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Die Erfindung betrifft ein aus der
DE 10 2008 017 764 A1 bekanntes bistabiles Ventil für gasförmige und flüssige Medien, das einen Ventilkörper mit einem Eingang und einem Ausgang, einen Ventilsitz, eine Ventilkammer und einen plattenförmigen Anker mit einem Dichtkörper und einer scheibenförmigen Feder aufweist. Auf dem Ventilkörper ist ein Magnetkopf vorgesehen, der eine Elektrospule und eine Magnetkreiseinheit mit einem Joch, einem Innenkern, einem Dauermagneten und einem Außenkern besitzt.
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Die
DE 10 2007 030 405 B3 offenbart einen Aktor für ein Ventil, der in einem Flussmantel eine elektrische Spule, einen Eisenkern mit einer in diesem angeordneten Schraubenfeder und einen innerhalb der Spule axial verlagerbaren zylindrischen Anker aufweist. Für eine Handbetätigung ist an der oberen Stirnseite der Spule ein erster Permanentmagnet angeordnet. In einem axialen Abstand über diesem Permanentmagneten ist ein zweiter Permanentmagnet vorgesehen, der für eine wahlweise Verkleinerung oder Vergrößerung des Abstands zum ersten Permanentmagneten entsprechend bewegbar ist.
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Die
DE 102 56 754 B4 offenbart ein nicht elektromagnetisch, sondern lediglich manuell betätigbares Ventil, dessen Ventilkörper einen Eingang und einen Ausgang sowie eine Ventilkammer mit einem Ventilsitz, einem Plattenanker, einer Scheibenfeder und einem Dichtkörper aufweist. Auf Abstand über dem Plattenanker befindet sich ein Permanentmagnet, der an einem Stößel gelagert ist. Wird der Stößel von Hand gegen eine Federkraft axial verlagert, nähert sich der Permanentmagnet dem Plattenanker, so dass dieser nach oben gezogen wird und der Dichtkörper den Ventilsitz öffnet. Sobald der Stößel entlastet wird, drückt die Federkraft den Permanentmagneten nach oben, so dass der Plattenanker abfällt und mit seinem Dichtkörper über die Kraft der Scheibenfeder den Ventilsitz schließt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Ventil der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass mit einfachen Mitteln eine kompakte Baueinheit und eine zuverlässige Funktion auch bei nicht ausreichender Energieversorgung erzielt werden.
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Die Erfindung betrifft ein bistabiles Ventil für gasförmige und flüssige Medien. Ventile, die für den axial verlagerbaren Anker einen Elektromagneten und einen Dauermagneten aufweisen, sind allgemein bekannt. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Ventil der genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass mit einfachen Mitteln eine kompakte Baueinheit und eine zuverlässige Funktion auch bei nicht ausreichender Energieversorgung erzielt wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.
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Weitere Vorteile und wesentliche Einzelheiten der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmen, die in einer einzigen Figur in schematischer Darstellung eine bevorzugte Ausführungsform als Beispiel zeigt.
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Das in der Zeichnung in geschnittener Ansicht vergrößert dargestellte erfindungsgemäße Ventil ist für gasförmige und flüssige Medien vorgesehen, und weist einen Ventilkörper 1 und einen Magnetkopf 2 auf, die bezüglich einer Mittenachse 3 vorzugsweise kreisrund ausgebildet und koaxial angeordnet sind. Der etwa topfförmige Ventilkörper 1 besitzt eine Grundwand 4 mit einem kreiszylindrischen koaxialen Fortsatz 5 und eine sich in Richtung nach oben erstreckende Umfangswand 6. Am Umfang der Grundwand 4 und des Fortsatzes 5 können O-Ringe 7, 8 vorgesehen sein, die in nach außen offenen Rechtecknuten gelagert sind. Im Fortsatz 5 kann für das Medium ein koaxialer Eingang 9 ausgebildet sein, der in einen Ventilsitz 10 mündet, welcher in eine Ventilkammer 11 hineinragt. Für die Herausführung des Mediums aus der Ventilkammer 11 können in der Grundwand 4 Ausgänge 12, 13 vorgesehen sein. Bei verschiedenen Anwendungen kann es zweckmäßig sein, die Ein- und Ausgänge zu vertauschen, so dass das Medium über die dargestellten Ausgänge 12, 13 zugeführt und den dargestellten Eingang 9 abgeführt wird.
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In der Ventilkammer 11 befindet sich ein axial verlagerbarer plattenförmiger Anker 14, der koaxial einen aus einem Elastomerwerkstoff hergestellten Dichtkörper 15 trägt, der in dem Anker 14 einvulkanisiert ist und den Ventilsitz 10 verschließt. Außerdem ist in einer Ebene unter dem Anker 14 eine Scheibenfeder 16 koaxial angeordnet, die im Bereich des Dichtkörpers 15 etwa in der Mitte des Ankers 14 angreift und mit ihrem Außenrand an einer Buchse 17 abgestützt ist, die an der Innenfläche der Umfangswand 6 zum Beispiel mittels Presssitz gehalten ist. Die Scheibenfeder 16 drückt den Dichtkörper 15 gegen den Ventilsitz 10.
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Der plattenförmige Anker 14 ist im Durchmesser so ausgeführt, dass er bei seiner axialen Verlagerung innerhalb der Buchse 17 weitgehend spielfrei geführt ist. Für eine leichtgängige axiale Ankerverlagerung im Medium der Ventilkammer 11 kann der Anker 14 zudem vorzugsweise mehrere Durchgangsbohrungen 18 aufweisen, die bezüglich der Mittenachse 3 kreisförmig um den Dichtkörper 15 herum angeordnet sein können.
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Der Magnetkopf 2 weist eine zu der Mittenachse 3 koaxial angeordnete Elektrospule 19 auf, die auf einem Spulenkern 20 gelagert sein kann. An der dem Anker 14 abgewandten Seite der Elektrospule 19 können mit dem Spulendraht verbundene Anschlussstifte 21 vorgesehen sein, die in einer Leiterplatte 22 kontaktiert sind. An dieser Leiterplatte 22 können die Enden von aus dem Magnetkopf 2 herausragenden Elektroleitern 23, 24 kontaktiert sein, wodurch eine verhältnismäßig flexible Elektroverbindung hergestellt ist.
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Außerdem weist der Magnetkopf 2 eine Magnetkreiseinheit 25 auf, die aus verschiedenen einzelnen Segmenten zu einer Einheit zusammengefasst sind. Die einzelnen Segmente sind ein Joch 26, ein Innenkern 27, ein Dauermagnet 28, ein Außenkern 29 und eine nicht magnetisierbare Scheibe 30, die aus Metall bestehen kann. Das Joch 26, der Innenkern 27 und der Dauermagnet 28 sind kreiszylindrisch gestaltet und koaxial zur Mittenachse 3 angeordnet. Das im Querschnitt etwa T-förmige Joch 26 ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel materialeinheitlich einstückig ausgeführt. Gemäß einer anderen, hier nicht dargestellten Ausführung kann das Joch 26 auch zweiteilig ausgebildet sein. Der Dauermagnet 28 befindet sich zwischen dem Joch 26 und dem Innenkern 27. Der Durchmesser des dem Dauermagneten 28 zugewandten Zylinderteils 31 des Jochs 26 und der Durchmesser des Innenkerns 27 sind gleich und entsprechen annähernd dem Innendurchmesser des Spulenkerns 20, während der Durchmesser des Dauermagneten 28 etwas kleiner ausgeführt sein kann. Die axiale Länge des Innenkerns 27 und die axiale Länge des Zylinderteils 31 können zweckmäßig ungefähr gleich sein. Dagegen ist die axiale Länge des Dauermagneten 28, der in axialer Längsrichtung der Elektrospule 19 etwa in deren Mitte angeordnet ist, bevorzugt kleiner und kann etwa ein Drittel der Länge des Innenkerns 27 oder des Zylinderteils 31 betragen. Der Dauermagnet 28 ist so stabil gestaltet, dass seine axiale Länge annähernd doppelt so groß ist wie die Dicke des Ankers 14 in axialer Richtung.
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Der kreiszylindrische Außenkern 29 der Magnetkreiseinheit 25 umgibt die Elektrospule 19 und ist für die Magnetkreisbildung mit dem Joch 26 durch Reibschluss eng verbunden. Der obere Bereich des Außenkerns 29 ist im Durchmesser so gestaltet, dass er ungefähr gleich dem Durchmesser der Umfangswand 6 des Ventilkörpers 1 ist. Ein gegenüber dem oberen Bereich im Durchmesser etwas kleinerer Rohrteil 32 des Außenkerns 29 ist von der Umfangswand 6 des Ventilkörpers 1 eng umfasst, wobei ein vorzugsweise etwa in der Ebene des Dauermagneten 28 am Rohrteil 32 ausgebildetes Außengewinde 33 in ein Innengewinde 34 eingreift, das am oberen Endbereich der Umfangswand 6 des Ventilkörpers 1 vorgesehen ist. Es liegt aber auch im Rahmen der Erfindung, auf das Außengewinde 33 und das Innengewinde 34 zu verzichten, um das Rohrteil 32 mit dem Endbereich der Umfangswand 6 zu verbinden. Am unteren Ende des Rohrteils 32 ist ein rechtwinklig nach innen ragender Kragen 35 ausgebildet, der den Spulenkern 20 der Elektrospule 19 untergreift. Die Dicke des Kragens 35 in axialer Richtung ist größer als die Dicke der nicht magnetisierbaren Scheibe 30.
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Die Scheibe 30 ist in der Ebene des Kragens 35 angeordnet und untergreift wie dieser ebenfalls den Spulenkern 20. Dabei ist der Außendurchmesser der Metallscheibe ungefähr gleich dem Innendurchmesser des Kragens 35 ausgeführt und der Innendurchmesser der Scheibe 30 entspricht im Wesentlichen dem Außendurchmesser des Innenkerns 27, der die Scheibe 30 durchsetzt und in Richtung zum Anker 14 hin überragt. Mit Hilfe der genauen Außen- und Innendurchmesseranpassung der Scheibe 30 ist letztere zwischen dem Innenkern 27 und dem Kragen 35 des Außenkerns 29 hermetisch dicht angeordnet, so dass das Medium nicht in das Innere des Magnetkopfs 2 eindringen kann.
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Die Lage der nicht magnetisierbaren Scheibe 30 ist so gewählt, dass sie, in axialer Richtung gesehen, bezüglich der Stirnseite 36 des Außenkerns 29, die dem Anker 14 zugewandt ist, zurückgesetzt ist. Außerdem ist in der Zeichnung zu erkennen, dass die dem Anker 14 zugewandte Stirnfläche 37 des Innenkerns 27 von der Stirnseite 36 des Außenkerns 29 axial ebenfalls etwas entfernt ist, so dass ein Abstand gebildet ist. Dabei ist ersichtlich, dass das Maß der axialen Zurücksetzung 38 der Scheibe 30 gegenüber der Stirnseite 36 des Außenkerns 29 bevorzugt etwa doppelt so groß ist wie der axiale Abstand zwischen der Stirnfläche 37 des Innenkerns 27 zur Stirnseite 36 des Außenkerns 29.
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Um die Elektrospule 19 mit ihrem Spulenkern 20 sowie die Leiterplatte 22 und die elektrischen Anschlüsse sowohl mechanisch als auch gegen Feuchtigkeit und Spritzwasser zu schützen, kann der Magnetkopf 2 mit einer elektrisch isolierenden Vergussmasse 39 weitgehend hohlraumfrei vergossen sein, so dass sämtliche Hohlräume innerhalb des Außenkerns 29 ausgefüllt sind. Die Vergussmasse 39, der obere Rand des Außenkerns 29 und des Jochs 26 bilden eine gemeinsame Ebene.
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Der Zeichnung ist zudem zu entnehmen, dass dem erfindungsgemäßen Ventil eine manuelle Betätigung 40 zugehörig ist, die mindestens einen Permanentmagneten 41 aufweist. Der Permanentmagnet 41 des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist zweckmäßig als kreisförmige Ringscheibe ausgebildet, die ein zentrales Loch 42 besitzt, dessen Durchmesser etwas größer ist als der Durchmesser des Magnetkopfs 2 und des Ventilkörpers 1. Der Permanentmagnet 41 ist über den das Loch 42 durchsetzenden Magnetkopf 2 gestülpt und umschließt letzteren koaxial. In der dargestellten Ausgangsposition befindet sich der ringscheibenförmige Permanentmagnet 41 in einer Ebene über dem Dauermagneten 28 und ist dabei vorzugsweise von einer schraubenförmigen Feder 43 unterstützt, die den Permanentmagneten 41 in dieser Ausgangsposition positioniert. Die Feder 43 selbst ist an einem Widerlager 44 abgestützt, das sich außerhalb des Ventilkörpers 1 etwa in der Ebene des Ventilsitzes 10 befindet. Auf Grund der vorbeschriebenen Ausführung ist es möglich, den Permanentmagneten 41 axial zu verschieben und in eine andere Ebene zu verlagern. Gemäß einer hier nicht dargestellten anderen Ausführungsform kann es auch vorteilhaft sein, den Permanentmagneten der manuellen Betätigung 40 nicht als kreisförmige Ringscheibe, sondern in Form eines Hufeisens auszubilden. Dadurch hat der Permanentmagnet kein zentrales Loch, sondern eine U-förmige Aussparung, die einseitig offen ist, so dass der hufeinsenförmige Permanentmagnet im Bedarfsfall radial an das Ventil herangeführt werden kann, um dann durch Axialverschiebung die manuelle Betätigung zu bewirken. Darüber hinaus kann es bei einer weiteren Ausführungsform günstig sein, den Permanentmagneten einfach als Stabmagneten auszubilden, wobei vorzugsweise zwei oder mehr Stabmagneten radial an das Ventil herangeführt werden, die dann durch Axialverschiebung die manuelle Betätigung aktivieren.
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Bei einem den Elektromagneten des Magnetkopfs 2 aktivierenden elektrischen Einschaltimpuls wird eine Verstärkung der Magnetkraft erzielt, wobei der Anker 14 mit Unterstützung des Dauermagneten 28 gegen die Kraft der Scheibenfeder 16 in Richtung gegen den Innenkern 27 gezogen wird, bis er an der Stirnseite 36 des Außenkerns 29 zur Anlage kommt. Dabei hebt der Dichtkörper 15 vom Ventilsitz 10 ab, so dass das Ventil geöffnet ist und das Medium vom Eingang 9 in die Ventilkammer 11 und von dort zu den Ausgängen 12, 13 gelangen kann. Ist der Einschaltimpuls beendet, bleibt das Ventil dennoch geöffnet, denn die Kraft des Dauermagneten 28 ist so bemessen, dass sie ausreicht, den in Richtung gegen den Innenkern 27 verlagerten Anker 14 in dieser Öffnungsposition selbsttätig zu halten.
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Zum Schließen des Ventils wird der Elektromagnet des Magnetkopfs 2 ebenfalls durch einen elektrischen Einschaltimpuls aktiviert, allerdings wurde dafür zuvor die elektrische Polarität vertauscht, so dass der elektrische Strom gegenüber dem zuvor beschriebenen Einschaltvorgang in entgegengesetzter Richtung durch die Elektrospule 19 fließt. Dadurch wird ein Magnetfeld aufgebaut, das der Kraft des Dauermagneten 28 entgegenwirkt. Es wird also eine Schwächung des Magnetfeldes erreicht, derart, dass die Kraft der Scheibenfeder 16 überwiegt. Somit wird der Anker 14 axial vom Innenkern 27 und Joch 26 fortbewegt, so dass der Dichtkörper 15 gegen den Ventilsitz 10 gedrückt wird und diesen verschließt, wodurch der Fluss des Mediums unterbrochen ist.
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Somit kann das Ventil sowohl in der Öffnungsstellung als auch in der Schließstellung äußerst stromsparend betrieben werden, denn die Elektrospule 19 wird beim Einschalten und Ausschalten jeweils nur verhältnismäßig kurz mit Spannung versorgt. Und zwar nur so lange, bis der Anker 14 seine jeweilige Endstellung erreicht hat.
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Um das Ventil auch dann schalten, insbesondere öffnen zu können, wenn die für die Erregung des Magnetkopfes 2 notwendige elektrische Spannung beispielsweise auf Grund eines Fehlers in der elektrischen Energieversorgung zu gering ist oder gar nicht zur Verfügung steht, kann die manuelle Betätigung 40 aktiviert werden. Dazu wird der in der Zeichnung in einer oberen Ausgangsposition befindliche Permanentmagnet 41 vorzugsweise von Hand gegen die Kraft der Feder 43 axial nach unten geschoben, so dass er in die gestrichelt dargestellte Schaltposition gelangt, wobei sich die Unterseite 45 des Permanentmagneten 41, etwa in der Ebene der Stirnseite 36 des Außenkerns 29 befindet. In dieser Position wird der Anker 14 zum Öffnen des Ventils durch die Kraft des Permanentmagneten 41 axial nach oben verlagert, bis er an der Stirnseite 36 des Außenkerns 29 zur Anlage kommt. Dabei hebt der Dichtkörper 15 vom Ventilsitz 10 ab, so dass das Medium vom Eingang 9 in die Ventilkammer 11 und von dort zu den Ausgängen 12, 13 strömen kann. Damit ist die manuelle Betätigung beendet und das Ventil bleibt geöffnet, denn die Kraft des Dauermagneten 28 ist so bemessen, dass sie ausreicht, den in Richtung gegen den Innenkern 27 verlagerten Anker 14 in dieser Öffnungsposition selbsttätig zu halten. Der Permanentmagnet 41 kann also durch die Kraft der Feder 43 wieder nach oben in die Ausgangsposition verschoben werden.
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Im Rahmen der Erfindung ist es durch eine geringfügige Änderung der Anordnung (Feder 43, Widerlager 44) und entsprechende Positionierung und Verlagerung des Permanentmagneten 41 selbstverständlich auch möglich, die manuelle Betätigung umzukehren, so dass das geöffnete Ventil geschlossen wird. Dazu muss der Permanentmagnet 41 über die Ebene des Ankers 14 hinaus nach unten verlagert werden, wobei letzterer durch die Kraft des Permanentmagneten 41 ebenfalls nach unten verlagert wird, bis der Dichtkörper 15 auf dem Ventilsitz 10 aufsitzt. Soll das Ventil geschlossen bleiben, ist der Permanentmagnet 41 weiter nach unten in eine Endposition zu verschieben.
