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Elektromagnetisch betätigtes Ventil Die Erfindung bezieht sich auf
ein elektromagnetisch betätigtes Ventil mit einer Ventilstange, deren Verlängerung
mehrere durch Zwischenstücke starr verbundene Magnetanker trägt, denen entsprechend
viele voneinander unabhängige Magnetspulen zugeordnet sind, die einen zumindest
ihrer Höhe entsprechenden Abstand voneinander haben und wobei das Magnetfeld der
dem Ventil zugekehrten inneren Spule allein wirksam werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Regelventil mit stufenweiser
Regelung zu schaffen, das mit handelsüblichen Meßgliedern arbeiten kann.
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Die Erfindung besteht darin, daß jeder dem vorausgehenden, dem Ventilkörper
zugewandten inneren Magnetanker folgende äußere Magnetanker eine um die vorgegebene
jeweilig gestufte Hubhöhe des Ventils verringerte Länge hat und daß der äußere,
nach der obigen Angabe verkürzte Anker alsdann noch die Länge oder nahezu die Länge
des ihm zugeordneten Magnetfeldes hat.
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Bei Anwendung dieser Lehre zur Schaffung eines Regelventils müßte
in einem bekannten elektromagnetisch betätigten Steuerventil in jeden Stromkreis
ein Thermostat eingeschaltet werden. Dabei müßte der vorausgehende Thermostat abschalten,
nachdem der Thermostat des nachfolgenden Magneten eingeschaltet hat, da sonst Gegenkräfte
der vorausgehenden Magnetspule wirksam würden. Diese Gegenkräfte würden das Hereinziehen
des nächstfolgenden Ankers in dessen Magnetspule behindern. Unter Berücksichtigung
der vorgenommenen Bemessungen der Magnetfelder und der Anker bleibt beim Gegenstand
der Erfindung der vorhergehende Anker in seinem Magnetfeld, ohne dieses zu verlassen,
so daß Gegenkräfte nicht auftreten können.
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Bei einem ähnlichen bekannten Ventil gelten die gleichen Gesichtspunkte.
Würden die Wechselschalter dieses bekannten Ventils beibehalten, müßten eigene Überlappungsschalter
hinzugefügt werden mit einer eigenen Betätigungsschaltung. Dies würde die Anordnung
wesentlich komplizierter gestalten als nach der Erfindung.
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In einem. anderen bekannten elektromagnetisch betätigten Ventil ist
zwar eine gewisse Unterschiedlichkeit der Magnetanker ersichtlich, bei ihr sind
aber auch die Magnetspulen untereinander verschieden, weil sie der jeweiligen Hubhöhe
des Ventils angepaßt sind. Magnetspulen müssen aber, da diese der Erwärmung und
anderen Beanspruchungen unterliegen, im Gegensatz zu den Magnetankern, ausgewechselt
werden. Beim Gegenstand der Erfindung können aber die Spulen die gleiche Länge haben,
was für die Austauschbarkeit und Lagerhaltung wünschenswert ist. Darüber hinaus
sind die Anker dieser bekannten Ventile nicht starr, sondern durch Mitnehmer kettenartig
miteinander verbunden. Auf diese Mitnehmer und auf die Anordnung von Ringnuten in
den Ankern, in die die Mitnehmer eingreifen, und auf die Anordnung von je einer
Feder zwischen zwei benachbarten Ankern konnte beim Gegenstand der Erfindung verzichtet
werden.
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In einem anderen Ventil bekannter Bauart verläßt die Stirnfläche des
Ankers die ihr zugeordnete Ankerplatte beim Zuschalten der zweiten Schaltstufe.
Dadurch entstehen bereits in der zweiten Schaltstufe magnetische Gegenkräfte; diese
Gegenkräfte würden beim Zuschalten weiterer Schaltstufen noch größer werden, und
es müßte, sofern das Ventil mit mehr als zwei Schaltstufen ausgestattet sein soll,
ein weiterer Anker eingesetzt werden, wozu die Lehre der dieses Ventil behandelnden
Druckschrift keinen Anhalt gibt.
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Ferner sind mehrere elektromagnetisch gesteuerte Ventile mit nur einer
Magnetspule bekannt, deren Schaltstufen durch Veränderung der elektromagnetischen
Kraft bestimmt werden. Beim Gegenstand der Erfindung können in jedes Magnetfeld
Kraftreserven eingebaut werden, so daß bei Spannungsschwankungen die Stellung des
Magnetankers sich nur um den vernachlässigbaren Schlupf verändert. Bei den bekannten
Ausführungen ist jedoch der Einbau dieser Reserve nicht möglich, da der jeweiligen
elektromagnetischen Kraft immer eine gleich große Federkraft entgegenwirkt.
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Schließlich ist noch eine Ausführung bekannt, die aber deswegen komplizierter
ist, weil auch die Magnetspulen bewegt werden müssen, und die eine Rollenführung
erfordern. Darüber hinaus kann diese Anordnung wegen des Gewichtseinflusses nicht
in jeder Stellung eingebaut werden, es sei denn, man baut Gewichtsausgleiche
in
Form von Federn ein, die aber für jeden Einbaufall neu berechnet werden müßten.
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Um eine Möglichkeit zu schaffen, den Durchgangsquerschnitt des Ventils
in jeder Stufe auf einfache Weise festzulegen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen,
daß das auf der gemeinsamen Ankerachse angeordnete Verschlußstück auf der Ventilsitzseite
der Anzahl der Schaltstufen entsprechend viele, im Querschnitt verschiedene, in
der axialen Höhe den einzelnen Schaltstufen entsprechend angepaßte Ansätze aufweist,
derart, daß der zu einer Zwischenschaltstufe gehörende Ansatz bei angezogenem oder
angezogenen Magnetankern noch in den Ventildurchgang hineinragt. Solche Verschlußstücke
sind an sich bekannt.
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Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, Vorkehrungen zu treffen,
damit das Ventil in der ersten Schaltstufe rasch, in jeder anderen jedoch kontinuierlich
und langsam öffnet, wodurch ein weiches übergehen z. B. von der kleinen zur größeren
Brennerflamme einer Gasfeuerstätte gewährleistet ist. Dies wird erfindungsgemäß
dadurch erreicht, daß die Stromkreise aller der dem Ventil zugekehrten inneren Magnetspule
folgenden Magnetspulen unter jedesmaliger Zwischenschaltung eines NTC-Widerstandes
einander parallel geschaltet sind, der Stromkreis der dem Ventil zugekehrten Magnetspule
jedoch unmittelbar an das Netz angeschlossen ist und daß auch die Stromkreise der
beiden inneren Magnetspulen parallel geschaltet sind.
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NTC-Widerstände zur Steuerung von Auf-Zu-Magnetventilen mit einem
Tauchanker sind bereits bekannt. Bei einem solchen Auf-Z-Ventil wird jedoch ein
langsames Öffnen deswegen nicht erzielt, weil der ruhende Gasdruck auf dem Ventilsitz
einem langsamen Öffnen entgegenwirkt. Erst wenn der Widerstandswert des in den Kreis
der Magnetspule geschalteten NTC-Widerstandes infolge Erwärmung durch den ihn fließenden
Strom so weit abgefallen ist, daß die Magnetspule nahezu voll erregt wird, öffnet
das Ventil plötzlich. Der gewollte Effekt wird also nicht oder nur ganz unvollkommen
erreicht.
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Demgegenüber wird beim Erfindungsgegenstand die Magnetspule der ersten
Schaltstufe direkt an Spannung gelegt.- Das Ventil öffnet sofort gegen den Gas-
und Federdruck und führt einen durch das Magnetfeld der inneren Spule begrenzten
Hub aus. Durch das nunmehr zum Teil geöffnete Ventil tritt ein annähernder Druckausgleich
über und unter dem Verschlußstück ein, worauf - weil das Verschlußstück vom Gasdruck
entlastet ist - dann das weitere, jedoch langsame Öffnen in den übrigen Schaltstufen
infolge des bekannten Verhaltens der NTC-Widerstände stattfinden kann.
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Um das durch die Netzfrequenz bedingte Brummen von mit Wechselstrom
erregten Magneten zu unterbinden, ist als weitere Ausgestaltung des Erfindungsgedankens
vorgesehen, daß ein Gleichrichter in an sich bekannter Weise in den Eingang zu allen
Stromkreisen der Magnetspulen geschaltet ist.
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Die Zeichnung gibt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wieder, und
zwar zeigt diese ein im Vertikalschnitt schematisch dargestelltes, zwei Zwischenschaltstellungen
gestattendes, elektromagnetisch betätigtes Ventil in maximaler Offenstellung mit
dem zugehörigen Schaltschema.
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In der Zeichnung bedeutet 1 das Ventilgehäuse, 2 das Verschlußstück,
3 dessen Ventilsitz mit einem Ventildurchgang 3' und 4 eine nur mit dem Inneren
des Ventilgehäuses 1 in Verbindung stehende Hülse. Die Hülse 4, die aus unmagnetischem
Material bestehen muß, umhüllt die mit dem Verschlußstück 2 über Zwischenstücke
7', 7", 7"' miteinander verbundenen Magnetanker 6', 6", 6"'. Auf der dem Ventilsitz
3 zugekehrten Seite des Verschlußstücks 2 sitzen an diesem zwei Ansätze 8, 9. Der
Ansatz 8 ist im Querschnitt größer als der Ansatz 9. In ihrer axialen Höhe sind
beide Ansätze einander gleich und entsprechen damit den vorgegebenen, hier als gleich
groß gewählten Hubhöhen der Zwischenschaltstufen. Zwischen dem Oberteil des Ventilgehäuses
1 und der dem Ventilsitz 3 abgekehrten Seite des Ventilstücks 2 ist als Belastungsmittel
eine Feder 27 angeordnet. Mit 10', 10", 10"' sind drei voneinander unabhängige
axial übereinanderliegende, von der Hülse 4 axial durchgriffene Spulen gleicher
Höhe bezeichnet. Abstandshülsen 11, 12 aus nichtmagnetischem Material sind zwischen
die Spulen 10', 10", 10"' eingefügt. Jede Spule 10', 10", 10"' ist radial beiderseitig
mit kreisförmigen Kraftschlußscheiben 13, 13', 14 aus magnetischem Material
belegt. Sämtliche Spulen und Kraftschlußscheiben werden von einem Rohrstück 16 umgeben,
das ebenfalls aus magnetischem Material besteht.
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Wie die Zeichnung noch erkennen läßt, sind die drei Magnetanker 16',
16", 16' und die zwischen diesen liegenden Zwischenstücke 7", 7"' in ihrer
Höhe voneinander verschieden, und zwar ist jeder auf den vorausgehenden inneren
Magnetanker folgende äußere Magnetanker um die vorgegebene, hier für jede einzelne
Schaltstufe gleich groß gewählte Hubhöhe verkürzt, das Zwischenstück 7"' hingegen
um die gleiche Hubhöhe gegenüber dem Zwischenstück 7" verlängert. Damit wird erreicht,
daß jeder Magnetanker das ihm zugeordnete, von den Spulen 10'; 10", 10"' erzeugte
Magnetfeld kurzschließt, ohne dieses beim Zuschalten weiterer Schaftstufen zu verlassen,
und dies um so weniger, wenn in an sich bekannter Weise das freie Magnetfeld durch
nicht dargestellte Kraftschlußhülsen zusätzlich begrenzt wird.
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Die elektrische Schaltung zur Betätigung dieses Mehrstufenventils
ist folgendermaßen aufgebaut: Mit dem Schließen eines Hauptschalters 22 wird die
dem Ventilsitz 3 am nächsten liegende innere Magnetspule 10' direkt an den Gleichstromausgang
eines Gleichrichters 21 angeschlossen. Parallel zu der Spule 10' ist ein Stromkreis
geschaltet, der in Serienschaltung einen Ruhekontakt 24, 25 eines Thermostaten 23,
einen NTC-Widerstand 20 und die Spule 10" für die zweite Schaltstufe des Ventils
enthält. Parallel zu der Spule 10" ist ein weiterer Stromkreis geschaltet,
der in Serienschaltung einen Ruhekontakt 24', 25' eines weiteren Thermostaten 23',
einen weiteren NTC-Widerstand 20' und die Spule 10"' für die dritte Schaltstufe
des Ventils enthält.
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Die Wirkungsweise des Ventils ist wie folgt: Mit dem Schließen des
Hauptschalters 22 wird zunächst die Spule 10' voll erregt, wodurch das Ventil augenblicklich
gegen den Gasdruck und den Druck der das Verschlußstück 2 belastenden Feder 27 so
weit geöffnet wird, daß der Ansatz 8 noch in den Ventildurchgang 3' hineinragt.
Dieser erste Teilhub des Ventils erfolgt sofort und ist durch das Magnetfeld der
Spule 10' begrenzt. über und unter dem Verschlußstück wird alsdann sehr schnell
ein annähernder Druckausgleich hergestellt und das Verschlußstück damit vom Gasdruck
entlastet. Gleichzeitig mit
dem Einschalten des Hauptschalters 22
beginnt auch in dem Stromkreis der zweiten und später in dem der dritten Schaltstufe
ein - infolge des hohen Kaltwiderstandes der in diesen Stromkreisen liegenden NTC-Widerstände
20, 20' - anfangs noch sehr schwacher Strom zu fließen. Infolge des durch die Erwärmung
sich kontinuierlich verringernden Widerstandswertes der NTC-Widerstände 20, 20'
erhöht sich der durch die Spulen 10", 10"' fließende Strom, wodurch die entsprechenden
Anker 6", 6"' in das nun jeweils stärker werdende Magnetfeld langsam und kontinuierlich
hineingezogen werden. Das kontinuierliche Anheben des Verschlußstücks vollzieht
sich zufolge der rascheren Erwärmung des NTC-Widerstandes 20 und darauf zufolge
der weiteren zunehmenden Erwärmung des NTC-Widerstandes 20'. Während in der ersten
Schaltstufe der Durchgangsquerschnitt des Ventils bestimmt wird durch die Abmessungen
des in den Ventildurchgang hineinragenden Ansatzes 8, wird der Durchgangsquerschnitt
in der zweiten Schaltstufe bestimmt durch die Abmessungen des in den Ventildurchgang
allein noch hineinragenden Ansatzes 9. In der letzten Schaltstufe ist der Ventildurchgang
nicht mehr gedrosselt.
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Ist z. B. die als maximal zulässig erachtete Raumtemperatur in einer
gasbeheizten Feuerstätte erreicht, die Anheizperiode also beendet, dann schaltet
der Thermostat 23' die Spule 10"' ab, und das Verschlußstück wird, verstärkt durch
die Wirkung der Feder 27, so weit abfallen, daß der Ansatz 9 wieder in den Ventildurchgang
3' hineinragt. In dieser Stellung wird das Verschlußstück bleiben, weil nun wieder
das Magnetfeld der Spule 10" den Anker 6" festhält. Fällt dennoch die Raumtemperatur
nicht, so schaltet der Thermostat 23 die Spule 10" ab. Der Ventildurchgang wird
nunmehr durch den in ihn hineinragenden Ansatz 8 noch weiter verengt. Beim Unterschreiten
des unteren Temperatursollwertes wird über den Thermostaten 23 der die Spule 10"
beherrschende Stromkreis wieder geschlossen und der Anker 6" erneut kontinuierlich
in diesen hineingezogen, also angehoben. Der Ventilquerschnitt wird demzufolge wieder
vergrößert, weil nur noch der Ansatz 9 in ihn hineinragt.
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Bei Stromausfall geht das Ventil augenblicklich oder bei Anwendung
von an sich bekannten Bremsmitteln innerhalb einer vorbestimmbaren Zeit in Schließstellung.
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Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt.
So könnten noch weitere Schaltstufen eingefügt werden, oder es könnte auch eine
Schaltstufe entfallen. Auch könnten die einzelnen Hubhöhen voneinander verschieden
sein. Dies würde allerdings eine Änderung der Abmessungen der Magnetanker und der
Spulen sowie der Höhe der Ventiltelleransätze bedingen.