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Die
Erfindung betrifft ein Elektromagnetventil für flüssige
und gasförmige Medien mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Derartige
Magnetventile sind an sich bekannt und beispielsweise in
EP 1 936 248 A2 beschrieben.
Bei bekannten Elektromagnetventilen dieser Bauart stützt
sich der in der Magnetspule geführte, den Ventilteller
tragende Magnetanker im allgemeinen über eine Druckfeder
an der Anschlagfläche des Magnetspuleneinsatzstücks
ab, so dass das Ventil im nicht bestromten Zustand der Magnetspule schließt.
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Es
ist aus dem oben zitierten Dokument auch bekannt, bei einem derartigen
Ventil im Magnetsystem im Magnetspuleneinsatzstück einen
Permanentmagneten anzuordnen. In diesem Fall kann bei einem mono-stabilen
Ventil auf die Anordnung der Druckfeder verzichtet werden und je
nach Polungsrichtung des Permanentmagneten erhält man ein
im nicht erregten Zustand der Magnetspule schließendes
oder öffnendes Ventil. Bei einem bistabilen Ventil mit
von der Einbaulage unabhängiger Funktionsweise muss auch
in diesem Falle die Druckfeder zwischen dem Magnetanker und dem
Magnetspuleneinsatzstück angeordnet sein.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Magnetventil mit den im
Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen so weiter
zu bilden, dass auch eine bistabile Funktionsweise ohne Einschaltung
einer Druckfeder zwischen Magnetanker und Magnetspuleneinsatzstück
ermöglicht wird, wobei diese Funktionsweise unabhängig
von der Einbaulage des Ventils erreichbar sein sollte. Weiterhin sollte
das Ventil auch als monostabiles Ventil ausgestaltbar sein und es
sollte eine möglichst kostengünstige Herstellung
erreicht werden.
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Die
Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit
den Merkmalen aus dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen beschrieben.
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Ein
Grundgedanke der Erfindung besteht darin, vor den beiden Enden der
Magnetspule einen oder mehrere Permanentmagnete so anzuordnen, dass
ihre N-S-Achsen senkrecht zur Achse der Magnetspule ausgerichtet
sind, wobei jeweils die gleichen Pole aller Permanentmagnete der
Achse der Magnetspule zugewandt sind. Durch eine bestimmte Abstandsbeziehung
zwischen den dem Magnetanker zugewandten Seitenflächen
der Permanentmagnete von der Anschlagfläche des Magnetspuleneinsatzstücks
einerseits und dem Ventilsitz andererseits zum Hubweg des Magnetankers
kann die Funktionsweise des Ventils als bistabiles Ventil oder als
monostabiles Ventil, das im neutralen Zustand offen ist, beziehungsweise
als monostabiles Ventil, das im neutralen Zustand geschlossen ist,
erreicht werden. Die Anordnung einer Druckfeder zwischen Magnetanker und
Magnetspuleneinsatzstück ist nicht erforderlich.
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Es
hat sich herausgestellt, dass mit dem erfindungsgemäßen
Ventil relativ große Hubwege erreichbar sind und die Funktionsweise
des Ventils von der Einbaulage unabhängig ist. Die Herstellungskosten
sind gegenüber anderen Ventilen reduziert, da das Ventil
keine Druckfeder und kein Magnetjoch zur Feldlinienführung
benötigt und außer für den Magnetanker,
das Spuleneinsatzstück und der Gehäuseeinsatz
kein Eisen zu enthalten braucht.
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Das
erfindungsgemäße Ventil ist insbesondere als Pilotventil
zur Steuerung von Servo-Ventilen und dergleichen einsetzbar.
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Im
Folgenden werden anhand der beigefügten Zeichnungen Ausführungsbeispiele
für ein Elektromagnetventil nach der Erfindung näher
erläutert.
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1 im
Axialschnitt ein bistabiles Elektromagnetventil im geschlossenen
Zustand;
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1A in
graphischer Darstellung die Form des dem Ventil nach 1 zur
Erzeugung des geschlossenen Zustands zugeführten Spannungsimpulses;
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2 in
einer Darstellung analog 1 das Elektromagnetventil nach 1 im
geöffneten Zustand;
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3 im
Axialschnitt ein bistabiles 3/2-Wegeventil im geschlossenen Zustand;
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3A in
einer Darstellung analog 1A die
Form des dem Ventil nach 3 zur Erzeugung des geschlossenen
Zustands zugeführten Spannungsimpulses;
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4 in
einer Darstellung analog 3 das Ventil nach 3 im
geöffneten Zustand;
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4A in
einer Darstellung analog 2A die
Form des dem Ventil nach 4 zugeführten Spannungsimpulses
zur Erzeugung des geöffneten Zustandes;
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5 im
Axialschnitt ein monostabiles Elektromagnetventil, welches im neutralen
Zustand offen ist (NO), im geöffneten Zustand;
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5A den
Spannungsverlauf für das Ventil nach 5 im
neutralen Zustand;
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6 in
einer Darstellung analog 5 das Ventil nach 5 im
geschlossenen Zustand;
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6A in
einer Darstellung analog 4A die
Form der dem Ventil nach 6 zugeführten Spannung
zur Erzeugung des geschlossenen Zustandes;
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7 im
Axialschnitt ein monostabiles Elektromagnetventil, das im neutralen
Zustand geschlossen ist (NC), im geschlossenen Zustand;
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7A in
einer Darstellung analog 5A den
Verlauf der dem Ventil nach 7 zugeführten Spannung
im geschlossenen Zustand;
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8 in
einer Darstellung analog 7 das Ventil nach 7 im
geöffneten Zustand;
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8A in
einer Darstellung analog 6A die
Form der dem Ventil nach 8 zugeführten Spannung
zur Erzeugung des geöffneten Zustandes.
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Die 1 und 2 zeigen
ein bistabiles Elektromagnetventil im geschlossenen und im geöffneten
Zustand, wobei der besseren Übersichtlichkeit wegen die
Bezugsziffern der einzelnen Teile nur in 1 angegeben
sind. Für die Ansicht gemäß 2 gelten
die gleichen Bezugsziffern.
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Das
Ventil besitzt ein Ventilgehäuse 1, in welchem
eine Ventilkammer 2 angeordnet ist, die über einen
Zulaufkanal 3.1 direkt mit einem Ventileingang 3 verbunden
ist. Zwischen dem Ventileingang 3 und dem Zulaufkanal 3.1 ist
eine Filterscheibe 12 angeordnet. Die Ventilkammer 2 ist
weiterhin über einen Ventilsitz 4.1 und einen
Auslaufkanal 5.1 mit einem Ventilausgang 5 verbunden.
Der Auslaufkanal 5.1 ist in einem Gehäuseeinsatz 4 angeordnet,
der den Ventilsitz 4.1 trägt. An seiner Außenseite
ist das Ventilgehäuse 1 mit einem Aussengewinde 1.1 zum
Einschrauben in eine Armatur versehen. Die Befestigung an einer
Armatur kann auch über eine Flanschverbindung, einen Bajonettverschluss
u. dgl. erfolgen.
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Über
dem Ventilgehäuse 1 ist ein Magnetsystem angeordnet
mit einer Magnetspule 6, die über nicht dargestellte
Kontakte mit Strom beaufschlagbar ist. Die Magnetspule 6 ist
auf einem Spulenträger 6.1 angeordnet, in welchem
ein Magnetanker 7 in axialer Richtung zur Spule beweglich
geführt ist. Der Magnetanker 7 trägt
an seinem in den Figuren unteren dem Ventilsitz 4.1 zugewandten
Ende eine den Ventilteller darstellende Dichtung 7.1. In
dem in 1 dargestellten geschlossenen Zustand des Ventils liegt
die Dichtung 7.1 auf dem Ventilsitz 4.1 auf. Das in 1 obere
Ende des Magnetankers 7 liegt einem in den Spulenträger 6.1 eingesetzten
Spuleneinsatzstück 8 gegenüber, das eine
dem Magnetanker 7 zugewandte Anschlagfläche 8.1 besitzt,
an welcher der Magnetanker in dem in 2 dargestellten
geöffneten Zustand des Ventils anliegt.
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Das
Magnetsystem ist von einer äußeren Ummantelung 11 umgeben.
Es besitzt weiterhin vor den beiden Enden der Magnetspule 6 angeordnete Permanentmagnete 9.1 und 9.2 sowie 10.1 und 10.2.
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Im
Bereich des Spuleneinsatzstückes 8 sind insgesamt
vier Permanentmagnete im Winkelabstand von 90° angeordnet,
von denen die Permanentmagnete 9.1 und 9.2 in
den Figuren sichtbar sind. Die Permanentmagnete 9.1 und 9.2 sind
radial zur Spulenachse S angeordnet, das heißt, so, dass
ihre N-S-Achsen senkrecht zur Spulenachse S verlaufen und weiterhin
so ausgerichtet, dass ihre N-Pole der Spulenachse S zugewandt sind.
Ihre der Magnetspule 6 zugewandten Seitenflächen
liegen in Richtung der Öffnungsbewegung des Magnetankers 7 gesehen
hinter der Anschlagfläche 8.1 des Spuleneinsatzstücks 8 in
einem vorgegebenen Abstand, der in 1 mit A1
bezeichnet ist.
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Im
Bereich des Ventilsitzes 4.1 liegen ebenfalls insgesamt
vier Permanentmagnete, von denen in 1 die Permanentmagnete 10.1 und 10.2 sichtbar
sind, die ebenfalls mit ihrer N-S-Achse senkrecht zur Spulenachse
S stehen und diese in einem Winkelabstand von 90° umgeben.
Auch diese Permanentmagnete 10.1 und 10.2 sind
mit ihren N-Polen der Spulenachse S zugewandt und ihre der Magnetspule 6 zugewandten
Seitenflächen liegen in Schließrichtung des Magnetankers 7 gesehen
in einem vorgegebenen Abstand, der in 1 mit B1
bezeichnet ist, hinter dem Ventilsitz 4.1.
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Wichtig
ist, dass sowohl bei den Permanentmagneten 9.1 und 9.2 als
auch bei den Permanentmagneten 10.1 und 10.2 insgesamt
die gleichen Magnetpole der Spulenachse S zugewandt sind. Selbstverständlich
können an dieser Stelle, außer vier Einzelmagneten,
auch eine größere Anzahl von Einzelmagneten z.
B. jeweils sechs Ein zelmagnete im Winkelabstand von 60° oder
auch die Achse S umfassende Ringmagnete angeordnet sein.
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Der
Hubweg des Magnetankers 7 ist in 1 mit H1
bezeichnet.
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Es
hat sich herausgestellt, dass durch die Wahl der Größenbeziehungen
zwischen den Größen A1, B1 und H1 das Schließverhalten
des Ventils festgelegt werden kann. Bei dem in den 1 und 2 dargestellten
Elektromagnetventil, das als bistabiles Ventil ausgebildet ist,
sind diese Größen so gewählt, dass zwischen
ihnen die Ungleichung A1 ≤ B1 < H1 gegeben ist.
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Das
Ventil benötigt zu seiner Ansteuerung keine Dauerbestromung
der Magnetspule 6, sondern kann durch Spannungsimpulse
aus der geschlossenen Stellung in die geöffnete Stellung
und durch umgepolte Spannungsimpulse wieder zurück in die
geschlossene Stellung gesteuert werden. Liegt der Spannungsimpuls
so, dass durch das Magnetfeld der Magnetspule 6 jeweils
das Feld der Permanentmagnete 9.1 und 9.2 geschwächt
und das Feld der Permanentmagnete 10.1 und 10.2 verstärkt
wird, so geht der Magnetanker 7 in die in 1 dargestellte
geschlossene Stellung, in der die Dichtung 7.1 auf dem Ventilsitz 4.1 aufliegt.
Liegt der Spannungsimpuls so, dass durch das Magnetfeld der Magnetspule 6 das Magnetfeld
der Permanentmagnete 9.1 und 9.2 verstärkt
und das Magnetfeld der Permanentmagnete 10.1 und 10.2 geschwächt
wird, so hebt der Magnetanker 7 vom Ventilsitz 4.1 ab
und bewegt sich bis an die Anschlagfläche 8.1 des
Spuleneinsatzstückes 8. Die der Schließbewegung
und der Öffnungsbewegung entsprechenden Spannungsimpulse
V sind in den 1A beziehungsweise 2A dargestellt.
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Die
Anordnung einer Druckfeder zwischen dem Magnetanker 7 und
dem Spuleneinsatzstück 8 sind auch bei dieser
bistabilen Ausführung des Ventils nicht erforderlich. Das
bistabile Elektromagnetventil gemäß den 1 und 2 lässt
sich auch ohne großen Aufwand als 3/2-Wegeventil ausgestalten.
Diese Ausbildung ist in den 3 und 4 dargestellt.
In 3 und 4 sind alle genau der Ausführungsform
nach 1 und 2 entsprechenden Teile mit den
gleichen Bezugsziffern versehen und werden nicht noch einmal näher
erläutert.
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Bei
dieser Ausführungsform ist in der Anschlagfläche 8.1'
des Spuleneinsatzstückes 8' ein zweiter Ventilsitz 8.2'
angeordnet, durch den der Raum 2.2 oberhalb des Magnetankers 7' über
einen zweiten Auslaufkanal 13.1 mit einem zweiten Ventilausgang 13 verbunden
ist. Der Magnetanker 7' trägt an der dem zweiten
Ventilsitz 8.2' zugewandten Fläche eine einen
zweiten Ventilteller darstellende Dichtung 7.2' und die
Ventilkammer 2 ist über einen am Magnetanker 7' entlanglaufenden
Verbindungskanal 2.1 mit dem Raum 2.2 zwischen
der Anschlagfläche 8.1' und dem Magnetanker 7' verbunden.
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Es
lässt sich aus 3 und 4 leicht
ablesen, dass in dem in 3 dargestellten Ventilzustand,
in dem die Dichtung 7.1' auf dem ersten Ventilsitz 4.1 aufliegt,
ein Durchfluss vom Ventileingang 3 über die Ventilkammer 2,
den Verbindungskanal 2.1, den Raum 2.2, den zweiten
Ventilsitz 8.2', den zweiten Auslaufkanal 13.1 zum
zweiten Ventilausgang 13 hin ergibt. Wenn wie in 4 dargestellt
der zweite Ventilsitz 8.2' geschlossen ist, erfolgt die
Durchflussrichtung vom Ventileingang 3, die Ventilkammer 2, den
ersten Ventilsitz 4.1 und den Auslaufkanal 5.1 zum
ersten Ventilausgang 5.
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Die
Permanentmagnete 9.1, 9.2 sowie 10.1, 10.2 sind
in der gleichen Weise angeordnet wie anhand von 1 und 2 beschrieben
und es gilt für die in 3 mit A2,
B2 bezeichneten Abstände sowie den Hubweg H2 die gleiche
Ungleichung A2 ≤ B2 < H2,
um die Funktionsweise als bistabiles Ventil sicherzustellen.
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Die
entsprechenden der Magnetspule 6 zugeführten Spannungsimpulse
V sind wiederum in den 3A und 4A dargestellt.
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Das
Elektromagnetventil der bisher anhand der 1 bis 4 beschriebenen
Bauweise kann auch als monostabiles Ventil ausgebildet werden, hierzu
ist bei gleichem grundsätzlichem Aufbau des Ventils nur
erforderlich, dass die Größenbeziehungen zwischen
den bisher mit A1 und B1 beziehungsweise A2 und B2 bezeichneten
Abständen und den bisher mit H1 und H2 bezeichneten Hubwegen
anders gewählt werden.
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In
den 5 und 6 ist eine erste Ausführungsform
eines monostabilen Elektromagnetventils dargestellt, welches in
neutralem Zustand, also bei unbestromter Magnetspule, im geöffneten
Zustand ist.
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Da
das Ventil nach 5 und 6 im Prinzip
den gleichen Aufbau aufweist wie das Ventil nach 1 und 2,
sind jeweils für die gleichen Teile die gleichen Bezugsziffern
verwendet und der bauliche Aufbau wird nicht noch einmal beschrieben.
Der Unterschied im Aufbau des Ventils nach 5 und 6 gegenüber
dem Ventil nach 1 bis 2 ist lediglich
durch anders gewählte Größenverhältnisse bezüglich
des Abstandes der Seitenflächen der Permanentmagnete von
der Anschlagfläche des Spuleneinsatzstückes beziehungsweise
dem Ventilsitz und dem Hubweg des Magnetankers gegeben.
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Gemäß 5 liegen
die der Magnetspule 6 zugewandten Seitenflächen
der Permanentmagnete 9.1 und 9.2 in Richtung der Öffnungsbewegung
des Magnetankers 7 gesehen im Abstand A3 hinter der Anschlagfläche 8.1 des
Spuleneinsatzstückes 8. Die der Magnetspule 6 zugewandten
Seitenflächen der Permanentmagnete 10.1 und 10.2 liegen
in Richtung der Schließbewegung des Magnetankers 7 gesehen in
einem Abstand B3 hinter dem Ventilsitz 4.1. Der Hubweg
des Magnetankers 7 ist mit H3 bezeichnet. Um eine Funktionsweise
des Ventils als monostabiles Ventil, das im neutralen Zustand offen
ist, zu erreichen, sind die oben erwähnten Größen
so gewählt, dass die Ungleichung gilt: A3 < H3 < B3.
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In
den 5A und 6A ist
der Spannungsverlauf V im geöffneten beziehungsweise geschlossenen
Zustand des Ventils dargestellt. Bei dieser Ausführungsform
erfolgt also im geschlossenen Zustand eine Dauerbestromung der Magnetspule 6.
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Die 7 und 8 zeigen
ein monostabiles Elektromagnetventil, welches im neutralen Zustand,
also bei unbestromter Magnetspule, geschlossen ist. Auch hier entspricht
der grundsätzliche Aufbau der Ausführungsform
nach 1 und 2 und es werden für
die gleichen Teile die gleichen Bezugsziffern verwendet. Gemäß 7 liegen
bei dieser Ausführungsform die der Magnetspule 6 zugewandten
Seitenflächen der Permanentmagnete 9.1 und 9.2 in Öffnungsrichtung
des Magnetankers 7 gesehen in einem Abstand A4 hinter der
Anschlagfläche 8.1 des Spuleneinsatzstückes 8.
Die der Magnetspule 6 zugewandten Seitenflächen
der Permanentmagnete 10.1 und 10.2 liegen in Schließrichtung
des Magnetankers 7 gesehen in einem Abstand B4 hinter dem
Ventilsitz 4.1. Der Hubweg des Magnetankers 7 ist
mit A4 bezeichnet.
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Um
eine Funktionsweise des Ventils als monostabiles Ventil zu erreichen,
das im neutralen Zustand geschlossen ist, gilt für diese
Größen die Ungleichung: H4 < B4 ≤ A4. In den 7A und 8A ist
der Verlauf der Spannung V für diese Ausführungsform
des Ventils im geschlossenen und im geöffneten Zustand
dargestellt. Im offenen Zustand erfolgt eine Dauerbestromung der
Magnetspule 6.
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Bei
den Ausführungsformen als monostabile Elektromagnetventile
kann optional auf die Permanentmagnete 10.1 und 10.2 bei
der Ausführungsform nach 5 und 6 bzw.
auf die Permanentmagnete 5.1 und 5.2 bei der Ausführungsform
nach 7 und 8 verzichtet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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