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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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Weiterhin ist in
DE 33 23 982 A1 eine bistabile, elektromagnetische Betätigungseinrichtung mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschrieben, bei der im Magnetsystem auch im Bereich des Ventilsitzes ein Permanentmagnet angeordnet ist. Die Permanentmagnete im Bereich des Spuleneinsatzstücks und im Bereich des Ventilsitzes sind so ausgerichtet, dass ihre N-S-Achsen parallel zur Achse der Magnetspule verlaufen.
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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. 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 Einzelmagnete 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.
