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Die Erfindung betrifft ein Ventil für gasförmige und flüssige Medien mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Aus der
DE 102 15 592 C1 ist ein bewährtes Ventil dieser Art bekannt, das einen Ventilkörper, einen elektrisch ansteuerbaren Magnetkopf und einen federbelasteten Plattenanker aufweist. Der Plattenanker ist mit einem Dichtkörper in einer Ventilkammer zwischen einem Medienerstventilsitz und einem Entlüftungsventilsitz axial verlagerbar angeordnet. Bei nicht aktiviertem Magnetkopf verschließt der Dichtkörper den Medienerstventilsitz, sodass ein Durchfluss des Mediums unterbunden ist, während über den geöffneten Entlüftungsventilsitz und einen verlängerten Entlüftungskanal eines Innenkerns eine Entlüftung des Ventils erfolgt. Bei aktivierter Magnetkraft wird der Plattenanker gegen die Federkraft direkt in die andere Endposition nach oben verlagert, sodass der Entlüftungsventilsitz unmittelbar dicht verschlossen und der Medienerstventilsitz für den Durchfluss des Mediums vollständig freigegeben wird.
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Aus der
US 3 921 670 ist ein ähnliches Ventil bekannt, das einen Ventilkörper, einen Magnetkopf und einen Plattenanker aufweist. Der Plattenanker ist mit einem an seinem Umfang ausgebildeten Flachfederteil und einem Dichtkörper in einer Ventilkammer zwischen einem Medienerstventilsitz und einem Entlüftungsventilsitz axial verlagerbar angeordnet. Bei nicht aktiviertem Magnetkopf verschließt der Dichtkörper den Medienerstventilsitz. Über den geöffneten Entlüftungsventilsitz, einen Entlüftungskanal eines Innenkerns und Entlüftungslöcher im Magnetkopfgehäuse erfolgt währenddessen eine Ventilentlüftung. Wenn der Plattenanker durch die Magnetkraft in die andere Endposition nach oben verlagert wird, wird der Entlüftungsventilsitz sofort dicht verschlossen und der Medienerstventilsitz wird für den Mediendurchfluss vollständig freigegeben.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Ventil der genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass mit einfachen Mitteln eine baueinheitlich kompakte Funktionserweiterung mit vielfältigen Regelmöglichkeiten für eine Verteilung des Mediums 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. Es weist einen Magnetkopf 1 und einen Ventilkörper 2 auf, die bezüglich einer Mittenachse 3 bevorzugt kreisrund ausgebildet und koaxial angeordnet sind. Der Magnetkopf 1 und der Ventilkörper 2 haben vorzugsweise gleiche Außendurchmesser. Es liegt aber im Rahmen der Erfindung, die Außendurchmesser des Magnetkopfes 1 und des Ventilkörpers 2 unterschiedlich groß zu gestalten.
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Der Magnetkopf 1 weist einen bezüglich der Mittenachse 3 koaxial angeordneten Spulenkörper 4 auf, der eine Elektrospule 5 trägt. Über dem Stirnflansch des Spulenkörpers 4 oben befindet sich ein Magnetjoch 6 und darüber eine Leiterplatte 7, 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 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 dem Magnetjoch 6 abgewandten Seite des Spulenkörpers 4. Sie ist zwischen dem Innenkern 8 und dem Außenkern 9 beispielsweise durch Schweißen oder Einpressen hermetisch dicht angeordnet, so dass das Medium nicht zur Elektrospule 5 vordringen kann. Das Joch 6 umgreift den Innenkern 8, dessen Durchmesser dem Innendurchmesser des Jochs 6 für eine spielfreie Lagerung angepasst ist. Der Außenkern 9 des Magnetkopfes 1 umfasst die Elektrospule 5 und ist so ausgeführt, dass das Joch 6 weitgehend spielfrei eingepasst ist.
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Damit die Elektrospule 5 mit ihrem Spulenkörper 4 sowie das Magnetjoch 6, die Leiterplatte 7 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. Die Vergussmasse 11 füllt sämtliche Hohlräume innerhalb des Außenkerns 9 aus, wodurch auch eine dauerhaft hohe Sicherheit gegen die im Betrieb auftretenden mechanischen Schwingungen gegeben ist.
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Der Ventilkörper 2 ist etwa topfförmig gestaltet und besitzt einen Boden 12, der einen sich nach unten erstreckenden, im Durchmesser kleineren koaxialen Fortsatz 13 und eine Umfangswand 14 aufweist, 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.
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In der Mitte des Bodens 12 ist ein koaxialer Medienerstventilsitz 17 ausgebildet, der in eine Ventilkammer 18 ragt, die von dem Boden 12, der Umfangswand 14, einem Teil des Außenkerns 9, dem Innenkern (8) und der Scheibe 10 begrenzt ist. Dem Medienerstventilsitz 17 ist ein das Medium zuführender Medieneingang 19 zugeordnet, der den Fortsatz 13 durchsetzt. Außerdem sind in dem Boden 12 Medienausgänge 20, 21 ausgebildet, durch die das Medium aus der Ventilkammer 18 entweichen und einem Verbraucher zugeführt werden kann. Bei verschiedenen Anwendungen kann es zweckmäßig sein, die Ein- und Ausgänge zu vertauschen, so dass das Medium über die dargestellten Ausgänge 20, 21 zugeführt und den Eingang 19 abgeführt wird.
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In der Ventilkammer 18 befindet sich ein axial verlagerbarer Plattenanker 22. Dieser besitzt eine Ankerscheibe 23, eine Scheibenfeder 24, einen Hohlniet 25 und einen Dichtkörper 26, 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 über den Hohlniet 25 fest verbunden. Der Dichtkörper 26 besteht aus einem etwa gummielastischen Elastomerwerkstoff, der in dem Hohlniet 26 einvulkanisiert oder anderweitig, z. B. durch Klipsbefestigung, mechanisch montiert und gehalten ist. Der Elastomerdichtkörper 26 weist an seiner Unterseite eine Erstdichtfläche 27 auf, die den Medienerstventilsitz 17 in der dargestellten Verschlussposition des Plattenankers 22 mittels der Kraft der Scheibenfeder 24 dicht verschließt. An der der Medienerstdichtfläche 27 gegenüberliegenden Oberseite des Dichtkörpers 26 weist letzterer eine Zweitdichtfläche 28 auf, die bei der dargestellten Ausführungsform mit der dem Magnetkopf 1 zugewandten Oberseite der Ankerscheibe 23 bevorzugt eine gemeinsame Ebene bildet.
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Der Außenkern 9 des Magnetkopfes 1 weist an seinem der Ventilkammer 18 zugewandten Ende einen kreisringförmigen Bund 29 auf, der die Ankerscheibe 23 an ihrem Umfang mit nur geringem Spiel eng übergreift, da der Innendurchmesser des Bundes 29 nur etwas größer ist als der Durchmesser der Ankerscheibe 23. Der Bund 29 bestimmt bzw. begrenzt demnach in der Ebene der Ankerscheibe 23 den Durchmesser der Ventilkammer 18, die in diesem Bereich somit nur wenig größer ist als der Durchmesser der Ankerscheibe 23. Die dem Magnetkopf 1 zugewandte Oberseite der Ankerscheibe 23 ist so gestaltet, dass der mittlere Oberseitenbereich eine Planfläche ist, deren Durchmesser etwa gleich dem Durchmesser des Innenkerns 8 ist, während der die Planfläche umgebende Oberseitenrandbereich als zum Umfang der Ankerscheibe 23 abfallende Schrägfläche ausgebildet ist.
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An der der Scheibenfeder 24 zugewandten Unterseite der Ankerscheibe 23 ist der zentrale mittlere Bereich als ebene Fläche ausgebildet, deren Durchmesser etwa gleich dem Durchmesser der gegenüberliegenden Planfläche ist. Der die ebene Fläche umgebende Unterseitenrandbereich, der sich gegenüber der Schrägfläche befindet, ist aufgrund eines Rücksprungs etwas zurückgesetzt. In diesem ringförmigen Seitenrandbereich der Ankerscheibe 23, der axial dünner ist als im zentralen Mittenbereich zwischen der oberen Planfläche und der unteren ebenen Fläche, weist die Ankerscheibe 23 mindestens einen sie durchsetzenden Mediendurchgang 30 auf.
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Die Oberseite der Scheibenfeder 24 liegt an der unteren ebenen Fläche der Ankerscheibe 23 an. Somit ist durch den vorerwähnten Rücksprung zwischen dem Unterseitenrandbereich der Ankerscheibe 23 und der Oberseite der Scheibenfeder 24 ein Freiraum für eine ungehinderte Verteilung bzw. einen ungehinderten Durchgang des Mediums gebildet.
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Die Scheibenfeder 24 ist im Durchmesser größer als die Ankerscheibe 23, sodass ein Außenrandbereich der Scheibenfeder 24 den Umfang der Ankerscheibe 23 überragt. Dieser Außenrandbereich befindet sich unter der Stirnseite des Bundes 29 und liegt an der unteren Stirnfläche einer Einpressbuchse 31 an. Die Einpressbuchse 31 ist nach ihrer Montage durch Reibschluss an der Innenfläche der Umfangswand 14 des Ventilkörpers 2 fest positioniert. Die Positionierung ist derart, dass die untere Stirnfläche der Einpressbuchse 31 den Außenrandbereich der Scheibenfeder 24 etwas in Richtung zum Boden 12 des Ventilkörpers 2 drückt, sodass die so vorgespannte Scheibenfeder 24 etwas gebogen bzw. gewölbt ist und somit die Erstdichtfläche 27 des Dichtkörpers 26 verstärkt gegen den Medienerstventilsitz 17 presst.
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Die Scheibenfeder 24 selbst besteht aus einem dünnen Federblech und weist mehrere Ausnehmungen auf, durch die das Medium strömen kann. Die Ausnehmungen sind ungefähr rechteckförmig und in Bezug zur Mittenachse 3 zweckmäßig sternförmig und in gleichen Abständen zueinander angeordnet. Die Eckbereiche der Ausnehmungen können vorteilhaft als Rundungen ausgeführt sein, wodurch Rissbildungen vermieden werden.
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Die Abstände zwischen den Ausnehmungen der Scheibenfeder 24 sind vorteilhaft als Federstege ausgebildet, die im Wesentlichen radial sternförmig ausgerichtet und seitlich von je einem Seitenrand zweier benachbarter Ausnehmungen begrenzt sind. Die Federstege können zur Erzielung einer optimalen Federkennlinie zweckmäßig unterschiedlich breit ausgeführt sein und sie können auch einen Durchbruch aufweisen, der als kreisringförmiges Loch ausgeführt sein kann.
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Die Scheibenfeder 24 der vorliegenden Erfindung kann vorzugsweise fünf oder sechs im Federblechbereich ausgebildete Ausnehmungen und somit ebenfalls fünf oder sechs Federstege besitzen. Diese Anzahl ist für die Erfüllung der Federfunktion besonders gut geeignet, denn dadurch wird eine gleichmäßige Federkraftverteilung erreicht, die eine weitgehend gleichmäßig stabile Lage des Plattenankers 22 mitbestimmt.
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An der dem Plattenanker 22 zugewandten Stirnseite des Innenkerns 8 ist ein die Stirnseite überragender Medienzweitventilsitz 32 ausgebildet, der etwas in die Ventilkammer 18 hineinragt. An den Medienzweitventilsitz 32 schließt sich nach oben hin ein als Bohrung ausgeführter Medienkanal 33 an, der den Innenkern 8 in Längsrichtung durchsetzt und in einen Medienleitungsanschluss 34 einmündet. Dieser Medienleitungsanschluss 34, der bevorzugt als Schlauchtülle mit mindestens einem Ringwulst 36 oder Anschlussstutzen für eine zu einem Verbraucher führende Medienleitung ausgebildet sein kann, ragt oben aus dem Magnetkopf 1 heraus und ist wie auch der Medienzweitventilsitz 32 mit dem Innenkern 8 bevorzugt materialeinheitlich einstückig ausgeführt. Der freie Querschnitt des Medienzweitventilsitzes 32 ist bevorzugt etwa gleich dem des Medienerstventilsitzes 17 und der Medienkanal 33 sowie der Medienleitungsanschluss 34 besitzen im Wesentlichen den gleichen lichten Querschnitt. Der Innenkern 8 mit dem Medienkanal 33 sowie dem Medienzweitventilsitz 32 und dem Medienleitungsanschluss 34 sind bezüglich der Mittenachse 3 als koaxiale Baueinheit ausgebildet.
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In einem Abstand über dem Bund 29, etwa in der Mitte der Elektrospule 5, ist der Außenkern 9 über ein Gewinde 35 mit der Umfangswand 14 des Ventilkörpers 2 verbunden. 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 anstelle des Gewindes 35 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 Flächen fest aneinander gepresst werden.
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Beim Einschalten des Magnetkopfes 1 wird das Ventil für den Durchfluss des Mediums geöffnet. Dabei wird der Plattenanker 22 durch die elektromagnetische Kraft um ein gewisses Maß nach oben in Richtung zum Innenkern 8 hin verlagert. Die Erstdichtfläche 27 des Dichtkörpers 26 entfernt sich somit von dem Medienerstventilsitz 17 und gibt letzteren frei. Gleichzeitig nähert sich um das gleiche Maß bzw. im gleichen Verhältnis die Zweitdichtfläche 28 dem Medienzweitventilsitz 32, sodass der Abstand zwischen dem Medienzweitventilsitz 32 und der Zweitdichtfläche 28 entsprechend verringert wird. Wenn die elektromagnetische Kraft dabei gering ist, hebt die Erstdichtfläche 27 nur sehr wenig vom Medienerstventilsitz 17 ab, sodass der Eintritt des Mediums in die Ventilkammer 18 relativ gering ist, während die Öffnung des Medienzweitventilsitzes 32 aufgrund des relativ großen Abstands der Zweitdichtfläche 28 verhältnismäßig groß ist. Ein Teil des Mediums kann dabei durch den Medienausgang 20, 21 zu einem ersten Verbraucher strömen. Der andere Teil des Mediums kann durch die Ausnehmungen der Scheibenfeder 24, den Mediendurchgang 30 der Ankerscheibe 23, den Medienzweitventilsitz 32, den Medienkanal 33 und den Medienleitungsanschluss 34 zu einem weiteren Verbraucher strömen.
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Zur Erreichung dieser Ankerposition hat die Scheibenfeder 24 nur einen sehr kurzen Weg zurückgelegt und die Kraft, welche die Scheibenfeder 24 der Magnetkraft entgegensetzt, ist relativ gering. Das heißt, die den Plattenanker 22 nach oben ziehende Magnetkraft und die nach unten drückende Federkraft sind gleich groß und halten sich die Waage, sodass sich der Plattenanker 22 praktisch in einem Schwebezustand befindet.
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Durch Erhöhung des elektrischen Stroms wird die Magnetkraft des Magnetkopfes 1 überproportional gesteigert und der Plattenanker 22 verlagert sich weiter nach oben. Wenn der Plattenanker 22 näher an den Innenkern 8 verlagert wird, ist nicht nur eine lineare, sondern überproportionale Zunahme der Magnetkraft zu verzeichnen. Der Abstand zwischen der Erstdichtfläche 27 und dem Medienerstventilsitz 17 ist dabei größer, wodurch der Mediumsdurchfluss entsprechend erhöht wird. Dabei hat die Kraft der Scheibenfeder 24 aufgrund des weiter zurückgelegten Weges zugenommen. Und zwar nicht nur linear, sondern ebenfalls überproportional, was durch die zuvor beschriebene spezielle Konfiguration der Scheibenfeder 24 erreicht wird und genau der überproportional gesteigerten Magnetkraft entspricht. Die gegeneinander gerichteten Kräfte sind also wiederum ausgeglichen, sodass der Plattenanker 22 auch in dieser Position konstant verbleibt und das Medium ohne Schwankungen gleichmäßig einströmen kann. So wie sich die Erstdichtfläche 27 vom Medienerstventilsitz 17 entfernt, verringert sich der Abstand zwischen dem Medienzweitventilsitz 32 und der Zweitdichtfläche 28 entsprechend. Auch in dieser Position kann ein gewisser Teil des Mediums durch den Medienausgang 20, 21 zu dem ersten Verbraucher und der andere Teil des Mediums kann durch den Medienleitungsanschluss 34 zu dem zweiten Verbraucher strömen.
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Zur weiteren Öffnung des Medienerstventilsitzes 17 und zur Erhöhung des Mediumzuflusses nähert sich der Plattenanker 22 dem Innenkern 8, indem die Magnetkraft durch Erhöhung des elektrischen Stroms erneut überproportional zunimmt. Die maximale Öffnung des Medienerstventilsitzes 17 ist erreicht, wenn die Zweitdichtfläche 28 an dem Medienzweitventilsitz 32 anliegt, sodass letzterer gesperrt ist und das gesamte zugeführte Medium über den Ausgang 20, 21 ausschließlich zum ersten Verbraucher strömt. Durch den vorspringenden Medienzweitventilsitz 32 wird der Plattenanker 22 selbst bei vollständig geöffnetem Medienerstventilsitz 17 stets in einem geringen Abstand zum Innenkern 8 gehalten, sodass die Entstehung einer größeren Hysterese vermieden und eine genaue Regelung des Plattenankers 22 auch bei weit geöffnetem Medienerstventilsitz 17 gewährleistet ist.
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Bei vorliegendem Proportionalventil ist immer, also in jeder beliebigen Stellung des Plattenankers 22 zwischen „offen” und „geschlossen”, ein Gleichgewichtszustand von Federkraft und Magnetkraft gegeben und das Ventil kann für eine optimale Funktion und genaue Durchflussregulierung des Mediums mit Hilfe des elektrischen Stroms feinfühlig geregelt werden. Dabei ist es möglich, sowohl dem ersten Verbraucher über den Medienausgang 20, 21 als auch dem zweiten Verbraucher über den Medienleitungsanschluss 34 ganz individuell je nach Bedarf unterschiedliche Teilmengen des Mediums zukommen zu lassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10215592 C1 [0002]
- US 3921670 [0003]
