CH686094A5 - Proportionalventil. - Google Patents

Description

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CH 686 094 A5

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Beschreibung

Aus dem US-Patent Nr. 4 921 208 ist ein Proportionalventil bekannt. Es ermöglicht einen Strö-mungsdurchfluss proportional zu einem an ein Sole-noid angelegten Strom. Die vom Solenoid gelieferte Kraft ist proportional zum Strom durch das Solenoid. Das Solenoid wirkt gegen eine Feder, die das Ventilglied konstant in Richtung eines Ventilsitzes drückt. Der Zwischenraum zwischen dem Ventilglied und dem Ventilsitz ist dadurch proportional zum angelegten Strom.

Proportionalventile werden zum Mischen und Messen verwendet. Zum Beispiel braucht man Proportionalventile, um verschiedene Benzinsorten miteinander zu mischen, um eine gewünschte Charakteristik, beispielsweise eine gewünschte Oktanzahl, zu erreichen. Sie werden auch verwendet zum Mischen von kaltem und warmem Wasser, um eine gewünschte Temperatur zu erreichen. Andere Anwendungen sind dort gegeben, wo ein graduelles Öffnen erwünscht ist, beispielsweise bei Heisswas-ser, um Verbrühungen zu vermeiden.

Als Strom wird üblicherweise gepulster Gleichstrom verwendet, wobei der Betrag des Stromes vom Verhältnis der «Ein-» und «Aus»-Zeiten der Pulse abhängt (Pulsbreitenmodulation).

Das Ventil nach dem US-Patent 4 921 208 funktioniert an sich gut. Es hat allerdings einige Probleme. Zunächst enthält es eine relativ grosse Anzahl von Teilen, sodass es teuer in der Herstellung und im Zusammenbau ist und Lagerhaltungskosten verursacht. Bei gewissen Druckbereichen ist es manchmal schwierig zu öffnen. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Proportionalventil zu entwickeln, das weniger Einzelteile benötigt ünd damit billiger herstellbar ist. Ferner soll das Ventil bei allen Druckbereichen funktionstüchtig sein. Diese Aufgaben werden durch die Merkmalskombination gemäss Anspruch 1 gelöst.

Das Ventil nach der US-PS 4 921 208 hat zwar ebenfalls ein Druckglied und ein Solenoid, aber es funktioniert auf andere Weise als das erfindungsge-mässe Ventil. Das Solenoid ist direkt mit dem Hauptventilglied verbunden, und das Druckglied kompensiert lediglich die Kraft auf das Hauptventilglied.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Darin zeigt:

Fig. 1 einen Axialschnitt durch ein erfindungsge-mässes Proportionalventil in der geschlossenen Stellung,

Fig. 2 eine Darstellung entsprechend Fig. 1 mit geöffnetem Pilotventil aber noch geschlossenem Hauptventil,

Fig. 3 eine Darstellung wie Fig. 1 aber mit geöffnetem Hauptventil,

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung des Verbindungsgliedes, und

Fig. 5 eine vergrösserte Darstellung des Hauptventilsitzes.

Das Proportionalventil 10 umfasst ein Ventilgehäuse 11 mit einem Eingangsanschluss 12, einem Ausgangsanschluss 13, einem Hauptventilsitz 14 (Fig. 3 und 5) zwischen diesen Anschlüssen, welcher eine Hauptventilöffnung 15 umgibt. Eine Bodenplatte 16 ist ans Ventilgehäuse mit Schrauben 17 angeschraubt und gegenüber dem Gehäuse mit einer Dichtung 18 abgedichtet. Ein Deckel 19 ist oben auf das Ventilgehäuse 11 mit weiteren Schrauben 20 aufgeschraubt und mit einer Dichtung 21 abgedichtet.

Am Deckel 19 ist ein Solenoidbetätiger 24 befestigt. Der Betätiger umfasst eine Wicklung 25 aus elektrisch leitendem Draht auf einer Spule 26 aus elektrisch nichtleitendem und nicht magnetischem Material. Die Anschlüsse an die Drahtwicklung sind nicht gezeigt. Ein Gehäuse 27 aus magnetischem Material umgibt die Spule.

Eine feststehende Armatur oder ein Stöpsel 28 ist im oberen Teil der Spule 26 angeordnet. Vom Stöpsel 28 ragt ein Kernrohr 29 nach unten und erstreckt sich über den Rest der Spule 26. Am unteren Ende ist am Kernrohr 29 ein Kragen 30 von grösserem Durchmesser angeformt, der einen Nippel 31 mit einem Aussengewinde trägt. Der Nippel 31 ist in eine Gewindebohrung 32 des Deckels 19 eingeschraubt. Eine Dichtung 33 sichert die druckmitteldichte Verbindung zwischen dem Kragen 30 und dem Deckel 19.

Im Kernrohr 29 ist eine bewegliche Armatur 36 aus magnetischem Material verschiebbar geführt. Die bewegliche Armatur 36 hat eine axiale Bohrung 37 koaxial zu einer Bohrung 38 im Stöpsel 28. Eine in die Bohrungen 37, 38 eingesetzte Druckfeder drückt die bewegliche Armatur 36 ständig nach unten, weg vom Stöpsel 28. Die obere Endfläche der beweglichen Armatur 36 und die untere Fläche des Stöpsels 28 sind aneinander angepasst profiliert, sodass diese beiden Stirnflächen ineinander greifen, wenn die bewegliche Armatur gegen den Stöpsel bewegt wird. An ihrem unteren Ende trägt die Armatur 36 ein Pilotventilglied 39 aus einem elastischen Material.

Innerhalb des Ventilgehäuses 11 ist ein Hauptventilglied 42 aus elastischem Material angeordnet, das koaxial zum Ventilsitz 14 beweglich ist, um das Ventil zu öffnen oder zu schliessen. Ebenfalls im Ventilgehäuse 11 ist ein Druckglied in Form eines starren Kolbens 43 angeordnet, der in einer zylindrischen Bohrung 44 verschiebbar geführt ist. Der Kolben 43 ist gegenüber dem Zylinder 44 mit einer Dichtung 45 abgedichtet.

Das Hauptventilglied 42 und der Kolben 43 sind miteinander über ein Verbindungsglied 46 starr verbunden, das deutlicher in Fig. 4 dargestellt ist. Das Verbindungsglied 46 ist in einer Bohrung 47 des Ventilgehäuses 11 verschiebbar geführt. Die Bohrung 47 ist koaxial zur Bohrung 15 und bildet einen Teil des Strömungspfades für das Druckmittel vom Eingangsanschluss 12 zum Ausgangsanschluss 13.

Das Verbindungsglied 46 umfasst ein zentrales Rohr 50 mit einer axialen Durchgangsbohrung 51, die sich über die volle Länge des Verbindungsgliedes erstreckt. Benachbart dem unteren Ende hat das Verbindungsglied 46 einen Flansch 52, der den Kolben 43 trägt, wobei eine Dichtung 53 den Kol-

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ben 43 vom Flansch 52 abdichtet. Vom Flansch 52 steht ein Gewindestutzen 54 vor, auf den eine Mutter 55 aufgeschraubt ist, die den Kolben 43 hält.

Benachbart dem oberen Ende ist am Verbindungsglied 46 ein Flansch 58 angeformt sowie ein Stutzen 59, die das Hauptventilglied 42 tragen. Der Stutzen 59 zentriert zudem eine Unterlagsscheibe 60, die das Hauptventilglied 42 hält. Ein Ende einer Kompressionsfeder 61 sitzt auf der Unterlagsscheibe 60. Das andere Ende der Feder sitzt in einer ringförmigen Nut im Deckel 19. Die Feder 61 drückt das Hauptventilglied 42 ständig gegen den Ventilsitz 14, also in die geschlossene Position. Vom Stutzen 59 steht ein Gewindestutzen 62 vor, auf welchen eine Mutter 63 aufgeschraubt ist, um das Hauptventilglied 42 und die Unterlagsscheibe 60 auf dem Verbindungsglied 46 zu sichern. Die obere Seite des Stutzens 62 ist verjüngt und definiert einen Pilotventilsitz 64 (Fig. 2), der mit dem Pilotventilglied 39 zusammenwirkt.

Zwischen den Flanschen 52 und 58 sind am Rohr 50 des Verbindungsgliedes 46 mehrere (im vorliegenden Fall vier) radial abstehende Flügel 65 angeformt. Die äusseren Kanten der Flügel 65 sind verschiebbar in der Bohrung 47 geführt, um die Bewegung des Verbindungsgliedes 46 und damit des Hauptventilgliedes 42 und des Kolbens 43 zu führen. Diese Flügel 65 behindern den Durchfluss des Strömungsmittels von der Bohrung 15 zum Aus-trittsanschluss 13 nicht. Weil die Strömung durch die Bohrung 15 gelegentlich etwas turbulent ist, kann die Strömung auf die Flügel 65 einwirken und das Verbindungsglied 46 um seine Achse drehend antreiben. Um diesen «Paddeleffekt» zu minimieren, haben die Flügel 65 je einen Ausschnitt 66.

Um die Stabilität des Ventils und die Kontrolle des Durchflusses durch das Ventil zusätzlich zu verbessern, hat die Bohrung 15 (Fig. 5) im wesentlichen denselben Durchmesser wie der Ventilsitz 14, jedoch nur für eine kurze axiale Distanz. In einem Übergangsbereich 67 ist dann die Öffnung auf die engere Bohrung 47 reduziert. Diese Profilierung hat den Effekt, den Bereich der Strömungsturbulenz vom Ventilsitz 14 weg in den Übergangsbereich 67 zu verschieben, d.h. der Bereich der Druckdifferenz ist vom Ventilsitz 14 weg bewegt.

Der Kolben 43 und die Bodenplatte 16 definieren zwischen sich eine Kammer 68, in welche Hochdruck-Strömungsmittel fliesst, wenn das Pilotventil geöffnet ist. Eine Entlastungsbohrung 69 ermöglicht eine konstante Verbindung zwischen der Kammer 68 und dem Ausgangsanschluss 13. Der kleinste Strömungsquerschnitt der Entlastungsbohrung 69 ist kleiner als der kleinste Strömungsquerschnitt der Bohrung 51.

Wenn die Spulenwicklung 25 ausgeschaltet und das Ventil an eine Quelle von unter Druck stehendem Druckmittel angeschlossen ist, drücken die Kraft des Druckmittels auf das Ventilglied 42 kombiniert mit der Kraft der Feder 61 auf das Ventilglied 42 und halten das Hauptventilglied 42 gegen den Ventilsitz 14 in der geschlossenen Stellung. Wenn an die Spulenwicklung 25 Strom angelegt wird, wird die bewegliche Armatur 36 durch den Stöpsel 28 angezogen und bewegt sich infolgedessen nach oben gegen die Kraft der Feder 40 (Fig. 2). Mit der beweglichen Armatur 36 bewegt sich auch das Pilotventilglied 39 weg vom Pilotventilsitz 64, wodurch Einlass-Druckmittel durch die Bohrung 51 in die Kammer 68 strömt, sodass die untere Seite des Kolbens 43 mit Druckmittel beaufschlagt ist. Weil der Kolben 43 wesentlich grösser ist als das Ventilglied 42 ist die resultierende Kraft aus den Kräften auf den Kolben 43 und das Hauptventilglied 42 nach oben gerichtet und die Einheit bestehend aus Kolben 43, Hauptventilglied 42 und Verbindungsglied 46 bewegt sich nach oben. Dadurch wird das Hauptventilglied 42 vom Ventilsitz 14 abgehoben (Fig. 3), wodurch das Hauptventil geöffnet und ein Durchfluss vom Eingangsanschluss 12 zum Ausgangsanschluss 13 hergestellt wird.

Die Einheit 42, 43, 46 bewegt sich soweit nach oben, bis der Pilotventilsitz 64 am Pilotventilglied 39 anliegt, d.h. das Pilotventil schliesst. Dadurch kann kein Hochdruck-Strömungsmittel mehr durch die Bohrung 51 in die Kammer 68 fliessen. Gleichzeitig wird der Druck in der Kammer 68 vermindert, da ständig Druckmittel von dieser Kammer durch die Entlastungsöffnung 69 zum Ausgangsanschluss 13 strömt. Sobald der Druck in der Kammer 68 genügend abgesenkt ist, entwickelt der Hochdruck des Strömungsmittels auf das Ventilglied 42 eine hinreichende Kraft, um die Einheit 42, 43, 46 wieder abwärts zu bewegen. Sobald diese Abwärtsbewegung initiiert ist, öffnet das Pilotventil 39, 64 wieder und ermöglicht wieder einen Durchfluss zur Kammer 68. Ein Gleichgewichtszustand ist sehr rasch erreicht, in welchem die Einheit 42, 43, 46 ständig um einen sehr geringen Betrag oszilliert, da das Pilotventil 39, 64 ständig ein wenig öffnet und schliesst. Die Stellung der Einheit während dieser Oszillation ist durch die Stellung der Armatur 36 bestimmt, diese Position bestimmt also den Abstand zwischen dem Hauptventilglied 42 und dem Hauptventilsitz 14, und somit den Durchfluss durch das Ventil.

Die Stellung der Armatur 36 ist bestimmt durch die Stromstärke durch die Spulenwicklung 25. Wird beispielsweise bei der Pulsbreitenmodulation der Strom 50% der Zeit angeschaltet und 50% der Zeit ausgeschaltet, beträgt der effektive Strom durch die Spulenwicklung 50% des Maximums. In der Folge wird die Armatur 36 die Hälfte ihres maximalen Hubes ausführen, also die Hälfte des Hubes, den die Armatur 36 von der Stellung aus führt, in welcher das Ventil geschlossen ist bis zur Stellung, in welcher die Armatur 36 am Stöpsel 28 anschlägt (Fig. 3). Infolgedessen wird die Einheit 42, 43, 46 50% ihres Maximalhubes ausführen, sodass etwa die Hälfte des maximalen Durchflusses durch das Ventil vom Eintrittsanschluss 12 zum Austrittsan-schluss 13 fliesst. Wenn die Spannung 75% der Zeit eingeschaltet und 25% der Zeit ausgeschaltet ist, beträgt der Hub der Armatur 36% des Maximalhubes, und das Ventil öffnet auf einen Durchfluss von etwa 75% des maximalen Durchflusses. Die Grösse des Durchflusses ist also proportional zur angelegten Stromstärke.

Wie oben erwähnt, reagiert das Ventil am effektivsten, wenn ein gepulster Gleichstrom an die Spulenwicklung 25 angelegt wird, besser als wenn die

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Grosse eines stetigen Gleichstroms variiert wird. Pulsierender Gleichstrom bewirkt ein Zittern der Armatur 36, wodurch sich eine grössere Genauigkeit der Stellung der Armatur in Abhängigkeit der Stromstärke ergibt.

Ausserdem wurde gefunden, dass ein optimales Verhalten dadurch erreicht werden kann, dass die Frequenz der Gleichstrompulse an die Grösse des Ventils angepasst wird. Die Pulsbreitenmodulations-frequenz sollte im umgekehrten Verhältnis zum Durchmesser der Ventilöffnung 15 sein, d.h. je grösser die Öffnung ist desto kleiner sollte die Frequenz sein. Zum Beispiel wurde optimales Verhalten bei einem Ventil von 6 mm Durchmesser Ventilöffnung bei einer Frequenz von 95 Hz erreicht. Bei einem Ventil mit 12,5 mm Ventilöffnungsdurchmesser betrug die optimale Frequenz 75 Hz und bei einem Ventil von 19 mm Durchmesser waren es 33 Hz.

Abweichungen von diesen optimalen Frequenzen kann die Hysterese erhöhen. In einigen Fällen wurden unterschiedliche Durchflussmengen bei gleichem Spulenstrom gemessen, je nachdem, ob der Strom erhöht oder abgesenkt wurde, um zu diesem Wert zu gelangen. Im Gegensatz dazu ist bei Verwendung der optimalen Frequenz für die betreffende Ventilgrösse die Durchflussmenge praktisch dieselbe unabhängig davon, ob die betreffende Stromstärke von unten oder von oben angefahren wurde.

Falls das Ventil in aufrechter Stellung eingebaut wird wie in den Zeichnungen dargestellt, kann die Feder 61 auch weggelassen werden, da die Schwerkraft die Funktion der Feder übernimmt. Die Feder 61 ermöglicht jedoch den Einbau in beliebigen Lagen.

Claims (11)

Patentansprüche

1. Proportionalventil, gekennzeichnet durch: Ein Ventilgehäuse (11) mit einem Eintrittsanschluss (12), einem Austrittsanschluss (13) und einer Öffnung (15) zwischen diesen Anschlüssen (12, 13), welche von einem Hauptventilsitz (14) umgeben ist; ein Hauptventilglied (42), das gegenüber dem Hauptventilsitz (14) beweglich ist und durch den Druck eines Strömungsmittels im Eintrittsanschluss (12) gegen den Hauptventilsitz (14) belastet ist, wenn das Ventil geschlossen ist;

ein Druckglied (43), das relativ zum Hauptventilsitz (14) beweglich ist, und das eine wesentlich grössere wirksame Fläche hat als die Querschnittsfläche der Öffnung (15); ein Verbindungselement (46), welches das Hauptventilglied (42) starr mit dem Druckglied (43) verbindet, sodass sie sich als Einheit bewegen;

ein Kanal (51) innerhalb des Verbindungselementes (46), durch welchen Strömungsmittel vom Eintrittsanschluss (12) zum Druckglied (43) zuführbar ist, um eine Kraft entgegen der Kraft des Strömungsmittels auf das Hauptventilglied (42) zu erzeugen; ein Pilotventilglied (39)1 das in der Bewegungsbahn des Kanals (51) angeordnet ist, um den Durchfluss des Strömungsmittels vom Eintrittsanschluss (12) durch den Kanal (51) zu steuern; ein Solenoid-Betätigungsorgan (24) zum Positionieren des Pilotventilgliedes (39), wobei die Stellung des Pilotventilgliedes (39) und damit der Abstand des Hauptventilgliedes (42) vom Hauptventilsitz (14) proportional zum Strom durch das Betätigungsglied (24) ist.

2. Ventil nach Anspruch 1, wobei Mittel (69) vorgesehen sind, um den auf das Druckglied (43) wirkenden Druck zu reduzieren.

3. Ventil nach Anspruch 2, wobei eine Kammer (68) auf der vom Hauptventilglied (42) abgewandten Seite des Druckgliedes (43) über den Kanal (51) mit Strömungsmittel beaufschlagt ist, wenn das Pilotventilglied (39) geöffnet ist, und wobei die Mittel zum Reduzieren des Drucks eine konstante Entlastungsöffnung (69) sind.

4. Ventil nach einem der Ansprüche 1-3, wobei das Druckglied als Kolben (43) ausgebildet ist, der in einer zylindrischen Bohrung (44) des Ventilgehäuses (11) geführt ist, und wobei der Durchmesser des Kolbens (43) grösser ist als der Durchmesser des Hauptventilsitzes (14).

5. Ventil nach einem der Ansprüche 1-4, wobei das dem Hauptventilglied (42) benachbarte Ende des Kanals (51) in einen Pilotventiisitz (64) mündet, der mit dem Pilotventilglied (39) zusammenwirkt.

6. Ventil nach einem der Ansprüche 1-5, wobei das Betätigungsglied (24) eine bewegliche Armatur (36) enthält, die mit dem Pilotventilglied (39) verbunden ist.

7. Ventil nach einem der Ansprüche 1-6, wobei die Öffnung (15) des Hauptventils stromabwärts des Hauptventilsitzes (14) im Durchmesser reduziert ist.

8. Ventil nach einem der Ansprüche 1-7, wobei das Verbindungselement (42) ein Rohr (50) und mehrere davon abstehende Flügel (65) umfasst und das Ventilgehäuse (11) eine Bohrung (47) aufweist, in der die Flügel (65) verschiebbar geführt sind.

9. Ventil nach Anspruch 8, wobei jeder Flügel (65) einen Ausschnitt (66) zum Durchfluss des Strömungsmittels aufweist.

10. Verfahren zum Betrieb eines Ventils nach einem der Ansprüche 1-9, wobei an eine Spulenwik-klung (25) des Solenoid-Betätigungsorgans (24) gepulster Gleichstrom angelegt wird, dessen Frequenz an die Grösse des Hauptventilsitzes (14) angepasst ist, um die Hysterese zu minimieren.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Pulsfrequenz im umgekehrten Verhältnis zur Grösse des Hauptventilsitzes (14) ist.

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