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Die Erfindung betrifft ein bistabiles Ventil mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Für gasförmige und flüssige Medien vorgesehene Ventile, die einen Ventilkörper mit einem axial verlagerbaren Plattenanker und einen elektrisch ansteuerbaren Magnetkopf aufweisen, der für eine bistabile Schaltfunktion einen Dauermagneten beinhaltet, sind allgemein bekannt. Derartige bistabile Plattenankerventile haben jeweils eine feste Dauermagnetkraftgröße. Die Stärke der Dauermagnetkraft ist allerdings bei verschiedenen Dauermagneten, selbst wenn letztere gleiche und äußerst eng tolerierte räumliche Abmessungen aufweisen, sehr unterschiedlich, wobei Abweichungen bis zu fünfundzwanzig Prozent und entsprechend große Schaltungenauigkeiten auftreten können. Um dem zu begegnen, ist es bekannt, den so genannten Ventilhub zu verändern, wodurch zwangsläufig eine unerwünschte Veränderung des Mediumsdurchflusses durch das Ventil auftritt.
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Die
DE 10 2013 009 838 B3 offenbart ein Zweiwegeventil mit einem Ventilkörper, der einen Eingang, einen Ausgang, einen Ankerraum, einen Plattenanker mit einer Scheibenfeder und einem Dichtkörper sowie einen Ventilraum mit einem Ventilsitz aufweist. Dem Ventilkörper ist ein Elektromagnetkopf mit einer Elektrospule, einem Innenkern, einem Außenkern und einem Dauermagneten zugeordnet. Das Ventil kann ohne zusätzliche Energiezufuhr allein durch die Dauermagnetkraft geöffnet und in dieser Position gehalten werden.
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Die
DE 10 2008 063 339 B4 offenbart ein Ventil, dessen Ventilkörper einen Eingang, einen Ausgang, einen Ventilsitz sowie einen Plattenanker mit einem Dichtkörper und einer Scheibenfeder aufweist. Ein dem Ventilkörper zugeordneter Magnetkopf weist eine Elektrospule und eine Magnetkreiseinheit auf, die ein Joch, einen Innenkern, einen Außenkern und einen Dauermagneten umfasst. Zudem weist das Ventil eine manuelle Betätigung auf, mittels der der Ventilsitz zum Beispiel im Falle einer nicht ausreichenden Energieversorgung wahlweise geöffnet oder geschlossen werden kann.
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Die
DE 198 54 759 A1 offenbart ein Ventil mit einem Ventilkörper, der einen Eingang, einen Ausgang und einen Ventilsitz aufweist, der über einen an einem axial verlagerbaren Anker angeordneten Dichtkörper verschließbar ist. Der stabförmige Anker ist in einem Magnetkopf gelagert, der eine Elektrospule sowie einen Magnetkern besitzt, der axial über dem Anker angeordnet und in einer Gewindehülse gelagert ist. Der Ventilkörper und der Magnetkopf sind mittels einer Gewindeschraube verbunden, die in eine Flussscheibe des Magnetkopfes eingreift.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Ventil der genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass mit einfachen Mitteln eine eng tolerierte, gleichbleibend zuverlässige Ventilschaltfunktion mit minimalem Energieaufwand und konstantem Mediumsdurchfluss erzielt wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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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 erfindungsgemäße Ventil ist in der Zeichnung in einer geschnittenen Ansicht vergrößert dargestellt und ist für gasförmige und flüssige Medien vorgesehen. Es 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 einen Grundkörper 4 mit einem kreiszylindrischen koaxialen Anschlussteil 5 und eine sich in Richtung nach oben erstreckende Umfangswand 6.
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Am Umfang des Grundkörpers 4 kann ein O-Ring 7 und am Umfang des Anschlussteils 5 kann ein O-Ring 8 vorgesehen sein. Die O-Ringe 7, 8 können in nach außen offenen Rechtecknuten gelagert sein. Im Anschlussteil 5 kann für das Medium ein koaxialer Eingang 9 ausgebildet sein, der in einen Ventilsitz 10 mündet, welcher in eine Ventilkammer 11 des Ventilkörpers 1 hineinragt. Für die Herausführung des Mediums aus der Ventilkammer 11 können in dem Grundkörper 4 Ausgänge 12, 13 ausgebildet sein. Bei verschiedenen Anwendungen kann es allerdings zweckmäßig sein, die Ein- und Ausgänge zu vertauschen, so dass das Medium über die dargestellten Ausgänge 12, 13 in die Ventilkammer 11 eingeführt und durch den dargestellten Eingang 9 aus der Ventilkammer 11 abgeführt wird.
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In der Ventilkammer 11 befindet sich ein als kreisrunde Scheibe ausgebildeter, axial verlagerbarer Plattenanker 14, der koaxial einen aus einem Elastomerwerkstoff hergestellten Dichtkörper 15 trägt, der in dem Plattenanker 14 zweckmäßig einvulkanisiert ist und den Ventilsitz 10 verschließt. Außerdem ist in einer Ebene unter dem Plattenanker 14 eine dünne Scheibenfeder 16 koaxial angeordnet, die im Bereich des Dichtkörpers 15 etwa in der Mitte des Plattenankers 14 festgelegt ist und mit ihrem Außenrand an einer Buchse 17 abgestützt ist. Die Buchse 17 ist an der Innenfläche der Umfangswand 6 vorzugsweise mittels Presssitz gehalten. Die Scheibenfeder 16 drückt den Dichtkörper 15 gegen den Ventilsitz 10.
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Der Plattenanker 14 ist im Durchmesser so ausgeführt, dass er bei seiner axialen Verlagerung innerhalb der Buchse 17 weitgehend spielfrei geführt ist. Zudem kann der Plattenanker 14 für eine leichtgängige axiale Verlagerung im Medium der Ventilkammer 11 vorzugsweise drei Durchgangsbohrungen 18 aufweisen, die bezüglich der Mittenachse 3 beispielsweise in Winkeln von 120° 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 Plattenanker 14 abgewandten Seite der Elektrospule 19 können mit dem Spulendraht verbundene Anschlussstifte 21 vorgesehen sein, die in einer elektrischen Leiterplatte 22 kontaktiert sind. An dieser Leiterplatte 22 können die Elektroleiter eines aus dem Magnetkopf 2 herausragenden Elektrokabels 23 kontaktiert sein. Dadurch ist eine verhältnismäßig flexible Elektroverbindung hergestellt, die im Gegensatz zu relativ starren Verbindungen insbesondere bei im Betrieb auftretenden Schwingungen oder Erschütterungen eine Unterbrechung des Stromkreises verhindert und eine dauerhafte Verbindung für den elektrischen Stromfluss gewährleistet.
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Außerdem weist der Magnetkopf 2 ein Magnetjoch 24, einen Innenkern 25, einen Dauermagneten 26, einen Außenkern 27 und eine nicht magnetisierbare metallische Ringscheibe 28 auf, die kreiszylindrisch gestaltet und koaxial zur Mittenachse 3 angeordnet sind. Das im Querschnitt etwa T-förmige Magnetjoch 24 ist mit einem Grundteil 29, einem sich in der Zeichnung in Richtung nach unten erstreckenden Hülsenansatz 30 und einem sich vom Grundteil 29 in Richtung nach oben erstreckenden Fortsatz 31, der ebenfalls hülsenförmig ausgebildet sein kann, materialeinheitlich einstückig ausgeführt.
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Der Dauermagnet 26 befindet sich zwischen einem Innenkernoberteil 32 und einem Innenkernunterteil 33. Das Magnetjoch 24 weist eine zur Mittenachse 3 koaxiale Bohrung auf, die sich durch den Fortsatz 31, den Grundteil 29 und den Hülsenansatz 30 erstreckt. An dem in der Zeichnung oberen Endbereich des Innenkernoberteils 32 ist ein Außengewinde 34 ausgebildet, das in ein am Fortsatz 31 des Magnetjochs 24 ausgebildetes Innengewinde 35 eingreift. Zweckmäßig befinden sich das Außengewinde 34 und das Innengewinde 35 in einer Ebene über der Leiterplatte 22, die auf einer Schulter des Grundteils 29 des Magnetjochs 24 aufliegt. Der sich an das Außengewinde 34 in Richtung nach unten erstreckende Rundstabteil des Innenkernoberteils 32 und der Dauermagnet 26 weisen einen im Wesentlichen gleichen Durchmesser auf und sind in der Bohrung des Grundteils 29 und des Hülsenansatzes 30 relativ spielfrei geführt.
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Der Zeichnung ist deutlich zu entnehmen, dass der Hülsenansatz 30 des Magnetjochs 24 von oben in einen koaxialen Durchgang des Spulenkerns 20 eng umschlossen so weit eingreift, dass sich die nach unten weisende Stirnseite des Hülsenansatzes 30 etwas unterhalb der axialen Längsmitte des Spulenkerns 20 befindet. Und da der Hülsenansatz 30 den Dauermagneten 26 axial fast ganz übergreift, ist letzterer somit etwa in der Längsmitte des Spulenkerns 20 positioniert. Dabei haftet der Dauermagnet 26 mit seiner nach oben weisenden Stirnfläche mittels seiner Magnetkraft fest an der unteren Stirnfläche des Innenkernoberteils 32.
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Der Durchmesser des Dauermagneten 26 kann etwa zwei bis vier Mal größer sein als seine axiale Dicke. Bezüglich der axialen Länge des Spulenkerns 20 beträgt die axiale Dicke des Dauermagneten 26 allerdings lediglich etwa ein Siebtel bis ein Viertel.
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Der Innenkernunterteil 33 befindet sich koaxial unter dem Dauermagneten 26 ebenfalls in der Bohrung des Spulenkerns 20, wobei ein Teil des Innenkernunterteils 33 unten aus dem Spulenkern 20 herausragt. Der Außendurchmesser des Innenkernunterteils 33 ist etwa gleich dem Außendurchmesser des Hülsenansatzes 30 des Magnetjochs 24 und ist somit ebenfalls von der den Durchgang des Spulenkerns 20 begrenzenden Wand eng umschlossen.
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Da der Hülsenansatz 30 des Magnetjochs 24 den Dauermagneten 26 in axialer Richtung nicht gänzlich übergreift, ist etwa in der Längsmitte des Spulenkerns 20 zwischen der unteren Stirnseite des Hülsenansatzes 30 und der oberen Stirnfläche des Innenkernunterteils 33, die dem Dauermagneten 26 zugewandt ist, ein Abstand 36 gebildet, der – wie später beschrieben wird – in axialer Richtung veränderbar ist.
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Der kreiszylindrische Außenkern 27, der praktisch das Gehäuse des Magnetkopfes 2 bildet, umgibt die Elektrospule 19 und ist zum Zwecke der Magnetkreisbildung mit dem Magnetjoch 24 vorzugsweise durch Flächenberührung kontaktiert. Der obere Bereich des Außenkerns 27 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 37 des Außenkerns 27 greift in den Ventilkörper 1 ein und ist von der Umfangswand 6 des Ventilkörpers 1 eng umfasst, so dass zwischen der Umfangsfläche des Rohrteils 37 und der Innenfläche der Umfangswand 6 eine Presspassung besteht, über die beim Zusammenbau eine optimale axiale Anpassung des Magnetkopfes 2 an den Ventilkörper 1 erzielt werden kann. Für eine zusätzliche Abdichtung kann in einen Ringspalt 38 ein Kapillarkleber oder dergleichen eingebracht werden.
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Am unteren Ende des Außenkerns 27 weist dessen Rohrteil 37 einen rechtwinklig nach innen ragenden Kragen 39 auf, der den Spulenkern 20 der Elektrospule 19 untergreift. Die Dicke des Kragens 39 in axialer Richtung kann vorzugsweise etwa doppelt so groß sein wie die Dicke der nicht magnetisierbaren Ringscheibe 28.
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Die Ringscheibe 28 ist in der Ebene des Kragens 39 angeordnet und untergreift wie dieser den Spulenkern 20. Dabei kann der Außendurchmesser der Ringscheibe 28 ungefähr gleich dem Innendurchmesser des Kragens 39 ausgeführt sein. Der Innendurchmesser der Ringscheibe 28 kann im Wesentlichen dem Außendurchmesser des Innenkernunterteils 33 entsprechen, der die Ringscheibe 28 durchsetzt und in Richtung zum Plattenanker 14 hin überragt. Durch die genaue Außen- und Innendurchmesseranpassung der Ringscheibe 28 kann letztere zwischen dem Innenkernunterteil 33 und dem Kragen 39 des Außenkerns 27 hermetisch dicht eingepresst werden, so dass das Medium nicht in das Innere des Magnetkopfs 2 eindringen kann. Eine andere vorteilhafte Ausführung besteht darin, dass die Ringscheibe 28 am Außen- und Innendurchmesser zum Beispiel mittels Laserschweißung gasdicht mit dem Kragen 39 und dem Innenkernunterteil 33 verbunden ist. Somit sind der Außenkern 27, die Ringscheibe 28 und der Innenkernunterteil 33 fest miteinander verbunden und bilden praktisch eine vorgefertigte Baueinheit. Der Dauermagnet 26 liegt mit seiner unteren Stirnfläche an der oberen Stirnfläche des Innenkernunterteils 33 an, so dass der Dauermagnet 26 und auch der darüber befindliche Innenkernoberteil 32 mittels der Dauermagnetkraft an dem Innenkernunterteil 33 ortsfest positioniert sind.
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Die Lage der nicht magnetisierbaren Ringscheibe 28 ist so gewählt, dass sie, in axialer Richtung gesehen, bezüglich der unteren Stirnseite des Kragens 39, die dem Plattenanker 14 zugewandt ist, zurückgesetzt ist. Außerdem ist in der Zeichnung zu erkennen, dass die dem Plattenanker 14 zugewandte Stirnfläche des Innenkernunterteils 33 von der Stirnseite des Kragens 39 axial ebenfalls etwas entfernt ist. Dabei ist ersichtlich, dass das Maß der axialen Zurücksetzung der Ringscheibe 28 gegenüber der unteren Stirnseite des Kragens 39 größer ist als das axiale Maß zwischen der unteren Stirnfläche des Innenkernunterteils 33 zur unteren Stirnseite des Kragens 39.
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Nach dem Montieren der verschiedenen Bauteile und dem Zusammenfügen des Ventilkörpers 1 und des Magnetkopfes 2 wird eine Feinjustierung am Magnetkopf 2 durchgeführt, um eine optimale elektromagnetische Schaltfunktion zu erzielen. Dazu wird das Magnetjoch 24 zweckmäßig mit Hilfe eines von oben am Grundteil 29 anzusetzenden Hilfswerkzeugs feinfühlig um die Mittenachse 3 gedreht, so dass der Abstand 36 zwischen der Stirnseite des Hülsenansatzes 30 und der Stirnfläche des Innenkernunterteils 33 in Abhängigkeit von der Intensität der Magnetkraftstreuwerte des Dauermagneten 26 entweder verkleinert oder vergrößert wird, je nachdem, ob das Magnetjoch 24 im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn verdreht wird. Die Änderung des Abstands 36 erfolgt zweckmäßig in kleinen Schritten mit jeweils anschließender Feinmessung der elektromagnetischen Parameter hinsichtlich Energieaufwands, Schaltzeit, Schaltgeschwindigkeit etc. Wenn die optimalen Messwerte erreicht sind, ist der Feinjustiervorgang beendet. Derartige Feinjustierungen werden individuell an jedem einzelnen Ventil durchgeführt, so dass sowohl der voreingestellte optimale Ventilhub für einen konstanten Mediumsdurchfluss unverändert aufrecht erhalten wird als auch die bestmögliche elektromagnetische Schaltfunktion bei allen Ventilen in gleichbleibend hoher Qualität erzielt wird.
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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 nach Abschluss des vorbeschriebenen Justiervorgangs mit einer elektrisch isolierenden Vergussmasse 40 weitgehend hohlraumfrei vergossen sein werden. Die Vergussmasse 40 und der obere Rand des Außenkerns 27 bilden dabei eine gemeinsame Ebene.
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Bei einem den Magnetkopf 2 aktivierenden elektrischen Einschaltimpuls wird eine Verstärkung der Magnetkraft erzielt, wobei der Plattenanker 14 mit Unterstützung des Dauermagneten 26 gegen die Kraft der Scheibenfeder 16 in Richtung gegen den Innenkernunterteil 33 gezogen wird, bis er am Kragen 39 des Außenkerns 27 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 26 ist so groß, dass sie den nach oben verlagerten Plattenanker 14 in dieser Öffnungsposition hält.
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Zum Schließen des Ventils wird der Magnetkopf wiederum durch einen elektrischen Impuls 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 26 entgegenwirkt. Es wird also eine Schwächung des Magnetfeldes erreicht, derart, dass die Kraft der Scheibenfeder 16 überwiegt. Somit wird der Plattenanker 14 axial vom Innenkernunterteil 33 und Außenkernkragen 39 fortbewegt, so dass der Dichtkörper 15 gegen den Ventilsitz 10 gedrückt wird und diesen verschließt, wodurch der Fluss des Mediums unterbrochen ist. Nach Beendigung des Schaltimpulses verbleibt der Dichtkörper 15 in der Verschlussposition, dadurch die Entfernung des Plattenankers 14 vom Magnetkopf 2 die Kraft des Dauermagneten 26 allein nicht ausreicht, den Plattenanker 14 nach oben zu verlagern. Die Kraft der Scheibenfeder 16 überwiegt, so dass der Ventilsitz 10 dicht verschlossen bleibt.
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Durch diese Maßnahmen kann das Ventil allein durch einen kurzen Schaltimpuls äußerst stromsparend sowohl in die Öffnungsstellung als auch in die Schließstellung gebracht werden, denn die Elektrospule 19 wird beim Einschalten und beim Ausschalten jeweils nur verhältnismäßig kurz mit Spannung versorgt. Und zwar nur so lange, bis der Plattenanker 14 seine jeweilige Endstellung erreicht hat. In der erreichten Öffnungsstellung wird der Plattenanker 14 allein durch die Kraft des Dauermagneten 26 oben gehalten, so dass das Medium frei durch das Ventil strömen kann. In der in der Zeichnung dargestellten Schließstellung wird der Dichtkörper 15 allein durch die Kraft der Scheibenfeder 16 gegen den Ventilsitz 10 gedrückt. Das Ventil kann also sowohl in der Öffnungsstellung als auch in der Verschlussstellung ohne anderweitige Energieversorgung sehr sparsam betrieben werden. Bei dem erfindungsgemäßen Ventil ist es von besonderer Bedeutung, dass der Dauermagnet 26 über magnetisch leitendes Material am Außenmantel quasi kurzgeschlossen und dadurch geschwächt wird.
