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Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisches Proportionalventil gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Durchflussregeleinheit mit einem elektromagnetischen Proportionalventil.
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Bei einem elektromagnetischen Proportionalventil gibt das Ventil einen einstellbaren Durchflussquerschnitt frei, der direkt von der Stromstärke abhängig ist, die der Magnetspule des Proportionalventils zugeführt wird. Dabei hebt sich bei höheren Stromstärken ein Anker des Proportionalventils proportional zum zugeführten Strom weiter von einem Ventilsitz ab.
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In der gattungsgemäßen
DE 10 2016 003 367 A1 ist ein elektromagnetisches Proportionalventil gezeigt, bei dem ein Fluideingang, ein Ventilsitz und ein Fluidausgang auf einer gemeinsamen Mittelachse des Ventils liegen.
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Die US 2004 / 0 113 113 A1 zeigt ein elektromagnetisches Ventil mit einem beweglichen Anker, in dem eine Druckausgleichskammer ausgebildet ist, die durch eine Membran begrenzt ist, und die durch einen Druckausgleichskanal mit dem Fluideingang des Ventils verbunden ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein insbesondere auch bei höheren Eingangsdrücken und hohen Volumenströmen präzise arbeitendes Proportionalventil und eine Durchflussregeleinheit bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird mit einem elektromagnetischen Proportionalventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie mit einer Durchflussregeleinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Es ist ein feststehendes, mit dem Kern verbundenes Stützbauteil mit einer Auflagefläche vorgesehen, an der eine Abstützfläche der Membran an deren dem Kern zugewandten Seite anliegt, wobei die Abstützfläche im Zentrum der Membran vorgesehen ist.
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Erfindungsgemäß ist das Proportionalventil also als Koaxialventil ausgebildet, was den Vorteil eines geringen Durchflusswiderstands bietet, da nur eine relativ geringe Strömungsumleitung des Fluids im Inneren des Proportionalventils notwendig ist.
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Insbesondere liegen Fluideingang und Fluidausgang an entgegengesetzten Enden des Gehäuses.
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Die Ausführung als druckentlastetes Ventil reduziert die notwendigen Stellkräfte.
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Vorzugsweise steht das Medium am Fluideingang an, der direkt mit dem Ventilsitz verbunden ist. Die Anströmung erfolgt also „unter Sitz“, sodass das anstehende Medium eine Kraft auf den Anker ausübt.
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Insbesondere eignet sich ein derartiges elektromagnetisches Proportionalventil für trockene Gase.
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Das Proportionalventil ist bevorzugt normal geschlossen ausgebildet, d.h. bei Bestromen der Magnetspule wird der Anker vom Ventilsitz abgehoben. Endet die Bestromung, so wird der Anker durch die wirkenden Rückstellkräfte wieder gegen den Ventilsitz gedrückt.
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Durch Bestromen der Magnetspule wird der Anker in Richtung zum Kern angezogen und somit entlang einer Hubrichtung bewegt, die normalerweise mit einer Längsrichtung des Kerns und vorzugsweise mit der Richtung der Mittelachse zusammenfällt. An dem vom Kern abgewandten Ende des Ankers ist in der Regel eine Dichtung vorgesehen, die bei geschlossenem Ventil auf dem Ventilsitz aufliegt und eine Fluidströmung vom Fluideingang zum Fluidausgang unterbindet.
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Da sich der am Fluideingang anstehende Druck in die Druckausgleichskammer fortpflanzt, reduziert sich die auf den Anker wirkende Kraft, die zur Bewegung des Ankers überwunden werden muss. Hierzu ist es günstig, wenn der Druckausgleichskanal ständig offen ist, also ständig der am Fluideingang anstehende Fluiddruck auch in der Druckausgleichskammer wirkt.
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Aufgrund ihrer Integration in den Anker kann die Druckausgleichskammer mit wenig Aufwand platzsparend fluidisch mit dem Fluideingang verbunden werden.
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Vorzugsweise ist das Gehäuse magnetisch leitfähig ausgebildet und bildet gleichzeitig einen Teil des Magnetkreises.
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Um die koaxiale Fluidführung zu realisieren, ist vorzugsweise im Kern ein Fluiddurchgang ausgebildet, der mit dem Fluidausgang in ständiger Strömungsverbindung steht. Der Fluiddurchgang im Kern kann direkt in den Fluidausgang übergehen. Vorzugsweise ist der Fluiddurchlass entlang der Längsachse des Kerns angeordnet.
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Als Teil einer Strömungsverbindung vom Ventilsitz zum Fluiddurchgang sind beispielsweise mehrere radiale Durchgangsöffnungen im Kern vorgesehen.
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Stromaufwärts des Kerns kann im Strömungsverlauf vom Ventilsitz zum Fluidausgang wenigstens eine Durchgangsöffnung im Anker vorgesehen sein, die in ständiger Strömungsverbindung mit dem Fluidausgang steht. Mittels dieser Durchgangsöffnung(en) kann das Fluid durch den Anker geleitet werden. Vorzugsweise sind mehrere Durchgangsöffnungen an einem radial außen liegenden Rand des Ankers vorgesehen.
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Der Strömungsverlauf zwischen Ventilsitz und Fluidausgang umfasst vorzugsweise auch einen Fluidraum, in dem der Anker angeordnet ist, und der in ständiger Strömungsverbindung mit dem Fluidausgang steht, insbesondere auch über die Durchgangsöffnungen im Anker.
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Die Durchgangsöffnung(en) im Anker, die radialen Durchgangsöffnungen im Kern sowie der Fluiddurchgang im Kern sollten jeweils einen so großen Strömungsquerschnitt aufweisen, dass sie dem Fluid, das durch das Proportionalventil strömt, keinen relevanten Strömungswiderstand entgegensetzen.
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Der Fluidraum erstreckt sich beispielsweise bis zum Ventilsitz. Vorzugsweise ist jedoch zur axialen Unterteilung des Fluidraums noch eine plattenförmige Strömungsführung vorgesehen, die mehrere axiale Durchlässe aufweist. Die Strömungsführung bewirkt eine Umlenkung des entlang der Mittelachse aus dem Ventilsitz austretenden Fluids, indem sie einen radialen Versatz im Strömungsverlauf verursacht und das durch die Strömungsführung hindurchtretende Fluid radial auswärts z.B. zu den Durchgangsöffnungen im Anker leitet.
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Die Fluidanschlüsse am Fluideingang und am Fluidausgang können auf beliebige Weise ausgebildet sein, um sie mit einem Fluidsystem bzw. geeigneten Zu- und Ableitungen verbinden zu können. Aufgrund der koaxialen Bauweise sind die Fluidanschlüsse sehr variabel gestaltbar. Beispielsweise können die Fluidanschlüsse als Flansche oder auch als Muffenanschlüsse ausgebildet sein.
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Vorzugsweise ist ein Durchmesser des Gehäuses quer zur Mittelachse nicht mehr als 10 % bis 100 % größer als ein Durchmesser eines Fluidanschlusses des Proportionalventils oder einer Fluidleitung, in die das Proportionalventil eingesetzt ist. Auf diese Weise nimmt das Proportionalventil in Radialrichtung kaum mehr Bauraum ein als das Rohr oder die Schlauchleitung, in der es verbaut ist. Mit diesen Abmessungen lässt sich das erfindungsgemäße Proportionalventil für viele unterschiedlichen Einsatzzwecke verwenden.
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Um die Fertigung zu vereinfachen, kann das Gehäuse des Proportionalventils topfförmig sein, wobei ein Fluideinlassbauteil, in dem der Fluideingang ausgebildet ist, in ein offenes, rohrförmiges Ende des Gehäuses eingesetzt ist.
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Die Strömungsführung kann Teil des Fluideinlassbauteils sein.
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Die Membran lässt sich auch verwenden, um die Kraft, die aufgrund des Fluiddrucks auf den Anker wirkt, in das Ventilgehäuse abzuleiten.
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Die Abstützfläche ist an einem freien Ende des Stützbauteils angeordnet. Der Kern und das Stützbauteil können ein einstückiges Bauteil bilden, das eine umfangsmäßig umlaufende Einschnürung axial vor der Auflagefläche aufweist, die magnetische Streuflüsse reduziert.
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Vorzugsweise liegt die Abstützfläche der Membran sowohl im geöffneten als auch im geschlossenen Zustand des Ventils an der Auflagefläche an.
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Die Auflagefläche, insbesondere deren Flächennormale, weist vorteilhaft in Axialrichtung des Kerns bzw. des Gehäuses, die mit der Hubrichtung des Ankers und der Mittelachse zusammenfällt, die gleiche Fläche auf, wie die vom Ventilsitz umschlossene Fläche, sodass die über den Fluiddruck auf den Anker wirkende Kraft nach Möglichkeit vollständig kompensiert werden kann, um den Anker zu entlasten.
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Der Umfangsrand der Membran kann am Anker fest und fluiddicht fixiert sein. Die Abstützfläche ist vorteilhaft von dieser Umfangsfixierung der Membran beabstandet.
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Die vom Ventilsitz umschlossene Fläche bestimmt zusammen mit dem Druck des am Fluideingang anstehenden Fluids die auf den Anker wirkende Kraft. Die Abstützfläche der Membran und auch die Auflagefläche am Stützbauteil sind in ihren Abmessungen vorzugsweise so gewählt, dass sie im Wesentlichen dieselbe Größe wie die vom Ventilsitz umschlossene Fläche aufweisen oder geringfügig kleiner sind. Hierdurch lassen sich die durch den Fluiddruck am Fluideingang und innerhalb der Druckausgleichskammer auf den Anker wirkenden Kräfte insbesondere im geschlossenen Zustand des Proportionalventils nahezu vollständig kompensieren.
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Das Stützbauteil kann mit dem Kern verbunden, sein um eine platzsparende Anordnung zu erreichen. Auf diese Weise ergibt sich auch auf einfache Weise eine Anordnung der Auflagefläche im Zentrum der Membran.
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Im Gegensatz zum Kern sollte allerdings das Stützbauteil aus einem nichtmagnetischen Material ausgebildet sein, um einen ungewollten magnetischen Streufluss zwischen dem Stützbauteil und dem Anker zu verhindern.
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Die Membran kann eine ringförmige, zum Kern weisende Vorwölbung aufweisen, die die Abstützfläche umgibt. Vorzugsweise ist die Vorwölbung in Form eines geschlossenen Rings ausgebildet, der erhaben von der Fläche der Membran absteht. Mit Ausnahme der Vorwölbung kann die Membran im Wesentlichen flach sein.
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Mittels der Vorwölbung lässt sich der Membranhub vergrößern und die Änderungen der Wirkflächen über den Hub minimieren.
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Eine weitere Verbindung, insbesondere eine feste Fixierung der Membran am Stützbauteil ist nicht notwendig.
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Außerdem lässt sich über die Geometrie der Vorwölbung die Krafteinwirkung auf die Membran beim Öffnen und Schließen des Ventils, also bei der Bewegung des Ankers, reduzieren.
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Hierzu ist beispielsweise eine Neigung eines äußeren Umfangsrandes der Vorwölbung im Wesentlichen gleich einer Neigung einer diesem Umfangsrand gegenüberliegenden Anlagefläche am Anker gewählt. Alternativ oder zusätzlich lässt sich eine Neigung eines inneren Umfangsrands der Vorwölbung im Wesentlichen gleich einer Neigung einer diesem Umfangsrand gegenüberliegenden Anlagefläche am feststehenden Stützbauteil wählen. Die Anlagefläche am Stützbauteil umgibt dabei die Auflagefläche. Bei der Betätigung des Proportionalventils rollt dann die Membran während der Bewegung des Ankers entlang der Anlagefläche am Anker bzw. der Anlagefläche am feststehenden Stützbauteil ab, was den Verschleiß der Membran reduziert. Das Zentrum der Membran mit der Abstützfläche liegt vorzugsweise in keiner Stellung des Proportionalventils am Anker an.
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Der Winkel, den die Anlageflächen und dementsprechend die Umfangsränder der Vorwölbung mit der Längsrichtung des Kerns einschließen, kann zwischen 5° und 85° und bevorzugt zwischen 15° und 25° liegen.
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Der Anker setzt sich bevorzugt aus einem Oberteil und einem Unterteil zusammen. Die Membran ist vorzugsweise zwischen dem Oberteil und dem Unterteil des Ankers geklemmt. Die oben beschriebene axiale Durchgangsöffnung im Anker kann am Oberteil vorgesehen sein, wobei dann die Durchgangsöffnung radial außerhalb der Membran liegt. Die Durchgangsöffnung steht nicht in Strömungsverbindung mit der Druckausgleichskammer.
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Normalerweise ist der Anker durch einen Luftspalt vom Kern der Magnetspule beab¬standet. Vorzugsweise ist der Luftspalt im Axialschnitt keilförmig, wobei sich die Breite des Luftspalts in Richtung zur Kernlängsachse bei der Betätigung des Proportionalventils verändert. Dies ermöglicht die Verwirklichung einer proportionalen Kennlinie des Ventils. Vorzugsweise verringert sich die Breite des Luftspalts, wenn der Anker zum Kern hingezogen wird, insbesondere beim Öffnen des Ventils.
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Auch zwischen einer radialen Außenseite des Ankers und einer Innenseite des Gehäuses des Proportionalventils ist normalerweise ein Luftspalt vorgesehen, der vorzugsweise im Radialschnitt zylindrisch ist. Dieser Luftspalt liegt insbesondere im Fluidraum. Die axialen Durchgangsöffnungen im Anker können sich parallel zum Luftspalt erstrecken.
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Zur Lagerung ist der Anker vorzugsweise mittels zweier axial voneinander beabstandeter Lagerfedern axial verschieblich im Gehäuse gehalten.
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Die Lagerfedern lassen eine Bewegung des Ankers zum Kern hin bei Bestromung der Magnetspule aufgrund ihrer Flexibilität zu. Dabei sind die Lagerfedern in Axialrichtung fest positioniert, insbesondere an ihrem Umfangsrand.
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Diese Art der Lagerung erleichtert es, den Anker präzise zu bewegen. Der Anker lässt sich daher mit einer hohen Auflösung bewegen. Auf diese Weise können auf kleinem Bauraum vergleichsweise hohe Mediendrücke und Durchflüsse präzise mit geringer Leistungsaufnahme gestellt werden.
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Auch der sogenannte Stick-Slip-Effekt wird vermieden, da während der Stellbewegung kein Wechsel zwischen Haft- und Gleitreibung des Ankers auftritt.
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Wenigstens eine der Lagerfedern kann durch wenigstens eine Formfeder gebildet sein, die in Axialrichtung flexibel und in Radialrichtung im Wesentlichen steif ausgelegt ist. Insbesondere sind mehrere übereinandergelegte Formfedern vorgesehen, die zusammen eine der Lagerfedern bilden.
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Derartige Formfedern erlauben eine besonders präzise Führung und somit ein besonders präzises Stellverhalten des Ankers.
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Vorzugsweise dient zumindest eine der Lagerfedern gleichzeitig als Rückstellelement für den Anker, der diesen nach Ende der Bestromung in seine Ausgangsstellung, also vorzugsweise die geschlossene Stellung, zurückbewegt.
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Ein möglicher Einsatzzweck eines oben beschriebenen elektromagnetischen Proportionalventils ist in einer Durchflussregeleinheit, wobei das Proportionalventil entlang einer Fluiddurchflussrichtung der Durchflussregeleinheit in einem Fluidblock der Durchflussregeleinheit angeordnet ist. Hierbei ist von Vorteil, dass das elektromagnetische Proportionalventil als Koaxialventil nur einen geringen Bauraum beansprucht, der im Wesentlichen entlang der Fluiddurchflussrichtung und somit zwischen einem Fluideinlass und einem Fluidauslass der Durchflussregeleinheit zur Verfügung gestellt werden muss. Somit lässt sich das Proportionalventil gut in den Fluidblock einpassen.
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Bei der Durchflussregeleinheit kann es sich beispielsweise um einen Massendurchflussregler (MFC) handeln.
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Ein oben beschriebenes Proportionalventil ist gut für einen Einsatz in einem geregelten System geeignet, da es aufgrund der möglichen präzisen Stellbewegung schnell und genau auf Sollwertabweichungen in einem Regelkreis reagieren kann.
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Selbstverständlich ist das erfindungsgemäße elektromagnetische Proportionalventil auch allgemein in anderen Fluidsystemen einsetzbar.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
- - 1 ein erfindungsgemäßes elektromagnetisches Proportionalventil in einem geschlossenen Zustand;
- - 2 das erfindungsgemäße Proportionalventil aus 1 in einem offenen Zustand;
- - 3 eine schematische perspektivische teilgeschnittene Darstellung eines Ankers des Proportionalventils aus den 1 und 2 sowie der Lagerung des Ankers;
- - 4 eine schematische perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Proportionalventils mit Muffenanschlüssen;
- - 5 eine schematische Schnittansicht des Proportionalventils aus 4; und
- - 6 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Durchflussregeleinheit mit einem erfindungsgemäßen elektro-magnetischen Proportionalventil.
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Die 1 und 2 zeigen ein elektromagnetisches Proportionalventil 10 mit einem Gehäuse 12, das eine Mittelachse M definiert, die auch eine Längsachse des Proportionalventils 10 darstellt.
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1 zeigt das Proportionalventil 10 in einem geschlossenen Zustand, während 2 das Proportionalventil 10 in einem geöffneten Zustand darstellt.
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Im Gehäuse 12 ist ein elektromagnetischer Antrieb 14 aufgenommen, der eine Magnetspule 16 mit einem (nicht gezeigten) elektrischen Anschluss umfasst, die einen feststehenden, magnetisch leitfähigen Kern 18 umgibt. Die Längsachse des Kerns 18 verläuft hier entlang der Mittelachse M.
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Unterhalb des Kerns 18 ist ein entlang der Mittelachse M axial beweglich gelagerter Anker 20 angeordnet, der ebenfalls Teil des elektromagnetischen Antriebs 14 ist.
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Das Gehäuse 12 ist hier magnetisch leitfähig ausgebildet, sodass es gleichzeitig als Rückschluss für den magnetischen Kreis des elektromagnetischen Antriebs 14 dient.
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An seiner vom Kern 18 abgewandten Seite ist der Anker 20 mit einer Dichtung 22 versehen, die mit einem Ventilsitz 24 an einem Fluideingang 26 zusammenwirkt, wobei der Anker 20 so weit zum Ventilsitz 24 verschoben ist, dass die Dichtung 22 dichtend auf dem Ventilsitz 24 aufliegt, wenn das Proportionalventil 10 geschlossen ist.
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In diesem Beispiel ist das Proportionalventil 10 als normal geschlossenes Ventil ausgebildet, d.h., solange die Magnetspule 16 nicht bestromt ist, befindet sich der Anker 20 in seiner vom Kern 18 entfernten Position, und das Proportionalventil 10 ist geschlossen. Zum Öffnen wird die Magnetspule 16 bestromt und der Anker 20 in Richtung zum Kern 18 gezogen, wodurch der Anker 20 vom Ventilsitz 24 abgehoben und das Proportionalventil 10 geöffnet wird.
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Das Proportionalventil 10 ist als Koaxialventil ausgelegt, was bedeutet, dass der Fluideingang 26, der Ventilsitz 24 und ein Fluidausgang 28 hintereinander auf einer Geraden liegen, die hier mit der Mittelachse M zusammenfällt. Die durch den Ventilsitz 24 gebildete Ebene E liegt dabei senkrecht zur Mittelachse M.
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Das Proportionalventil 10 ist für trockene Gase ausgelegt, es wäre aber auch denkbar, es für Anwendungen mit anderen Fluiden auszulegen.
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Im Kern 18 ist ein Fluiddurchgang 30 ausgebildet, der hier entlang der Mittelachse M verläuft und der an dem in 1 oberen Ende des Gehäuses 12 in den Fluidausgang 28 übergeht und mit diesem in ständiger Strömungsverbindung steht.
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Am ventilsitznahen Ende des Kerns 18 sind mehrere radiale Durchgangsöffnungen 32 vorgesehen, über die der Fluiddurchgang 30 im Kern 18 in ständiger Strömungsverbindung mit einem Fluidraum 34 steht, in dem der Anker 20 angeordnet ist.
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Der Anker 20 weist mehrere um seinen Umfang verteilte axiale Durchgangsöffnungen 36 auf, die in ständiger Strömungsverbindung mit dem Fluidraum 34 stehen.
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Der Anker 20 ist vom Kern 18 durch einen Luftspalt 38 getrennt, wobei der Luftspalt 38 im Axialschnitt keilförmig ausgeführt und so geformt ist, dass sich die Breite des Luftspalts 38 zwischen Anker 20 und Kern 18 verringert, wenn der Anker 20 sich in Richtung zum Kern 18 bewegt.
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Ein zweiter Luftspalt 40 ist zwischen einem Außenumfang des Ankers 20 und einer Innenwand des Gehäuses 12 gebildet. Dieser Luftspalt 40 ist hier zylindrisch und ändert seine Breite im Wesentlichen nicht, wenn sich der Anker 20 axial verschiebt.
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Die axialen Durchgangsöffnungen 36 im Anker sind hier parallel zum Luftspalt 40 ausgerichtet und sorgen dafür, dass das Fluid innerhalb des Fluidraums 34 den Anker 20 ohne größeren Strömungswiderstand passieren kann, da der Luftspalt 40 zu schmal für einen nennenswerten Fluidtransport ausgeführt ist.
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Das Gehäuse 12 ist in diesem Beispiel topfförmig ausgebildet, mit einer zylindrischen, am fluideingangsseitigen Ende offenen Wand. Am fluideingangsseitigen Ende ist ein Fluideinlassbauteil 42 abgedichtet eingesetzt, in dem ein mittiger, stutzenförmiger Fortsatz 43 den Fluideingang 26 bildet. An einer dem Anker 20 zugewandten Oberseite des Fortsatzes 43 ist der Ventilsitz 24 ausgebildet.
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Zum Fluidraum 34 hin ist das Fluideinlassbauteil 42 hier durch eine Strömungsführung 45 begrenzt, die mehrere Durchlässe 47 aufweist. Die Strömungsführung 45 leitet die im Wesentlichen axial gerichtete Strömung am Ventilsitz 24 durch einen radialen Versatz um in den Fluidraum 34, was einen nur moderat gekrümmten Strömungsverlauf mit einem relativ geringen Durchflusswiderstand erzeugt. Die Durchlässe 47 liegen im Idealfall im gleichen radialen Abstand zur Mittelachse M wie die axialen Durchgangsöffnungen 36 im Anker 20.
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Wenn das Proportionalventil 10 in einem offenen Zustand ist (siehe 2), ist der Anker 20 vom Ventilsitz 24 abgehoben, sodass eine Strömungsverbindung vom Fluideingang 26 zum Fluidausgang 28 besteht.
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Die Distanz zwischen der Unterseite des Ankers 20, also der Dichtung 22, und dem Ventilsitz 24 ist dabei proportional zur Stromstärke, mit der die Magnetspule 16 bestromt wird. Mit höherer Stromstärke hebt sich der Anker 20 weiter vom Ventilsitz 24 ab, sodass eine entsprechend größere Fluidmenge den Ventilsitz 24 passieren kann. Auf diese Weise ist die durch das Proportionalventil 10 geförderte Fluidmenge direkt abhängig von der Stromstärke, mit der der Ventilantrieb 14 bestromt wird.
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Nach Passieren des Ventilsitzes 24 strömt das Fluid durch die Durchlässe 47 in der Strömungsführung 45 in den den Anker 20 umgebenden Fluidraum 34. Von dort gelangt das Fluid durch die axialen Durchgangsöffnungen 36 im Anker 20 und durch die radialen Durchgangsöffnungen 32 in den Fluiddurchgang 30 im Kern 18 und von dort durch den Fluidausgang 28 aus dem Proportionalventil 10 hinaus. Dabei treten nur geringe Strömungswiderstände auf, da keine scharfen Umlenkungen um mehr als 90° im Strömungsverlauf vorgesehen sind.
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Sowohl der Fluideingang 26 als auch der Fluidausgang 28 sind entlang der Mittelachse M ausgerichtet, sodass das Fluid das Proportionalventil 10 in derselben Strömungsrichtung verlässt, in der es in dieses einströmt.
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Der Fluidausgang 28 ist in diesem Beispiel bündig mit einer den Fluideingang 26 entgegengesetzten Oberseite des Gehäuses 12.
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Innerhalb des Ankers 20 ist eine Druckausgleichskammer 44 ausgebildet, die über einen Druckausgleichskanal 46 in ständiger Strömungsverbindung mit dem Fluideingang 26 steht. Somit überträgt sich der am Fluideingang 26 anstehende Druck auch in die Druckausgleichskammer 44. Neben dem Druckausgleichskanal 46 hat die Druckausgleichskammer 44 keinen Aus- oder Eingang.
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Dies ist im Detail in 3 gezeigt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind einige der Komponenten nur in 3 mit Bezugszeichen versehen.
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Die Druckausgleichskammer 44 ist zum Kern 18 hin durch eine flexible Membran 48 fluiddicht begrenzt. Somit kann kein Fluid über die Druckausgleichskammer 44 in andere Bereiche des Gehäuses 12 gelangen.
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Im Zentrum der Membran 48 ist eine Abstützfläche 50 vorgesehen, die im Wesentlichen flach ist (siehe 3). Die zum Kern 18 gerichtete Seite dieser Abstützfläche 50 liegt an einem Stützbauteil 54 an, das in axialer Verlängerung des Kerns 18 angeordnet ist und das eine in Größe und Form an die Abstützfläche 50 angepasste Auflagefläche 56 aufweist.
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Das Stützbauteil 54 ist hier einstückig mit dem Kern 18 verbunden und wie dieser im Gehäuse 12 feststehend angeordnet. Dieses gesamte Bauteil besteht aus einem magnetisch leitfähigen Material. Axial vor dem freien Ende des Stützbauteils 54 mit der Auflagefläche 56 ist eine umfangsmäßig umlaufende Einschnürung oder Umfangsnut 57 vorgesehen, die einen nennenswerten magnetischen Streufluss verhindert. Die Luft in der Einschnürung 57 wirkt dabei als Isolator.
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In diesem Beispiel liegt die Membran 48 sowohl im geschlossenen als auch im geöffneten Zustand des Proportionalventils 10 mit ihrer Abstützfläche 50 an der Auflagefläche 56 an, bleibt also bei einer Bewegung des Ankers 20 im Zentrum im Wesentlichen ortsfest. Die aufgrund des in der Druckausgleichskammer 44 durch den dort herrschenden Druck auf die Membran 48 erzeugte Kraft wird somit stets über das Stützbauteil 54 und den Kern 18 in das Gehäuse 12 eingeleitet. Die Fluidkräfte auf den Anker 20 heben sich im Wesentlichen auf. Einerseits drückt der Fluiddruck auf die vom Ventilsitz 24 umschlossene Fläche des Ankers 20 den Anker 20 in Richtung Kern 18. Andererseits wirkt über annähernd denselben Flächeninhalt der Fluiddruck in der Druckausgleichskammer 44 über die Abstützfläche 50 der Membran 48 auf die Auflagefläche 56 am Stützbauteil 54. Der Anker 20 ist somit druckausgeglichen und das Proportionalventil 10 druckentlastet.
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Die vom Ventilsitz 24 umschlossene Fläche des Fluideingangs 26 ist hier geringfügig größer gewählt als die Abstützfläche 50 im Zentrum der Membran 48.
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Die Membran 48 ist mit ihrem Umfangsrand 58, der insbesondere einen runden Außenumfang beschreibt, fest am Anker 20 fixiert. Der Umfangsrand 58 der Membran 48 bewegt sich daher zusammen mit dem Anker 20 entlang der Mittelachse M beim Öffnen und Schließen des Proportionalventils 10, während das Zentrum der Membran 48 am Stützbauteil 54 verbleibt. Das Zentrum der Membran 48 liegt nicht am Anker 20 an.
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Die Abstützfläche 50 der Membran 48 ist von einer hier ringförmigen Vorwölbung 60 umgeben, die gegenüber der Abstützfläche 50 und gegenüber dem Umfangsrand 58 in Richtung zum Kern 18 erhaben ist. Die Auflagefläche 56 liegt innerhalb der von der Vorwölbung 60 umschlossenen Fläche.
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Ein äußerer Umfangsrand 62 der Vorwölbung 60 ist in seiner Neigung an die Neigung einer Anlagefläche 64 am Anker 20 angeglichen, sodass zumindest im geschlossenen Zustand des Proportionalventils 10 die Anlagefläche 64 am äußeren Umfangsrand 62 anliegt. Entsprechend ist ein innerer Umfangsrand 66 der Vorwölbung 60 in seiner Neigung an eine Anlagefläche 68 am Stützbauteil 54 angeglichen, die die Auflagefläche 56 ringförmig umgibt und an der der innere Umfangsrand 66 der Membran 48 zumindest im geöffneten Zustand des Proportionalventils 10 anliegt. Aufgrund der angepassten Neigungen rollt die Membran 48 am Anker 20 sowie am Stützbauteil 54 ab, wenn sich der Anker 20 zwischen der geschlossenen und der geöffneten Stellung des Proportionalventils 10 bewegt.
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Ein erster Winkel zwischen der Anlagefläche 64 am Anker 20 und der Mittelachse M ist z.B. zwischen 5° und 85°, insbesondere zwischen 15° und 25° gewählt. Ein zweiter Winkel zwischen der Anlagefläche 68 am Stützbauteil 54 und der Mittelachse M liegt beispielsweise im selben Bereich und kann insbesondere gleich dem ersten Winkel gewählt sein.
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Sämtliche Kanten im Bereich der Anlageflächen 64, 68, mit denen die Membran 48 in Berührung kommt, sind mit einem großen Radius abgerundet, um einen Verschleiß der Membran 48 zu minimieren.
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Der Anker 20 ist in diesem Beispiel mehrteilig aufgebaut und umfasst ein magnetisch leitfähiges Oberteil 70, das auf der Seite des elektromagnetischen Antriebs 14 angeordnet ist, sowie ein Unterteil 72, das auf der zum Ventilsitz 24 gerichteten Seite liegt. Der Umfangsrand 58 der Membran 48 ist hier durch Klemmen zwischen dem Oberteil 70 und dem Unterteil 72 befestigt.
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Eine zusätzliche Strukturierung im Unterteil 72 und/oder im Oberteil 70, die in Radialrichtung zwischen dem Umfangsrand 58 und der Vorwölbung 60 liegt, kann optional vorgesehen sein, um die Membran 48 zusätzlich zu sichern (nicht dargestellt).
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Das Unterteil 72 weist eine Öffnung 76 auf, in die eine Hülse 78 eingesetzt ist, die auf geeignete Weise am Unterteil 72 fest fixiert ist. In dieser Hülse 78 ist der Druckausgleichskanal 46 vorgesehen. Die Druckausgleichskammer 44 ist somit von der Membran 48, dem Unterteil 72 sowie der Hülse 78 begrenzt.
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An einem zum Fluideingang 26 gerichteten Ende der Hülse 78 ist die umlaufende Dichtung 22 angeordnet, die bei geschlossenem Proportionalventil 10 auf dem Ventilsitz 24 aufliegt und so den Fluideingang 26 verschließt.
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Der Anker 20 ist über zwei Lagerfedern 84, 86 im Gehäuse 12 befestigt. Beide Lagerfedern 84, 86 sind hier durch Formfedern realisiert, wobei z.B. jeweils zwei übereinanderliegende Formfedern eine Lagerfeder 84, 86 bilden. Diese Anordnung bewirkt eine höhere Dämpfung der Schwingungsbewegung. Außerdem lässt sich so der Wert der von den Lagerfedern 84, 86 in Schließstellung erzeugten Rückstellkraft einfach vorgeben.
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Die Formfedern der Lagerfedern 84 und 86 unterscheiden sich hier in ihrer Form. Die fluideingangsseitigen Formfedern, die die Lagerfeder 86 bilden, weisen eine mittige Durchgangsöffnung auf, deren Rand 88 zwischen einer Unterseite des Unterteils 72 und einer Schulter der Hülse 78 geklemmt ist, wodurch der Anker 20 an der Lagerfeder 86 fixiert ist.
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An der kernseitigen Lagerfedern 84 ist der Anker 20 in diesem Beispiel durch die Anlage einer am Oberteil 70 ausgebildeten Schulter 89 gehalten.
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An ihren radialen Außenumfängen sind die Lagerfedern 84, 86 jeweils auf geeignete Weise fest mit der Innenseite des Gehäuses 12 verbunden. Beide Lagerfedern 84, 86 sind daher an ihrem Außenumfang axial unverschieblich im Gehäuse 12 gehalten, können sich aber in ihrem Zentrum flexibel entlang der Axialrichtung bewegen, sodass sich der Anker 20 entlang der Mittelachse M verschieben kann. In Radialrichtung sind hingegen sämtliche Formfedern so steif ausgebildet, dass der Anker 20 keinen Bewegungsspielraum in Radialrichtung hat, sodass die Luftspalte 38, 40 schmal gehalten werden können.
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Die beiden Lagerfedern 84, 86 sind entlang der Mittelachse M betrachtet auf beiden Seiten des Ankers 20 in einem möglichst großen axialen Abstand angeordnet, was ein Verkippen des Ankers 20 in Bezug auf die Mittelachse M verhindert.
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Wird das Proportionalventil 10 geöffnet, so wird die Magnetspule 16 des Antriebs 14 bestromt, was eine zum Kern 18 gerichtete Kraft auf den Anker 20 ausübt. Da dieser durch den in der Druckausgleichskammer 44 anstehenden Druck der Eingangsseite sowie durch die Rückstellkraft der Lagerfedern 84, 86 bereits in Richtung zum Kern 18 beaufschlagt ist, benötigt es nur eine geringe Kraft, um den Anker 20 vom Ventilsitz 24 abzuheben. Somit kann das Proportionalventil 10 bereits mit geringen Stromstärken bis zum gewünschten Grad geöffnet werden. Die Führung durch die Lagerfedern 84, 86 erlaubt dabei eine präzise Stellbewegung des Ankers 20. Die Stromstärke, die der Magnetspule 16 zugeführt wird, wird bis zum gewünschten Öffnungsgrad, also der erwünschten Distanz zwischen der Unterseite des Ankers 20 und dem Ventilsitz 24, erhöht.
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Zum Verringern des Fluiddurchflusses durch das Proportionalventil 10 wird die Stromstärke, die der Magnetspule 16 zugeführt wird, verringert, wodurch sich der Abstand zwischen Anker 20 und Ventilsitz 24 verringert. Zum Schließen des Proportionalventils 10 wird die Magnetspule 16 stromlos geschaltet. Der Anker 20 setzt dann wieder auf dem Ventilsitz 24 auf, bewegt durch die von den Lagerfedern 84, 86 erzeugte Rückstellkraft. Auch bei der Schließbewegung wird durch die Druckausgleichskammer 44 der am Fluideingang 26 anstehende Druck im Wesentlichen vollständig kompensiert, sodass dieser bei der Bewegung des Ankers 20 nicht zu berücksichtigen ist.
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Die 4 und 5 zeigen eine Variante des gerade beschriebenen Proportionalventils 10. Der einzige Unterschied liegt darin, dass Fluideingang 26 und Fluidausgang 28 in diesem Beispiel im Gehäuse 12 als herkömmlich bekannte Muffenanschlüsse 90 ausgebildet sind, sodass das Proportionalventil 10 einfach in eine Fluidleitung 92 eingesetzt werden kann. Im Bereiche des Fluideingangs 26 weist das Gehäuse 12 hier zusätzlich zum Fluideinlassbauteil 42 den Muffenanschluss 90 auf (siehe 5). Die Muffenanschlüsse 90 sind hier beispielhaft gewählt, Fluideingang 26 und Fluidausgang 28 können auf jede beliebige geeignete Art gestaltet sein.
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Das Proportionalventil 10 ist in ein Muffengehäuse eingefügt, das die Muffenanschlüsse aufweist.
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4 zeigt auch, dass die Abmessungen des Proportionalventils 10 senkrecht zur Mittelachse M nur unwesentlich über die Dimensionen der Muffenanschlüsse 90 und generell über die der Fluidleitung 92 hinausgehen. Dies gilt auch für die oben beschriebene erste Variante des Proportionalventils 10. Beispielsweise kann der Durchmesser des Proportionalventils 10 nur etwa 10 % bis 100 % größer sein als der Durchmesser der Fluidleitung 92 bzw. der an Fluideingang 26 und Fluidausgang 28 vorgesehenen Fluidanschlüsse. Beispielsweise beträgt ein Außendurchmesser des Fluidanschlusses 28 bzw. des Muffenanschlusses 90 etwa 7,5 mm und ein Außendurchmesser des Gehäuses 12 etwa 18 mm.
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6 zeigt einen möglichen Einsatzzweck für ein oben beschriebenes Proportionalventil 10. Hier ist eine Durchflussregeleinheit 100 gezeigt, die neben dem eigentlichen, hier nicht näher dargestellten Mess- und/oder Regelsystem einen Fluidblock 102 aufweist, in denen das Proportionalventil 10 eingesetzt ist. Der Fluideingang 26 und der Fluidausgang 28 des Proportionalventils 10 liegen auf einer Gerade mit dem Fluideinlass 126 und dem Fluidauslass 128 der Durchflussregeleinheit 100.
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Das Proportionalventil 10 kann in der Durchflussregeleinheit 100 z.B. Abmessen, zum gezielten Dosieren oder auch zum Regeln eines Fluidstroms eingesetzt werden.
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Aufgrund der koaxialen Bauweise lässt sich das Proportionalventil 10 problemlos auch in Anwendungen integrieren, die nur einen geringen Bauraum zur Verfügung stellen. Die Druckausgleichskammer 44 sorgt dafür, dass zum Stellen des Proportionalventils 10 nur geringe Stromstärken notwendig sind und ermöglicht eine präzise Bewegung des Ankers 20 auch bei vergleichsweise hohen Drücken am Fluideingang 26 und bei hohen Durchflussmengen.
