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Die Erfindung betrifft ein Ventil mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, wobei einem Ventilkörper ein Magnetkopf mit einem axial verlagerbaren Anker zugehörig ist.
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Die
DE 197 21 668 A1 offenbart eine Elektromagnetventilvorrichtung, deren Magnetanker an einer diesen durchsetzenden Welle befestigt und mit dieser axial verlagerbar ist. Die Welle durchsetzt eine in einer Ventilkammer vorgesehene und somit medienberührte Scheibenfeder, wodurch ein Mittelabschnitt der Welle abgestützt und eine Zentrierung der Welle wie auch des Magnetankers bewerkstelligt werden soll.
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Die
DE 295 11 136 U1 offenbart ein schnelles Impuls-Ventil, dessen Gehäuse durch eine Membranfeder horizontal unterteilt ist. In der oberen Kammer befinden sich ein elektromagnetischer Antrieb und eine zylindrische Schraubenfeder, die durch eine koaxiale Schraube einstellbar ist und zum Verschließen eines in der unteren Ventilkammer angeordneten Ventilsitzes gegen die Membranfeder wirkt. Die Membranfeder weist an ihrer Unterseite ein dünnes elastisches Material auf, das die Membranfeder vor einer Berührung des in der Ventilkammer befindlichen Mediums schützen soll.
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Die
EP 0 564 612 B1 offenbart ein großes pilotbetätigtes Membranventil, bei dem eine Flachmembran zwischen einem auf einem Ventilsitz aufliegenden Dichtelement und einer Gegenscheibe eingespannt ist. Dabei sind das Dichtelement, die Flachmembran und die Gegenscheibe von einem schraubbolzenförmigen Dichtungshalter axial durchsetzt und mittels einer am Dichtelement anliegenden Gewindemutter gegeneinander verspannt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Ventil der genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass bei verschiedenen Betriebsbedingungen wie aggressiven Medien mit einfachen Mitteln eine dauerhaft zuverlässige Funktionstüchtigkeit 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, vergrößerter Schnittdarstellung eine bevorzugte Ausführungsform als Beispiel zeigt.
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Das in der Zeichnung dargestellte Ventil ist für gasförmige und flüssige Medien vorgesehen. Es besitzt einen Ventilkörper 1 und einen Magnetkopf 2, die bezüglich einer Mittenachse 3 bevorzugt kreisrund ausgebildet und koaxial über- bzw. untereinander angeordnet sind und so eine kompakte, elektromagnetisch betätigbare Ventilbaueinheit bilden.
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Der Ventilkörper 1 ist mit einer Grundwand 4, einer sich von dieser nach oben in Richtung zum Magnetkopf 2 erstreckenden Umfangswand 5 und einem sich von der Grundwand 4 in entgegengesetzter Richtung nach unten erstreckenden Anschlussteil 6, der im Durchmesser kleiner ist als die Grundwand 4, koaxial zur Mittenachse 3 gestaltet und materialeinheitlich einstückig ausgeführt. In dem Anschlussteil 6 befindet sich ein als koaxiale Bohrung ausgebildeter Eingang 7, der in einen an der Grundwand 4 ausgebildeten Ventilsitz 8 einmündet, der in eine Ventilkammer 9 des Ventilkörpers 1 hineinragt. Die Grundwand 4 weist bevorzugt parallel auf Abstand zum Eingang 7 mindestens einen Ausgang 10, 11 auf, durch den das Medium aus der Ventilkammer 9 herausgeführt werden kann.
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Der Ausgang 10, 11 kann vorzugsweise aus mehreren, z. B. zwei, drei oder vier Bohrungen gebildet sein, die die Grundwand 4 durchsetzen und etwa kreisförmig um den Eingang 7 herum angeordnet sind. Statt der Bohrungen können für die Bildung des Ausgangs 10, 11 z. B. auch zwei oder drei etwa teilkreisförmige Langlöcher um den Eingang 7 herum in der Grundwand 4 ausgebildet sein. In bevorzugter Ausführung ist der Gesamtquerschnitt des Ausgangs 10, 11, also der Querschnitt sämtlicher Bohrungen oder Langlöcher des Ausgangs 10, 11, im Wesentlichen gleich dem Querschnitt des Eingangs 7. Es liegt allerdings auch im Rahmen der Erfindung, die Funktionen des Eingangs 7 und des Ausgangs 10, 11 zu vertauschen, sodass der in der Zeichnung dargestellte Ausgang 10, 11 als Eingang fungiert, durch den das Medium in die Ventilkammer 9 gelangt, und der in der Zeichnung dargestellte Eingang 7 den Ausgang bildet, durch den das Medium aus der Ventilkammer 9 herausgeführt wird.
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In der Ventilkammer 9 befindet sich ein Dichtkörper 12, der bezüglich der Mittenachse 3 koaxial ausgeführt ist und in der dargestellten Verschlussposition den Ventilsitz 8 verschließt. Der Dichtkörper 12 besitzt bevorzugt einen metallischen Dichtungshalter 13, der zweckmäßig mit einer in Richtung zur Grundwand 4 geneigten, also schrägen Druckfläche 14 als Kegelstumpf ausgeführt ist, wodurch ein sogenannter Totraum in der Ventilkammer 9 weitgehend reduziert ist. Der Außendurchmesser der schrägen Druckfläche 14 entspricht dem Außendurchmesser des Dichtungshalters 13. Der Dichtungshalter 13 besitzt einen nach oben ragenden zentralen Befestigungsbolzen 15 und trägt ein flaches Dichtelement 16, das an der dem Befestigungsbolzen 15 gegenüberliegenden Unterseite des Dichtungshalters 13 angeordnet ist und mit dem Ventilsitz 8 korrespondiert. Das Dichtelement 16 kann zweckmäßig aus einem Elastomer bestehen und auch die schräge Druckfläche 14 und die übrigen Flächen des Dichtungshalters 13 können vorteilhaft bis zum Befestigungsbolzen 15 mit einem Elastomermantel 17 überzogen sein, sodass der Dichtungshalter 13 gegen ein in der Ventilkammer 9 befindliches Medium abgeschirmt ist.
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Die Ventilkammer 9 kann vorteilhaft von einer Flachmembran 18 mitbegrenzt sein, die im Wesentlichen parallel zur Grundwand 4 des Ventilkörpers 1 angeordnet ist. Damit die Ventilkammer 9 möglichst raumsparend und totraumarm ausgebildet ist, befindet sich die Flachmembran 18 in einem nur geringen Abstand zur Grundwand 4. Die Flachmembran 18 kann bevorzugt aus einem mediumsresistenten Elastomer, z. B. EPDM oder FKM, bestehen und zweckmäßig aus einer dünnen, planen Elastomerbahn kostengünstig herausgeschnitten oder herausgestanzt sein. Die kreisrunde Flachmembran 18, die in einer bevorzugten Ausführung zusätzlich ein z. B. in Elastomer eingebettetes Trägergewebe aufweisen kann, ist koaxial zur Mittenachse 3 angeordnet und liegt mit einem zentralen Innenrandteil auf der dem Dichtelement 16 gegenüberliegenden Stirnseite 20 des kegelstumpfförmigen Dichtungshalters 13 auf und ist von dem Befestigungsbolzen 15 axial durchsetzt. Der Außenrandteil 21 der Flachmembran 18 liegt auf einer Stirnfläche 22 der die Ventilkammer 9 mitbegrenzenden Umfangswand 5 auf. Diese Stirnfläche 22 ist von einem kreisrunden Ringvorsprung 23 umfasst, der die Stirnfläche 22 axial überragt, sodass die Umfangswand 5 mit dem Ringvorsprung 23 und der niedriger angeordneten Stirnfläche 22 stufenförmig gestaltet ist.
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Am Umfang der Grundwand 4 und am Umfang des Anschlussteils 6 können Ringnuten vorgesehen sein, in denen O-Ringe 24, 25 positioniert sind, die gewährleisten, dass der Ventilkörper 1 beim Einsetzen in eine Bohrung eines hier nicht dargestellten Ventilblocks oder eines anderen Aufnahmekörpers zuverlässig dicht gelagert werden kann.
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Der Magnetkopf 2 besitzt ein Gehäuse, das bezüglich der Mittenachse 3 koaxial rohrförmig gestaltet und aus einem magnetisierbaren Werkstoff als Außenkern 27 ausgeführt ist. Der Außenkern 27 hat eine ringförmige Außennut 28, in die beispielsweise ein hier nicht dargestelltes Niederhalterblech eingreifen kann, wenn das Ventil beispielsweise in ein Aufnahmegehäuse eingesetzt werden soll. Der in der Zeichnung untere Endbereich des Außenkerns 27 ist zweckmäßig als in Richtung zur Mittenachse 3 umgebogener dünnwandiger Bördel 29 ausgebildet, der den Ringvorsprung 23 der Umfangswand 5 an einer schrägen Montagefläche untergreift, sodass der Ventilkörper 1 und der Magnetkopf 2 eine zuverlässig fest verbundene Ventilbaueinheit bilden.
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Innerhalb des Außenkerns 27 ist koaxial zur Mittenachse 3 eine Elektrospule 30 angeordnet, die auf einem Spulenkörper 31 gelagert ist, der mit einer Seitenwand auf einem Wandteil 32 des Außenkerns 27 aufliegt. In einer Axialbohrung des Spulenkörpers 31 befindet sich ein rundbolzenförmiger Innenkern 33, der aus einem magnetisierbaren Material hergestellt ist.
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Des Weiteren ist in dem Außenkern 27 eine Magnetflusshülse 34 angeordnet, die mit einem Grundkörper 35, einer sich von diesem in Richtung nach oben zum Innenkern 33 hin erstreckenden Führungshülse 36 und einer sich vom Grundkörper 35 in Richtung nach unten zum Ventilkörper 1 hin erstreckenden Stützhülse 37 materialeinheitlich einstückig ausgebildet ist. Der Grundkörper 35 und ein Teil der Stützhülse 37 liegen mit ihrer Außenfläche an der Innenfläche des Außenkerns 27 an. Der Durchmesser der Führungshülse 36 ist kleiner als der Durchmesser des Grundkörpers 35 und der Stützhülse 37. Dabei weist der Grundkörper 35 in einer gemeinsamen Ebene mit dem Wandteil 32 eine Anschlagfläche 38 auf, auf der die Seitenwand des Spulenkörpers 31 ebenfalls aufliegt, und besitzt an der der Anschlagfläche 38 gegenüberliegenden Unterseite eine Schulterfläche 39. Die Führungshülse 36, deren Wanddicke ausgesprochen dünn ausgebildet ist und weniger als die Hälfte der Wanddicke der Stützhülse 37 beträgt, erstreckt sich bis in einen schmalen Ringspalt 40 hinein, der zwischen der Umfangsfläche des Innenkerns 33 und der Innenfläche des Spulenkörpers 31 gebildet ist. Durch die sehr dünne Wand der Führungshülse 36 wird ein hoher magnetischer Widerstand erzeugt, der einen magnetischen Kurzschluss unterbindet, sodass sich die Wirkkraft des Magnetfeldes an der Polfläche 41 des Innenkerns 33 optimal entfalten kann.
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Der Magnetkopf 2 weist zudem im Umfangsbereich der Magnetflusshülse 34 einen rundbolzenförmigen Anker 42 auf, der koaxial zur Mittenachse 3 angeordnet und im Bereich zwischen dem Innenkern 33 und dem Ventilkörper 1 elektromagnetisch axial verlagerbar ist. In der dargestellten Verschlussposition des Ventils besteht zwischen der Polfläche 41 des Innenkerns 33 und der Oberseite des Ankers 42 für den axialen Ankerhub ein entsprechender Abstand. In relativ geringer Entfernung von seiner Oberseite besitzt der Anker 42 für eine Magnetflusskonzentrierung bevorzugt eine ringnutförmige Einschnürung 44. Ein koaxialer Führungsstift 45 ist oben in einer Bohrung des Ankers 42 festgelegt, überragt dessen Oberseite und erstreckt sich bis in den Innenkern 33 hinein. Dafür weist letzterer eine abgestufte Sacklochbohrung auf, in der an einer Bohrungsabstufung ein über einen Sicherungsring 46 festgelegtes Ringlager 47, das bevorzugt aus einem Rubin bestehen kann, positioniert ist. Der Führungsstift 45 ist in dem Ringlager 47 weitgehend spielfrei und äußerst reibungsarm gelagert, sodass eine leichtgängige und präzise koaxiale Führung des Ankers 42 gegeben ist.
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Der Anker 42 weist einen kreisringförmigen Rücksprung auf, der an dem dem Ventilkörper 1 zugewandten unteren Ankerendbereich von einer ungefähr flanschförmigen Stützscheibe 48 begrenzt ist. In dem Rücksprung des Ankers 42 befindet sich eine etwa schraubenförmige, bevorzugt kegelförmige Druckfeder 49, die mit ihrem oberen Ende an der Schulterfläche 39 der Magnetflusshülse 34 abgestützt ist und mit ihrem unteren Ende auf der Stützscheibe 48 aufliegt und den Anker 42 somit in Richtung gegen den Ventilsitz 8 drückt.
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An der Stützscheibe 48 des Ankers 42 ist ein koaxialer Zapfen angeformt, der sich nach unten in Richtung zum Dichtungshalter 13 hin erstreckt und eine Flachführungsscheibe 51 zentral durchsetzt, die als zusätzliche Koaxialführung des Ankers 42 fungiert bzw. ausgeführt ist und zu der zuvor beschriebenen, dem Innenkern 33 zugeordneten koaxialen Führung des Ankers 42 in axialer Richtung einen relativ großen Abstand aufweist, der etwa doppelt so groß oder größer ist als die axiale Länge der Druckfeder 49. Die Flachführungsscheibe 51 erstreckt sich im Wesentlichen parallel zur Flachmembran 18 und liegt an der Unterseite der Stützscheibe 48 an. Der Zapfen besitzt ein sich bis in den Anker 42 erstreckendes koaxiales Sackloch, in dem der Befestigungsbolzen 15 des Dichtungshalters 13 z. B. durch Presssitz ortsfest gelagert ist. Der Zapfen ist von einer Fixierhülse 53 übergriffen, deren Hülsenwand den Innenrand der Flachführungsscheibe 51 fest gegen die Unterseite der Stützscheibe 48 drückt.
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Der Außenrand der Flachführungsscheibe 51 ist zwischen einem unteren Endteil 55 der Magnetflusshülse 34 und einer Bodenwand 56 einer ungefähr schüsselförmigen Fixierscheibe 57 gelagert, auf der der Endteil 55 abgestützt ist. Die Bodenwand 56 hat ein koaxiales Zentralloch, dessen Lochrand 59 im Durchmesser im Wesentlichen gleich dem äußeren Durchmesser der geneigten Druckfläche 14 des Dichtungshalters 13 ist. Die Fixierscheibe 57 ist von einem Umfangsrand 60 begrenzt, der sich etwa treppenstufenförmig an die Bodenwand 56 anschließt und mit dieser materialeinheitlich einstückig ist. Durch die Andruckkraft des Bördels 29 ist der Umfangsrand 60 der Fixierscheibe 57 zwischen dem Ringvorsprung 23 der Umfangswand 5 und einem Widerlager des Außenkerns 27 eingespannt. Gleichzeitig ist dabei der Außenrandteil 21 der Flachmembran 18 zwischen der Stirnfläche 22 der Umfangswand 5 und der von oben dagegen gedrückten Bodenwand 56 der Fixierscheibe 57 mediumsdicht zusammengepresst.
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Im axialen Mittenbereich ist die Flachmembran 18 zwischen der oberen Stirnseite 20 des kegelstumpfförmigen Dichtungshalters 13 und der im Durchmesser bevorzugt gleich großen unteren Stirnfläche der Fixierhülse 53 ebenfalls mediumsdicht eingespannt, sodass durch die Flachmembran 18 eine Mediensperre zwischen dem Ventilkörper 1 und dem Magnetkopf 2 gegeben ist, die bewirkt, dass kein Medium aus der Ventilkammer 9 heraus in den Funktionsbereich des Magnetkopfs 2 oder nach außen gelangt. Zur vorbeugenden Sicherheitserhöhung kann es außerdem zweckmäßig sein, zwischen der Stützhülse 37 der Magnetflusshülse 34 und dem Außenkern 27 einen Dichtring 62 vorzusehen und einen weiteren Dichtungsring 63 zwischen der Führungshülse 36 der Magnetflusshülse 34 und dem Innenkern 33 anzuordnen. Die Flachmembran 18 weist bevorzugt eine Kreisringwirkfläche 64 auf, deren Innenkreis von der oberen Stirnseite 20 des kegelstumpfförmigen Dichtungshalters 13 und der unteren Stirnfläche der Fixierhülse 53 begrenzt ist, während der Außenkreis der Kreisringwirkfläche 64 durch den Lochrand 59 der Fixierscheibe 57 definiert ist. Da die schräge Druckfläche 14 des Dichtungshalters 13 und die Kreisringwirkfläche 64 der Flachmembran 18 axial einander gegenüberliegen und bevorzugt gleich groß sind, sind auch die durch den Mediumsbetriebsdruck in der Ventilkammer 9 an der Druckfläche 14 des Dichtungshalters 13 und der Kreisringwirkfläche 64 der Flachmembran 18 anstehenden Kräfte gleich groß und heben sich einander auf, sodass die für das Öffnen und Schließen des Ventils erforderlichen Magnet- und Druckfederkräfte weitgehend unbeeinflusst vom Mediumsdruck zur Anwendung gelangen können. Außerdem kann es vorteilhaft sein, sowohl die Druckfläche 14 des Dichtungshalters 13 als auch die Kreisringwirkfläche 64 der Flachmembran 18 so zu gestalten, dass sie im Wesentlichen gleich groß sind wie die Querschnittsfläche des Ventilsitzes 8. Darüber hinaus kann es aber bei verschiedenen Anwendungen auch günstig sein, sowohl die Druckfläche 14 des Dichtungshalters 13 als auch die Kreisringwirkfläche 64 der Flachmembran 18 derart auszubilden, dass sie größer oder kleiner sind als die Querschnittsfläche des Ventilsitzes 8. Bei beiden Durchströmungsrichtungen ergeben sich somit vorteilhafte Kräfteverhältnisse auf den Magnetanker. Durch diesen konstruktiven Aufbau kann das Ventil, auch bei einem anstehenden Gegendruck am Ausgang 10,11, vorteilhaft als Proportionalventil ausgeführt werden.
