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Elektromagnetisch betätigbäres Ventil mit justierbarem Hub Die Erfindung
betrifft elektromagnetisch betätigbare Ventile zum Verschluß von Rohrleitungen,
insbesondere gleichstromgespeiste Miniaturventile. Nach der Schaltfunktion der Ventile
innerhalb des Leitungssystems unterscheidet man Dreiwegeventile und Durchgangs-
oder Einwegventile, wobei letztere Schließ- oder Öffnungsventile sein können, je
nachdem ob sie bei erregter Magnetwicklung schließen bzw. öffnen. Bisher wurden
Magnetventile, wie man sie abgekürzt auch nennt, stets im Hinblick auf ihre Schaltfunktion
konzipiert, so daß sich jeweils erheblich unterschiedliche Konstruktionen mit entsprechend
vielen unterschiedlichen Einzelteilen ergaben.
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Ferner hat sich bei den bekannten Magnetventilen gezeigt, daß die
fertigungstechnisch bedingten Maßtoleranzen sich in starken Schwankungen der Anzugs-und
Abfallzeit auswirken, worunter die Zeit verstanden wird, die das Verschlußstück
nach dem Einschalten und nach dem Abschalten des Erregerstromes braucht, um in jeweils
entgegengesetzter Richtung einen Hub zurückzulegen. Diese Unterschiede der individuellen
Ansprechzeiten bei Ventilen einer Herstellungsserie sind vor allem bei den Anwendungen
besonders störend, bei denen es auf eine genau festgelegte Relation zwischen der
Einschaltdauer der Speisespannung und der Offen- bzw. Schließzeit des Ventils ankommt.
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Eine Lösung dieses Problems ist zwar schon versucht worden, indem
man gemäß USA.-Patent 2 881980 den Hub justierbar gestaltete mit Hilfe eines
einschraubbaren Ventilsitzes und auch eine Möglichkeit zum Justieren der Federvorspannung
schuf. Damit gelang es aber noch nicht, die Abfallzeit wirksam und unabhängig von
der Anzugszeit zu justieren, und erfahrungsgemäß sind gerade die Schwankungen der
Abfallzeit innerhalb einer Ventilserie besonders groß.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Magnetventil anzugeben,
mit dem die beiden eingangs genannten fertigungstechnischen Schwierigkeiten überwunden
werden können indem es praktisch unverändert als Schließ-, Öffnungs- und Dreiwegeventil
verwendbar ist und eine unabhängige Einstellmöglichkeit für die Abfallzeit hat.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Hubbewegung des
Verschlußstückes nach beiden Richtungen begrenzt ist durch in Hubrichtung justierbare
Einsätze, die als Ventilsitz oder Anschlag ausgebildet und untereinander austauschbar
sind.
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Werden zwei Ventilsitze verwendet, so ergibt sich ein Dreiwegeventil.
Sieht man dagegen anstatt des einen Ventilsitzeinsatzes einen Stopfen oder Anschlag
vor, so erhält man ein Einwegventil. In diesem letzteren Fall besteht die Möglichkeit,
durch Vertauschen der beiden verschiedenen Einsätze ein Schließventil zu einem Öffnungsventil
zu machen oder umgekehrt. Alle drei Schaltfunktionen werden also mit einem zusätzlichen
Teil ermöglicht.
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Ferner ergibt sich dabei, daß der Restluftspalt zwischen dem Anker
und der Polfläche bei erregter Wicklung durch die Stellung des betreffenden Ventilsitz-
oder Anschlageinsatzes bestimmt ist und justiert werden kann. Der Restluftspalt
bestimmt aber in erster Linie, d. h. in ungleich höherem Maße als die Rückstellfederkraft,
die Abfallzeit. Außerdem kann mit Hilfe des gegenüberliegenden Einsatzes der Hub
und damit die Anzugszeit justiert werden.
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In Weiterbildung der Erfindung wird ein Verschlußstück vorgeschlagen,
das als Dichtkörper an beiden in Bewegungsrichtung liegenden Enden je eine Kugel
trägt. Insbesondere können die Kugeln dadurch befestigt sein, daß sie in Aufnahmebohrungen
bis knapp über die Hälfte eingepreßt sind und am Grund der Bohrung anliegen.
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Ein besonderer Vorteil ergibt sich daraus für die beiden Einwegversionen
des Ventils bei denen sich die Schließzeit verkürzt im Verhältnis zu bekannten Einwegventilen.
Zur Erläuterung sei hier auf ein Strömungsproblem verwiesen, das erst bei besonders
schnellen Ventilen (Ansprechzeiten in der Größenordnung von 1 Millisekunde) Bedeutung
gewinnt.
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Man stelle sich einen Körper mit ebener Standfläche vor, der auf dem
ebenfalls ebenen Boden eines mit Wasser gefüllten Gefäßes aufsteht. Will man diesen
Körper sehr schnell abheben, so bedarf es dazu infolge der Sogwirkung einer erheblichen
Kraft, oder, wenn die zur Verfügung stehende Kraft begrenzt ist, ergibt sich eine
bestimmte Zeitverzögerung. Diese Zeitverzögerung ist wesentlich geringer, wenn die
Standfläche des Körpers nicht eben ist und am geringsten, wenn anfänglich nur eine
Punktberührung zwischen Körper und Gefäßboden besteht.
Bei bekannten
Einwegmagnetventilen hat der Anker bzw. das Verschlußstück, was oft dasselbe ist,
in der Offenstellung mehr oder weniger große Flächenberührung mit dem Anschlag,
so daß bei sehr schneller Bewegung die erwähnte Sogwirkung auftritt und die für
den Schließhub erforderliche Zeit verlängert. Grundsätzlich ist daher Punktberührung
bei entsprechend harten Oberflächen an dieser Stelle wünschenswert. Dies läßt sich
am einfachsten durch in eine der Berührungsflächen eingesetzte Kugeln verwirklichen
und ferner ohne Zugkraftverlust am besten so, daß die Berührungsstelle außerhalb
des magnetischen Nutzflusses liegt. Das mit zwei Kugeln versehene erfindungsgemäße
Verschlußstück erfüllt alle diese Voraussetzungen, und zwar ohne die Verwendbarkeit
des Ventils für verschiedene Schaltfunktionen zu beeinträchtigen.
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Als Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Miniaturventil näher
beschrieben. Es zeigt F i g. 1 einen teilweisen Längsschnitt in vierfacher Vergrößerung,
F i g. 2 einen Ventilsitzeinsatz einzeln im Schnitt, F i g. 3 die Hälfte einer im
Ventil verwendeten Blattfeder in Aufsicht, F i g. 4 eine andere Ausbildungsform
einer solchen Blattfeder, F i g. 5 einen Querschnitt durch einen im Ventil verwendeten
Verbindungsteil und F i g. 6 eine nochmals vergrößerte Darstellung des oberen Endabschnittes
des verwendeten Verschlußstückes.
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Die größten Teile des dargestellten Ventils sind ein Grundkörper 1,
ein Gehäuse 2 und ein Polkörper 3. Der Grundkörper 1 hat eine durchgehende zentrale
Bohrung 1 a, die auf einem Teil ihrer Länge mit einem Innengewinde 1 b versehen
ist. Die nach unten weisende Verlängerung des Grundkörpers ist als Schraubstutzen
mit einem Außengewinde 1 c ausgebildet. Mit diesem Gewinde ist er in einen Träger
4 eingeschraubt, und zwar so, daß der breitere Teil des Grundkörpers sich am Träger
anlegt und einen Dichtungsring 6 (sogenannten O-Ring oder R-Ring), der aus einem
geeigneten elastischen Kunststoff hergestellt ist, einklemmt. Auch am unteren stirnseitigen
Ende des Grundkörpers ist ein solcher Dichtungsring 5 kleineren Durchmessers vorgesehen.
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Mittels eines Gewindes 2 a ist der Grundkörper seinerseits mit dem
Gehäuse 2 verschraubt und mittels eines Dichtungsringes 7 abgedichtet. Beim Anziehen
dieses Gewindes werden ein Distanzring 8 und zwei zu seinen beiden Seiten liegende
Blattfedern 9 und 10 zwischen einem nach innen vorspringenden Flansch 2 b des Gehäuses
und der oberen Stirnfläche des Grundkörpers eingeklemmt. Auf diese Blattfedern wird
an anderer Stelle näher eingegangen. Im oberen Teil des Gehäuses 2 sitzt die Magnetwicklung
11, die als konzentrische Ringspule ausgebildet und mit einem Spulenkörper 12 aus
Kunststoff vergossen ist. Der Wicklungsanschluß 11 a ist auf nicht näher dargestellte
Weise nach oben herausgeführt. Der Spulenkörper samt Wicklung ist von oben her in
den Raum zwischen einer Manschette 13 aus nichtmagnetischem Material und der Gehäusewand
hineingesteckt. Die Manschette stützt sich unten mit einem Flansch 13 a gegenüber
der Gehäusewand ab und ist mit Hilfe von Dichtungsringen 14 und 15 sowohl gegenüber
dem Gehäuse als auch gegenüber dem Polkörper 3 abgedichtet. Die Manschette dient
dazu, der Magnetwicklung einen druckfreien Raum zu verschaffen, in dem sie vor den
mechanischen Belastungen des Druckmittels geschützt ist. Der Polkörper 3 hat wie
der Grundkörper 1 eine zentrale Durchgangsbohrung 3 a mit Innengewinde 3 b und ragt
von oben her in das Gehäuse und die Manschette 13 hinein. Der obere flanschartig
verbreiterte Teil ist in den oberen Gehäuserand eingepaßt. Auf dem Polkörper liegt
ein Deckel 16, der mittels einer gerändelten Überwurfmutter 17 (Gewinde 17a)
am Gehäuse festgeschraubt ist. Der Deckel drückt dabei den Polkörper satt in das
Gehäuse, legt Wicklung und Manschette gegen axiale Verschiebung fest und schafft
gleichzeitig den Dichtungsdruck für Dichtungsring 14. In den Deckel ist ein Anschlußrohr
18 eingelötet, das in die Zentralbohrung 3 a mündet. Ein Dichtungsring 16 a dichtet
den Deckel gegenüber dem Polkörper ab.
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In dem Raum zwischen Polkörper und Grundkörper kann sich ein ringförmiger
Anker 19 auf- und abbewegen. Die zylindrische Außenfläche des Ankers bildet mit
der Innenfläche des Distanzringes 8 einen sehr eng bemessenen zylindrischen Luftspalt
28. Die Blattfedern 9 und 10 vermitteln eine so genaue axiale Führung, daß in diesem
Luftspalt keine Reibung entsteht. Zu diesem Zweck liegen die Blattfedern mit ihrem
Innenrand an genau tolerierten Ansätzen des Ankers 19 an. In F i g. 3 ist die Hälfte
einer solchen Blattfeder in Draufsicht dargestellt. Es handelt sich um eine Ringscheibe
aus sehr dünnem Federwerkstoff mit je vier bogenförmigen Schlitzen 9 a, 9 b und
9 c, die drei konzentrische Kreise bilden. Die mittleren Schlitze sind gegenüber
den äußeren und inneren um 45° versetzt. Dadurch entsteht ein Gebilde, dessen Innenrand
sich sehr leicht gegenüber dem äußeren Rand axial bewegen kann und das zugleich
gegenüber radialen Bewegungen sehr steif ist.
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F i g. 4 zeigt eine zweite Version einer solchen Feder, die wahlweise
verwendet werden kann. Diese Blattfeder 9' weist nur zwei konzentrische Schlitze
9 d' und 9 e' auf, die sich über einen Bogen von etwa 330° erstrecken und um 180°
gegeneinander versetzt sind. Dadurch entstehen ein Innenring und ein Außenring,
die über zwei halbkreisförmige Federarme miteinander verbunden sind. Durch diese
Ausbildung wird die örtliche Biegebeanspruchung des Federmaterials herabgesetzt.
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In den Anker 19 ist von unten her ein Verbindungsteil 20 aus einem
Kunststoff eingefügt und eingeklebt. Ein Querschnitt durch diesen Verbindungsteil
ist in F i g. 5 gezeigt. Er gliedert sich in einen äußeren Flansch 20 a und
eine Nabe 20 b, die über drei radial verlaufende Rippen miteinander in Verbindung
stehen, so daß sich drei nierenförmige Aussparungen 20 c ergeben. In der
Nabe 20 b des Verbindungsteiles ist ein metallenes Verschlußstück 21 querbeweglich
gehalten. Das Verschlußstück gliedert sich in einen Schaft mit Gewinde 21 a, dessen
Endabschnitt in F i g. 6 noch einmal vergrößert dargestellt ist, und in einen Flachkopf
21b. Der Außendurchmesser des Schaftes ist wesentlich kleiner als der Innendurchmesser
der Nabe. Der Flachkopf legt sich von unten gegen die eine Stirnfläche der Nabe,
während oben eine Kunststoffmutter 22 aufgeschraubt ist. Sie ist nur so fest angezogen,
daß noch eine Querbewegungsmöglichkeit für das Verschlußstück bleibt. Als eigentliche
Dichtkörper dienen eine obere und eine untere Stahlkugel, die nicht eigens bezeichnet
sind, und die in beidseitige zentrale Bohrungen fest
ein gepreßt
sind bis knapp über die Hälfte des Kugeldurchmessers. Dabei werden die Innenwandungen
der Bohrungen so weit verformt, daß die Kugeln haften. Es wäre auch denkbar, die
Ränder der Bohrungen leicht an die Kugel anzubördeln.
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Zur Begrenzung der Bewegung des Ankers nach oben und zugleich als
Ventilsitz ist in das Gewinde 3 b des Polkörpers ein Einsatz 23 eingeschraubt, der
in F i g. 2 noch einmal umgekehrt dargestellt ist. Dieser Einsatz weist eine zentrale
Längsbohrung 23 a und eine Dichtungsringnut 23 b auf. Der zugehörige Dichtungsring
24 dichtet den Einsatz gegenüber dem Polkörper ab, ohne daß dadurch seine Längsbeweglichkeit
beeinträchtigt ist. Zum Justieren ist am einen Ende des Einsatzes ein Schraubenzieherschlitz
23 c vorgesehen. Am anderen Ende verengt sich die Zentralbohrung und weitet sich
dann konisch auf. Dies ist der Ventilsitz 23 d, gegen den sich die betreffende Kugel
anlegt.
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Nach unten ist die Hubbewegung durch einen Einsatz 25 begrenzt, der
in seinen äußeren Abmessungen dem Einsatz 23 gleicht, jedoch nicht durchbohrt ist.
Die obere Stirnfläche 25a dieses Einsatzes ist als ebene gehärtete Prallfläche
ausgebildet und berührt die untere Kugel des Verschlußstückes. Ein Schraubenzieherschlitz
25 b sorgt auch hier für leichte Justierbarkeit und ein Dichtungsring 26
für Abdichtung gegenüber dem Grundkörper 1.
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Das dargestellte Magnetventil arbeitet als Einwegschließventil. Bei
nichterregter Magnetwicklung drückt eine Schraubenfeder 27 den Anker samt Verschlußstück
nach unten, so daß die untere Kugel sich an der Stirnfläche 25
a des Anschlageinsatzes anlegt und die obere Kugel den Ventilsitz freigibt.
Die Feder 27 liegt mit einem Ende auf dem inneren Rand der Blattfeder 9 und
drückt diese gleichzeitig am Anker an. Das andere Ende der Feder 27 stützt sich
gegen einen Ansatz des Polkörpers 3 ab. In dieser Stellung des Verschlußstückes
und Ankers kann das Druckmittel am Anschlußrohr 18 eintreten und durch die Bohrungen
3 a, 23 a, den Ventilsitz, den Anker und die Aussparungen 20 c des Verbindungsteiles
zu einer exzentrischen Längsbohrung 1 d des Grundkörpers gelangen. Diese mündet
in einen Ringkanal 4 a, der aus dem Träger ausgespart ist und kann diesen
über eine Schrägbohrung 4 b wieder verlassen. Bei erregter Wicklung bewegt sich
der Anker entgegen der Schraubenfeder 2'7 nach oben und die obere Kugel legt sich
in den Sitz.
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Vertauscht man die beiden Einsätze 23 und 25, so wird das Ventil zu
einem Öffnungsventil. In diesem Fall liegt der Anschluß 18 tot, das Druckmittel
wird bei 4 b eingeleitet und verläßt das Ventil über die Zentralbohrung 1 a des
Grundkörpers, die sich im Träger in einer entsprechenden Bohrung 4 c verlängert.
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Wird hingegen der Anschlageinsatz 25 gegenüber dem in F i g. 2 dargestellten
Ventilsitzeinsatz vertauscht und beläßt man den oberen Ventilsitzeinsatz, so erhält
man ein Dreiwegeventil. Beide Kugeln arbeiten nun als Dichtkörper.
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Sofern das Ventil ausgeschraubt und der Deckel 16 abgenommen ist,
sind beide Schraubenzieherschlitze zugänglich. Durch Justieren des oberen Einsatzes
läßt sich nun zunächst die Abfallzeit und der sie bestimmende Restluftspalt einstellen.
Unter Restluftspalt wird derjenige Arbeitsluftspalt 29 zwischen Polkörper
und Anker verstanden, der sich bei erregter Magnetwicklung ergibt. Er kann z. B.
0,05 mm betragen. Danach wird der Hub (z. B. 0,3 mm) und die Anzugszeit am unteren
Einsatz eingestellt. Liegen die Ansprechwerte innerhalb der vorher festgelegten
Toleranzen, so können die Einsätze zusätzlich mit je einem Tropfen eines aushärtenden
Klebelackes fixiert werden.
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Durch die Form des Ankers, Verbindungsteiles und Verschlußstückes
ergibt sich ein außerordentlich kleines Gewicht der bewegten Teile. Der im unteren
Teil sehr dünne Ankerquerschnitt verbreitert sich nach oben sehr stark, so daß die
obere Stirnfläche etwa der inneren zylindrischen Fläche des Distanzringes 8 entspricht,
welche ihrerseits wieder die dem Magnetflußübergang dienende Mantelfläche des Ankers
bestimmt. Der Magnetfluß verläuft vom langgestreckten Teil des Polkörpers 3 über
dessen oberen breiteren Teil zum Gehäuse, über den satt eingesetzten Distanzring
8 und den zylindrischen Luftspalt 28 zum Anker und über den Arbeitsluftspalt
29 zurück zum Polkörper. Der Ankerquerschnitt ist in seiner Formgebung ganz
auf den gekrümmten Magnet$ußverlauf abgestimmt. Durch die Punktberührung der unteren
Kugel mit dem Anschlag wird jegliche Sogwirkung beim Abheben vermieden und auch
dadurch die Ansprechzeit des Ventils verkürzt.