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Die Erfindung betrifft ein Ventil für gasförmige und flüssige Medien, das einen Ventilkörper, einen Magnetkopf und einen axial verlagerbaren Plattenanker aufweist. Der Ventilkörper besitzt eine Ventilkammer, einen Ventilsitz, einen Eingang und einen Ausgang für ein Medium. Im Magnetkopf ist eine Elektrospule vorgesehen. Der Plattenanker weist eine Ankerscheibe, einen gegen den Ventilsitz andrückbaren Dichtkörper und eine Scheibenfeder auf.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Ventil der genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass mit einfachen Mitteln bei zunehmendem Verlagerungsweg des Plattenankers eine überproportionale Zunahme der Scheibenfederkraft 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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In der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßes Proportionalventil in geschnittener Ansicht vergrößert dargestellt. Das Ventil ist für gasförmige und flüssige Medien vorgesehen und weist einen Magnetkopf 1 und einen Ventilkörper 2 auf, die bezüglich einer Mittenachse 3 bevorzugt kreisrund ausgebildet und koaxial angeordnet sind.
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Der Magnetkopf 1 weist einen bezüglich der Mittenachse 3 koaxial angeordneten Spulenkörper 4 auf, der eine Elektrospule 5 trägt. Über der Elektrospule 5 befindet sich eine Leiterplatte 6, an der die hier nicht dargestellten Drahtenden der Elektrospule 5 und die der elektrischen Spannungsversorgung dienenden Elektroleiter kontaktiert sind, so dass eine verhältnismäßig flexible Elektroverbindung gegeben ist.
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Weiterhin besitzt der Magnetkopf 1 einen Innenkern 7, ein Joch 8, einen Außenkern 9 und eine Scheibe 10, die kreiszylindrisch gestaltet und ebenfalls koaxial zur Mittenachse 3 angeordnet sind. Die Scheibe 10 besteht zweckmäßig aus einem nicht magnetisierbaren Metall und befindet sich an der der Leiterplatte 6 abgewandten Seite der Elektrospule 5 und untergreift den Spulenkörper 4. Sie ist zwischen dem Innenkern 7 und dem Außenkern 9 z. B. durch Schweißen oder Einpressen hermetisch dicht angeordnet, so dass das Medium nicht in das Innere des Magnetkopfes 1 eindringen kann. Das Joch 8 umgreift den Innenkern 7. Letzterer ist im Durchmesser dem Innendurchmesser des Jochs 8 so angepasst, dass er weitgehend spielfrei gelagert ist. Der Außenkern 9 des Magnetkopfes 1 umfasst die Elektrospule 5 und ist so angepasst, dass das Joch 8 weitgehend spielfrei eingepasst ist.
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Damit die Elektrospule 5 mit ihrem Spulenkörper 4 sowie die Leiterplatte 6 und die elektrischen Anschlüsse sowohl mechanisch als auch gegen Feuchtigkeit und Spritzwasser geschützt sind, ist der Magnetkopf 1 bevorzugt mit einer elektrisch isolierenden Vergussmasse 11 dicht vergossen, so dass sämtliche Hohlräume innerhalb des Außenkerns 9 ausgefüllt sind und insbesondere eine dauerhaft hohe Sicherheit gegen die im Betrieb auftretenden mechanischen Schwingungen gegeben ist. Die Vergussmasse 11 und die oberen Stirnflächen des Außenkerns 9 und des Innenkerns 7 bilden eine gemeinsame Ebene.
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Der Ventilkörper 2 ist etwa topfförmig gestaltet und besitzt einen Boden 12, der einen im Durchmesser kleineren koaxialen Fortsatz 13 aufweist, und eine Umfangswand 14, die sich in Richtung nach oben erstreckt. Am Umfang des Bodens 12 und des Fortsatzes 13 sind nach außen offene Rechtecknuten ausgebildet, in denen sich O-Ringe 15, 16 befinden. Um das Medium in eine Ventilkammer 17 zu führen, können in dem Boden 12 Eingänge 18, 19 ausgebildet sein. In der Mitte der Ventilkammer 17 ist am Boden 12 ein Ventilsitz 20 angeordnet, dem ein den Fortsatz 13 durchsetzender Ausgang 21 zugeordnet ist. Bei verschiedenen Anwendungen kann es zweckmäßig sein, die Ein- und Ausgänge zu vertauschen, so dass das Medium über den dargestellten Ausgang 21 zugeführt und die dargestellten Eingänge 18, 19 abgeführt wird.
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In der Ventilkammer 17 befindet sich ein axial verlagerbarer Plattenanker 22, der eine Ankerscheibe 23, eine Scheibenfeder 24, einen Hohlniet 25 und einen Dichtkörper 26 aufweist, die bezüglich der Mittenachse 3 kreisrund gestaltet und zu einer Baueinheit zusammengefasst sind. Die annähernd plane Scheibenfeder 24 liegt an der dem Magnetkopf 1 abgewandten Seite der Ankerscheibe 23 an und ist mit letzterer mit dem Hohlniet 25 fest verbunden. Der Dichtkörper 26, der für das Verschließen und Öffnen des Ventilsitzes 20 vorgesehen ist, besteht aus einem Elastomerwerkstoff, der in dem Hohlniet 26 einvulkanisiert oder anderweitig, z. B. durch Klipsbefestigung, mechanisch montiert und gehalten ist. Der Dichtkörper 26 ist so gestaltet, dass er einen Vorsprung 27 aufweist, der beim vorliegenden Ausführungsbeispiel zweckmäßig als kreisringförmiger Wulst ausgeführt ist, der die Ankerscheibe 23 an der dem Innenkern 7 zugewandten Oberseite etwas überragt.
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Der Außenkern 9 des Magnetkopfes 1 weist an seinem der Ventilkammer 17 zugewandten Ende einen kreisringförmigen Bund 28 auf, der die Ankerscheibe 23 an ihrem Umfang mit Spiel übergreift, da der Innendurchmesser des Bundes 28 etwas größer ist als der größte Durchmesser der Ankerscheibe 23. Die dem Magnetkopf 1 zugewandte Oberseite der Ankerscheibe 23 ist so gestaltet, dass der mittlere Oberseitenbereich eine Planfläche 29 ist, deren Durchmesser etwa gleich dem Durchmesser des Innenkerns 7 ist, während der die Planfläche 29 umgebende Oberseitenrandbereich als zum Umfang der Ankerscheibe 23 abfallende Schrägfläche 30 ausgebildet ist. Die Umfangsfläche der Ankerscheibe 23 ist zweckmäßig als Konusfläche 31 gestaltet, so dass sich die Ankerscheibe 23 axial in Richtung zum Magnetkopf 1 hin konisch verjüngt. Dadurch ist zwischen der Konusfläche 31 der Ankerscheibe 23 und der Innenseite des Bundes 28 des Außenkerns 9 ein konischer Spalt 32 gebildet.
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An der der Scheibenfeder 24 zugewandten Unterseite der Ankerscheibe 23 ist der zentrale mittlere Bereich als ebene Fläche 33 ausgebildet, deren Durchmesser etwa gleich dem Durchmesser der Planfläche 29 ist. Der die Fläche 33 umgebende Unterseitenrandbereich 34, der sich gegenüber der Schrägfläche 30 befindet, ist auf Grund eines Rücksprungs etwas zurückgesetzt, so dass die Ankerscheibe 23 im Seitenrandbereich axial dünner ist als im zentralen Mittenbereich.
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Die Oberseite der Scheibenfeder 24 liegt an der unteren Fläche 33 der Ankerscheibe 23 an. Somit ist durch den vorerwähnten Rücksprung zwischen dem Unterseitenrandbereich 34 und der Oberseite der Scheibenfeder 24 ein spaltförmiger Freiraum 35 gebildet. Wie der Zeichnung zu entnehmen ist, ist die Scheibenfeder 24 im Durchmesser deutlich größer als die Ankerscheibe 23, wobei ein Außenrandbereich 36 der Scheibenfeder 24 den durch die Konusfläche 31 begrenzten Umfang der Ankerscheibe 23 überragt. Dieser Außenrandbereich 36 befindet sich in einem geringen Abstand unter der Stirnseite des Bundes 28 und liegt an der unteren Stirnfläche einer Einpressbuchse 37 an. Die Einpressbuchse 37 ist nach ihrer Montage durch Reibschluss an der Innenfläche der Umfangswand 14 des Ventilkörpers 2 fest positioniert. Die Position Ist so gewählt worden, dass die untere Stirnfläche der Einpressbuchse 37 den Außenrandbereich 36 etwas in Richtung zum Boden 12 des Ventilkörpers 2 drückt, so dass die so vorgespannte Scheibenfeder 24 etwas gebogen bzw. gewölbt ist und den Dichtkörper 26 verstärkt gegen den Ventilsitz 20 presst.
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In einem Abstand über dem Bund 28, etwa in der Mitte der Elektrospule 5, weist der Außenkern 9 ein Außengewinde 38 auf, in das ein Innengewinde 39 eingreift, das an der Innenseite der Umfangswand 14 des Ventilkörpers 2 ausgebildet ist. Dadurch ist es möglich, den Magnetkopf 1 und den Ventilkörper 2 axial genau zueinander auszurichten und den axialen Hub des Plattenankers 22 exakt einzustellen. Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführung kann statt der Gewinde 38, 39 eine Pressverbindung vorgesehen sein, wobei der Außendurchmesser des Außenkerns 9 und der Innendurchmesser der Umfangswand 14 so aufeinander abgestimmt sind, dass beim Zusammenbau des Ventils die miteinander korrespondierenden Umfangsflächen für die exakte Einstellung des Plattenankerhubs kraftschlüssig aneinander gleiten und in der Endposition radial fest zusammengepresst sind.
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Die Scheibenfeder 24 selbst besteht aus einem dünnen Federblech und weist mindestens fünf Ausnehmungen auf, die in Bezug zur Mittenachse 3 sternförmig und in gleichen Abständen zueinander angeordnet sind. Derjenige Bereich des Federblechs, in dem sich die mindestens fünf Ausnehmungen befinden, ist zur Innenseite hin von dem Dichtkörper 26 und zur Außenseite hin von dem Außenrandbereich 36 begrenzt.
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Jede dieser Ausnehmungen ist in der Ebene der Scheibenfeder 24 ungefähr bzw. fast wie ein Quadrat ausgebildet oder ähnlich einer so genannten Kochmütze, die sich vom Kopf eines Kochs nach oben hin erweitert. Diese Konfiguration wird dadurch erreicht, dass derjenige Rand der Ausnehmung, der dem Dichtkörper 26 nahe liegt, etwas kürzer ist als der gegenüberliegende äußere Rand der Ausnehmung, der dem Außenrandbereich 36 nahe liegt. In bevorzugter Ausführung können dabei sowohl der dem Dichtkörper 26 zugewandte innere Rand der Ausnehmung als auch der dem Außenrandbereich 36 zugewandte äußere Rand bezüglich der Mittenachse 3 als Teilkreisbogen konvex gestaltet sein. Die jeweils zwei zueinander beabstandeten radial verlaufenden Seitenränder, die eine jede der Ausnehmungen seitlich begrenzen und den inneren Ausnehmungsrand und den äußeren Ausnehmungsrand verbinden, verlaufen vom inneren Ausnehmungsrand in Richtung zum Außenrandbereich 36 entsprechend auseinanderstrebend.
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Die Eckbereiche der Ausnehmungen in der Scheibenfeder 24 können vorteilhaft als Rundungen ausgeführt sein, wodurch zu Rissbildungen im Werkstoff der Scheibenfeder 24 neigende Spitzenbeanspruchungen, wie sie bei scharfeckig ausgebildeten Eckbereichen der Ausnehmungen auftreten können, vermieden sind. Die Rundungen der Ausnehmungseckbereiche können unterschiedlich groß ausgebildet sein. Dabei sind die dem Außenrandbereich 36 nahe liegenden Rundungen zweckmäßig größer und weisen somit einen größeren Radius auf als die Rundungen, die dem Dichtkörper 26 nahe liegen, deren Radius demgemäß kleiner ist.
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Die Abstände zwischen den Ausnehmungen der Scheibenfeder 24 sind vorteilhaft als Federstege ausgebildet, die praktisch radial ausgerichtet und seitlich von je einem Seitenrand zweier benachbarter Ausnehmungen begrenzt sind, Die Breite der Federstege kann dabei zweckmäßig unterschiedlich ausgeführt sein, und zwar derart, dass an der dem Außenrandbereich 36 der Federscheibe 24 zugewandten Seite der Federstege deren Breite größer ist als an der Seite, die dem Dichtkörper 26 zugewandt ist.
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Zur Erzielung einer optimalen Federkennlinie und zur Eliminierung etwaiger mechanischer Spannungsspitzen im Material der Scheibenfeder 24 kann es günstig sein, in den Federstegen jeweils mindestens einen Durchbruch vorzusehen, der bevorzugt ungefähr in der Mitte des Federstegs ausgebildet ist. Dabei kann jeder Durchbruch zweckmäßig als kreisringförmiges Loch ausgeführt sein, dessen Kreisfläche erheblich kleiner ist als die Fläche einer der Ausnehmungen der Scheibenfeder 24.
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Die Scheibenfeder 24 der vorliegenden Erfindung ist mit fünf oder bevorzugt sechs im Federblechbereich ausgebildeten Ausnehmungen und somit ebenfalls fünf oder bevorzugt sechs Federstegen für die Erfüllung ihrer Funktion besonders gut geeignet, denn dadurch ist bei Aufrechterhaltung einer hohen mechanischen Festigkeit zugleich eine relativ klein beabstandete, umfänglich sternförmige Verteilung der Federstege gegeben, wodurch eine weitgehend gleichmäßige Federkraftverteilung gewährleistet ist. Zudem ergibt sich bei der Scheibenfederausführung mit fünf oder bevorzugt sechs Federstegen im Schwebezustand des Plattenankers 22 eine dessen Gleichgewicht vorteilhaft stabilisierende Lage.
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Um das Ventil für einen Durchfluss des Mediums zu öffnen, wird der Magnetkopf 1 eingeschaltet, wobei der Plattenanker 22 durch die elektromagnetische Kraft um ein gewisses Maß nach oben in Richtung zum Innenkern 7 hin verlagert wird. Der Dichtkörper 26 entfernt sich somit von dem Ventilsitz 20 und gibt letzteren frei. Wenn die elektromagnetische Kraft dabei gering ist, hebt der Dichtkörper 26 nur sehr wenig vom Ventilsitz 20 ab, so dass der Mediumsdurchfluss minimal ist. Zur Erreichung dieser Ankerposition hat die Scheibenfeder 24 nur einen sehr kurzen Weg zurückgelegt und nur ganz wenig gewölbt, die Kraft, die die Scheibenfeder 24 der Magnetkraft entgegensetzt ist relativ gering. Das heißt, die den Plattenanker 22 nach oben ziehende Magnetkraft und die den Dichtbolzen 26 nach unten drückende Federkraft sind gleich groß und halten sich die Waage, so dass der Plattenanker 22 sich praktisch in einem Schwebezustand befindet.
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Durch Erhöhung der elektrischen Stromstärke wird die Magnetkraft des Magnetkopfes 1 überproportional gesteigert und der Plattenanker 22 verlagert sich etwas weiter nach oben. Das heißt, wenn der Plattenanker 22 nur etwas näher an den Innenkern 7 gebracht wird, ist nicht nur eine lineare, sondern überproportionale Zunahme der Magnetkraft zu verzeichnen. Der Abstand zwischen dem Dichtkörper 26 und dem Ventilsitz 20 ist dabei ebenfalls größer geworden, wodurch der Mediumsdurchfluss im Ventil entsprechend erhöht wird. In dieser Ankerposition hat die Kraft der Scheibenfeder 24 auf Grund des weiter zurückgelegten Weges der Wölbung zugenommen. Und zwar nicht nur linear, sondern ebenfalls überproportional. Die überproportionale Zunahme der Federkraft wird durch die zuvor beschriebene spezielle Konfiguration der Scheibenfeder 24 erreicht und entspricht genau der überproportional gesteigerten Magnetkraft. Die gegeneinander gerichteten Kräfte sind also wiederum ausgeglichen, so dass der Plattenanker 22 auch in dieser vom Ventilsitz 20 weiter abgehobenen Position konstant verbleibt und das Medium ohne Schwankungen gleichmäßig durch das Ventil strömt.
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Zur weiteren Öffnung des Ventilsitzes 20 und Erhöhung des Mediumsdurchflusses nähert sich der Plattenanker 22 dem Innenkern 7, indem die Magnetkraft durch Erhöhung des elektrischen Stroms erneut überproportional zunimmt. Die maximale Öffnung des Ventilsitzes 20 ist erreicht, wenn der ringwulstförmige Vorsprung 27 des Dichtkörpers 26 an der unteren Stirnfläche des Innenkerns 7 anliegt. In gleichem Maße wie die Magnetkraft zunahm, ist auch die Kraft der Scheibenfeder 24 auf Grund des vergrößerten Auswölbungsweges überproportional gestiegen, so dass der Plattenanker 22 auch in dieser Position konstant schwebend verbleibt. Durch den Vorsprung 27 wird der Plattenanker 22 selbst bei vollständig geöffnetem Ventil stets in einem Abstand zum Innenkern 7 gehalten, wodurch es möglich ist, durch entsprechende Veränderung der elektrischen Stromstärke den Plattenanker 22 und damit den Mediumsdurchfluss exakt zu regeln. Würde der Plattenanker 22 nicht durch den Vorsprung 27 auf Abstand gehalten, sondern mit der Planfläche 29 an der unteren Stirnseite des Innenkerns 7 anschlagen, dann würde eine große Hysterese entstehen und eine genaue Regelung des Plattenankers 22 wäre gerade bei verhältnismäßig weit geöffnetem Ventilsitz 20 nicht möglich.
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Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ist immer, also in jeder beliebigen Stellung des Plattenankers 22 zwischen „offen” und „geschlossen”, ein Gleichgewichtszustand von Federkraft und Magnetkraft gegeben, wodurch der Plattenanker 22 stets im Schwebezustand gehalten ist. Dadurch kann das erfindungsgemäße Proportionalventil für eine optimale Funktion und genaue Durchflussregulierung des Mediums mit Hilfe des elektrischen Stroms feinfühlig geregelt werden
