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Elektromagnetische Ventilsteuerung für bei tiefen Temperaturen arbeitende
Kolben-Gasexpansionsmaschinen Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Ventilsteuerung
für bei tiefen Temperaturen arbeitende Kolben-Gasexpansionsmaschinen, bei denen
die bewegten Teile der Ventile mindestens teilweise als Anker von gesteuerten Elektromagneten
ausgebildet sind.
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Bei bekannten Kolbenmaschinen zur Kälteerzeugung durch arbeitsleistende
Entspannung von Gasen bei tiefsten Temperaturen erfolgt die Steuerung durch rein
mechanische Betätigung der Ventile. Dabei werden Einlaß- und Anslaßventil entweder
durch getrennte Steuerstangen oderdurch gesonderte Hubbewegung und Drehbewegung
einer einzigen Steuerstange bewegt. Da bei den geforderten tiefen Betriehstemperaturen
(ungefähr 20' K) eine Schmierung von belasteten, aufeinandergle-itenden oder ineinanderggeführten,
kraftübertragenden Zwischengliedern nicht möglich ist, sind zum Teil umständliche
konstruktive Maßnahmen notwendig; trotzdem tritt bei längerem Betrieb e#n unerwünscht
hoher Verschleiß auf. Außerdem ist es schwierig, höhere Betriebsdrehzahlen zu erreichen.
Da das Einlaßventil in der Hochdruckoraszu-führung liegen muß, besteht im allgemeinen
noch die weitere Schwierigkeit der gasdichten Durchführung dür Ventilbetätigung
inden Hochdruckraum bei tiefer Temperatur.
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Ein Teil dieser Schwierigkeiten wiTd bei bekannten Ventilsteuertingen
dadurch vermieden, daß die Steuerstanuen nur auf Zug beansprucht werden und keine
weiteren kraftübertraaenden Teile mehr vorhanden sind. Auch der Kolben arbeitet
bei der Ab-
wärtsbewegung; dadurch wird die Kolbenstange CI im
ebenfalls
nur gezogen. Bei dieser Anordnung liegen die Abdichtungen von Kolbenstange und Steuerstangen,
insbesondere auch der Einlaßsteuerstange, gegen Hochdruck am warmen Ende. Die Toträume
in den Umhüllungsrohren der drei Stangen erstrecken sich daher von den tiefsten
Temperaturen bis zur Zimmertemperatur. Da beim Betrieb der Maschine dauernd Druckschwankungen
in diesen Toträumen auftreten, wird mit dem auf- und abströmenden Gas dauernd Wärme
nach unten bzw. Kälte nach oben transportiert. Dies ist ein Nachteil, der den Wirkungsgrad
der Maschine herabsetzt, insbesondere wenn man mit höheren Eingangdrücken arbeiten
will.
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Schließlich sind auch auf verschiedenen technischen Gebieten, beispielsweise
im Motoren- oder Dampfmaschinenbau, elektromägnetische Ventilsteuerungen bekanntgeworden.
Bei dies-en Steuereinricht,ungen werden die bewegten Teile der Ventile zumindest
teilweise durch die, Kraft eines Elektromagneten gegen die Kraft einer Feder entweder
zur öffnung- oder zur Schließung eines Ventils bewegt. Alle bekannten Ausführunasforinen
besitzen hierbei Führungen für die Ventilteller, beispielsweise Gleitlager, welche
mit dem durch das Ventil strömenden Medium in Berührung komm-en. Diese Art der Ventilsteuerung
iGt zwar den rein mechanischen Steuerung#en durch ihre konstruktiv einfache Ausbildung
überlegen und für Verbrennungsmotoren oder Dampfmaschinen durchaus brauch-bar. Sie
läßt sich jedoch nicht bei Kolben-Gasexpansionsmaschinen, die bei tiefen Temperaturen,
beispielsweise bei 20' K, arbeiten, anwenden. Die durch Reibung in den Gleitlagern
entstehende Wärine sowie die Verunreinigungen der Medien durch die Schmiermittel
der Gleitlager sind auf dem Tieftemperaturgcbiet nicht tragbar.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine konstruktiv einfache
elektromagnetische Ventilsteuerung für bei tiefen Temperaturen arbeitende Kolben-Gasexpansionsmaschinen
zu entwickeln, bei welcher die durch das Ventil strömenden Medien nicht mit warmen
oder geschmierten Bauelementen in Berührung kommen können.
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Durch die fest mit den bewegten Ventüteilen verbundenen Ventilfedern,
die eine mechanische Führung und Zentrierung überflüssig machen, wird jegliche Gleitreibung
während der Ventilbewegung vermieden.
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Wenn der Elektromagnet als Topfinagnet ausgebildet ist,
kann die Erregungswicklung aus dem Hochdruckgasraum heraus verlegt werden.
Die Übertragung der Kraft zur Ventilbetätigung in den Hochdruckgasraum geschieht
dann magnetisch, ohne daß eine isolierte Stromdurchführung in den Hochdruckraum
erforderlich ist.
Da die mit einem magnetischen Kreis erreichbaren
mechanischen Kräfte hauptsächlich wegen des mit wachsendem Luftspalt rasch zunehmenden
Streuflusses nur bei kleinen Luftspalten hinreichend groß werden, ist es besonders
zweckmäßig, die Gasdurchtrittsöffnung im Ventilsitz als Ringspalt auszubilden. Der
Ventilhub braucht dann, -um den ganzen Strömungsquerschnitt freizugeben, nur etwa
halb so groß zu sein als die Spaltweite. Ein kleiner Ventilhub ergibt den Vorteil
'kleiner V.entilgeschwindigkeit. Außerdem können die Ventilfedem relativ kurz und
gedrungen sein, wodurch diese besonders gut zur Zentrierung und Führung geeignet
sind. Geringe seitliche Abweichungen des Ventilkörpers von der genauen Zentrierung
können zugelassen werden, ohne daß das Ventil undicht wird, wenn die Dichtflächen
am Ventilsitz und am bewegten Ventilkörper als reine Planflächen ausgeführt sind.
Besonders vorteilhaft ist es dabei, die Planflächen am bewegten Teil aus metallischem
Werkstoff, insbesondere Stahl, zu fertigen und die ringförnügen Dichtflächen am
Ventilsitz mit Kunststoff zu -überziehen.
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An Hand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels soll
der Gegenstand der Erfindung noch ausführlicher erläutert werden.
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F i g. 1 zeigt die Anwendung des Erfindungsgegenstandes auf
ein Einlaßventil; F i g. 2 stellt die Anwendung des Erfindungsgedankens auf
ein Auslaßventil dar; F i g. 3 zeigt eine zweckmäßige elektrische Schaltanordnung
für den Betrieb der Ventile.
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Bei dem in der F ig. 1 dargestellten Einlaßventü bilden die
Teile 1, 2 und 3 einen Topf-Elektromagneten, der mit der Wicklung
4 erregt werden kann. Der Ventilkörper 5 ist an der Feder 6 zentriert.
Er verschließt mit seiner unteren Planfläche den im Ventilsitz 8 befindlichen
Ringspalt 7. Das Druckgas wird mit etwa 30 at bei 9 zugeführt
und tritt durch die Bohrungen 10 in den Zylinderraum 11, in dem es
auf etwa 1,5 at entspannt wird. Mit 12 sind die Klemmen bezeichnet, durch
die der elektrische Strom der Erregerwicklung 4 zugeführt wird.
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Bei Erregen des Topf-Elektromagneten durch Stromfluß in der Erregerwicklung
4 wird der Ventilkörper 5 gegen die Polflächen an den Teilen 1 und
3
erezogen und das Ventil dadurch gegen den Gasdruck und gegen die Federkraft
geöffnet. Der Ventilhub kann in der Größenordnung von 0,5 nim liegen. Die
Wicklung 4 ist durch einen Zwischenring 13 aus unmagnetischem Material, der
fest mit den Teilen 1
und 3 verbunden ist gasdicht gegen den Hochdruckraum
abgetrennt. Die öffnungszeit des Ventils liegt in der, Größenordnung von einer Millisekunde;
die Schließzeit ebenfalls. Dazwischen bleibt das Ventil etwa 10 bis
15 m/sec voll geöffnet.
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Bei dem in F i g. 2 dargestellten Auslaßventil strömt das Abgas
durch die Bohrungen 10 aus dem Zylinder 11 mit einem Druck von etwa
1,5 at heraus und bei 9 in die. Auspuffleitung. In diesem Fall ist
es vorteilhaft, das Ventil durch magnetische Kraft zu schließen und durch Federkraft
zu öffnen, da hierbei der Gasdruck. im Zylinder in Schließrichtung des Ventils wirkt..
Nach der Expansion des Gases reicht die Federkraft aus, um beim Abschalten des Magneten
das Ventil zu öffnen. Die ringspaltförmige Gasdurchtrittsöffnung 7 liegt
hier zwischen den beiden Polflächen an 1 und 3 und ist durch mehrere
Bohrungen 14 mit der Auspuffleitung 9 verbunden. Der magnetische Schluß geht
zwischen den Bohrungen über die verbleibenden Stege vom Kein zur Polfläche. Die
Feder 6a ist hier als Blattfeder ausgebildet.
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Die Wirkungsweise der in Fig. 3 dargestellten elektrischen
Schaltanordnung ist im folgenden für das Einlaßventil beschrieben. Sie läßt sich
ohne weiteres auf das Auslaßventil übertragen. Die Wicklung 4 des elektromagnetischen
Ventils ist hier durch die InduktivitätL dargestellt. E ist die Stromquelle,
C ein Kondensator, Ri und R2 sind Ohmsche Widerstände, K, und K, Schaltkontakte,
die beispielsweise von der Kurbelwelle der Maschine direkt betätigt werden.
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Bei geöffneten Kontakten K, bzw. K2 wird die Kapazität C über
R2 auf die Spannung E aufgeladen. Beim Schließen der Kontakte wird
C über R, und die Wicklung L wieder entladen. R, wird hierbei so Crewählt,
daß der Entladestrom zeitlich aperiodisch C
verläuft. Der Entladungsstromstoß
liefert kurzzeitig die verhältnismäßig große Kraft, die zum öffnen des Ventils erforderlich
ist. Das Ventil muß meist gegen einen gewissen Gasdruck geöffnet werden, während
nach dem öffnen der Druckunterschied verschwindend klein ist. Ferner muß die Massenkraft
des Ventiltellers bei der Beschleunigung überwunden werden. Die Wirkung der Ventilfeder
ist hierbei kaum von Bedeutung. Im geschlossenen Zustand des Ventils ist außerdem
der Luftspalt zwischen Polfläche und Anker am größten, so daß zur öffnung des Ventils
eine hohe Erregungsstromstärke benötigt wird. Diese ist jedoch nur kurzzeitig erforderlich,
etwa bis sich der Ventilteller in Bewegung gesetzt hat. Durch geeignete Wahl von
L, C und R kann der zeitliche Verlauf der Kondensatorentladung an
den Bewegungsablauf des Ventiltellers angepaßt werden. Die Wahl der Spannung
E erlaubt unabhängig davon die Anpassung an die erforderliche öffnungskraft.
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Nach der Entladung des Kondensators fließt ein konstanter Strom durch
die Spule L, der durch die Spannung E und die Widerstände R, und R2 bestimmt
ist, wobei der Ventilteller an den Polflächen festgehalten wird. Dieser Strom ist
im wesentlichen von R2 bestimmt, da R, sehr viel größer als Ri ist.
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Wegen des nunmehr geschlossenen magnetischen Kreises kann der Haltestrom
wesentlich kleiner sein als das bei der Entladung auftretende Strommaximum. Das
Ventil bleibt so lange geöffnet, bis der Stromkreis unterbrochen wird. Hierauf wird
der Kondensator sofort erneut auf die SpannungE aufgeladen. Die Anordnung von zwei
Kontakten K, und K', ist zweckmäßig, wenn man den Öffnungs-und den Schließzeitpunkt
unabhängig voneinander verstellen will, z. B. zur Regelung des Füllungsgrades der
Maschine.
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Bei der Verwendung solcher Ventile an Gasexpansionsmaschinen zur Kälteerzeugung
bei tiefsten Temperaturen kommt es sehr wesentlich darauf an, daß während des Betriebs
möglichst wenig Joulesche Wärme erzeugt Wird. Jede Wärmezufubr von außen bedeutet
einen unmittelbaren Verlust an Kälteleistung. In dieser Hinsicht ist die vorbeschriebene
Schaltungsanordnung sehr günstig; praktisch läßt sich die Wärmeentwicklung des Ventils
kleiner als einige Prozent der Maschinenleistung halten. Der Ohmsche Widerstand
der Ventilwicklung bei Raumtemperatur beträgt in der Praxis- beispielsweise nur
etwa ein. Zehntel von Ri und nimmt bei tiefen Temperaturen
noch
stark ab. Dadurch geht die Erzeugung von Joulescher Wärme ganz erheblich zurück.
Trotzdem wird der Entladungsvorgang kaum verändert, da er im wesentlichen von Ri
bestimmt wird. Der Hauptanteil der Wärmeerzeugung liegt dann nur noch bei den Wirbelströmen
im magnetischen Kreis, die sich durch bekannte Maßnahmen ebenfalls erheblich verringern
lassen. Die Wirbelströme haben allerdings nicht nur den nachteiligen Effekt der
Erzeugung Joulescher Wärme; sie ergeben vielmehr - wie sich in der Praxis
gezeigt hat - eine Stabilisierung der bewegten Teile gegen Verkippen.
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In einem speziellen Ausführungsbeispiel war die Spannung
E = 150 V. Der Kondensator C hatte eine Kapazität von
180 J, der WiderstandR1 betrug 6 bis 7 Ohm, der Widerstand
R, 100 bis 200 Ohm, die Erregerwicklung 4 hatte etwa 100 Windungen.