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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Magnetventil, insbesondere zum Einsatz in einer Kältemaschine eines Haushaltskältegeräts.
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Unter der Bezeichnung Impulsventile sind Magnetventile bekannt, bei denen ein Schließkörper zwischen einer an einem ersten Ventilsitz anliegenden Schließstellung, in der er einen Auslass des Magnetventils versperrt, und einer von dem ersten Ventilsitz beabstandeten zweiten Stellung bewegbar ist, in der der Auslass offen ist, wobei an dem ersten Ventilsitz ein Permanentmagnet angeordnet ist, um eine den Schließkörper gegen den ersten Ventilsitz beaufschlagende Magnetkraft auf den Schließkörper auszuüben, und eine Spule mit einem Stromimpuls beaufschlagbar ist, um auf den Schließkörper eine Magnetkraft auszuüben, die ihn von der Schließstellung in die zweite Stellung oder von der zweiten Stellung in die Schließstellung treibt.
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Der Permanentmagnet sollte zwar einerseits nah am Ventilsitz und am an dem Ventilsitz in der Schließstellung anliegenden Schließkörper platziert sein, um bei geringen Abmessungen eine ausreichende Magnetkraft auf den Schließkörper ausüben zu können, andererseits sollte der – im Allgemeinen aus sprödem Material bestehende – Permanentmagnet vor Stößen des Schließkörpers sicher geschützt sein, um eine Beschädigung durch den Schließkörper zu vermeiden. Um ein Anstoßen des Schließkörpers an den Permanentmagneten sicher auszuschließen, muss herkömmlicherweise der Luftspalt zwischen dem Permanentmagnet und dem in der Schließstellung befindlichen Schließkörper wenigstens der Fertigungsgenauigkeit des Magnetventils entsprechen. Damit über diese Luftspaltbreite hinweg ausreichende Magnetkräfte zwischen Ventilsitz und Schließkörper erzeugt werden können, ist eine Mindestgröße des Permanentmagneten erforderlich, was dem Bestreben, Abmessungen und Kosten des Magnetventils zu minimieren, zuwider läuft.
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Aufgabe der Erfindung ist, einen Aufbau für ein Magnetventil anzugeben, der eine weitere Miniaturisierung des verwendeten Permanentmagneten und damit eine Minimierung von Kosten bzw. Abmessungen des Magnetventils erlaubt.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem bei einem Magnetventil der eingangs angegebenen Art an einer dem Schließkörper zugewandten Seite des Permanentmagneten eine Scheibe aus ferromagnetischem Material angebracht ist und der Schließkörper wenigstens in seiner am ersten Ventilsitz anliegenden Schließstellung in eine Öffnung dieser Scheibe eingreift. Das ferromagnetische Material der Scheibe hat eine wesentlich höhere magnetische Permeabilität als ein von dem Magnetventil gesteuertes Fluid, das bei Fehlen der Scheibe deren Platz im Magnetventil einnehmen würde. Die Scheibe verringert den magnetischen Widerstand eines von Permanentmagnet und Schließkörper gebildeten, den Luftspalt überbrückenden Magnetkreises. Daher werden, wenn die Scheibe vorhanden ist, zwischen Schließkörper und Permanentmagnet deutlich höhere Magnetkräfte erreicht als bei Nichtvorhandensein der Scheibe, bzw. um Magnetkräfte von gleicher Höhe wie bei einem herkömmlichen Magnetventil ohne Scheibe zu erreichen, genügt ein deutlich kleinerer und dementsprechend preiswerterer Permanentmagnet.
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Der Permanentmagnet ist typischerweise ringförmig und erstreckt sich rings um den Ventilsitz, um eine senkrecht gegen den Ventilsitz gerichtete Magnetkraft auf den Schließkörper auszuüben.
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Die Scheibe kann am Permanentmagneten fest, z. B. durch Kleben, Steckeingriff oder dergleichen, fest fixiert sein. Erforderlich ist dies nicht; da im Allgemeinen die Kraft des Permanentmagneten genügt, um die Scheibe festzuhalten, kann sie auf den Permanentmagneten quer zur Bewegungsrichtung des Schließkörpers verschiebbar sein. Dies erlaubt insbesondere eine einfache Justierung der Scheibe am Permanentmagneten.
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Eine solche Justierung könnte bei erstmaliger Inbetriebnahme des Magnetventils im Laufe von Bewegungen des Schließkörpers, bei denen dieser an die Scheibe anstößt, selbsttätig erfolgen.
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Einer bevorzugten Ausgestaltung zu Folge weisen der Permanentmagnet und die Scheibe kongruente Außenmaße auf. Dies ermöglicht eine beiläufige Justierung der Scheibe während des Zusammenbaus des Magnetventils, indem Permanentmagnet und Scheibe gemeinsam gegriffen und von gleichzeitig auf die Ränder des Permanentmagneten und der Scheibe von Fingern oder einem Greifwerkzeug ausgeübte Klemmkräfte zueinander ausgerichtet werden. So kann auch ein Anstoßen des Schließkörpers an die Scheibe bei der erstmaligen Inbetriebnahme von vornherein verhindert und der Permanentmagnet auch vor indirekter Stoßbelastung geschützt werden.
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Der Schließkörper ist typischerweise kugelförmig, um einen dichten Abschluss am Ventilsitz unabhängig von seiner jeweils eingenommenen Orientierung zu gewährleisten. Der Durchmesser einer solchen Kugel sollte größer sein als der Durchmesser der Öffnung der Scheibe, damit durch die Anwesenheit der Scheibe eine deutliche Verringerung des magnetischen Widerstandes erzielt werden kann.
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Vorzugsweise ist der Durchmesser der Öffnung der Scheibe größer als der einer den Ventilsitz aufnehmen Öffnung des Permanentmagneten. So ist sichergestellt, dass zwischen der Scheibe und dem in den ringförmigen Permanentmagneten eingreifenden Ventilsitz ein Spalt bleibt, in dem die Oberfläche des Permanentmagneten frei liegt, und ein Kurzschluss des Magnetfeldes durch die Scheibe und den Ventilsitz kann verhindert werden. Außerdem kann über den größeren Durchmesser der Öffnung sichergestellt werden, dass der Schließkörper nicht bei jeder Bewegung in die Schließstellung gegen die Scheibe stößt und der Schlag auf den Permanentmagneten übertragen wird.
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Die Öffnung der Scheibe kann einen in Bewegungsrichtung des Schließkörpers gleichbleibenden Querschnitt haben. Dies ermöglicht eine Fertigung der Scheibe durch Ausstanzen aus Flachmaterial zu minimalen Kosten.
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Die Öffnung kann auch einen in Bewegungsrichtung des Schließkörpers zur Offenstellung zunehmenden Durchmesser haben. Eine solche Scheibe ist zwar aufwändiger in der Fertigung, erlaubt dafür eine weitere Minimierung des Magnetwiderstandes.
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Das Magnetventil sollte eine Spule aufweisen, die mit einem Strom mit einer ersten Polarität beaufschlagbar ist, um eine der Haltekraft des Permanentmagneten entgegengerichtete Magnetkraft auf den Schließkörper ausüben und ihn von der ersten Schließstellung in die zweite Stellung bewegen zu können.
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Vorzugsweise ist ein zweiter Permanentmagnet vorhanden, um den Schließkörper in der zweiten Stellung festzuhalten.
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In diesem Fall sollte die Spule auch mit einem Strom von entgegengesetzter, zweiter Polarität beaufschlagbar sein, um den Schließkörper von der zweiten Stellung zurück in die erste Schließstellung antreiben zu können.
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Wenn das Ventil einen zweiten Ventilsitz aufweist, insbesondere wenn es als Drei/Zwei-Wegeventil ausgelegt ist, kann es sich bei der zweiten Stellung um eine zweite Schließstellung handeln, in der der Schließkörper an dem zweiten Ventilsitz dichtend anliegt.
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Auch an diesem zweiten Ventilsitz kann eine Scheibe aus ferromagnetischem Material angebracht sein.
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Erfindungsgegenstand ist ferner eine Kältemaschine mit wenigstens einem Magnetventil wie oben beschrieben. Ein solches Magnetventil kann insbesondere zwischen einem Verflüssiger und einer Drosselstelle der Kältemaschine angeordnet sein.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
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1 einen schematischen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Magnetventil;
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2 einen Permanentmagneten und eine Scheibe für das Magnetventil in perspektivischer Ansicht; und.
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3 ein Blockdiagramm einer Kältemaschine.
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1 zeigt einen schematischen Schnitt durch ein 3/2-Wegeventil als Beispiel für ein erfindungsgemäßes Magnetventil. Das Magnetventil hat ein zylindrisches, an seinen in 1 nicht dargestellten Enden in zwei Auslass-Rohrleitungen übergehendes Gehäuse 1 aus nichtmagnetischem Material, z. B. Kupfer. Eine in radialer Richtung des Gehäuses 1 orientierte Einlassleitung 2 mündet in eine zentrale Verteilerkammer 3 des Gehäuses. In der Verteilerkammer 3 ist ein kugelförmiger Schließkörper 4 in Axialrichtung des Gehäuses 1 bewegbar. Die Bewegungsfreiheit des Schließkörpers 4 ist begrenzt durch zwei Anschlagkörper 5, 6. Die Anschlagkörper 5, 6 haben jeweils die Form einer Kreisscheibe oder eines kurzen Zylinders, dessen Ränder dicht an das Gehäuse 1 anschließen und der einen in die Verteilerkammer 3 hineinragenden Vorsprung 7 trägt. Eine Auslassbohrung 8 erstreckt sich hier axial durch beide Anschlagkörper 5, 6 auf ihrer gesamten Länge, einschließlich des Vorsprungs 7. Im Falle eines 2/2-Wegeventils könnte die Bohrung 8 an einem der Anschlagkörper 5, 6 fehlen.
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An die Spitze des Vorsprungs 7 ist rings um die Auslassbohrung 8 ein Ventilsitz 9 in Form eines komplementär zum Schließkörper 4 sphärisch gekrümmten Hohlkugelsegments gebildet. 1 zeigt den Schließkörper 4 in einer ersten Schließstellung, anliegend an den Ventilsitz 9 des Anschlagkörpers 5; die Auslassbohrung 8 des gegenüberliegenden Anschlagkörpers 6 ist frei.
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Auf die Vorsprünge 7 beider Anschlagkörper 5, 6 ist jeweils ein ringförmiger Permanentmagnet 10, 11 aufgesteckt. Die Permanentmagnete 10, 11 sind mit einander zugewandten gleichnamigen Polen angeordnet und erzeugen ein in Bezug auf die Achse des Gehäuses 1 symmetrisches Magnetfeld.
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Außerhalb des aus nichtferromagnetischem Material bestehenden Gehäuses 1 ist ein Elektromagnet 12 angeordnet. Der Elektromagnet 12 ist hier ein Stabmagnet mit zur Achse des Gehäuses 1 paralleler Achse, dessen Magnetfeld über von außen an das zylindrische Gehäuse 1 angeformte Polschuhe 13 in die Anschlagkörper 5, 6 eingekoppelt wird. Wenn der Elektromagnet 12 mit einem Stromstoß beaufschlagt wird und das auf diese Weise vom Elektromagneten 12 in der Verteilerkammer 3 erzeugte Magnetfeld dem Influenzmagnetfeld entgegengesetzt ist, das von dem Permanentmagneten des jeweils berührten Anschlagkörpers, im dargestellten Fall also dem Permanentmagneten 10 des Anschlagkörpers 5, erzeugten Magnetfeld entgegengesetzt ist, erfährt der Schließkörper 4 einen magnetischen Kraftstoß, der ihn vom Anschlagkörper 5 fort und zum Anschlagkörper 6 hintreibt, wo er, von dessen Permanentmagnet 11 angezogen, eine zweite Schließstellung am Ventilsitz 9 des Anschlagkörpers 6 erreicht.
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Durch Anlegen eines Stromstoßes von entgegengesetzter Polarität an den Elektromagneten 12 wird der Schließkörper 4 zurück in die gezeigte erste Anschlagstellung getrieben.
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Die Permanentmagnete 10, 11 haben jeweils einen rechteckigen Querschnitt, wie in 1 gezeigt, wobei jeweils eine der Verteilerkammer 3 zugewandte Stirnseite 14 jedes Permanentmagnets 10, 11 über den Vorsprung 7, auf den er aufgesteckt ist, hinausragt, so dass eine innere Ecke 15 des Permanentmagnets 10 oder 11 dem Schließkörper 4, wenn dieser von dem betreffenden Permanentmagnet 10 oder 11 angezogen und in Kontakt mit dem Ventilsitz 9 gehalten ist, dem Schließkörper 4 mit geringem Abstand zugewandt ist. Die Ecke 15 bildet so eine lokal engste Stelle eines Luftspalts zwischen Permanentmagnet 10 bzw. 11 und dem Schließkörper 4, an der sich der magnetische Fluss zwischen Permanentmagnet und Schließkörper 4 lokal konzentriert.
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An der Stirnseite 14 der Permanentmagneten 10, 11 ist jeweils eine Unterlegscheibe 16 durch magnetische Anziehungskraft flach anliegend gehalten. Die aus Flachmaterial, insbesondere Stahlblech, ausgestanzte Unterlegscheibe 16 hat eine Öffnung 17, deren Durchmesser geringfügig größer ist als derjenige der Öffnung des Permanentmagneten 10 bzw. 11, so dass auch eine vom Permanentmagneten abgewandte innere Ecke 18 der Unterlegscheibe eine lokale Engstelle des Luftspalts definiert, die weiteren magnetischen Fluss vom Magneten 10, 11 zum Schließkörper 4 führt.
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Während die Durchmesser der Öffnungen von Unterlegscheibe 16 und Permanentmagnet 10, 11 unterschiedlich sind, sind ihre Außendurchmesser vorzugsweise identisch. Wenn beim Zusammenfügen des Magnetventils eine Unterlegscheibe 16 auf einem Permanentmagneten 10, 11 platziert wird, können beide zunächst axial gegeneinander versetzt aneinander haften, wie in 2 gezeigt. In Folge der identischen Außendurchmesser genügt es dann jedoch, die beiden magnetisch zusammengehaltenen Komponenten mit Fingern 19 einer Hand oder eines Greifers eines Bestückungsautomaten zu greifen, um sie am Anschlagkörper 5 bzw. 6 zu platzieren. Wenn die Finger 19 beim Aufnehmen des Permanentmagneten 10/11 und der Unterlegscheibe 16 so lange gegeneinander vorrücken, bis jeder von ihnen sowohl den Permanentmagneten als auch die Unterlegscheibe berührt, sind beide exakt gegeneinander zentriert und behalten diese zentrierte Konfiguration bei, wenn sie am Anschlagkörper 5 bzw. 6 aufgesteckt werden.
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Wie des weiteren in 2 deutlich wird, kann die Öffnung 17 der Unterlegscheibe 16 auch in sich vom Magneten 10 bzw. 11 entfernender Richtung konisch aufgeweitet sein, um beim fertig zusammengebauten Magnetventil die Breite des Luftspalts zwischen den Ecken 15 des Permanentmagneten und 18 der Unterlegscheibe zu verkleinern und den magnetischen Fluss weiter zu steigern.
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3 zeigt ein Blockdiagramm der Kältemaschine eines Kombinations-Kältegeräts mit einem Magnetventil 20 vom in 1 gezeigten Typ. Die Einlassleitung des Magnetventils 20 ist mit einem Verflüssiger 21 verbunden, die Auslassleitungen führen über Kapillaren 22 zu Verdampfern 23, von denen einer ein Normalkühlfach und der andere ein Gefrierfach kühlt. Ein Verdichter 24 treibt die Zirkulation des Kältemittels an.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuse
- 2
- Einlassleitung
- 3
- Verteilerkammer
- 4
- Schließkörper
- 5
- Anschlagkörper
- 6
- Anschlagkörper
- 7
- Vorsprung
- 8
- Auslassbohrung
- 9
- Ventilsitz
- 10
- Permanentmagnet
- 11
- Permanentmagnet
- 12
- Elektromagnet
- 13
- Polschuh
- 14
- Stirnseite
- 15
- Ecke
- 16
- Unterlegscheibe
- 17
- Öffnung
- 18
- Ecke
- 19
- Finger
- 20
- Magnetventil
- 21
- Verflüssiger
- 22
- Kapillare
- 23
- Verdampfer
- 24
- Verdichter
