DE102018004856A1

DE102018004856A1 - Elektrofluidisches Sitzventil

Info

Publication number: DE102018004856A1
Application number: DE102018004856.0A
Authority: DE
Inventors: Edwin Kreuzberg; Mike Heck; Thomas Rolland
Original assignee: Thomas Magnete GmbH
Current assignee: Thomas Magnete GmbH
Priority date: 2018-06-20
Filing date: 2018-06-20
Publication date: 2019-12-24
Anticipated expiration: 2038-06-21
Also published as: DE102018004856B4

Abstract

Aufgabe: Das Sitzventil soll im passiven, unbestromten Zustand den Druck in der ersten Leitung und in der zweiten Leitung auf jeweils einen vordefinierten Grenzdruck p₀₁ oder p₀₂ begrenzen, und im bestromten Zustand einen definierten Öffnungsquerschnitt zur Verbindung der ersten mit der zweiten Leitung aufweisen.
Lösung: Die Druckkraft des Fluids in der ersten Leitung (6) und die Druckkraft des Fluids in der zweiten Leitung (7) wirken auf die Membran (4) die Ventilbaugruppe (3) öffnend, während die Kraft der Rückstellfeder (9) auf die Membran (4) die Ventilbaugruppe (3) schließend wirkt und die Kraft des Elektromagneten (2) auf die Membran (4) die Ventilbaugruppe (3) öffnend wirkt, wobei der öffnende Hub der Membran (4) von einem Adapter (10) begrenzt wird.
Anwendung: Steuerung und Regelung von Durchflüssen und Drücken von Fluiden, vor allem von wasserhaltigen Fluiden.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrofluidisches Sitzventil entsprechend dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs, sowie Verfahren zur Herstellung des Sitzventils.
Stand der Technik:
Elektrofluidische Sitzventile sind bekannt und weit verbreitet. Es sind insbesondere elektromagnetisch angesteuerte Druckregelventile bekannt, deren Dichtkörper aus einer gegen einen Dichtsitz wirkenden Membran bestehen, zum Beispiel aus der Druckschrift DE 10 2013 012 818 A1 .
Solche Sitzventile können sowohl als schaltende Sitzventile, deren Öffnung durch einen Elektromagneten bestimmt wird, als auch als Regelventile eingesetzt werden, deren Öffnung durch ein Kraftgleichgewicht aus Druckkräften, Federkräften und der Kraft des Elektromagneten bestimmt wird. Auch eine Kombination beider Betriebsarten ist grundsätzlich möglich, also eine Druckregelfunktion kombiniert mit einer Schaltfunktion.
Bei den bekannten Sitzventilen ist diese Kombination der Funktionen nur unbefriedigend ausgebildet, da diese Ventile aus Schaltventilen abgeleitet wurden und die Druckbegrenzungsfunktionen nicht oder unzureichend auf vorbestimmte Grenzwerte einstellen lassen.
Es stellt sich daher die Aufgabe, die bekannten Sitzventile mit einer Membran so weiterzuentwickeln, dass die folgenden Teilaufgaben gelöst werden:

• Das Sitzventil soll im passiven, unbestromten Zustand den Druck in der ersten Leitung auf einen vordefinierten Grenzdruck p₀₁ begrenzen, wenn die zweite Leitung keinen Überdruck aufweist.
• Das Sitzventil soll in diesem unbestromten Zustand auch den Druck in der zweiten Leitung auf einen vordefinierten Grenzdruck p₀₂ begrenzen, wenn die erste Leitung keinen Überdruck aufweist. Die Grenzdrücke p₀₁ und p₀₂ der beiden Fälle sollen sich nur wenig unterscheiden.
• Das Sitzventil soll im bestromten Zustand einen definierten Öffnungsquerschnitt zur Verbindung der ersten mit der zweiten Leitung aufweisen.

Lösung:
Die auf die Vorrichtung gerichteten Aufgaben werden durch die Merkmale des ersten Anspruchs gelöst, vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 angegeben, die beiden letzten Ansprüche beschreiben Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Das erfindungsgemäße elektrofluidische Sitzventil enthält mindestens einen Elektromagneten und eine Ventilbaugruppe. Dabei enthält die Ventilbaugruppe mindestens eine Membran, einen Ventilsitz, eine erste Leitung und eine zweite Leitung, und die Membran wird mindestens von den Druckkräften des Fluids in der ersten Leitung und des Fluids in der zweiten Leitung sowie über einen Stößel von der Summe der Kräfte einer Rückstellfeder und des Elektromagneten beaufschlagt.
Die Druckkraft des Fluids in der ersten Leitung und die Druckkraft des Fluids in der zweiten Leitung wirken auf die Membran die Ventilbaugruppe öffnend, während die Kraft der Rückstellfeder auf die Membran die Ventilbaugruppe schließend wirkt und die Kraft des Elektromagneten auf die Membran die Ventilbaugruppe öffnend wirkt.
Die Öffnungsdrücke für den Druck der ersten Leitung p₀₁ und den Druck der zweiten Leitung p₀₂ werden von der Kraft der Rückstellfeder und den jeweiligen Wirkflächen für die Drücke bestimmt. Wenn die Wirkflächen ähnlich groß sind, sind auch die Öffnungsdrücke ähnlich hoch.
Für die Betrachtung des Öffnungsdrucks für eine Leitung wird jeweils vorausgesetzt, dass der Druck in der anderen Leitung so gering ist, dass er keine erhebliche Wirkung hat.
Der öffnende Hub der Membran wird von einem Adapter begrenzt. Der Adapter beeinflusst die maximale Öffnung des Sitzventils. Vorzugsweise ist der Adapter in einem Joch des Elektromagneten aufgenommen und wird von dem Stößel durchdrungen, wobei der Adapter eine der Membran zugewandte Oberfläche und eine dem Elektromagneten zugewandte Basisfläche aufweist.
In einer ersten Ausführung ist die der Membran zugewandte Oberfläche plan ausgeführt.
In einer zweiten Ausführung ist die der Membran zugewandte Oberfläche konkav ausgeführt.
In einer dritten Ausführung ist die der Membran zugewandte Oberfläche konvex ausgeführt.
Abhängig von den Drücken in der ersten und der zweiten Leitungen und der Bestromung des Elektromagneten kann das elektrofluidische Sitzventil drei verschiedene Kennlinien für die Drücke und den Durchfluss Q durch die Ventilbaugruppe [(p₁, p₂) = f(Q)] aufweisen, nämlich

- eine sehr flache Kennlinie (p₁-p₂) = f(Q) wenn der Elektromagnet bestromt ist,
- eine steile Kennlinie p₁ = f(Q), wenn der Elektromagnet nicht bestromt ist und der Druck in der ersten Leitung einen vorgegebenen Grenzdruck p₀₁ überschreitet,
- und eine ebenfalls steile Kennlinie p₂ = f(Q), wenn der Elektromagnet nicht bestromt ist und der Druck in der zweiten Leitung einen vorgegebenen Grenzdruck p₀₂ überschreitet.

₁

₂

p₀₁

p₀₂

Zur Herstellung des erfindungsgemäßen elektrofluidischen Sitzventils wird entsprechend den geforderten Grenzdrücken p₀₁ und p₀₂ für die Drücke des Fluids in der ersten Leitung und in der zweiten Leitung aus einer Mehrzahl von zur Auswahl stehenden Adaptern ein geeigneter Adapter ausgewählt, wobei die Adapter sich mindestens in dem Abstand der Oberfläche, die der Membran zugewandt ist, von der Basisfläche unterscheiden.
In einem verbesserten Verfahren zur Herstellung unterscheiden sich die zur Auswahl stehenden Adapter auch durch die Form der Oberfläche, die plan, konkav oder konvex sein kann.
Dabei wird die Auswahl des Adapters entsprechend der geforderten Kennlinien (Q=f(p₁); Q=f(p₂)) für die von den Drücken p₁ und p₂ in der ersten Leitung oder in der zweiten Leitung bewirkten Fluiddurchflüsse der Ventilbaugruppe getroffen.
Die Form der Oberfläche des Adapters beeinflusst sowohl die Größe der Wirkflächen für die Drücke p₁ und p₂ als auch den hubabhängigen Verlauf des Öffnungsquerschnitts des Sitzventils.
Die Größe und die Form des Adapters wirken auch auf die Nachgiebigkeit der Membran und damit auf die kapazitive fluidische Wirkung der Membran und der Rückstellfeder auf die zweite Leitung, wobei die kapazitive Wirkung der eines kleinen Hydrospeichers entspricht.
Anwendung:
Sitzventile der beschriebenen Gattung werden zur Steuerung und Regelung von Durchflüssen und Drücken von Fluiden eingesetzt, vor allem von wasserhaltigen Fluiden.
Figurenliste

1 zeigt eine schematische Darstellung des Sitzventils mit seinen Wirkungselementen.
2 zeigt eine Schnittdarstellung des Sitzventils im bestromten Zustand des Elektromagneten.
3 zeigt ein Diagramm der Drücke als Funktionen der Durchflüsse für drei verschiedene Betriebsarten.

Beispielhafte Beschreibung:
Das elektrofluidische Sitzventil (1) entsprechend der schematischen Darstellung 1 wirkt als eine von einem Elektromagneten (2) betätigte Ventilbaugruppe (3), als ein erstes Druckbegrenzungsventil (15) für den Druck in der ersten Leitung (6) und als ein zweites Druckbegrenzungsventil (16) für den Druck in der zweiten Leitung (7). Die gemeinsame Rückstellfeder (9) wirkt auf alle drei Ventilfunktionen (3, 15, 16).
Zusammen mit der Wirkfläche für den Druck der zweiten Leitung (7) wirkt die Rückstellfeder (9) mindestens für die zweite Leitung (7) wie eine vorbestimmte zusätzliche fluidische Kapazität, die einem zusätzlichen kleinen Hydrospeicher (14) entspricht.
Entsprechend dem Bild 2 enthält das erfindungsgemäße Sitzventil einen Elektromagneten (2) und eine Ventilbaugruppe (3), wobei die Ventilbaugruppe (3) mindestens eine Membran (4), einen Ventilsitz (5), eine erste Leitung (6) und eine zweite Leitung (7) enthält, und wobei die Membran (4) mindestens von den Druckkräften des Fluids in der ersten Leitung (6) und des Fluids in der zweiten Leitung (7) sowie über einen Stößel (8) von der Summe der Kräfte einer Rückstellfeder (9) und des Elektromagneten (2) beaufschlagt wird.
Die Druckkraft des Fluids in der ersten Leitung (6) und die Druckkraft des Fluids in der zweiten Leitung (7) wirken auf die Membran (4) die Ventilbaugruppe (3) öffnend, während die Kraft der Rückstellfeder (9) auf die Membran (4) die Ventilbaugruppe (3) schließend wirkt und die Kraft des Elektromagneten (2) auf die Membran (4) die Ventilbaugruppe (3) öffnend wirkt.
Dabei wird der öffnende Hub der Membran (4) von einem Adapter (10) begrenzt.
Vorzugsweise ist der Adapter (10) in einem Joch (13) des Elektromagneten (2) aufgenommen und wird von dem Stößel (8) durchdrungen.
Der Adapter (10) weist eine der Membran zugewandte Oberfläche (11) und eine dem Elektromagneten (2) zugewandte Basisfläche (12) auf.
Der Abstand zwischen der Oberfläche (11) und der Basisfläche (12) ist bei unterschiedlichen zur Auswahl stehenden Adaptern (10) entsprechend den Anforderungen an das Sitzventil (1) unterschiedlich groß ausgeführt.
Die der Membran (4) zugewandte Oberfläche (11) des Adapters (10) ist entsprechend den Anforderungen an das Sitzventil (1) plan, konvex oder konkav ausgeführt.
Das Diagramm 3 stellt die Drücke p₁ und p₂ als Funktion des Durchflusses von der ersten Leitung (6) in die zweite Leitung (7) für drei verschiedene Betriebsarten des Sitzventils (1) dar.
In der ersten Betriebsart wirkt das Sitzventil (1) als Druckbegrenzungsventil für die erste Leitung (6); dabei ergibt sich eine recht steile Kennlinie p = f(Q), weil zunächst die Federsteifigkeit der Rückstellfeder (9) und dann der Adapter (10) den Hub der Membran (4) und damit die Öffnung der Ventilbaugruppe (3) begrenzen. Die Vorspannung der Rückstellfeder (9) und die Wirkfläche der ersten Leitung (6) auf die Membran (4) bestimmen den Grenzdruck p₀₁ , bei dem das Sitzventil (1) zu öffnen beginnt.
In der zweiten Betriebsart wirkt das Sitzventil (1) als Druckbegrenzungsventil für die zweite Leitung (7); dabei ergibt sich wieder eine recht steile Kennlinie p = f(Q), weil zunächst die Federsteifigkeit der Rückstellfeder (9) und dann der Adapter (10) den Hub der Membran (4) und damit die Öffnung der Ventilbaugruppe (3) begrenzen.
Die Vorspannung der Rückstellfeder (9) und die Wirkfläche der zweiten Leitung (6) auf die Membran (4) bestimmen den Grenzdruck p₀₂ , bei dem das Sitzventil (1) zu öffnen beginnt.
In der dritten Betriebsart wird der Elektromagnet (2) bestromt und deshalb die Rückstellfeder (9) zusammengedrückt. Dadurch wird unabhängig von den Drücken p₁ und p₂ das Sitzventil (1) vollständig geöffnet, wie es in 2 gezeigt wird. Wegen der vollständigen Öffnung des Sitzventils (1) ergeben sich vergleichsweise kleine Druckdifferenzen, die aber von der Länge des Adapters (10) und der Form der Oberfläche (11) abhängig sind.
Bezugszeichenliste

1.: Elektrofluidisches Sitzventil
2.: Elektromagnet
3.: Ventilbaugruppe
4.: Membran
5.: Ventilsitz
6.: Leitung
7.: Leitung
8.: Stößel
9.: Rückstellfeder
10.: Adapter
11.: Oberfläche
12.: Basisfläche
13.: Joch
14.: Hydrospeicher
15.: Druckbegrenzungsventil
16.: Druckbegrenzungsventil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102013012818 A1 [0002]

Claims

Elektrofluidisches Sitzventil (1), mindestens einen Elektromagneten (2) und eine Ventilbaugruppe (3) enthaltend, wobei die Ventilbaugruppe (3) mindestens eine Membran (4), einen Ventilsitz (5), eine erste Leitung (6) und eine zweite Leitung (7) enthält, wobei die Membran (3) mindestens von den Druckkräften des Fluids in der ersten Leitung (6) und des Fluids in der zweiten Leitung (7) sowie über einen Stößel (8) von der Summe der Kräfte einer Rückstellfeder (9) und des Elektromagneten (2) beaufschlagt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkraft des Fluids in der ersten Leitung (6) und die Druckkraft des Fluids in der zweiten Leitung (7) auf die Membran (4) die Ventilbaugruppe (3) öffnend wirken, während die Kraft der Rückstellfeder (9) auf die Membran (4) die Ventilbaugruppe (3) schließend wirkt und die Kraft des Elektromagneten (2) auf die Membran (4) die Ventilbaugruppe (3) öffnend wirkt, wobei der öffnende Hub der Membran (4) von einem Adapter (10) begrenzt wird.
Elektrofluidisches Sitzventil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Adapter (10) in einem Joch (13) des Elektromagneten (2) aufgenommen ist und von dem Stößel (8) durchdrungen wird, wobei der Adapter (10) eine der Membran zugewandte Oberfläche (11) und eine dem Elektromagneten (2) zugewandte Basisfläche (12) aufweist.
Elektrofluidisches Sitzventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die der Membran (4) zugewandte Oberfläche (11) des Adapters (10) plan ausgeführt ist.
Elektrofluidisches Sitzventil (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die der Membran (4) zugewandte Oberfläche (11) des Adapters (10) konkav ausgeführt ist.
Elektrofluidisches Sitzventil (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die der Membran (4) zugewandte Oberfläche (11) des Adapters (10) konvex ausgeführt ist.
Elektrofluidisches Sitzventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es abhängig von den Drücken in den Leitungen (6, 7) und der Bestromung des Elektromagneten (2) drei verschiedene Kennlinien für die Drücke p₁, p₂ und den Durchfluss Q durch die Ventilbaugruppe (3) [(p₁, p₂) = f(Q)] aufweisen kann, nämlich - eine sehr flache Kennlinie (p₁-p₂) = f(Q) wenn der Elektromagnet bestromt ist, - eine steile Kennlinie p₁ = f(Q), wenn der Elektromagnet nicht bestromt ist und der Druck p₁ in der ersten Leitung (6) einen vorgegebenen Grenzdruck p₀₁ überschreitet, - und eine ebenfalls steile Kennlinie p₂ = f(Q), wenn der Elektromagnet nicht bestromt ist und der Druck p₂ in der zweiten Leitung (7) einen vorgegebenen Grenzdruck p₀₂ überschreitet.
Elektrofluidisches Sitzventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (4), die Rückstellfeder (9), der Stößel (8) und der Adapter (10) mindestens für die zweite Leitung (7) wie eine vorbestimmte zusätzliche fluidische Kapazität wirken, die mindestens durch die Form des Adapters (10) beeinflussbar ist.
Verfahren zur Herstellung eines elektrofluidischen Sitzventils (1), das mindestens einen Elektromagneten (2) und eine Ventilbaugruppe (3) enthält, wobei die Ventilbaugruppe (3) mindestens eine Membran (4), einen Ventilsitz (5), eine erste Leitung (6) und eine zweite Leitung (7) enthält, wobei die Membran (3) mindestens von den Druckkräften des Fluids in der ersten Leitung (6) und des Fluids in der zweiten Leitung (7) sowie über einen Stößel (8) von der Summe der Kräfte einer Rückstellfeder (9) und des Elektromagneten (2) beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der die Ventilbaugruppe (3) öffnende Hub der Membran (4) von einem Adapter (10) begrenzt wird, der entsprechend den geforderten Grenzdrücken p₀₁ und p₀₂ für die Drücke des Fluids in der ersten Leitung (6) und in der zweiten Leitung (7) aus einer Mehrzahl von zur Auswahl stehenden Adaptern (10) ausgewählt ist, wobei diese sich mindestens in dem Abstand der Oberfläche (11), die der Membran (4) zugewandt ist, von der Basisfläche (12) unterscheiden.
Verfahren zur Herstellung eines elektrofluidischen Sitzventils (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Auswahl stehenden Adapter (10) sich auch durch die Form der Oberfläche (11), die plan, konkav oder konvex sein kann, unterscheiden, wobei die Auswahl des Adapters entsprechend der geforderten Kennlinien (Q=f(p₁); Q=f(p₂)) für die von den Drücken p₁ in der ersten Leitung (6) und p₂ in der zweiten Leitung (7) bewirkten Fluiddurchflüsse der Ventilbaugruppe (3) getroffen wird.