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Federloses magnetisches Hilfsventil zur Regelung des Druckes einer
Flüssigkeit Die Erfindung bezieht sich auf ein, federloses, in der einen Richtung
elektromagnetisch und in der Gegenrichtung durch Flüssigkeitsdruck betätigtes Hilfsventil
zur Regelung des Druckes einer Flüssigkeit in einem Durchlaß.
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Es sind bereits mit einer Kugel als Versehlußstück arbeitende Hilfsventile
dieser Art bekannt, bei welchen infolge der Ventilkugel eine Anpassung des Verschlußstückes
an die Sitzfläche erreicht wird, die jedoch den Nachteil haben, daß die vom Flüssigkeitsdruck
beaufschlagte Fläche des Verschlußstückes während des Hubes veränderlich ist. Das
bedeutet, daß die das Verschlußstück in Öffnungsrichtung beaufschlagende Kraft nicht
nur vom wirksamen Flüssigkeitsdruck abhängt, sondern gleichzeitig auch eine Funktion
des Hubes des Hilfsventils ist. Das gleiche gilt für andere bekannte Hilfsventile,
bei denen das ebenfalls als Kugel ausgebildete Verschlußstück elektromagnetisch
im Öffnungssinne beaufschlagt werden kann oder bei denen das Verschlußstück ein
in Schließrichtung durch eine Feder belasteter Kegel ist.
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Andererseits sind, insbesondere für grobe Regelungen als Zapfventile
an Wasserleitungen oder als Ventilregler für Dampflokomotiven, Ventilkonstruktionen
bekannt, bei denen zwischen dem Ventilstößel und dem Verschlußstück eine bewegliche
Verbindung derart vorgesehen ist, daß das Ventil gleichmäßig aufsitzen kann und
nicht eckt. Im einen Fall wird diese bewegliche Verbindung dadurch gebildet, daß
in einem glockenförmig ausgebildeten Ventilkopf ein elastisches Schlauchstück mit
Preßsitz eingesetzt und der Ventilstößel in das Schlauchstück mit Preßsitz eingeführt
ist; hierbei ist zwar die Verschlußfläche des Verschlußstückes praktisch eben ausgebildet,
jedoch müßte eine verhältnismäßig starke Kraft in Schließrichtung auf das Verschlußstüek
ausgeübt werden, wenn man unter elastischer Verformung des Schlauchstückes bei nicht
exakter Zentrierung des Verschlußstückes einen einwandfreien Ventilsitz erreichen
will. Darüber hinaus sind derartige Zapfventile ebensowenig wie die anderen bekannten,
für Dampflokomotiven bestimmten groben Schieber mit einer kugelgelenkartigen Aufhängung
des Verschlußstückes nicht dazu geeignet, als Hilfsventile zur Präzisionsregelung
eines Flüssigkeitsdruckes eingesetzt zu werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Hilfsventil der eingangs
beschriebenen federlosen Sauart so zu gestalten, daß die beaufschlagte Fläche des
Verschlußstückes während des Hubes zumindest 'in wesentlichen unverändert bleibt,
ohne den zuverlässigen Kontakt mit dem Sitz zu verlieren. Gleichzeitig soll das
neue Hilfsventil ungeachtet etwa vorhandener geringer Herstellungstoleranzen eine
gute Selbstanpassung des Verschlußstückes an die Sitzfläche und damit die Vermeidung
einer Gefahr des Flatterns auch dann gewährleisten, wenn die in Schließrichtung
wirkenden elektromagnetischen Kräfte nur sehr gering sind. und die Differenz zwischen
diesen elektromagnetischen Kräften und dem in Öffnungsrichtung wirkenden Flüssigkeitsdruck
während des Regelbetriebs stetig nach Null geht.
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Ausgehend von einem federlosen Hilfsventil der eingangs beschriebenen
Art ist die Erfindung zur Lösung dieser Aufgabe gekennzeichnet durch eine an sich
bekannte bewegliche Verbindung zwischen einem Ventilstößel und einem schalenförmigen,
eine ebene Verschlußfläche aufweisenden Verschlußstück, jedoch derart, daß das hohle,
im wesentlichen zylindrische Verschlußstück eine konkave, halbkugelförmige innere
Stirnfläche sowie eine sich daran anschließende axiale zylindrische Innenbohrung
mit einem größeren Durchmesser als dem des Ventilstößels aufweist und der Ventilstößel
mit seiner der Halbkugelfläche des Verschlußstückes angepaßten, ebenfalls halbkugelförmigen
konvexen Stirnfläche lose und frei schwenkbar ohne elastische, einen Preßsitz erzeugende
Mittel in das Verschlußstück eingesetzt ist.
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Durch diese Ausbildung wird erreicht, daß einerseits die Verschlußfläche
des Verschlußstückes -- wie bei einem Kolben - über den möglichen Hub des Hilfsventils
im wesentlichen konstant bleibt und daß andererseits in jeder Öffnungsstellung des
Ventils
eine definierte Radialströmung der Flüssigkeit erzielt
wird, die im Zusammenhang mit dem Fehlen elastischer Rückstellkräfte zwischen Ventilstößel
und dem lose daraufsitzenden Verschlußstück die Entstehung eines Flatterns vermeidet.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 einen Schnitt. durch ein mit einem Hilfsventil
nach der Erfindung ausgerüstetes Hauptventil zur Druckregelung, F i g. 2 einen Schnitt
durch das Verschlußstück des Hilfsventils sowie durch dessen Ventilsitz in vergrößertem
Maßstab und - F i g. 3 eins" Draufsicht auf die den Anker des Elektromagneten tragende
Membran in verkleinertem Maßstab.
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Nach F i g. 1 besteht das Druckregelventil 10 aus einem Hauptventil
11 und einem Hilfsventil 12 zur Regelung des Drucks einer das Hauptventil 11 passierenden
Flüssigkeit: Hauptventil 11 und Hilfsventil 12 sind in einem gemeinsamen
Gehäuse untergebracht, welches aus drei Gehäuseteilen 13; 14-und 15 zusammengesetzt
ist. Das Gehäuseteil 14 ist mit dem Gehäuseteil 15;und das Gehäuseteil 13 mit dem
Gehäuseteil 14 durch- nicht dargestellte Schrauben verbunden. -'-Das Gehäuseteil
15 weist eine im wesentlichen kreisförmige Oberfläche 16 auf, von der eine abgestufte
zentrale vertikale Bohrung 17 durch das Gehäuse bis zu einer Auslaßöffnung 18 verläuft.
Eine Querbohrung 19 kreuzt die vertikale Bohrung 17. Der Auslaß 18-und die Enden
der Bohrung 19 sind zum Anschluß - ari _ Rohrleitungen mit Gewinden 20 versehen.
Parallel ~zur Vertikalbohrung 17 ist ein Durchlaß 21 vorgesehen, der die Querbohrung
19 mit der Oberfläche 16 des :Gehäuseteils 15 verbindet und dessen Mündung-zum-
dichten Anschluß - an eine Öffnung 38 im Gehäuse-teil 14 mit-einem O-Ring 22 versehen
ist.
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Die Bohrung 17 wird von einer Zylinderwand 23 begrenzt, in deren Boden
ein Ventilsitz 24 gegen eine Schulter eingepreßt ist, .und nimmt einen*
Kolben 25 auf, der sich mit einem Verschlußstück 26 auf dem Sitz 24 abstützen kann
und-dessen oberer Teil mit 27 bezeichnet ist.
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Oberhalb des Kolbens 25 ist eine Druckkammer 28 angeordnet, während
unterhalb des Kolbens 25 eine ringförmige Ausnehmung 29 vorgesehen ist, die in der
Querbohrung 19 liegt. In einer axialen Bohrung 30 des Kolbens 25 ist ein durch eine
Feder 33 belasteter Hohlkolben -31--verschiebbar gelagert, der im Bereich der Druckkammer
28 einen Ringflansch 32 aufweist, zum Druckausgleich zwischen Kammer 28 und Querbohrung
19 dient und den Durchtritt von Druckflüssigkeit von der Hohlkolbenoberseite zum
Auslaß 18 erlaubt. Die Feder 33 spannt den Kolben 25 in Schließrichtung vor.
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Das Gehäuseteil- 14 weist eine im wesentlichen kreisförmige Bodenfläche
auf, die sich gegen die Oberfläche 16 des Gehäuseteils 15 anlegt, und ist mit einer
abgestuften Mittelbohrung 34 versehen, deren Achse mit der Achse. der Vertikalbohrung
17 im Gehäuseteil 15 zusammenfällt und in welche horizontale Bohrungen 35;_36 und
37 münden. Die Bohrung 37 ist mit dem Durchlaß 21 und mit der Druckkammer 28 -durch.zwei
Prosselstellen-38 bzw. 39 ver,-bunden. Die Bohrung 36 ist durch einen Stopfen 40
verschlossen, während die Bohrung 35 durch einen Entlüftungsstopfen 41 nur teilweise
verschlossen ist.
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Das Gehäuseteil 14 weist ferner eine mit Innengewinde versehene Öffnung
42 zur Durchführung der elektrischen Leitungen für die Magnetspule 43 auf,. wobei
noch zur Temperaturkompensation ein Thermistor 44 vorgesehen ist. Die Bohrung 34
ist mittels zweier dichtender Lager 47 und 48 in eine Naßkammer 45 und eine Trockenkammer
46 unterteilt. Die Dichtung 48 hat die Form einer manschettenartigen Membran und
besteht aus einem geeigneten flexiblen Material, z. B. Neopren. In den die Naßkammer
45 bildenden Abschnitt der Bohrung 34 ist ein den Ventilsitz 52, 53 bildender Einsatz
49 eingepreßt, der in F i g. 2 näher dargestellt ist und einen rechtwinkligen, die
Querbohrung 37 mit dem-Ventilsitz verbindenden Durchlaß 50 aufweist, welcher aus
zwei sich schneidenden, Bohrungen gebildet wird. Der Einsatz 49 weist ferner auf
seiner Außenfläche eine die Kammer 45 mit der Querbohrung 36 sowie der offenen Oberseite
des Ausgleichskolbens 31 verbindende Nut 51 auf.
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Der Ventilsitz auf der Oberseite des Einsatzes 49 wird von einer kreisringförmigen
Oberfläche 52 sowie einer sich daran anschließenden flach _ geneigten Konusfläche
53 gebildet und arbeitet mit der ebenen Verschlußfläche. 83 eines hohlen- schalenförmigen
Verschlußstückes 54 am Ende des Ventilstößels, 57 zusammen. Die Konusfläche 53 sorgt
für eine Verringerung des Strömungswiderstandes der zwischen Ventilsitz und Verschlußstück
austretenden Flüssigkeit. Das untere Ende des Stößels 57 ist halbkügel-_
förmig und liegt auf der dieser Halbkugelförzn -angepaßten konkaven, halbkugelförmigen
inneren Stirnfläche 81 _ des Verschlußstückes 54 auf, dessen zylindrische Innenwand
82 den Stößel- mit . Spiel umgibt, so daß das Verschlußstück leicht verschwenkbar
auf dem Stößel sitzt und sich bei Anlage auf den Ventilsitz selbst justieren kann.
Der Ventilstößel ist also lose ohne elastische, einen Preßsitz erzeugende Mittel
in das Verschlußstück eingesetzt.
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Das Lager 47 weist. eine - in. die Bohrung 34 eingesetzte und durch
einen O-Ring abgedichtete Lochscheibe 55 auf, die` gegen Axiälbewegung durch eine
Scheibe 56 und einen Sprengring blockiert ist, welcher in einer Ringnut der Wand
der Bohrung 34 sitzt: Durch die Scheiben 55 und 56 ist der Ventilstößel 57 mit Spiel
hindurchgeführt, welcher lediglich durch einen O-Ring 58 abgestützt wird. Dieser
O-Ring 58 liegt in einer Nut auf der Oberseite der Lochscheibe 55, in welcher er
durch die Scheibe 56 gehalten wird, und kann bei einer Axialverschiebung des Stößels
57 auf dem Umfang desselben abrollen. Auf diese Weise ist der Stößel 57,
dessen Axialhub im allgemeinen nicht mehr als 0,005 cm beträgt, im Lager 47 praktisch
reibungsfrei und gut abgedichtet geführt. Bei einer Axialverschiebung des Stößels
57 sind also nur die geringen Verformungskräfte der elastischen Dichtung 48 zu überwinden.
Das obere Ende des Stößels 57 sitzt in der Bohrung einer Messingstange 60, welche
in der elastischen Dichtung 48 eingeklemmt ist. Diese Dichtung 48 wird durch eine
Feder 59 gegen die Wand der Bohrung 34 gedrückt und stützt sich auf einer Ringschulter
dieser Bohrungswand ab.
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Das Gehäuseteil 13 ist aus einem nichtmagnetischen Material,
z. B. aus Aluminium; gegossen und:
dient zur Aufnahme eines topfförmigen,
mit einem hohlen Mittelschenkel 63 versehenen Magnetkerns 61, 62, in welchem
die Spule 43 und der Thermistor 44 untergebracht sind. Mit einem Umfangsflansch
64 stützt sich der Kern 61, 62 gegen eine Schulter am Gehäuseteil 13 ab und wird
durch einen Sprengring 65 gehalten.
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Der Anker des Magneten wird aus einer Scheibe 66 mit einer Hülse 67
gebildet, in die ein Rohr 68 aus nichtmagnetischem Material eingepreßt ist. Die
Ankerscheibe 66 liegt, ohne die innere Gehäusewand zu berühren, über den Magnetpolen,
und das Rohr 68 ragt frei durch den Mittelschenkel 63 des Kerns. Die Stange 60 ist
dicht, jedoch axial verschiebbar im Rohr 68 gelagert und liegt mit ihrem oberen
Ende an einer Schraube 69 an, die in das zu diesem Zweck mit einem Innengewinde
versehene Rohr 68 eingeschraubt ist. Eine auf dem herausragenden Gewindeende der
Schraube 69 sitzende Mutter 70 dient zur Sicherung. Auf diese Weise ist der Stößel
57 relativ zum Scheibenanker 66 axial justierbar.
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Ein mit Außengewinde versehener hohler Stopfen 71, der die Schraube
69 und die Mutter 70 abdeckt, verschließt eine obere Gehäuseöffnung, durch welche
Stangengewinde und Mutter zur Verstellung zugänglich sind.
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Der Scheibenanker 66 und damit das Rohr 68 sowie Stange 60 und Stößel
57 sind durch eine dünne Membran 72 aus nichtmagnetischem Material gegen eine seitliche
Bewegung gesichert. Diese Membran 72 ist, wie in F i g. 3 dargestellt, mit einer
Mittelöffnung 73 versehen, die sich dicht um die konische Hülse 67 an der Scheibe
66 anlegt. Ihre Außenkante stützt sich gegen die Innenwand des Gehäuseteils 13 ab.
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Damit die Membran 72 den Anker in axialer Richtung bewegbar in zentrierter
Lage festhalten kann, ist sie nach F i g. 3 mit kurvenförmigen Durchbrechungen 75
versehen, durch welche kurvenförmige biegbare Speichen 76 zwischen der Nabe 77 und
dem Rand 78 der Membran gebildet werden. Der Rand 78 stützt sich mit seiner Umfangskante
und mit seiner Oberseite gegen die Gehäusewand ab. Eine dünne Distanzscheibe 79,
die ebenfalls aus nichtmagnetischem Werkstoff besteht, ist zwischen die Ankerscheibe
66 und die Polflächen des Magnetkerns eingelegt, berührt jedoch das Rohr 68 nicht.
Sie stützt sich mit ihrer Umfangskante gegen die Gehäusewand ab und wird so zentriert
gehalten.
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Eine Drehung der Membran 72, der Distanzscheibe 79 und des Kerns 61
relativ zueinander und zum Gehäuse 13 wird durch einen nichtmagnetischen Stift 80
verhindert, der miteinander fluchtende Öffnungen in den Teilen 72, 66 und 79 durchsetzt.
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Die Öffnung in der Ankerscheibe 66, durch die der Stift
80 hindurchragt, hat einen größeren Durchmesser als der Stift 80,
damit bei einer axialen Verschiebung des Ankers möglichst keine Reibung auftritt.
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Durch den nur geringen Ankerhub von maximal z. B. 0,05 mm ist die
auf den Anker bei einer bestimmten Erregerstromstärke ausgeübte Kraft praktisch
über den ganzen möglichen Ankerhub konstant.
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Das beschriebene Druckregelventil arbeitet folgendermaßen: Die Flüssigkeit,
deren Druck zu regeln ist, wird durch die Querbohrung 19 des Hauptventils
11 geleitet, während der Auslaß 18 üblicherweise mit dem unter Atmosphärendruck
stehenden Flüssigkeitsreservoir verbunden ist. Der in der Querbohrung 19 herrschende
Druck wirkt in Öffnungsrichtung auf den Kolben 25 sowie über den Durchlaß 21, die
Drosselstelle 38, die Querbohrung 37 sowie die weitere Drosselstelle 39 auch in
der Druckkammer 28, so daß der Kolben 25 auch auf seiner Oberseite von diesem Druck
beaufschlagt wird. Da die wirksamen oberen und unteren Flächen des Kolbens 25 im
wesentlichen gleich groß sind, wird unter diesen Bedingungen der Kolben 25 beiderseits
vom gleichen Flüssigkeitsdruck beaufschlagt und durch die Feder 33 in die in F i
g. 1 dargestellte Schließlage gedrückt, in welcher das Verschlußstück 26 einen Flüssigkeitsaustritt
zum Auslaß 18 sperrt. Die erwähnte Gleichheit der Flüssigkeitsdrücke unterhalb und
oberhalb des Kolbens 25 herrscht allerdings nur dann, wenn keine Strömung von Flüssigkeit
durch die Drosselstelle 38 und damit kein Druckabfall längs dieser Drosselstelle
stattfindet. Das ist dann der Fall, wenn das Verschlußstück 54 des Ventilstößels
57 die Bohrung 50 des Einsatzes 49
unter der Wirkung des erregten
Magneten verschließt.
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Wenn dagegen der auf das Verschlußstück 54 wirkende Druck die in Schließrichtung
des Hilfsventils wirkende Magnetkraft übersteigt, wird der Stößel 57 entsprechend
angehoben, wobei jedoch die beaufschlagte Fläche des Verschlußstückes und damit
der Öffnungsdruck während des Hubes im wesentlichen unverändert bleiben, und die
Flüssigkeit dann unter dem Verschlußstück 54 in radialer Richtung, durch die Naßkammer
45, die Nut 51 sowie durch den Hohlkolben 31 zum Auslaß 18 abfließen. Durch den
dabei an der Drosselstelle 38 auftretenden Druckabfall wird der Druck in der Druckkammer
28 entsprechend reduziert, so daß der Flüssigkeitsdruck in der Querbohrung 29 überwiegt.
Wenn dieser Druckabfall die Kraft der Feder 33 übersteigt, wird der Kolben 25 angehoben,
und es kann nun Flüssigkeit aus der Querbohrung 19 durch das Auslaßventil 24, 26
in dem Maße abfließen, wie es zur Aufrechterhaltung des ursprünglichen Druckes in
der Querbohrung 19 erforderlich ist.
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Durch das beschriebene Hilfsventil mit seinem praktisch reibungsfrei
gelagerten Anker und Ventilstößel läßt sich daher durch Einstellen einer bestimmten
Erregerstromstärke für den Magneten ein ganz bestimmter Druck in der Querbohrung
19 vorgeben, der konstant zu halten ist.
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Durch Sperrung der Verbindung zwischen der Naßkammer 45 und dem Auslaß
18 sowie durch Anschluß der Querbohrung 36 an das Flüssigkeitsreservoir kann das
beschriebene Druckregelventil ohne weiteres auch zur Folgeregelung verwendet werden,
indem nämlich nunmehr der zu regelnde hydraulische Verbraucher an den Auslaß 18
angeschlossen wird.