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Hintergrund
der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf ein solenoidbetätigtes
Ventil (Magnetventil), dessen Haltbarkeit durch Reduzierung des
Gleitwiderstandes eines beweglichen Eisenkernes verbessert ist.
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Solenoidbetätigte Ventile werden allgemein dazu
verwendet, die Durchflussrichtung eines Druckfluides zu steuern,
so dass ein Druckfluid einem Stellglied zugeführt oder an die Atmosphäre abgelassen werden
kann. Im Allgemeinen weist ein solenoidbetätigtes Ventil einen Ventilstopfen
auf, der durch einen Solenoid (Elektromagneten) betätigt wird.
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Wie in 6 dargestellt
ist, umfasst ein herkömmliches
Magnetventil dieser Art ein Spulengehäuse 5 und einen Ventilkörper 9.
Das Spulengehäuse 5 nimmt
einen festen Eisenkern 1, eine Spule 2, einen
beweglichen Eisenkern (Schwingspule) 3 und eine magnetische
Platte 4 oder dgl. auf. Der Ventilkörper 9 umfasst eine
Membran 8 zum Öffnen/Schließen eines
Ventilsitzes 7. Ein Paar von Fluideinlass/-auslassanschlüssen 6a, 6b werden
durch den Ventilsitz 7 miteinander in Verbindung gebracht
(vgl. japanische Patentoffenlegung Nr. 3-61776).
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Ein Freiraum E (Luftspalt) ist zwischen
der äußeren Umfangsfläche des
beweglichen Eisenkernes 3 und der inneren Umfangsfläche der
ringförmigen
Magnetplatte 4 ausgebildet. Die Anziehungskraft der Magnetplatte 4 zieht
den beweglichen Eisenkern 3 radial nach außen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
Magnetventil vorzuschlagen, das den Gleitwiderstand eines beweglichen
Eisenkernes gegenüber
einer Hülse
beim Verschieben des beweglichen Eisenkernes reduziert, so dass
der bewegliche Eisenkern gleichmäßig gleiten
kann, ohne die Kraft des Magneten zum Anziehen des beweglichen Eisenkerns
abzusenken.
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Ferner soll an dem Gleitbereich des
beweglichen Eisenkerns kein Staub oder dgl. erzeugt werden.
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Diese Aufgabe wird mit der Erfindung
im Wesentlichen durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der
Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand
von Ausführungsbeispielen
und der Zeichnung näher
erläutert.
Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten
Merkmale für
sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von
ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein Vertikalschnitt, der einen geschlossenen Zustand eines Magnetventils
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt.
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2 ist
ein Schnitt, der einen geöffneten Zustand
des in 1 gezeigten Magnetventils
darstellt.
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3 ist
ein vergrößerter Teilschnitt,
der eine schräge
Fläche
eines beweglichen Eisenkernes zeigt, wenn das Magnetventil gemäß 1 geschlossen ist.
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4 ist
ein vergrößerter Teilschnitt,
der eine schräge
Fläche
einer Hülse
zeigt, wenn ein Magnetventil gemäß einer
modifizierten Ausführungsform
geschlossen ist.
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5 zeigt
charakteristische Kurven, die die Beziehung zwischen einer Anziehungskraft
und einem Hub des Magnetventils gemäß 1 darstellen.
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6 ist
ein Schnitt durch ein herkömmliches
Magnetventil.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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Wie in 1 dargestellt
ist, umfasst ein solenoidbetätigtes
Ventil (Magnetventil) 10 gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung einen ersten Ventilkörper 16 und einen
zylindrischen zweiten Ventilkörper 20.
Der erste Ventilkörper 16 weist an
einem mittleren Bereich einen Druckfluidzufuhranschluss 12 und
an rechten und linken Positionen neben dem Druckfluidzufuhranschluss 12 ein
Paar von Druckfluidauslassanschlüssen 14a, 14b auf,
so dass der Druckfluidzufuhranschluss 12 zwischen den Druckfluidauslassanschlüssen 14a, 14b angeordnet ist.
Der zylindrische zweite Ventilkörper 20 ist über eine
ringförmige
Stufe 18 integral mit einem oberen Bereich des ersten Ventilkörpers 16 verbunden.
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Das Magnetventil 10 umfasst
außerdem
eine zylindrische Kappe 22 mit Boden, einen Solenoidabschnitt 24 und
einen Ventilmechanismusabschnitt 26. Die zylindrische Kappe 22 ist
integral mit Seiten der ersten und zweiten Ventilkörper 16, 20 verbunden.
Der Solenoidabschnitt 24 ist in der Kappe 22 angeordnet.
Der Solenoidabschnitt 24 wird so erregt, dass der Ventilmechanismusabschnitt 26 den
Druckfluidzufuhranschluss 12 und die Druckfluidablassanschlüsse 14a, 14b von
einem Verbindungszustand in einen Nicht-Verbindungszustand oder
umgekehrt umschalten kann.
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Ein Flansch 28 ist an einem
unteren Bereich der Kappe 22 ausgebildet. Nicht dargestellte
Bolzen sind in ebenfalls nicht dargestellte Befestigungsöffnungen
des Flansches 28 eingesetzt, so dass das Magnetventil 10 an
einem anderen Element (nicht dargestellt) befestigt werden kann.
Dichtelemente 30a, 30b sind in Ringnuten angebracht,
die nahe dem Druckfluidzufuhranschluss 12 bzw. den Druckfluidablassanschlüssen 14a, 14b angeordnet
sind.
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Der Solenoidabschnitt 24 besteht
aus einem zylindrischen Kappenelement 32 mit Boden, einem Spulenkörper 36,
einem festen Eisenkern 38 und einem beweglichen Eisenkern 40.
Das zylindrische Kappenelement 32 ist innen in die Kappe 22 eingesetzt
und besteht aus einem metallischen Material. Der Spulenkörper 36 ist
in dem Kappenelement 32 angeordnet. Um den Spulenkörper 36 ist
eine Spule 34 gewickelt. Ein Ende des festen Eisenkernes 38 ist mit
dem Kappenende 32 verbunden. Der bewegliche Eisenkern 40 wird
durch die Federkraft eines Federelementes 66, wie später beschrieben
wird, in einer Richtung weg von dem festen Eisenkern 38 vorgespannt.
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An einem unteren Bereich des beweglichen Eisenkernes 40 ist
ein ringförmiger
Vorsprung 42 ausgebildet. Der ringförmige Vorsprung 42 hat
sich nach außen
radial erweiternde Durchmesser und eine Umfangsfläche. Ein
Stangenabschnitt
44, der nach unten vorsteht, ist in der
Mitte eines Endes des ringförmigen
Vorsprungs 42 des beweglichen Eisenkerns 40 ausgebildet.
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Eine Ringhülse 46 aus einem magnetischen Material
ist zwischen dem zweiten Ventilkörper 20 und
dem Spulenkörper 36 unterhalb
der Spule 34 angeordnet. Eine Öffnung 45 ist in der
Mitte der Hülse 46 ausgebildet.
Durch die Öffnung 45 ist
der bewegliche Eisenkern 40 eingesetzt.
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Ein Freiraum 48 (Luftspalt)
ist zwischen einer inneren Umfangsfläche 47 der Öffnung 45 der
Hülse 46 und
einer äußeren Umfangsfläche 49 des
beweglichen Eisenkernes 40 ausgebildet.
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Eine konisch geneigte Fläche (konische
Fläche) 50a,
deren Durchmesser zu dem ringförmigen Vorsprung 42 allmählich abnimmt,
ist an einer Position ausgebildet, an der der bewegliche Eisenkern 40 der
Hülse 46 gegenüber liegt.
Wie in 3 dargestellt
ist, ist zwischen der Hülse 46 und
dem Spulenkörper 36 eine
Kontaktebene 52 ausgebildet. 1 zeigt
einen nicht erregten Zustand, in dem die Spule 34 nicht
mit elektrischem Strom versorgt ist. In dem nicht erregten Zustand
ist die schräge
Fläche 50a von
einem Schnittpunkt 55 um einen Neigungswinkel A zu einer
axialen Mitte des beweglichen Eisenkernes 50 geneigt. Der
Schnittpunkt 55 ist an einer Position angeordnet, an welcher
eine Verlängerungslinie 51 der
Kontaktebene 52 als einer den Solenoid berührenden
Endfläche
sich mit einer Verlängerungslinie 53 der äußeren Umfangsfläche 49 des
beweglichen Eisenkernes 40 schneidet (siehe 3). Wenn der Neigungswinkel
A in einem Bereich von etwa 1° bis
50° eingestellt
wird, ist es möglich,
etwa die gleiche Anziehungskraft zu erhalten, wie bei einem herkömmlichen
beweglichen Eisenkern 3 ohne konische Gestalt.
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5 zeigt
die Beziehung zwischen dem Hub des beweglichen Eisenkernes 40 und
der Anziehungskraft des gesamten Solenoidabschnittes 24 unter
der An nahme, dass der bewegliche Eisenkern 40 einerseits
die konisch geneigte Fläche 50a (siehe durchgezogene
Linie B) und andererseits keine konisch geneigte Fläche 50a (siehe
gestrichelte Linie C) aufweist. Bei der Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung wird das Magnetventil 10 innerhalb eines Hubbereiches
des beweglichen Eisenkernes 40 verwendet, in welchem die
Kennlinien der durchgezogenen Linie B und der gestrichelten Linie
C einander im Wesentlichen überlappen.
Daher ist es möglich,
im Wesentlichen äquivalente
Anziehungskräfte zu
erhalten im Vergleich zu dem herkömmlichen Magnetventil, das
den beweglichen Eisenkern ohne schräge Fläche 50a aufweist.
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Bei einem Magnetventil 10a gemäß einer modifizierten
Ausführungsform,
wie es in 4 gezeigt
ist, hat eine Hülse 46a eine
innere Umfangsfläche 47 mit
einer konisch geneigten Fläche 50,
deren Durchmesser in einer Richtung weg von dem Spulenkörper 36 allmählich zunimmt.
Ein beweglicher Eisenkern 40a hat eine der geneigten Fläche 50b gegenüberliegende äußere Umfangsfläche 49.
Die äußere Umfangsfläche 49 hat
einen Durchmesser, der über
die gesamte axiale Länge
des beweglichen Eisenkernes 40a im Wesentlichen gleich
ist.
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Daher ist es möglich, bei dem Magnetventil 10a gemäß der modifizierten
Ausführungsform
auf die gleiche Weise wie bei dem Magnetventil 10 im Wesentlichen
die gleiche Anziehungskraft zu erhalten wie bei dem herkömmlichen
Magnetventil. Wie in 4 gezeigt
ist, ist eine Kontaktfläche 52 zwischen der
Hülse 46 und
dem Spulenkörper 36 ausgebildet. In
dem nicht erregten Zustand, in welchem die Spule 34, wie
in 1 gezeigt, nicht
mit elektrischem Strom versorgt ist, ist die geneigte Fläche 50b von
einem Schnittpunkt 57 aus um einen Neigungswinkel D zu der
Hülse 46a geneigt.
Der Schnittpunkt 57 ist an einer Position angeordnet, an
welcher eine Verlängerungslinie 51 der
Kontaktebene 52 als einer den Solenoid berührenden
Endfläche
sich mit einer Verlängerungslinie 59 der
inneren Umfangsfläche
des Spulenkörpers 36 schneidet
(vgl. 4). Wenn der Neigungswinkel
D in einem Bereich von etwa 1° bis
50° eingestellt wird,
ist es möglich,
etwa die gleiche Anziehungskraft zu erhalten, wie bei einem herkömmlichen
beweglichen Eisenkern 3 ohne konische Gestalt.
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Wie in 3 dargestellt
ist, hat der bewegliche Eisenkern 40 die äußere Umfangsfläche 49.
Die äußere Umfangsfläche 49 umfasst
die geneigte Fläche 50a an
der Position, an der die äußere Umfangsfläche 49 der
inneren Umfangsfläche 47 der
Hülse 46 gegenüber liegt.
Die geneigte Fläche 50a hat
den zu dem ringförmigen
Vorsprung 46 hin allmählich
abnehmenden Durchmesser. Daher kann die Kontaktfläche zwischen
der äußeren Umfangsfläche 49 des beweglichen
Eisenkerns 50 und der inneren Umfangsfläche 47 der Hülse 46 verringert
werden. Dementsprechend ist es möglich,
den Gleitwiderstand des beweglichen Eisenkerns 50 zu reduzieren
und die Erzeugung von Staub oder dgl., die andernfalls durch den
Kontakt bewirkt würde,
zu verhindern.
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In ähnlicher Weise hat die Hülse 46a,
wie in 4 gezeigt, die
innere Umfangsfläche 47,
die die geneigte Fläche 50b einschließt. Der
Durchmesser der geneigten Fläche 50b erweitert
sich in Richtung weg von dem Spulenkörper 36. Dadurch kann
die Kontaktfläche
zwischen der äußeren Umfangsfläche 49 des
beweglichen Eisenkerns 40a und der inneren Umfangsfläche 47 der
Hülse 46a verringert
werden. Dementsprechend ist es möglich,
den Gleitwiderstand des beweglichen Eisenkerns 40a zu reduzieren
und die Erzeugung von Staub oder dgl., die andernfalls durch den
Kontakt bewirkt würde,
zu verhindern.
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Wie in 1 dargestellt
ist, besteht der Ventilmechanismusabschnitt 26 aus einem
Schaftabschnitt 54, der aus einem Harzmaterial gebildet
und mit dem Stangenabschnitt 44 des beweglichen Eisenkerns 40 mit
Hilfe einer Schraube verbunden ist, einer Membran (Ventilstopfen) 58,
welche integral an einem unteren Ende des Schaftabschnitts 54 ausgebildet
ist und einen sich radial nach außen erstreckenden Mantelabschnitt 56 aufweist,
einem Verschiebungselement 60, welches integral an dem äußeren Umfang
des Schaftabschnittes 54 ange bracht ist, einem elastischen
Element 62, welches zwischen dem Verschiebungselement 60 und
der Membran 58 angeordnet und aus einem elastischen Material,
wie Gummi, ausgebildet ist, um den Mantel 56 zu schützen, und
einem Federelement 66, welches zwischen einer Ringnut 64 der
Hülse 46 und
dem ringförmigen Vorsprung 42 des
beweglichen Eisenkerns 40 angeordnet ist und den beweglichen
Eisenkern 40 in einer Richtung weg von dem festen Eisenkern 38 vorspannt.
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Die Membran 58 wird auf
einem Sitzabschnitt 68 des ersten Ventilkörpers 16 aufgesetzt bzw.
von diesem abgehoben, um dadurch einen Durchgang 70, durch
welchen der Druckfluidzufuhranschluss 12 und die Druckfluidablassanschlüsse 14a, 14b miteinander
verbunden werden, zu öffnen oder
zu schließen.
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Die Umfangskante des Mantels 56 der
Membran 58 ist in eine ringförmige Aussparung 72 eingesetzt,
die durch den ersten Ventilkörper 16 und
den zweiten Ventilkörper 20 gebildet
wird.
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Das Magnetventil 10 gemäß der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist im Wesentlichen wie oben beschrieben
aufgebaut. Nachfolgend werden seine Betriebs-, Funktions- und Wirkungsweise
erläutert.
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1 stellt
den nicht erregten Zustand dar, in dem der Spule 34 kein
Strom zugeführt
wird, wobei der AUS-Zustand, in welchem die Membran 58 auf dem
Sitzabschnitt 68 aufsitzt und die Verbindung zwischen dem
Druckfluidzufuhranschluss 12 und dem Druckfluidablassanschlüssen 14a, 14b blockiert
ist.
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Eine nicht dargestellte Stromquelle
wird betrieben, um der Spule 34 elektrischen Strom zuzuführen. Die
Spule 34 wird erregt, so dass der bewegliche Eisenkern 40 magnetisch
zu dem festen Eisenkern 38 angezogen werden kann. Wie in
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2 dargestellt
ist, wird das Magnetventil 10 von dem AUS-Zustand in den
AN-Zustand umgeschaltet.
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Hierbei wird der bewegliche Eisenkern 40 entgegen
der Federkraft des Federelementes 66 um eine minimale Strecke
zu dem festen Eisenkern 38 verschoben, und das Verschiebungselement 60 wird zusammen
mit dem beweglichen Eisenkern 40 nach oben bewegt. An der
Verschiebungsendposition liegt das obere Ende des beweglichen Eisenkerns 40 gegen
das untere Ende des festen Eisenkerns 38 an.
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Daher wird der bewegliche Eisenkern 40 verschoben,
um die Membran 58 von dem Sitzabschnitt 68 abzuheben.
Der Druckfluidzufuhranschluss 12 und die Druckfluidablassanschlüsse 14a, 14b werden
in dem AN-Zustand miteinander verbunden. Dementsprechend wird das
Druckfluid von dem Druickfluidzufuhranschluss 12 durch
die Lücke
zwischen der Membran 58 und dem Sitzabschnitt 68 eingeführt, fließt durch
den Durchgang 70 und die Druckfluidablassanschlüsse 14a, 14b und
wird der fluiddruckbetätigten
Vorrichtung (nicht dargestellt) zugeführt.
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Wie oben beschrieben wurde, ist bei
der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung die geneigte Fläche 50a oder die geneigte
Fläche 50b vorgesehen.
Insbesondere umfasst die äußere Umfangsfläche 49 des
beweglichen Eisenkernes 40 die geneigte Fläche 50a,
deren Durchmesser zu dem ringförmigen
Vorsprung 42 hin allmählich
abnimmt. Alternativ umfasst die innere Umfangsfläche 47 der Hülse 46 die
geneigte Fläche 50b,
deren Durchmesser allmählich
in Richtung weg von dem Spulenkörper 36 zunimmt.
Wenn die Spule 34 erregt wird, um den beweglichen Eisenkern 40 axial
zu verschieben, ist es dadurch möglich,
die Kontaktfläche
zwischen der äußeren Umfangsfläche 49 des
beweglichen Eisenkernes 40 und der inneren Umfangsfläche 47 der Hülse 46 zu
ver ringern. Dadurch kann der Gleitwiderstand des beweglichen Eisenkerns 40 reduziert
werden, ohne die Anziehungskraft der Spule 34 zu verringern.
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Da der Gleitwiderstand, der beim
Verschieben des beweglichen Eisenkerns 40 erzeugt wird,
reduziert wird, ist es möglich,
die Erzeugung von Staub oder dgl., die andernfalls durch den Kontakt
zwischen der äußeren Umfangsfläche 49 des
beweglichen Eisenkerns 50 und der inneren Umfangsfläche 47 der Hülse 46 bewirkt
würde,
zu verhindern. Dadurch ist es möglich,
jegliche Fehlfunktion oder dgl., die andernfalls durch die Stauberzeugung
oder dgl. bewirkt würde,
zu vermeiden.
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Dementsprechend ist es möglich, die
Lebensdauer des Magnetventils 10 weiter zu verbessern,
so dass es über
längere
Zeit verwendet werden kann.