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Elektromagnetisch betätigbares Ventil mit Tauchankermagnetsystem Die
Erfindung bezieht sich auf elektromagnetisch betätigbare Ventile mit einem Magnetsystem,
das einen während des Hubes praktisch unverändert bleibenden zylindrischen Luftspalt
(Radialspalt) und einen im wesentlichen ebenen Arbeitsluftspalt (Axialspalt) aufweist.
Solche Magnetsysteme werden auch als Tauchankersysteme bezeichnet im Gegensatz zu
Plattenankersystemen, welche zwei mit dem Hub veränderliche, meist ebene Luftspalte
haben, durch die der Fluß in den Anker ein- und austritt. Soweit hier ebene Luftspalte
angesprochen sind, fallen darunter auch solche mit gestuftem Profil oder flach gewölbte
Spalte, bei denen jedenfalls die Bewegungsrichtung annähernd der Flächennormalen
entspricht.
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Bei bekannten Ventilen mit Tauchankersystem hat der Anker mehr oder
weniger die Gestalt eines Vollzylinders, dessen Höhe gleich oder größer als der
Durchmesser ist; oft bildet der Anker zugleich das Verschlußstück. Zum Zweck besserer
Abdichtung sind diese bekannten als Verschlußstück ausgebildeten Anker mit Dichtflächen
oder eingesetzten Dichtungen versehen. Ferner ist es bekannt, diese Anker mit Längsbohrungen
oder Nuten am Umfang zu versehen, um bei Dreiwegeventilen den Durchtritt des Druckmittels
zu ermöglichen. Oder der Anker ist von der Stirnfläche her ausgespart zur Aufnahme
der Rückstellschraubenfeder. In all diesen Fällen ist die Eisenmasse des Ankers
verhältnismäßig groß gegenüber dem Anteil, der tatsächlich magnetischen Nutzfluß
führt und damit zur Betätigungskraft beiträgt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Magnetventil mit besonders
kurzer Ansprechzeit, die in der Größenordnung von einer Millisekunde liegen soll,
anzugeben und dieses Ziel zu erreichen durch besondere Maßnahmen zur Verringerung
der zu beschleunigenden Massen im Verhältnis zur elektrischen Steuerleistung.
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Dazu wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der Anker als Ring ausgebildet
ist, dessen jeweils dem Magnetflußübergang dienende Mantelfläche und Stirnfläche
größenmäßig (z. B. nach Quadratmillimetern) etwa übereinstimmen. Es ergibt sich
somit eine bei gattungsgemäßen Magnetsystemen außergewöhnlich flache Ankerform.
Wie leicht nachzurechnen, hat ein Vollzylinder unter der Bedingung, Mantelfläche
gleich Stirnfläche ein Verhältnis Höhe: Durchmesser wie 1: 4. Ein Ring würde also
noch flacher sein müssen, jedoch sind noch andere konstruktive Gesichtpunkte zu
berücksichtigen, so daß das angegebene Zahlenverhältnis nicht erreicht zu werden
braucht, um eine wesentliche Masseneinsparung zu erzielen. Da der Magnetfluß den
Ringquerschnitt des Ankers im wesentlichen schräg zur Achse durchsetzt, kann auch
der weniger genutzte Querschnittsbereich entfallen. Es wird daher weiter vorgeschlagen,
den Anker so zu formen, daß die dem Flußübergang dienende Stirnfläche größer als
die gegenüberliegende Stirnfläche ist.
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Um nun durch das Gewicht des Verschlußstückes und bei seiner Verbindung
mit dem Anker den erreichten Vorteil nicht wieder einzubüßen, wird ein Verbindungsteil
zwischen Verschlußstück und Anker vorgeschlagen, das nach dem Prinzip der Hohl-
oder Rippenkonstruktion geformt und in den Anker eingepreßt, eingeklebt, eingespitzt
oder sonstwie mit ihm verbunden ist. Man kann dieses Verbindungsteil z. B. als Nabe
mit radial abstehenden Rippen ausbilden und wird es vorzugsweise aus einem Werkstoff
herstellen, der gegenüber Eisen leicht ist. Endlich ist es von Vorteil, wenn das
Verschlußstück in dem Verbindungsteil und/oder dieses in dem Anker in der Querschnittsebene
beweglich und/oder drehbeweglich gelagert ist.
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Es ist schon bekannt, daß bei Tauchankermagnetsystemen auf reibungsfreie
axiale Führung des Ankers geachtet werden muß, um höchste Leistungsausbeute zu erzielen.
Für den erfindungsgemäßen Anker wird daher als besonders günstig die Anordnung zweier
paralleler und zur Hubrichtung senkrechter Blattfedern vorgeschlagen. Diese sind
ringförmig und haben Durchbrechungen oder Arme und sollen nur führen, also Radialbewegungen
des Ankers vermeiden, während eine Schraubenfeder, die vorzugsweise am Außenrand
des Ankers aufsitzt, die Rückstellkraft erzeugt.
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Als Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Miniaturventil näher
beschrieben.
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F i g. 1 zeigt 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 ein im
Ventil verwendetes 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 l 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 1c ausgebildet. Mit diesem Gewinde ist er in einem 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 2a 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 11a 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 16a 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 ab bewegen. 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 dieses Verbindungsteil
ist in F i g. 5 gezeigt. Es 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 21a, 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 Kunststoffmutter22 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 eingepreßt 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
23c 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 25b 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 Einweg-Schließventil. Bei
nicht erregter Magnetwicklung drückt eine Schraubenfeder 27 den Anker samt Verschlußstück
nach unten, so daß die untere Kugel sich an der Stirnfläche 25a 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 3a, 23a, den Ventilsitz, den Anker und die
Aussparungen 20 c des Verbindungsteiles zu einer exzentrischen Längsbohrung 1 d
des Grundkörpers gelangen. Diese mündet in einen Ringkana14a, 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 27 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 Anschlag-Einsatz 25 gegenüber dem in F i g. 2 dargestellten
Ventilsitz-Einsatz vertauscht und beläßt man den oberen Ventilsitz-Einsatz, 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 Arbeitsluftspalt29 zurück
zum Polkörper. Der Ankerquerschnitt ist in seiner Formgebung ganz auf den gekrümmten
Magnetflußverlauf abgestimmt. Durch die Punktberührung der unteren Kugel mit dem
Anschlag wird jegliche Sogwirkung beim Abheben vermieden und auch dadurch die Ansprechzeit
des Ventils verkürzt.