-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines elektrofluidischen Sitzventils entsprechend dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs.
-
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.
-
Die
DE 10 2011 016 819 A1 offenbart ein schaltbares Druckbegrenzungsventil mit einem Elektromagneten und einer Vorrichtung zum Öffnen und Verschließen eines Durchlasses für einen Fluidstrom. Das Öffnen des Ventils wird durch die Kraftbilanz am Stößel bestimmt, auf den die Druckkraft des Fluids am Anschluß P, die Druckkraft des Fluids am Anschluss T und die Kraft zweier Federn einwirken. Die Kraft der ersten Feder wird durch die Lage des Ankers des Elektromagneten verändert. Wenn die Druckkraft am Anschluß P die Summe der anderen Kräfte überwiegt, öffnet das Ventil. Die oben genannte Vorrichtung zum Öffnen und Verschließen besteht aus einer Membran und einem Dichtsitz und diese Membran ist zwischen dem Magnetpol und dem Gehäuse dichtend eingespannt.
-
Die
DE 10 2013 012 818 A1 offenbart ein durch einen Elektromagneten schaltbares Druckbegrenzungsventil mit einem Gehäuse, einem Elektromagneten, einer Vorrichtung zum Öffnen und Verschließen eines Durchlasses für einen Fluidstrom zwischen einem P-Anschluss und einem T-Anschluss, einem Stößel, einer schließenden Feder und optional einer öffnenden Feder, wobei das Öffnen des Ventils durch die Kraftbilanz am Stößel bestimmt ist, und wobei auf den Stößel die Druckkraft des Fluids am P-Anschluß, die Druckkraft des Fluids am T-Anschluss, optional die Kraft der öffnenden Feder und die Kraft der schließenden Feder einwirken, und wobei die Kraft der schließenden Feder durch die Lage des Ankers des Elektromagneten verändert wird, und wobei das Ventil öffnet, wenn die Druckkraft am P-Anschluß die Bilanz der anderen Kräfte überwiegt, wobei die Vorrichtung aus einer Membran oder einem Dichtkörper und einem Dichtsitz besteht, und wobei der Anker des Elektromagneten nicht direkt oder indirekt auf die Membran aufschlägt, sondern im eingeschalteten Zustand des Magneten die Feder weiter spannt, die ihrerseits mittels des Stößels die Membran gegen den Dichtsitz drückt, und wobei die Membran zwischen dem Gehäuse einerseits und dem Magnetpol oder einer daran abgestützen Distanzscheibe andererseits abdichtend eingespannt ist.
-
Die
US 5 265 843 A ein Elektromagnetisch betätigbares Ventil, bestehend aus einer Betätigungsvorrichtung, einem beweglichen Kolben und einer durch den Kolben verschließbaren Ventilkammer mit einer Öffnung für das durchströmende Medium, welche durch den Kolben verschließbar ist. Um eine sichere Funktion des Ventils mit kleinen Schließkräften zu gewährleisten, ist vorgesehen, daß die Ventilkammer gegen die Betätigungsvorrichtung und den beweglichen Kolben durch eine flexible Membran völlig abgedichtet ist, wobei die Membran an ihrem Umfang gehäusefest eingespannt ist und vom beweglichen Kolben gegen den Rand der Öffnung drückbar ist.
-
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 Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines elektrofluidischen Sitzventils nach Anspruch 1 gelöst. Eine weitere Ausbildung des Verfahrens ist im Anspruch 2 abgebildet.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines elektrofluidischen Sitzventils 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.
-
Eine flache Kennlinie liegt vor, wenn der Absolutwert der Druckdifferenz p1-p2 kleiner als die Grenzwerte p01 und p02 bleibt, und eine steile Kennlinie liegt vor, wenn die Drücke im Wertebereich des Durchflusses Q über den doppelten Betrag der Grenzdrücke steigen. Die Steilheit der Kennlinie wird von der Federsteifigkeit der Rückstellfeder, den Wirkflächen der Drücke und dem Öffnungsquerschnitt des Ventils als Funktion des Membranhubs bestimmt.
-
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.
-
Bilder:
-
- 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
