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Elektromagnetisch betätigbares Dreiwegeventil Die vorliegende Erfindung
bezieht sich auf elektromagnetisch betätigbare Dreiwegeventile mit einem geführten
Anker, der an beiden Stirnseiten als Verschluß dient und sich unter Federdruck auf
einen Einlaßventilsitz legt, während er durch die Magnetkraft auf einen Auslaßventilsitz
gehoben wird.
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Die Erfindungsaufgabe besteht darin, ein solches Magnetventil mit
einer geringeren Magnetkraft zu betätigen, d. h., es kleiner und leistungsfähiger
zu machen.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das Magnetsystem eine
sattelförmige Kraft-Hub-Kennlinie aufweist, welche die Federkennlinie zweimal schneidet,
und daß der Anker als einen ringförmigen Totraum zwischen der an den Auslaßventilsitz
anschließenden Auslaßleitung und der Magnetspule abschließender Ringkolben ausgebildet
ist, dessen an seine innere und äußere Mantelfläche anschließende Luftspalte so
bemessen sind, daß nach dem Abheben des Ankers vom Einlaßventilsitz der Druck des
einströmenden Druckmittels den magnetischen Hub des Ankers unterstützt.
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Topfmagnete mit einer sattelförmigen Kraft-Hub-Kennlinie sind aus
der deutschen Patentschrift 847 465 an sich bekannt, die Kennlinie wird durch eine
Vertiefung im Gegenpol erreicht. Es ist ferner aus der USA.-Patentschrift 2 564
873 ein Magnetventil bekannt, bei dem eine Leitung in den Bewegungsraum des Ankers
hineinragt, ohne daß jedoch der Anker oder ein Teil von ihm als Ringkolben bezeichnet
werden könnte.
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Die Verwendung von Magneten mit sattelförmiger Kennlinie für die Betätigung
von Ventilen versprach jedoch bisher keinen Vorteil. Bekanntlich bestimmt sich die
Baugröße eines Magneten und die Menge des darin enthaltenen Eisens und Kupfers aus
dem Integral der Zugkraft über den Hub, dem sogenannten Arbeitsinhalt des Magneten.
Unter der üblichen Voraussetzung, daß die Betätigungskraft des Magneten in jeder
Hubstellung größer als die entgegengesetzte Federkraft sein muß, die Feder- und
Magnettrennlinie sich also nicht schneiden dürfen, ist dieser Arbeitsinhalt bei
einer eingesattelten Magnettrennlinie größer als bei einer ansteigenden Magnettrennlinie.
Erfindungsgemäß wird nun von dieser üblichen Voraussetzung abgegangen, indem ein
Magnet zur Verwendung gelangt, dessen eingesattelte Kennlinie die Federtrennlinie
zweimal schneidet. Die fehlende Betätigungskraft im mittleren Hubbereich wird dafür
aus dem Druckmedium des Ventils bezogen, nämlich durch einen deutlichen Druckunterstützungseffekt.
Es gelang somit, einen Magneten mit im Vergleich zum Stand der Technik kleinerem
Arbeitsinhalt einzusetzen und damit ein Magnetventil zu schaffen, das erheblich
kleiner und dazu leistungsfähiger ist.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in der nun folgenden
Beschreibung ausführlich erläutert. Als Ausgangspunkt der Erläuterung dient ein
in F i g. 1 und 2 schematisch dargestelltes Magnetventil nach dem Stand der Technik;
F i g. 3 und 4 zeigen in ähnlicher schematischer Darstellung die erfindungsgemäße
Ausbildung eines solchen Ventils; F i g. 2 und 4 stellen jeweils Querschnitte durch
die entsprechenden Ventilkörper entlang den Schnittlinien 11-II bzw. IV-IV dar;
F i g. 5 ist eine graphische Darstellung typischer Kraft-Hub-Kennlinien; F i g.
6 zeigt einen Längsschnitt durch ein Magnetventil nach der Erfindung.
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Bei dem bekannten Ventil nach F i g.1 ist der Topfmagnet nur schematisch
durch die äußere Schraffur angedeutet. 1 ist der Topfboden, 2 ist die Seitenwand
und 3 ist die Magnetwicklung. In dem Topf 1 vermag sich ein mit zwei viereckigen
Längsnuten 4 a und 4 b ausgestatteter Anker 4 zu bewegen. Er bildet mit der Seitenwand
des Topfes 2 einen zylindrischen Spalt 5, der zugleich Führungsspalt und Magnetfeldspalt
ist. Ein ebenfalls schematisch angedeutetes Ventilgehäuse 6 schließt den Bewegungsraum
7 des Ankers nach unten ab. Das Ventilgehäuse hat eine Zentralbohrung 8, welche
die Einlaßleitung darstellt. Entsprechend hat der Boden des Magnettopfes eine Zentralbohrung
9, welche die Auslaßleitung darstellt. Der Bewegungsraum 7 ist durch eine Steuerleitung
10 mit einem nicht dargestellten Druckmittelverbraucher verbunden. Pfeile deuten
die Strömungsrichtung
in den Leitungen an. An der Mündung in den
Bewegungsraum `l ist die Einlaßleitung 8 mit einem Einlaßventilsitz 11 in
Form eines Ringwulstes versehen. Ein zur Auslaßleitung 9 gehöriger Auslaßventilsitz
12 ist in gleicher Weise gebildet. Halbkugelförmige Dichtungen 13 und 14 sind an
den Stirnseiten des Ankers eingelassen. Eine Druckfeder 15 ist zwischen Anker und
Topfmagnetboden angeordnet und zum Teil in den Anker eingelassen.
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Es ergibt sich folgende Wirkungsweise: Solange der Magnet - wie im
Bild dargestellt - nicht erregt ist, legt sich die flache Seite der Dichtung 13
auf den Einlaßventilsitz 11 und schließt diesen ab. Die Leitungen 9 und 10 sind
über die groß dimensionierten Längsnuten 4 a, 4 b des Ankers 4 miteinander verbunden.
Wird nun der Magnet erregt, so bewegt sich der Anker 4 nach oben, und die Dichtung
14 schließt den Auslaßventilsitz 12 ab. Gleichzeitig sind die Leitungen 8 und 10
miteinander verbunden.
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Entscheidend für diese bekannte Bauart, die in vielen Varianten vorkommt,
ist die Tatsache, daß in der oberen Stellung des Ankers das Druckmittel von Leitung
10 nach Leitung 9 durch denAnker hindurchstreichen muß. An Stelle der Längsnuten
könnten z. B. Längsbohrungen in dem Anker, Schlitze oder ähnliche Durchbrüche angeordnet
sein. Der Querschnitt dieser Durchbrüche ist in jedem Fall so groß, daß beim Abheben
der Dichtung 13 der vorher nur in der Druckleitung 8 herrschende Druck sich schlagartig
im ganzen Bewegungsraum 7 ausbreiten kann, so daß in jedem Augenblick an der unteren
und oberen Stirnseite des Ankers derselbe Druck herrscht. Die Bewegung des Ankers
nach oben wird also vom Druckmittel nicht oder doch nur in unmerklich geringem Maß
unterstützt.
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In F i g. 3 sind die Bezeichnungen 1 bis 3 und 5 bis 15 mit gleicher
Bedeutung übernommen und zur Unterscheidung mit einem Strich versehen. Die Auslaßleitung
9' ist hier erfindungsgemäß in den Anker eingezogen und bildet einen Hohlzylinder
17. Der , Anker selbst ist mit 16 bezeichnet. Sein oberer Teil bildet einen Ringkolben,
welcher eine Ringkammer 19 abschließt. Die Führung des Ankers erfolgt vorzugsweise
am Hohlzylinder 17, so daß also der Spalt 18 zwischen Hohlzylinder und Innenwand
des , Ringkolbens kleiner toleriert ist als der Magnetfeldspalt 5'. Zwei schräg
geführte Durchbrüche 16a und 16 b im unteren Teil des Ankers 16 verbinden die Leitungen
9' und 10' in der gezeichneten Stellung des Ankers.
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Die Bemessung der beiden Spalte 5' und 18 bewegt sich jedenfalls zwischen
den beiden folgenden Extremfällen: Werden die Spalte oder wenigstens einer davon
sehr weit gemacht, so ergeben sich dieselben Verhältnisse wie in F i g. 1, d. h.,
der Druck baut sich auf der Hinterseite des Kolbens so schnell auf wie vorn. Im
anderen Extremfall werden beide Spalte so eng toleriert, daß der Kolben die Kammer
19 praktisch abdichtet. Hierbei wird der Kolben so weit hochspringen, bis das Volumen
der Ringkammer 19 sich so weit verringert hat, wie es dem Verhältnis der Normaldrücke
in den Leitungen 9' und 8' entspricht. Um das Medium in der Ringkammer 19 weiter
zu komprimieren, bedarf es in diesem Extremfall einer übermäßig hohen Magnetkraft.
Auch würde es bei nicht erregtem Magnet der Feder 15' kaum gelingen, den Ringkolben
zurückzuführen und den Eintrittsventilsitz 11' abzudichten. Erfi$dungsgemäß werden
die Spalte daher so be-: messen, daß der Druckunterstützungseffekt möglichst groß
ist, trotzdem aber der Auslaßventilsitz 12' einwandfrei abgedichtet und die Rückführung
des Ankers 16 unter Wirkung der Feder 15' nicht behindert wird. _ F i g. 5 zeigt
zunächst die Kennlinie 20 der Federn 15 bzw.15'. Die Federkraft P ist über
den Hub h aufgetragen. Der Hub h3, d. h. die rechte Seite des Schaubildes, entspricht
der Darstellung in den F i g. 1 und 3. Die Feder ist also vorgespannt. Läßt man
zunächst die Druckunterstützungswirkung außer acht, so muß der Magnet eine Kraft
aufbringen, die jedenfalls größer ist als die längs des Hubweges ansteigende Federkraft.
Demgemäß haben auch die Magnete von bekannten Ventilen Kennlinien, die etwa der
gestrichelten Kennlinie 21 entsprechen. Man hat auch schon versucht, die Magnetkennlinie
über einen noch größeren Teil des Hubes möglichst weitgehend der Federkennlinie
anzupassen. Erfindungsgemäß kann man es sich jedoch leisten, eine sattelförmige
Magnetkennlinie 22 zu verwenden, welche die Federkennlinie zweimal deutlich schneidet.
Daß dies so ist, läßt sich einfach dadurch beweisen, daß ohne Druck-; anschluß,
also mit Atmosphärendruck in der Leitung 8', der Magnetanker in der Stellung h2
stehenbleibt. Erst wenn er durch äußere Einwirkung in die Stellung hl gebracht wird,
vermag ihn der Magnet weiterzubewegen und auf dem Ventilsitz 12' zu halten. Das
Schaubild zeigt deutlich, wie klein die Fläche unter der Kurve 22 im Verhältnis
zur Fläche unter der Kurve 21 geworden ist.
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Bei dem in F i g. 6 gezeigten Konstruktionsbeispiel eines Magnetventils
nach der Erfindung ist der Anker durch Rollkörper geführt. Dadurch läßt sich die
Magnetkraft weiter steigern.
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Der Boden des Topfmagneten ist mit 23 und die Seitenwand mit 24 bezeichnet.
Eine Magnetwicklung 25 ist auf einem Spulenkörper 26 aufgebracht und mit diesem
zusammen in den Topf eingesetzt. Durch Umbördeln des oberen Randes der Seitenwand
24 wird diese mit dem Topfboden verbunden. Unten, wo die Seitenwand 24 um die Wicklung
herumgeführt ist, verbreitert sie sich zur Mitte zu und bildet einen Polring 24
a mit großer Innenfläche, aus der die Magnetlinien austreten. Ein Hohlzylinder 27
ist mit dem Topfboden 23 fest verbunden und ragt aus diesem heraus, koaxial in den
Topf hinein. Dieser Hohlzylinder bildet die Auslaßleitung und sein frei stehendes,
im Inneren des Topfes liegendes Ende ist als Ventilsitz 27a ausgebildet.
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Mit dem unteren Teil des Polringes 24a ist der ganze Magnettopf in
ein Ventilgehäuse 28 eingesteckt. Dabei wird ein Dichtungsring 29 zwischen
dem Ventilgehäuse und einem Absatz des Ringes 24 a eingequetscht. Die Einlaßleitung
30 mündet von unten her in das Ventilgehäuse. Sie liegt in der Mittelachse des Magnettopfes,
und ihre Mündung ist als Ventilsitz 31 ausgebildet. Von rechts mündet die Steuerleitung
32 in den gemeinsamen Innenraum von Topfmagnet und Ventilgehäuse.
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Der Anker besteht zunächst aus einem äußeren, magnetisch wirksamen
hülsenförmigen Teil 33. In ihn ist eine hartmetallische Lagerhülse 34 eingepreßt.
Sie weist im unteren Teil zwei einander gegenüberliegende Durchtrittsöffnungen 34a
für das Druckmittel und zwei Langlöcher 34 b auf. Ein Verschlußstück 35 aus elastischem
Material ist von einem balligen Ring 36
umgeben und wird zusammen
mit diesem mittels eines Querstiftes 37 am Anker gehalten. Der Querstift ist durch
die Langlöcher 34b und durch das Verschlußstück mit seinem Ring hindurchgesteckt
und vermag sich in den Langlöchern in begrenztem Umfang nach oben und unten zu bewegen.
Außerdem vermag sich das Verschlußstück um den Stift in begrenztem Umfang zu drehen,
so daß eine allseitige Bewegungsmöglichkeit gegeben ist, die ein dichtes Anliegen
des Verschlußstücks am Ventilsitz 31 gewährleistet.
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Seine Führung erhält der Anker durch Laufkugeln, die in zwei Kränzen
38 und 39 zwischen der Lagerhülse 34 und dem Zylinder 27 angeordnet und in einem
gemeinsamen Käfig 40 zusammengefaßt sind. Die Kugelführung ist so präzise
gefertigt, daß man den Luftspalt 41 zwischen dem Polring 24a und dem Anker beispielsweise
nur 0,05 mm breit machen kann. Ferner ist eine Scheibe 42, in der Nähe des Ventilsitzes
27a auf dem Hohlzylinder 27 sitzt, sehr genau, beispielsweise auf 0,01 mm, in die
Lagerhülse 34 eingepaßt ist. Die Scheibe 42 dient darüber hinaus als Gegenlager
für eine Druckfeder 43, deren andere Seite sich am Ring 36 abstützt. Ein in den
Polring 24a eingesetzter Stift44 hindert den Anker am Herausfallen, wenn der Magnettopf
abmontiert wird.
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Die sattelförmige Magnetkennlinie wird durch die besondere Ausbildung
des Topfbodens 23 erreicht. Man findet eine den Hohlzylinder umgebende Ringnut 45
mit zylindrischen Wandflächen, in die der Anker bei erregtem Magnet einläuft. Der
die Ringnut umgebende Teil 23a hat einen zungenförmigen, in Einlaufrichtung wachsenden
Querschnitt. Das Absinken der Magnetkraft zu Beginn der Hubbewegung läßt sich dadurch
erklären, daß immer mehr Feldlinien radial vom Teil 23 a in den Zylinder 33 übertreten,
die keine Kraftkomponente in Hubrichtung abgeben. Gegen Ende des Hubes wird dann
der ebene Luftspalt zwischen der Stirnfläche des Ankers und dem Boden der Ringnut
45 immer kleiner, so daß die hier erzeugte Axialkraft überwiegt und immer weiter
ansteigt.
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Auch bei dieser Konstruktion wirkt der obere Teil des Ankers trotz
der Kugelführung als Ringkolben. Das abgeschlossene Volumen ist im wesentlichen
dasjenige der Ringnut 45, die Bewegungsspalte des Ringkolbens sind der Luftspalt
41 und der Spalt zwischen Ringscheibe 42 und Lagerhülse 34.