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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Proportionalventil entsprechend
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Im
Kühlkreis
eines Klimaanlagensystems eines Automobils wird kondensiertes oder
gekühltes Kältemittel
durch eine Druckreduziervorrichtung in Niedertemperatur-Niederdruck-Kältemittel
umgewandelt, die als magnetgesteuertes Proportionalventil ausgebildet
ist. Der Ventilhub dieses Proportionalventils variiert proportional
zu dem Wert eines Stroms, der einem Magneten zugeführt wird (
JP-2002 130870 A ,
1).
In dem bekannten Proportionalventil bewegt sich das Ventilelement
zusammen mit einem Kolben, der eine Querschnittsfläche gleich
der der Ventilöffnung
des Ventilsitzes besitzt. Eine Kolbenendfläche wird durch Druck an einer Stromaufseite
des Ventilelementes so beaufschlagt, dass die Drücke, die auf das Ventilselement
und den Kolben einwirken, gleich und ihren Richtungen entgegengesetzt
und deshalb ausgeglichen sein sollten. Das Ventilelement bewegt
sich nur abhängig
von der durch den Magneten ausgeübten
Kraft. Ein Gleitbereich des Kolbens in der Ventilsektion wird durch
eine Labyrinthdichtung hydraulisch abgedichtet. Eine Labyrinthdichtung
besitzt vorteilhaft geringen Gleitwiderstand. Jedoch variiert aus
mechanischen Gründen
die Druck aufnehmende Fläche
der Ventilsektion während
der Hebebewegung des Ventilelements, während die Druckaufnahmefläche des
Kolbens unverändert
bleibt. Der beabsichtigte Druckausgleich kann deshalb nicht ordnungsgemäß funktionieren. Das
Ventilelement kann sich dann selbst bewegen, um das Ventil zu öffnen oder
zu schließen,
und zwar als Folge der auftretenden Differenz zwischen den Druckaufnahmeflächen. Weiterhin
ist die zwischen Stromauf- und Stromabseiten der Ventilsektion vorgesehene
Labyrinthdichtung nicht in der Lage, eine perfekte Versiegelung
zu erzeugen, sondern sie hat eine unvermeidbare Leckage, z. B. sogar
dann, wenn die Ventilsektion voll geschlossen ist. Die Leckage kann
jedoch die Steuerbarkeit verschlechtern.
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In
einem aus
EP-A-0 769
645 bekannten, pilotgesteuerten Proportionalsteuerventil
sind sowohl der Kolben als auch das Ventilelement in Ventilöffnungsrichtung
durch den Einlassfluiddruck beaufschlagt. Ein beweglicher Kern des
Magneten betätigt ein
zwischen dem beweglichen Kern und einem Ende des hohlen Kolbens
angeordnetes Pilotventil. Das Pilotventil steuert die Kommunikation
zwischen einer Druckkammer an einer Ventil schließseite einer Membrane und einem
Auslassanschluss. Der Außenrand der
Membrane ist in dem Körper
fixiert, während
das Ventilelement im Zentrum der Membrane festgelegt ist. Die Membrane
weist zwischen dem Einlassanschluss und der Druckkammer eine Blendenöffnung auf.
Das Ventilelement wird in der geschlossenen Position durch den Druck
in der Druckkammer und durch eine Ventilschließfeder gehalten. Sobald der bewegliche
Kern des Magneten das Pilotventil öffnet, wird Druck aus der Druckkammer
abgelassen, so dass der Einlassdruck das Ventilelement in die voll offene
Hauptventilposition anheben würde.
Die Druckaufnahmefläche
der Membrane bleibt über
das gesamte Hubausmaß des
Ventilelementes konstant.
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Es
ist ein Gegenstand der Erfindung, ein Proportionalventil dieser
Art vorzuschlagen, welches weder selbst öffnet oder schließt noch
mit interner Leckage arbeitet.
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Dieser
Gegenstand wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 erzielt.
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Die
Druckaufnahmefläche
der an dem Druckaufnahmebereich des Kolbens angeordneten Membrane
variiert ähnlich,
wie die Druckaufnahmefläche
des Ventilelements abhängig
vom Ausmaß des
Ventilhubs variiert. Demzufolge sind die Druckaufnahmeflächen des
Ventilelements und des Kolbens stets gleich, unabhängig vom
Ventilhub des Ventilelements. Dieser Effekt verhindert, dass die Ventilsektion
selbst öffnet
oder schließt.
Der Gleitbereich des Kolbens wird durch die Membrane hydraulisch
abgedichtet, die jegliche interne Leckage perfekt verhindert. Die
Ventilsektion spricht wahrhaftig nur auf die Magnetkraft und das
externe Signal an, und die Steuerbarkeit ist verbessert.
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Ausführungsformen
der Erfindung werden unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
Es zeigen:
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1 Einen
Schnitt, der einen stromlosen Zustand einer ersten Ausführungsform
eines Proportionalventils zeigt, das als eine Druckreduziervorrichtung
eines Klimaanlagensystems eines Automobils verwendet ist,
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2 einen
vergrößerten Schnitt
eines Hauptteils von 1,
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3 ein
Diagram, das die Variation eines Druckaufnahmebereichs einer Membrane
illustriert,
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4 einen
Schnitt, der einen bestromten Zustand des Proportionalventils zeigt,
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5 einen
Schnitt, der einen stromlosen Zustand einer zweiten Ausführungsform
eines Proportionalventils zeigt,
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6 einen
Schnitt, der einen bestromte Zustand des Proportionalventils von 5 zeigt,
und
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7 einen
Schnitt, der einen stromlosen Zustand einer dritten Ausführungsform
eines Proportionalventils zeigt.
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Das
Proportionalventil der 1 bis 4 besitzt
einen Einlassanschluss 2 zum Aufnehmen von Hochdruck-Kältemittel
und einen Auslassanschluss 3, und zwar in Seitenflächen eines
Körpers 1. Der
Einlassanschluss 2 führt über Passagen 4, 5 zu einer
ersten Kammer 6, und über
eine Passage 7 zu einer zweiten Kammer 8. Die
erste Kammer 6 kommuniziert mit dem Auslassanschluss 3 durch
eine Ventilöffnung
und eine Passage 9 in dem Körper 1. Ein Umfangsrand
der Ventilöffnung,
die sich zu der ersten Kammer 6 öffnet, konstituiert einen Ventilsitz 10.
Dem Ventilsitz 10 liegt an einer Stromaufseite ein axial
bewegliches Ventilelement gegenüber.
Das Ventilelement 11 ist mit einem Kolben 13 integral
ausgebildet, so dass ein einstückiger
Körper
konstituiert wird. Der Kolben 13 ist in einem Zylinder 12 des
Körpers 1 verschiebbar
aufgenommen, wobei der Zylinder 12 die Ventilöffnung verlängert. Ein
unteres Ende des Zylinders 12 wird durch eine Membrane 14 verschlossen.
Der äußere Randbereich
der Membrane 14 ist mittels eines ringförmigen Halters 15 festgelegt,
der in den Körper
eingepresst ist. Die Membrane 14 steht an einer oberen
Fläche
mit einer unteren Endfläche
des Kolbens 13 in Kontakt. Eine untere Fläche der
Membrane wird durch eine Feder beaufschlagt und ist mit einem Stopper 17 in
Kontakt. Die zweite Kammer 8 ist in einem Stopfen 18 definiert, der
durch einen Stopper 19 angepresst wird, welcher mit einer
Dichtung 20 in den Körper
eingeschraubt ist.
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Mittels
eines Flansches 21 ist ein Magnet an einem oberen Teil
des Körpers 1 angebracht,
welcher oberer Teil die Ventilsektion enthält. Ein unterer Endbereich
einer Magnethülse 22 ist
in den Flansch 21 eingepasst. Ein in der Hülse 22 axial
beweglicher Plunger 23 ist mit dem Ventilelement 11 und
dem Kolben 13 integral ausgebildet. In einen oberen Endbereich
der Hülse 22 ist
ein zylindrischer Kern 24 eingepasst. Eine elektromagnetische
Spule 25 umgibt die Hülse 22,
und ein Joch 26 umgibt die Spule 25. Ein unterer
Endbereich einer koaxialen Welle 27 ist in den Plunger 23 festsitzend
eingepasst. Ein oberer Endbereich der Welle wird durch eine hohle
Einstellschraube 28 abgestützt, die in den Hohlraum des Kerns 24 eingeschraubt
ist. Da der Kolben 13 an dem unteren Ende des Plungers 23 durch
den Zylinder 12 abgestützt
ist, entwickelt die Ventilhub-Charakteristik relativ zu dem Wert
des der elektromagnetischen Spule 25 zugeführten Stroms
keine Hysterese, die dem Widerstand der Gleitbewegung des Plungers 23 entlang
der Innenwand der Hülse 22 zuzuschreiben wäre, wenn
das Ventilelement 11 öffnet
oder schließt. Eine
zwischen der Einstellschraube 28 und dem Plunger 23 angeordnete
Feder 29 besitzt größere Federkraft
als die Feder 16, die den Plunger 23 und das Ventilelement 11 in
Ventilschließrichtung
beaufschlagt. Die Beaufschlagungskraft der Feder 29 wird durch
Variieren der Einschraubtiefe der Einstellschraube 28 eingestellt.
Der Hohlraum des Kerns 24 ist am oberen Ende durch einen
kugelförmigen
Stopfen 30 und eine Verriegelungsschraube 31 verschlossen.
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Die
in 3 gezeigte Membrane 14 umfasst ein dünnes, kreisförmiges Plättchen aus
Gummi, Kunstharz oder Metall, und besitzt einen ringförmigen gebogenen
Bereich 14a mit einer bogenförmigen Querschnittsform, um
eine Verlagerung des kreisförmigen
Plättchens
in einer Richtung senkrecht zu deren ebener Oberseite zu gestatten. 3 ist
ein Schnitt der Membrane 14 entlang einer Schnittlinie, die
durch das Zentrum der Membrane geht. Die Membrane 14 ist
an ihrem Umfangsrandbereich 14b fixiert. Wenn kein Druck
herrscht, liegt ein zentraler ebener Membranbereich 14c auf
der Höhe
des Umfangsrandbereiches 14b, wie im Teil (A) der Figur
gezeigt. Wenn die Membrane 14 Druck von oben empfängt, wie
in der Figur gezeigt, dann wird der zentrale Bereich 14c nach
unten verlagert, wie dies im Teil (B) gezeigt ist, und wenn die
Membrane mit Druck von unten beaufschlagt wird, dann wird der zentrale
Bereich 14c nach oben verlagert, wie dies im Teil (C) gezeigt
ist. In dem im Teil (A) gezeigten Zustand (drucklos) hat die Membrane
eine effektive Druckaufnahmefläche
gleich der Fläche
eines Kreises mit einem Durchmesser R, der diametral gegenüberliegende Zentren
b der Krümmung
des gebogenen Bereichs 14a verbindet. Diese Zentren b repräsentieren
die Ausgangspunkte der Krümmungsradien
an jeweiligen Zentrumspunkten a des gebogenen Bereichs 14a.
In dem im Teil (B) gezeigten Zustand (Druck von oben) verlagern
sich die Zentrumspunkte a des gebogenen Bereichs 14a einwärts, und
wandern demzufolge die Zentren b der Krümmung nach außen. Dann hat
die Membrane 14 eine größere effektive
Druckaufnahmefläche
gleich der Fläche
eines Kreises mit einem Durchmesser R1 (> R). In dem im Teil (C) gezeigten Zustand
(Druck von unten) wandern die Zentrumspunkte a des gebogenen Bereichs 14a nach außen und
demzufolge die Zentren b der Krümmung einwärts. Dann
hat die Membrane 14 eine kleinere effektive Druckaufnahmefläche gleich
der Fläche
eines Kreises mit einem Durchmesser R2 (< R). Als Konsequenz davon vari iert
die effektive Druckaufnahmefläche
der Membrane 14 abhängig
von dem Ausmaß der
axialen Versetzung des zentralen Bereichs 14c, der mit
Druck beaufschlagt wird, relativ zu dem Umfangsbereich 14b,
und variiert diese essenziell wie auch die Druckaufnahmefläche des
Ventilelements 11 während
des Ventilhubs variiert.
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Der
Kolben kann wie beispielsweise in 2 gezeigt
ausgebildet sein, derart, dass er einen in dem Zylinder 12 geführten Bundbereich 13a aufweist.
An diesem Bundbereich 13a ist der Außendurchmesser dem Innendurchmesser
des Ventilsitzes 10 gleich. Unterhalb des Bundbereiches 13a ist
ein Halsbereich 13b vorgesehen, der einen Außendurchmesser
besitzt, der etwas kleiner ist als der Innendurchmesser des Ventilsitzes 10.
Der Halsbereich 13b endet mit einem konvex gerundeten Rand
an einer die Membrane kontaktierenden ebenen Endfläche 13c,
die einen Durchmesser besitzt, der kleiner ist als der Innendurchmesser
des Ventilsitzes 10. Der Stopper 17 besitzt eine
zylindrische Peripherie 17a mit einem Außendurchmesser
essenziell gleich dem Innendurchmesser des Ventilsitzes 10.
Der Stopper 17 endet mit einem konvex gerundeten Rand an
einer ebenen Fläche 17b zum
Kontaktieren der Membrane, welche Fläche 17b einen größeren Durchmesser
besitzt als der Innendurchmesser der Endfläche 13c des Kolbens.
Weiterhin besitzt der Zylinder 12 einen erweiterten Bereich 12a,
in welchem die Membrane 19 festgelegt ist. Der innere Durchmesser
des erweiterten Bereiches 12a ist gleich dem inneren Durchmesser
eines Hohlraums des ringförmigen
Halters 15, jedoch etwas größer als der Innendurchmesser
des Ventilsitzes 10.
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Auch
die effektive Druckaufnahmefläche
des Ventilelementes 11 variiert abhängig vom Ventilhubausmaß. Wenn
das Ventilelement 11 auf dem Ventilsitz 10 aufsitzt,
dann korrespondiert die effektive Druckaufnahmefläche mit
dem Durchmesser der Ventilöffnung.
Wenn sich das Ventilelement 11 von dem Ventilsitz 10 wegbewegt,
nimmt die effektive Druckaufnahmefläche proportional zu. Erfindungsgemäß werden
solche Variationen der effektiven Druckaufnahmefläche des
Ventilelementes durch die Membrane 14 ausgeglichen, deren
effektive Druckaufnahmefläche
auch in ähnlicher
Weise variiert.
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In 2 ist
die Membrane 14 so montiert, dass dann, wenn das Ventilelement 11 auf
dem Ventilsitz 10 aufgesetzt ist, die Membrane 14 in
dem im Teil (B) vom 3 gezeigten Zustand ist. Dann
ist die effektive Druckaufnahmefläche die größte, d. h., der zentrale Bereich 14c ist
an der Seite gegenüberliegend
zu dem gebogenen Bereich 14a versetzt, wobei der gebogene
Bereich 14a zu dem Kolben 13 weist. Dann ist die
effektive Druckaufnahmefläche
der Membrane 14 natürlich
gleich der des auf den Ventilsitz 10 aufgesetztem Ventilelements 11.
Sobald das Ventilelement 11 beginnt, sich von dem Ventilsitz 10 wegzubewegen,
wobei sich seine effektive Druckaufnahmefläche ändert, wird sich auch die effektive Druckaufnahmefläche der
Membrane 14 entsprechend ändern.
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Wenn
die elektromagnetische Spule 25 stromlos ist und kein Kältemittel
in den Einlassanschluss 2 eingeführt wird, ist das Ventilelement 11 durch
die Feder 29 auf den Ventilsitz 10 aufgesetzt.
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Sobald
von einem Kondensator oder einem Gaskühler Hochdruck-Kältemittel
in den Einlassanschluss 2 eingeführt wird, wird das Kältemittel
gleichförmig
den ersten und zweiten Kammern 6 und 9 zugeführt. Da
die effektive Druckaufnahmefläche 9 des Ventilelements 11 und
die der Membrane 14 gleich sind, kann das Ventilelement 11 nicht
von selbst als Folge des Drucks des eingeführten Kältemittels öffnen. Das Proportionalventil
bleibt sicher geschlossen.
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Sobald
die elektromagnetische Spule 25 bestromt ist, wird der
Plunger 23 über
einen Abstand zu dem Kern 24 gezogen, der mit dem Wert
des Stroms korrespondiert. Das Ventilelement 11 hebt sich über den
gleichen Abstand ab. Dieser Zustand ist in 4 gezeigt.
Kältemittel
wird aus dem Einlassanschluss 2 über die Passagen 4, 5, 7 zu
den ersten und zweiten Kammern 6, 8 geführt. Die
Drücke
in den ersten und zweiten Kammern 6 und 8 sind
gleich. Die effektiven Druckaufnahmeflächen des Ventilelements 11 und der
Membrane 14 sind nahezu gleich und nehmen in entgegengesetzten
Richtungen dieselben Drücke auf.
Der durch den Kältemitteldruck
auf das Ventilelement 11 ausgeübte Einfluss wird ausgeglichen.
Konsequent operiert das Ventilelement 11 nur abhängig vom
Wert des zugeführten
Stroms und der Kräfte
der Federn 16 und 29. Da die Kräfte der
Federn 16 und 29 voreingestellt sind, wird das
Hubausmaß des
Ventilelements 11 nur durch den Wert des Stroms bestimmt.
Der ersten Kammer 6 zugeführtes Kältemittel geht durch den Spalt
zwischen dem Ventilsitz 10 und dem Ventilelement 11 zum
Auslassanschluss 3 durch. Das Hochtemperatur-, Hochdruck-Kältemittel expandiert
in dem Spalt adiabatisch und wandelt sich in Niederdruck-, Niedertemperatur-Kältemittel,
das dann dem Verdampfer des Kühlkreises
zugeführt wird.
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In
dem Proportionalventil der 5 und 6 wird
das Kältemittel
in die zweite Kammer 8 durch eine Passage 32 eingeführt, die
sich durch das Ventilelement 11, den Kolben 13,
die Membrane 14, und den Stopper 16 erstreckt.
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Spezifisch
ist in dem Ventilelement 11 eine Querkommunikationsöffnung geformt,
die mit der ersten Kammer 6 kommuniziert. Die Passage 32 erstreckt
sich entlang der Achse des einstückigen
Körpers,
der durch das Ventilelement 11, den Kolben 13, und
die das Ventilelement 11 und den Kolben 13 verbindenden
Welle konstituiert ist. Die Membrane 14 hat die Gestalt
eines Doughnuts mit einer Öffnung
im Zentrum. Der Außenrandbereich
der Membrane ist zwischen dem Körper 1 und
dem Halter 15 eingeklemmt. Ein innerer Umfangsbereich ist
durch den Stopper 17 fixiert, der eine axiale Öffnung hat.
Der Stopper 17 ist in den unteren Endbereich des Kolbens 13 durch
Einpressen eingepasst. Die Membrane 14 ist in einem ausgelenkten
Zustand montiert, derart, dass dann, wenn das Ventilelement 11 auf den
Ventilsitz 10 aufgesetzt ist, wie in 5 gezeigt (ähnlich mit 2),
die effektive Druckaufnahmefläche
der Membrane ein Maximum und gleich der effektiven Druckaufnahmefläche des
Ventilelements 11 ist.
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Vom
Kondensator oder dem Gaskühler
in den Einlassanschluss 2 eingeführtes Hochdruck-Kältemittel
tritt über
die Passage 32 in die erste Kammer 6 und die zweite
Kammer 8 ein. Die Drücke
in den ersten und zweiten Kammern 6 und 8 sind
gleich. Bezüglich
anderer Zusammenhänge
operiert das Proportionalventil der 5, 6 in
der selben Weise wie das der 1 bis 4.
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Die
Proportionalventile der 1 bis 6 sind normalerweise
geschlossen, d. h., sie sind voll geschlossen, wenn der Magnet stromlos
ist. Das Proportionalventil von 7 ist hingegen
normalerweise offen und voll geöffnet,
wenn der Magnet stromlos ist.
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Der
Druckaufnahmebereich des Kolbens 13 von 7 ist
auf dieselbe Weise ausgebildet wie in den 1 bis 4.
Der Stopper 17 wird durch eine Feder 33 in Ventilschließrichtung
beaufschlagt. Der Stopper erhält
keine Beaufschlagungskraft von dem Magneten, wenn der Magnet stromlos
ist, so dass das Proportionalventil voll offen bleibt. Die Kraft
der Feder 33 ist durch eine Einstellschraube 34 eingestellt,
die in den Körper 1 eingeschraubt
ist.
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Die
Membrane 14 ist in ausgelenktem Zustand derart montiert,
dass, wenn das Ventilelement 11 auf den Ventilsitz 10 aufgesetzt
ist, die Membrane 14 die größte effektive Druckaufnahmefläche besitzt, die
zumindest substanziell gleich ist mit der effektiven Druckaufnahmefläche des
aufgesetzten Ventilelements 11. Wenn, wie in 7 gezeigt,
das Proportionalventil voll geöffnet
ist, hat die Membrane 14 eine andere effektive Druckaufnahmefläche als
die, die mit der des Ventilelements 11 korrespondieren
würde.
Selbst wenn Kältemittel
eingeführt
wird, während das
Proportionalventil voll offen ist, schließt konsequent das Ventilelement 11 niemals
selbsttätig
als Folge des Kältemitteldrucks.
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Im
Vergleich mit den Proportionalventilen der 1 bis 6,
sind in 7 der Plunger 23 und
der Kern 24 des Magneten in der axialen Richtung in 7 umgekehrt
positioniert. Der Kern 24 ist mit dem Flansch 21 zum
Fixieren des Magneten an dem Körper 1 integral
ausgebildet. Die Hülse 22 ist
an dem Kern 24 fixiert. Der Kern 24 besitzt einen
zentralen Hohlraum und einen unteren Endbereich, der als eine Lagerang
für die
Welle 27 dient, an welcher der Plunger 23 fixiert
ist. Ein oberer Endabschnitt der Welle 27 wird von einem
Stopfen 25 abgestützt,
der ein oberes Ende der Hülse 22 verschließt. In dem
in 7 gezeigten, voll geöffneten Zustand wird der Plunger 23 durch
die Feder 33 gegen den Stopfen 35 beaufschlagt,
um das maximale Hubausmaß des
Ventilelements 11 zu limitieren.
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Wenn
die elektromagnetische Spule 25 bestromt ist, wird der
Plunger 23 über
einen Abstand zu dem Kolben 24 gezogen, der mit dem Wert
des angelegten Stroms korrespondiert. Das Ventilelement 11 wird
in korrespondierender Weise gegen die Kraft der Feder 33 durch
die Welle 27 abgesenkt, wodurch das Proportionalventil 7 in
einen Zustand gebracht wird, wie in 4 gezeigt,
wobei der Ventilhub auf einen vorbestimmten Wert gesetzt ist. Der
auf das Ventilelement 11 aufgebrachte Druck wird durch
den Druck ausgeglichen, der auf die Membrane 14 einwirkt.