-
Elektromagnetisches, schnell schließendes Ventil Die Erfindung betrifft
ein elektromagnetisches, schnell schließendes Ventil, das durch einen Permanentmagneten
geschlossen oder geöffnet gehalten wird und Vakua, Gase oder Flüssigkeiten vorzüglich
über eine elastische Dichtung oder über eine Kegel-, Nadel- oder dergleichen Dichtung
absperrt.
-
Derartige elektrisch und auch automatisch gesteuerte Ventile sind
in der Vakuumtechnik und überall, wo der Fluß strömender Medien ein- und ausgeschaltet,
gesteuert oder geregelt wird, von großer Bedeutung. Die Ventile gestatten eine Fernbedienung,
so daß kürzeste Rohrleitungen (kleiner Strömungswiderstand) ermöglicht werden. Ein
Verriegeln zur Vermeidung unbeabsichtigter falscher Betätigung und Programmsteuerungen
sind einfach durchführbar. In vielen Anwendungsfällen, z. B. als Vakuumventil zum
sofortigen Abriegeln von Lufteinbrüchen, sollen die Ventile in möglichst kurzer
Zeit schließen können.
-
Es sind bereits Ventile bekannt, die einen im Ventilinnenraum angeordneten
Elektromagneten besitzen (deutsche Patentschrift 1049 654). Durch besondere Maßnahmen
wird über Hebel und Federn ein schnelles Schließen erreicht. Wegen der relativ großen
Masse der zu bewegenden Teile ist eine Verringerung der Schließzeit begrenzt und
von der Größe der zur Verfügung stehenden Schließkraft abhängig. Diese Schließkraft
wird von einer Feder geliefert, damit bei Stromausfall das Ventil geschlossen werden
kann und geschlossen bleibt. Demzufolge muß im geöffneten Zustand der Elektromagnet
ständig erregt werden, was einen dauernden elektrischen Gleichstrom erforderlich
macht (deutsche Patentschrift 969 107). Es sind auch Ventile bekannt, die
als Anker einen Permanentmagneten enthalten, der die Wirkung des Elektromagneten
unterstützt (deutsche Patentschrift 1084 096). Ventile, bei denen ein Permanentmagnet
das Ventil geschlossen hält und zum Öffnen der Permanentmagnet durch einen gleichsinnig
gepolten Elektromagneten abgestoßen werden soll, arbeiten unzuverlässig. Bei zu
großen Stromstärken, also zu großer Erregung des Elektromagneten, wird auch bei
gleichsinniger Polung der Permanentmagnet wieder angezogen.
-
Die Erfindung bezweckt, eine Ventilkonstruktion anzugeben, bei der
die angedeuteten Nachteile vermieden oder stark vermindert werden. Dabei sind die
äußeren Abmessungen der neuen Ventile kleiner, was den Einbau an engen Stellen vereinfacht
und ein Ausheizen erleichtert. Die Betätigungszeit der neuen Ventile ist extrem
klein. Außerdem ist kein dauernder elektrischer Strom erforderlich, um das Ventil
geschlossen oder geöffnet zu halten. Die Herstellung und Wartung der neuen Ventile
ist einfacher, da keine mechanischen Führungen, Gelenke od. dgl. für den beweglichen
Teil erforderlich sind.
-
Bei der Erfindung ist das bekannte Merkmal, daß ein frei beweglicher,
zylindrisch geformter Permanentmagnet zum Schließen des Ventils dient, angewandt.
Ebenso ist das bekannte Merkmal, daß das Ventilgehäuse zum Teil aus einem topfförmigen,
zentrisch durchbohrten Elektromagneten besteht, übernommen worden.
-
Nach der Erfindung besteht der zum Schließen dienende, bewegliche
Teil aus einem radialmagnetisierten Zylindermagneten mit einem Eisenkern als Südpol
und einem Eisenmantel als Nordpol, wobei das eine Ende des Zylindermagneten durch
dessen eigene Magnetkraft über eine Dichtung gegen einen den Abmessungen des Zylindermagneten
angepaßten, topfförmigen Elektromagneten gedrückt wird und dieser Elektromagnet
in Richtung seiner Mittenachse durchbohrt ist und an seiner dem Zylindermagneten
entgegengesetzten Seite einen rohrförmigen Ansatz als Ventilanschluß enthält und
ein zweiter gleichartiger Elektromagnet über eine Hülse derart mit dem ersten Elektromagneten
verbunden ist, daß ein Abstand der Größe von etwa einem Viertel des Innendurchmessers
des Ventilanschlusses zwischen dem zweiten Elektromagneten und dem durch Nuten entsprechender
Größe aufgeschlitzten anderen Ende des Zylindermagneten besteht und der jeweils
nicht mit dem Zylindermagneten im Eingriff stehende Elektromagnet zum Öffnen bzw.
Schließen des Ventils durch einen Stromstoß erregt wird.
-
Bei diesem Aufbau wird zum Öffnen oder Schließen des Ventils nur ein
einziger Bauteil - der Zylindermagnet -, also eine relativ kleine Masse über einen
kleinen Weg bewegt. Hierzu steht wegen des Impulsbetriebes eine sehr große Beschleunigungskraft
zur Verfügung, was eine Schaltzeit in der
Größenordnung von 0,1
Millisekunden möglich macht. Der topfförmige Elektromagnet enthält relativ wenig
Eisen und eine Spule mit relativ wenig Windungen, wodurch die genannte kurze Zeit
erreichbar ist. Trotz der kleinen Abmessungen der Elektromagneten ist wegen der
impulsförmigen Erregung die Strombelastung der Spule und auch die erzielbare Magnetkraft
äußerst groß. Der kurze Eisenweg im topfförmigen Elektromagneten stellt dem vom
angezogenen Zylindermagneten ausgehenden magnetischen Fluß einen geringen Widerstand
entgegen, so daß auch nach der Beendigung des elektrischen Stromes durch den Elektromagneten
der Zylindermagnet mit einer Kraft von beispielsweise 10 kp/cm2 abgedichteter Fläche
(bei dem größtmöglichen Innendurchmesser des Ventilanschlusses) gegen den Elekromagneten
gedrückt wird. Wird der Durchmesser der Dichtung von beispielsweise 12 mm auf 3
mm verringert, dann kann ein derartiges Ventil bei allerdings entsprechend kleinerem
Durchlaßquerschnitt einen Druck von mehr als 100 at bewältigen. Beim Schließen oder
Öffnen des Ventils kann der Zylindermagnet nicht elastisch zurückprallen, da die
magnetische Kraft im Zeitpunkt des Aufpralls infolge des dann noch durch den Elektromagneten
fließenden elektrischen Stromes wesentlich größer als oben angegeben und auch größer
als die elastischen Kräfte ist. Eine mechanische Führung des Zylindermagneten ist
nicht erforderlich, da auch bei horizontaler Lage des Ventils der Zylindermagnet
durch magnetische Kräfte geführt und zentriert wird.
-
Eine andere Art des Ventils nach der Erfindung arbeitet als Zweiwegventil,
indem jedes Ende des Zylindermagneten über Dichtungen jeweils einen der durch die
Mitten der Elektromagneten auslaufenden Ventilanschlüsse schließen kann oder den
Durchgang zu einem dritten Ventilanschluß, der durch die die Elektromagneten verbindende
Hülse geführt ist, herstellen kann.
-
Auf diese Weise kann mit nur einem Ventil ein Behälter beispielsweise
von einer Vorvakuumpumpe auf eine Hochvakuumpumpe umgeschaltet werden.
-
Bei einem erfindungsgemäßen Ventil wird der Strömungswiderstand verringert,
indem auf jedem Ende des Zylindermagneten zentrisch je ein Kegel mit einem Durchmesser
der gleichen Größe des Innendurchmessers der Ventilanschlüsse und einem Winkel von
45 Grad zwischen dem Kegelmantel und der Mittenachse angebracht ist, die Innenwand
der Hülse in den an die Elektromagneten grenzenden Bereichen parallel zu dem genannten
Kegelmantel verläuft und die Nuten an dem nicht zum Schließen des Ventils benutzten
Ende des Zylindermagneten derart erweitert sind, daß nur vier schmale Stege übrigbleiben.
-
Ein Ventil nach der Erfindung mit möglichst kleiner Betätigungszeit
bei möglichst großer Durchlaßöffnung wird dadurch erzielt, daß innerhalb einer gemeinsamen
Hülse mehrere, vorzüglich 7, 13, 19 usw. Magnetsysteme, bestehend aus je zwei Elektromagneten
und einem Zylindermagneten, untergebracht sind.
-
Um z. B. bei einem Plattenventil einen Durchlaß von 80 mm Durchmesser
zu öffnen, muß die Platte um mindestens 20 mm bewegt werden. Dies erfordert eine
längere Zeit und wegen der größeren Endgeschwindigkeit einen größeren mechanischen
Stoß als bei der Anwendung von sieben Platten, die vergleichsweise nur 8 mm weit
bewegt werden müssen.
-
Die Herstellung des Ventils nach der Erfindung läßt sich vereinfachen
und die Wirkung verbessern, indem beim Zylindermagneten die Zwischenräume zwischen
dem Magnetwerkstoff und dem Eisenkern bzw. dem Eisenmantel mit Eisenpulver ausgefüllt
sind.
-
Dadurch wird dem magnetischen Fluß ein geringerer Widerstand entgegengesetzt,
ohne daß eine genaue und feine Bearbeitung der Einzelteile des Zylindermagneten
erforderlich wird. Außerdem wird durch das Eisenpulver die verschieden große thermische
Dehnung von Magnetwerkstoff und Eisen ausgeglichen.
-
Einige Ausführungsformen des elektromagnetischen, schnell schließenden
Ventils nach der Erfindung sind in den F i g. 1 bis 4 schematisch dargestellt.
-
F i g. 1. stellt als Schnitt längs der Mittenachse ein Plattenventil
dar und enthält beispielsweise das elektrische Schaltbild für die Steuerung mittels
zweier Druckschalter und die Anzeige des Betriebszustandes. Drehteil l bildet den
Eisenkern des topfförmigen Elektromagneten und enthält eine Bohrung, die in den
rohrförmigen Ventilanschluß ausläuft. Spule 2 mit den in Richtung des Ventilanschlusses
herausgeführten Stromzuführungen wird zweckmäßig innerhalb Teill unter Vakuum mit
einem aushärtbaren Gießharz getränkt und dadurch memanisch fest und frei von Hohlräumen
mit Teill verbunden. Um ein Ausheizen des Ventils zu ermöglichen, müssen der Spulenkörper,
die Drahtisolation und das Gießharz mindestens bis 200'C
temperaturbeständig
sein. An Stelle einer Ventilplatte enthält das Ventil den Zylindermagneten 3 (vorzüglich
Oxydkeramik), der mit den Scheiben 4 und 5 verklebt ist. Die Scheiben 4 und 5 sind
mit dem Eisenkern 6 und dem Eisenmantel 7 verklebt. Der Zwischenraum zwischen den
Teilen 6, 3 und 7 ist durch eingeschlemmtes Eisenpulver ausgefüllt. Erst nach dem
Zusammenbau der Teile 3 bis 7 wird Teil 3 so magnetisiert, daß der Kern 6 den Südpol
S und der Eisenmantel 7 den Nordpol N des Zylindermagneten bilden. Wird mit einem
Stromstoß durch die Spule 2 der Elektromagnet so erregt, daß eine entgegengesetzte
Polarität auftritt, dann wird der Zylindermagnet angezogen und über die Gummidichtung
8 gegen die Teile 1 und 2 abgedichtet. Der Zylindermagnet wird dabei von selbst
auf magnetischem Wege geführt und zentriert, wenn der Außendurchmesser des Eisenkernes
6 und der Innendurchmesser des Eisenmantels 7 mit dem Innen- und Außendurchmesser
der Spule 2 übereinstimmen. Mit den Schrauben 9 wird über den Ring 10 und die Dichtung
11 der Elektromagnet (1-i-2) mechanisch fest und vakuumdicht gegen die Hülse 12
gespannt. Der aus den Teilen 13 und 14 bestehende zweite Elektromagnet ist mit der
Hülse 12 verklebt. Um bei der in F i g. 1 dargestellten geöffneten Stellung des
Ventils den Durchfiuß des strömenden Mediums zu ermöglichen, sind die Teile 5, 6
und 7 durch die Nut 15 aufgeschlitzt. Eine zweite, nicht dargestellte Nut verläuft
senkrecht zur Nut 15.
-
Der im unteren Teil von F i g. 1 gezeichnete Stromversorgungsteil
ist ohne Transformator und aus kleinen und billigen Einzelteilen aufgebaut. Zwischen
R und O werden 220 Volt Spannung und bei E der Erd- oder Schutzleiter angeschlossen.
über die
Sicherung Si, den Hauptschalter S1, den Widerstand R1,
den Gleichrichter Gl und die Ruhekontakte der Druckschalter S2 und S3 wird an dem
Kondensator Cl (z. B. 100 lF) ohne einen nennenswerten Stromverbrauch eine Spannung
von z. B. 310 Volt aufrechterhalten. Die Glimmlampe G1 leuchtet nur dann, wenn bei
O der Null-Leiter und bei R die Phase angeschlossen sind, und damit an der Spule
2 (14) keine Spannung gegenüber Erde liegt. Zum Schließen des Ventils wird
S2 kurzzeitig umgeschaltet, wobei der Ladestrom unterbrochen wird, was eine Überlastung
von Gl ausschließt. Gleichzeitig entlädt sich C1 über den Arbeitskontakt von S2
und die Spule 2. Erfolgt die Entladung innerhalb einer Zeit von beispielsweise 1
Millisekunde, so wird für diese Zeitspanne eine Leistung von etwa 5 Kilowatt an
den Elektromagneten abgegeben. Dies veranschaulicht die Größe des von dem Elektromagneten
erzeugten Kraftstoßes und die damit erzielbare kurze Betätigungszeit des Ventils.
Beim Drücken von S2 wird über C3 kurzzeitig an R3 eine positive Spannung gelegt,
wodurch die bis dahin leuchtende Glimmlampe G3 verlischt und die von C4 ausgehende
Spannung G2 zum Zünden und damit zur Anzeige bringt. Hat G2 gezündet, dann reicht
wegen des gemeinsamen Vorwiderstandes R4 die Spannung an G3 nicht zum Zünden dieser
Glimmlampe aus. Beim Drücken von S3 wird über C2 und R2 G2 gelöscht und G3 gezündet,
wodurch der in F i g. 1 dargestellte Betriebszustand (geöffnetes Ventil) angezeigt
wird. Sollen S2 und S3 sehr kurzzeitig nacheiander betätigt werden können, so erhält
an Stelle von Cl jeder Elektromagnet einen eigenen Kondensator. Damit wären nach
einem Stromausfall auch noch zwei Schaltungen des Ventils möglich. Die beispielsweise
angegebene Schaltung läßt sich auf verschiedene Arten variieren. So werden für elektronisch
gesteuerte Ventile die Schalter S2 und S3 zweckmäßig durch steuerbare Gleichrichter
ersetzt.
-
Mit F i g. 2 ist im Längsschnitt eine Ausführungsform als Zweiwegventil
veranschaulicht.
-
In F i g. 3 ist mit den Pfeilen die Ablenkung der Strömung an den
Kegeln 16 und den Phasen 17 angedeutet. Die schmalen Stege 18 halten den Zylindermagneten
genügend fest an dem Elektromagneten, da in diesem Betriebszustand keine nennenswerte
Kraft auf den Zylindermagneten wirkt.
-
In F i g. 4 ist in einem Längsschnitt und einem Querschnitt ein Ventil
mit sieben Magnetsystemen innerhalb einer gemeinsamen Hülse dargestellt. Die Figur
zeigt das Ventil im geschlossenen Zustand. In den Eisenplatten 19 und 20 sind die
Spulen 21 aufgenommen und mit Gießharz vergossen. Die Eisenplatte 19 ist vakuumdicht
mit der Hülse 22 verbunden. Die Eisenplatte 20 ist außerhalb der Spulen 21 an in
der Figur nicht angedeuteten Stellen auf einen jeweils möglichst großen Querschnitt
unterbrochen. Dadurch brauchen die Zylindermagneten 23 an den nicht zum Abdichten
benutzten Enden keine Nuten zu erhalten.