten Öffnen des Ventils nicht unmittelbar zu den Öffnungen, sondern eher in Richtung des freien Spaltes zwischen dem Ventilsitz und der Auflagekante des Regelkörpers geleitet wird. Durch den axialen Abstand der Wand zur Auflagekante wirkt die in Schließrichtung beim Öffnen wirkende Druckdifferenz, die durch die Strömung entsteht, lediglich auf die dünne Auflagekante, so dass nur eine sehr geringe Schließkraft auf den Regelkörper wirkt. Durch die Leitung des Stroms radial nach außen und die geringe zur Verfügung stehende

Angriffsfläche für den dabei im Spalt zwischen dem Ventilsitz und dem

Regelkörper entstehenden Druck entsteht eine gleichmäßige Kraftverlaufskurve beim Öffnen mit geringen notwendigen Öffnungskräften, da die Strömung eine Kraft in Öffnungsrichtung erzeugt, jedoch nur ein Anteil dieser Kraft auf der Gegenseite wirkt, da bei Beginn der Öffnung nur ein Anteil dieser Strömung auch zur Druckerhöhung im Innenraum des Ventils genutzt wird. So kann der Elektromagnet kleiner gebaut werden und dennoch schnelle Öffnungs- und Schließzeiten realisiert werden.

Vorzugsweise sind die Abströmkante und die Auflagekante in einer gemeinsamen Ebene angeordnet. Daraus folgt, dass die Strömung beim beginnenden Öffnungsvorgang vom Anströmkörper in Richtung der Auflagekante strömt, wodurch ein deutlich verringerter Anteil des

Luftstroms direkt zu den Öffnungen und zur entgegengesetzten axialen Seite des Regelkörpers gelangt. So wird die Kraft in Schließrichtung verringert. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die zumindest eine Öffnung in der sich zumindest radial erstreckenden Wand so weit axial in Richtung des Betätigungsgliedes zur Abströmkante versetzt, dass ein Tangentenvektor an die Abströmkante der Anströmfläche die Mantelfläche an einer bezüglich der Wand, in der die Öffnung ausgebildet ist, vom Betätigungsglied weg weisenden Seite schneidet. So wird sichergestellt, dass die Luft am Einlass nicht unmittelbar zu den Öffnungen strömt und dort einen entsprechenden Gegendruck erzeugt. Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die sich zumindest radial erstreckende Wand so weit in Richtung zum Betätigungsglied versetzt ist, dass ein erster Vektor in radialer Richtung nach außen von der sich zumindest radial erstreckenden Wand zur Auflagekante zu einer Ebene, die durch die Auflagekante aufgespannt wird, mindestens einen Winkel von 20° einschließt. Dies hat zur Folge, dass die Wand so weit zurückversetzt ist, dass der abfallende Druck im Spalt nicht unmittelbar auf die Wandfläche wirken kann, wodurch die in Schließrichtung auf den Regelkörper wirkende Kraft verringert wird. Unter radial nach außen ist in diesem Zusammenhang lediglich zu verstehen, dass der Vektor eine radiale Komponente aufweist, welche von der Mittelachse des Schubumluftventils weg weist. Selbstverständlich wird jedoch auch eine Erstreckungskomponente des Vektors in axialer Richtung vorliegen. Dies gilt für alle in dieser Anmeldung genannten Vektoren, die definitionsgemäß nach radial außen weisen.

Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Öffnung so weit in Richtung zum Betätigungsglied versetzt ist, dass ein zweiter Vektor in radialer Richtung nach außen von der Öffnung zur Auflagekante zu einer Ebene, die durch die Auflagekante aufgespannt wird, mindestens einen Winkel von 30° einschließt und dass ein dritter Vektor in radialer Richtung nach außen von der Abströmkante zu der Öffnung zu einer Ebene, die durch die Auflagekante aufgespannt wird, mindestens einen Winkel von 30° einschließt. Auf diese Weise bleibt das Kräftegleichgewicht auch bei plötzlichen Stellungs- und damit Druckänderungen an der zum Einlass gewandten Fläche an den beiden axialen Enden der Öffnungen erhalten, wodurch kurze Stellzeiten erreicht und geringe Stellkräfte benötigt werden.

Vorzugsweise ist die Anströmfläche in das Innere des Anströmkörpers gewölbt. So ergibt sich eine allmähliche Umlenkung der Strömung mit wachsendem radialen und sinkendem axialen Anteil bei Vergrößerung des Abstandes vom Anströmpunkt. Entsprechend wird eine gerichtete Strömung mit geringer Wirbelbildung geschaffen, wodurch die Strömung gezielt von den Öffnungen ferngehalten wird.

Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn sich der Anströmkörper jenseits der axialen Anströmfläche von der Abströmkante aus ausschließlich axial in Richtung zum Betätigungsglied erstreckt. So entstehen auch keine Wirbel an einem gegebenenfalls vorhandenem Hinterschnitt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung erstreckt sich von der umfänglich geschlossenen Mantelfläche des Regelkörpers die Wand, in der die zumindest eine Öffnung ausgebildet ist, radial nach innen bis zu einem Befestigungsabschnitt des Regelkörpers, über den der Regelkörper zumindest indirekt am Betätigungsglied befestigt ist. Ein solcher einstückiger Körper ist einfach und kostengünstig durch Kunststoffspritzgießen herzustellen.

Zusätzlich ist vorzugsweise der Anströmkörper als Kappe ausgebildet, die am Befestigungsabschnitt des Regelkörpers befestigt ist. Diese Kappe ist ebenfalls einfach herstellbar und verschließt zuverlässig Räume, in denen Stauflächen vorliegen, durch die die auf den Regelkörper wirkende Kraft verändert würde.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Befestigung der Kappe am Befestigungsabschnitt mittels einer Stoff- oder formschlüssigen Verbindung hergestellt. Diese Verbindung kann besonders einfach durch eine Clipsverbindung, eine Schweißverbindung oder durch Kleben hergestellt werden.

Der Regelkörper ist vorteilhaftweise über einen Boden eines topfförmigen Befestigungselementes am Betätigungsglied befestigt, wobei am zum Boden entgegengesetzten axialen Ende des Befestigungselementes ein nach radial außen weisender Kragen ausgebildet ist, der axial gegen den Befestigungsabschnitt des Regelkörpers anliegt. So kann eine einfache kardanische Befestigung des Regelkörpers am Betätigungsglied hergestellt werden, die es beim Schließvorgang dem Regelkörper ermöglicht, sich korrekt zum Ventilsitz auszurichten.

Das topfförmige Befestigungselement ist vorzugsweise axial von der Kappe in Richtung des Einlasses bedeckt, so dass es nicht als Staufläche wirken kann, durch die die Öffnungskräfte verändert werden. Vorzugsweise ist der Aktor ein Elektromagnet und das Betätigungsglied der Anker des Elektromagneten. So werden kurze Stellzeiten ermöglicht.

Es wird somit ein Schubumluftventil geschaffen, welches eine hohe Haltbarkeit und Dichtheit aufweist. Vor allem aber kann die Baugröße des Elektromagneten und damit die Herstellkosten deutlich reduziert werden, da die beim Öffnungsvorgang zu überwindenden Kräfte durch die besondere Abströmung vom Anströmelement verringert werden, indem einerseits die Richtung der Strömung optimal eingestellt wird und andererseits die für eine Druckdifferenz zur Verfügung stehenden Angriffsflächen verringert werden. Insbesondere werden die benötigten Öffnungskräfte über den gesamten Öffnungsvorgang deutlich vergleichmäßigt, wobei insbesondere eine Kraftspitze kurz nach dem Einleiten des Öffnungsvorgangs vermieden wird. Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schubumluftventils ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.

Die Figur zeigt eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Schubumluftventils in geschnittener Darstellung.

Das in der Figur dargestellte Schubumluftventil besteht aus einem als Elektromagneten ausgeführten Aktor 10, in dessen Gehäuse 12 eine Spule 14 auf einem Spulenträger 16 gewickelt ist. Im radial inneren Bereich des Spulenträgers 16 ist ein magnetisierbarer Kern 18 befestigt, dessen axiales Ende über den Spulenträger 16 hinausragt, wobei der Kern 18 an diesem axialen Ende von einem Rückschlussblech 20 umgeben ist, welches in Verbindung mit einem die Spule 14 umgebenden Eisenmantel 22 steht. Am zum Kern 18 entgegengesetzten Ende des Spulenträgers 16 befindet sich ein weiteres Rückschlussblech 24, welches im radial äußeren Bereich mit dem Eisenmantel 22 und sich im radial inneren Bereich in den Spulenträger 16 erstreckt. Im Innern dieses Abschnitts ist eine topfförmige Gleitbuchse 26 angeordnet, die sich bis zum Kern 18 erstreckt und in der ein als Betätigungsglied 28 wirkender Anker gelagert ist. Dieser Anker wird bei Bestromung der Spule 14 durch die elektromagnetische Kraft zum Kern 18 und in dessen Ausnehmung 30 gezogen. Die Stromversorgung der Spule 14 erfolgt über Kontakte, die in einen nicht dargestellten Stecker münden.

Am Betätigungsglied 28 ist ein Regelkörper 32 befestigt, mittels dessen ein Durchströmungsquerschnitt eines in einem Strömungsgehäuse 34 ausgebildeten Strömungskanals 36, der einen Einlass 38 mit einem Auslass 40 verbindet, freigegeben oder abgesperrt werden kann, indem der Regelkörper 32 auf einen den Durchströmungsquerschnitt umgebenden Ventilsitz 42 abgesenkt oder von diesem abgehoben wird.

Der Regelkörper 32 besteht aus einer radial äußeren, über den Umfang geschlossenen zylindrischen Mantelfläche 44, von der aus sich auf etwa halber Höhe eine Wand 46 nach radial innen bis zu einem Befestigungsabschnitt 48 erstreckt, der ebenfalls eine im Wesentlichen hohlzylindrische Form aufweist und konzentrisch zur Mantelfläche 44 ausgebildet ist. An der vom Betätigungsglied 28 abgewandten axialen Seite der Mantelfläche ist eine Auflagekante 50 ausgebildet, mit der der Regelkörper 32 im geschlossenen Zustand des Schubumluftventils auf dem Ventilsitz 42 aufliegt. In der sich radial erstreckenden Wand 46 des Regelkörpers 32 sind mehrere Axialbohrungen ausgebildet, die als Öffnungen 52 einen Druckausgleich zwischen der Unterseite und der Oberseite des Regelkörpers 32 beziehungsweise einem Innenraum 54 des Schubumluftventils und der Unterseite des Regelkörpers 32 ermöglichen. Der wirksame Durchmesser zur Auflage auf dem Ventilsitz 42 entspricht im Wesentlichen dem Durchmesser der zylindrischen Mantelfläche 44, wodurch ein Kräftegleichgewicht der wirkenden pneumatischen Kräfte am Regelkörper 32 im statischen Zustand hergestellt wird

Der Regelkörper 32 wird mittels eines topfförmigen Befestigungselementes 56, welches durch Tiefziehen hergestellt werden kann am Betätigungsglied 28 befestigt, indem ein Boden 58 in einer zentralen kreisförmigen Ausnehmung 60 am axialen Ende des Betätigungsgliedes 28 angeordnet und an dieser Stelle durch Schweißen befestigt ist. Ein sich an den Boden 58 anschließender zylindrischer Abschnitt 62 erstreckt sich bis zum vom Betätigungsglied 28 weg weisenden Ende des Befestigungsabschnitts 48 des Regelkörpers 32 und weist einen Außendurchmesser auf, der kleiner ist als der Innendurchmesser des Befestigungsabschnitts 48. An diesen zylindrischen Abschnitt 62 schließt sich an der zum Boden 58 entgegengesetzten axialen Seite eine radiale ringförmige Erweiterung in Form eines Kragens 64 an, der axial gegenüberliegend zum Befestigungsabschnitt 48 angeordnet ist. Der Abstand des Kragens 64 zum Boden 58 des Befestigungselementes 56 wird dabei so gewählt, dass ein geringer Spalt zwischen dem Befestigungsabschnitt 48, wenn der Befestigungsabschnitt 48 am Betätigungsglied 28 anliegt, und dem Kragen 64 des Befestigungselementes 56 verbleibt, so dass die Mantelfläche 44 geringfügig zum Befestigungselement 56 und somit auch zum Betätigungsglied 28 gekippt werden kann. So wird eine kardanische Befestigung des Regelkörpers 32 am Betätigungsglied 28 verwirklicht. Der Regelkörper 32 weist des Weiteren eine radial innere axiale Anströmfläche 66 auf, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel an einem Anströmkörper 68 ausgebildet ist, welcher als Kappe 70 ausgebildet ist, über die das topfförmige Befestigungselement 56 abgedeckt wird, über welches der Regelkörper 32 am Betätigungsglied 28 befestigt ist.

Der Anströmkörper 68 weist einen zentralen Anströmpunkt 72 auf, von dem aus sich rotationssymmetrisch die weitere Anströmfläche 66 nach außen erstreckt. Die Anströmfläche 66 ist nach innen zum Befestigungselement 56 gewölbt ausgebildet, so dass der Anströmkörper 68 sich mit einer Komponente nach radial außen und einer Komponente in axialer Richtung zum Betätigungsglied 28 erstreckt. Dabei wächst der radiale Anteil eines Tangentenvektors auf die Anströmfläche 66 mit wachsendem radialen Abstand vom Anströmpunkt 72. Das Ende der radialen Erstreckung der axialen Anströmfläche 66 bildet eine ringförmige Abströmkante 74 aus, von der aus die Strömung zumindest teilweise von der Anströmfläche 66 abreißt und entsprechend der zuletzt aufgezwungenen Strömungsrichtung weiter strömt. Die Abströmkante 74 weist in etwa einen gleichen axialen Abstand vom Betätigungsglied 28 auf, wie die Auflagekante 50 des Regelkörpers 32. Von der Abströmkante 74 an erstreckt sich die Kappe 70 lediglich axial in Richtung zum Befestigungsabschnitt 48 des Regelkörpers 32, wo die Kappe 70 durch Schweißen befestigt ist. Ein Tangentenvektor 76 an die Abströmkante 74, also eine Tangente an die Anströmfläche 66, die im radial äußeren Bereich zum Einlass 38 hingerichtet ist, weist in einen Bereich der zylindrischen Mantelfläche 44 zwischen der Auflagekante 50 und der Wand 46. Somit wird die Strömung von den Öffnungen 52 weg in Richtung zum sich öffnenden Querschnitt zwischen dem Ventilsitz 42 und der Auflagekante 50 umgelenkt. Des Weiteren ergibt sich ein deutlicher Einfluss durch die Anordnung der Wand 46 sowie der Öffnungen 52 zur Auflagekante 50 und zur Abströmkante 74. So sollte ein erster Vektor 78, der sich von einem beliebigen Punkt der Wand 46 radial nach außen in Richtung zur Auflagekante 50 erstreckt, zu einer Ebene 80, die durch die Auflagekante 50 aufgespannt wird, einen Winkel von mindestens 20° einschließen. Im Ausführungsbeispiel liegt dieser Winkel zwischen 40° und 80°.

Zusätzlich sollte auch ein Winkel zwischen einem zweiten Vektor 82, der sich von einer der Öffnungen 52 nach radial außen zur Auflagekante 50 erstreckt, zur Ebene 80 mindestens 30° betragen. Dieser beträgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel etwa 60°. Auch ein Winkel zwischen einem dritten Vektor 84, der sich von der Abströmkante 74 nach radial außen zu einer der Öffnungen 52 erstreckt, sollte zur Ebene 80 mindestens 30° betragen. Dieser Winkel beträgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel etwa 56°. Durch diese Anordnung der Abströmkante 74, der Auflagekante 50 sowie der Wand 46 und der Öffnungen 52 zueinander ergibt sich beim Öffnen beinahe keine Angriffsfläche für einen sich verringernden Druck im Spalt zwischen dem Ventilsitz 42 und dem Regelkörper 32 aufgrund der Strömung. Auch wird die sonst aufgrund der Strömung entstehende Druckdifferenz durch das gezielte Wegleiten der Strömung von den Öffnungen 52 reduziert.

Der Regelkörper 32 taucht bei Betätigung des Ventils in den Innenraum 54 ein, welcher radial von einer Gehäusewand 86 begrenzt wird, an deren vom Aktor 10 abgewandten Ende eine ringförmige Platte 88 befestigt ist, deren Innendurchmesser geringfügig größer ist als der Außendurchmesser der äußeren Mantelfläche 44. Auf dieser Platte 88 liegt eine V-förmige Dichtung 90 mit zwei Schenkeln auf, von denen der erste gegen die umfänglich geschlossene Mantelfläche 44 anliegt, und deren zweiter Schenkel gegen die radial begrenzende Gehäusewand 86 anliegt, so dass der Innenraum 54 im geschlossenen Zustand des Ventils ausschließlich über die Öffnungen 52 mit dem darunter liegenden Einlass 38 verbunden ist. Um auch die zentrale Ausnehmung 30 zwischen dem Betätigungsglied 28 und dem Kern 18 mit einem entsprechenden Druck zu versorgen und so ein druckausgeglichenes Ventil zu schaffen, sind am Außenumfang des Betätigungsgliedes 28 ein oder mehrere Nuten angeordnet.

Des Weiteren ist im Innenraum 54 eine Feder 92 angeordnet, die axial gegen die Wand 46 anliegt, und deren entgegengesetztes axiales Ende gegen das Ende der Gleitbuchse 26 des Aktors 10 anliegt, wodurch bei Nichtbestromung der Spule 14 der Regelkörper 32 in seinen auf dem Ventilsitz 42 aufliegenden Zustand gestellt wird. In diesem statischen Zustand besteht ein Kräftegleichgewicht, so dass die Feder 92 so ausgelegt werden kann, dass das Schubumluftventil auch bei auftretenden Druckpulsationen im geschlossenen Zustand verbleibt. Zum Öffnen wird der Aktor 10 bestromt, wobei lediglich die Kraft der Feder 92 überwunden werden muss. Sobald ein Spalt zwischen dem Ventilsitz 42 und der Auflagekante 50 freigegeben wird entsteht eine Strömung durch diesen Spalt. Ein Einfluss der hierdurch entstehenden statischen Druckschwankungen wird weitestgehend vermieden, da die Wand 46 ausreichend weit vom Ventilsitz 42 entfernt ist und lediglich die dünne Auflagekante 50 als Angriffsfläche für die Druckdifferenz dienen kann. Auch kann ein Druckausgleich im Innenraum 54 erfolgen, da durch die Strömungsleitung mittels des Anströmkörpers 68 keine Strömung direkt auf die Öffnungen 52 wirkt, wodurch schneller ein statischer Druckausgleich unmittelbar beim Öffnen erfolgt, der andernfalls gehemmt würde und somit zu einer zusätzlichen in Schließrichtung wirkenden Kraft führen würde.

Entsprechend können sehr schnelle Stellzeiten mit einem sehr kleinen und somit kostengünstig herstellbaren Elektromagneten erzielt werden.

Es sollte deutlich sein, dass die vorliegende Erfindung nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel begrenzt ist. So kann auch ein anderer Aktor verwendet werden, oder die äußere Mantelfläche und die sich zumindest radial erstreckende Wand mehrstückig hergestellt werden. Auch kann das Anströmelement gegebenenfalls einstückig mit dem übrigen Regelkörper hergestellt werden.




 
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