DE2527748A1

DE2527748A1 - Magnetventil

Info

Publication number: DE2527748A1
Application number: DE19752527748
Authority: DE
Inventors: Tsuneo Ishigaki
Original assignee: Shoketsu Kinzoku Kogyo KK
Current assignee: Shoketsu Kinzoku Kogyo KK
Priority date: 1974-06-29
Filing date: 1975-06-21
Publication date: 1976-01-15
Also published as: US3994318A; JPS555823Y2; JPS515734U

Description

UEXKÜLL. & 3TOLBERG PATENTANWÄLTE

ϊ HA-ViBURGi 52

BESELERSTRASSE 4

DR. J.-D. FRHR. von UEXKÜLL

DR. ULRICH GRAF STOLBERG DIPL.-ING. JÜRGEN SUCHANTKE

Shoketsu Kinzoku Kogyo (Prio: 29. Juni 1974

Kabushiki Kaisha " _{Japan 769}O1/1974 - 12357)

No. 13-12, Shinbashi 1-chome,
Minato-ku, Tokio, Japan

Hamburg, den-20. Juni 1975 Magnetventil

Die Erfindung bezieht sich auf ein mittels eines Steuerventils zu steuerndes Magnetventil, insbesondere ein Zweiwegeventil.

Es ist bekannt, Magnetventile mit Steuereinrichtungen auszurüsten, um so die auf das Solenoid während des Betriebs bei hohen Drücken wirkenden Kräfte zu verringern. Derart gesteuerte Magnetventile oder mittels Solenoiden betriebene Ventile, die sogar bei fehlender Druckdifferenz arbeiten, sind beispielsweise aus der US-PS 3 208 bekannt. Bei üblichen Magnetventilen dieser Art ist normalerweise an dem Kolben des Solenoids eine Ventil- oder Schließeinrichtung zum öffnen und Schließen eines Steuerfluiddurchlasses angeordnet, um das Steuerventil direkt unter dem Einfluß dieses Kolbens zu öffnen. Die Aktivierung der Betätigungseinrichtung oder des Solenoids des Magnetventils erfolgt, wenn sich der Kolben in seiner unteren Stellung im Abstand von dem stationären Kern des Solenoids befindet. Daher ist es erforderlich, ein Solenoid erheblicher Größe zu benutzen, um den Betrieb mit großen Druckdifferenzen zwischen

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dem Fluid an der Primärseite und der Sekundärseite des Ventils zu beherrschen, was seine Ursache insbesondere in den magnetischen Eigenschaften des Solenoids hat, nämlich daß die magnetische Zugkraft auf den Kolben in der unteren, vom stationären Kern entferntesten Lage am geringsten ist und bei der Annäherung des Kolbens an den stationären Kern zunimmt.

Es ist demgegenüber Aufgabe der Erfindung, ein mittels eines Steuerventils zu regelndes Magnetventil zu schaffen, bei dem sich die vorstehend erwähnten Nachteile nicht ergeben und daß unabhängig von der Größe der Druckdifferenz zwischen den Fluiden an der Primär- und der Sekundärseite des Ventils mit einem kleinen Solenoid zuverlässig arbeitet, wobei außerdem nicht die Gefahr des Durchbrennens oder der überlastung der Solenoidwicklung besteht.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das erfindungsgemäße Magnetventil ein Gehäuse mit einer Primäröffnung und einer Sekundäröffnung sowie einem Hauptfluiddurchlaß zwischen diesen auf, und die Wand des Hauptfluiddurchlasses bildet einen Hauptventilsitz, auf den zum öffnen und Schließen des Hauptfluiddurchlasses ein Hauptventilelement zu und von ihm weg bewegt werden kann. Hinter dem Hauptventilelement ist eine Fluidarbeitskammer gebildet, und im Hauptventilelement ist eine Steueröffnung vorgesehen, die von einem Steuerventilsitz umgeben ist. Ein Solenoid weist einen stationären Kern und einen auf die Steueröffnung zu und von ihr weg bewegbaren Kolben auf, der an seinem unteren Ende

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einen Federsitz in Form eines ringförmigen Flansches hat. Um das untere Ende des Kolbens ist locker ein hohles, bewegbares Element angeordnet, das einen Federsitz und an seinem unteren Ende einen ringförmigen Flansch aufweist. Am unteren Ende des bewegbaren Elementes ist dem Steuerventilsitz gegenüberliegend ein Steuerventilelement befestigt, und eine um das untere Ende des Kolbens angeordnete Druckfeder liegt zwischen einer oberen Endwand des bewegbaren Elementes und dem Federsitz und bewirkt eine Aufwärtsbewegung des Kolbens unabhängig vom Haupt- und vom Steuerventilelement. Ein Fangelement ist fest in einem vorbestimmten Abstand vom Flansch am unteren Ende des bewegbaren Elementes am Hauptventilelement angebracht und kann zum Anheben dieses Hauptventilelementes in Eingriff mit diesem gebracht werden.

Bei dem Magnetventil gemäß der Erfindung wird das Hauptventilelement direkt zum öffnen des Hauptfluiddurchlasses vom Kolben angehoben, wenn nur eine geringe Druckdifferenz zwischen dem Fluid an der Primärseite und dem Fluid an der Sekundärseite des Ventils vorhanden ist. Wenn sich eine große Druckdifferenz ergibt, öffnet das Ventil allein durch den auf das Hauptventilelement wirkenden Druck. Mit anderen Worten, das erfindungsgemäße Ventil kann mittels eines verhältnismäßig kleinen Solenoids zuverlässig über große Druckdifferenzbereiche von 0 bis zu extrem großen Druckdifferenzen betrieben werden. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß sich bei den üblichen, direkt arbeitenden Ventilen keine Schwierigkeiten beim öffnen ergeben, solange die Druckdifferenz sehr klein oder 0 ist, daß jedoch ein Solenoid erheblicher

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Größe erforderlich ist, um das Haupt- oder das Steuerventilelement bei großen Druckdifferenzen zu öffnen. Im Gegensatz dazu werden bei dem erfindungsgemäßen Ventil das Steuer- und das Hauptventilelement geöffnet, wenn der Kolben sich dem stationären Kern nähert oder eine Stelle im Magnetfeld des Solenoids erreicht, an der eine ausreichend große Zugkraft auf ihn ausgeübt wird. Da außerdem der Kolben ohne starre Verbindungen mit dem Haupt- und dem Steuerventilelement gekoppelt ist, besteht nicht die Gefahr eines Durchbrennens der Solenoidwicklung, selbst wenn das Haupt- oder das Steuerventilelement sich verklemmt oder sich aus anderen Gründen nicht bewegt. Darüber hinaus lassen sich Verluste infolge von zu großen Strömen vermeiden, wenn sich der Kolben unabhängig von den Haupt- und Steuerventilelementen bewegen kann.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel zeigenden Figuren näher erläutert.

Figur 1 zeigt schematisch einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Magnetventil.

Figur 2 zeigt in einer Darstellung ähnlich Figur 1 das Steuerventil des erfindungsgemäßen Magnetventils in geöffneter Stellung.

Figur 3 zeigt in einem Diagramm die Anzugscharakteristik des Solenoids und die auf den Kolben wirkenden Kräfte in Abhängigkeit von der Hubstrecke des Kolbens.

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Das dargestellte Zweiwegemagnetventil mit Steuerventil hat ein Gehäuse 1 mit einer Primäröffnung 2 zur Zufuhr von unter Druck stehendem Fluid und eine Sekundäröffnung 3, aus der das Fluid austritt. Zwischen der Primäröffnung 2 und der Sekundäröffnung 3 ist ein Fluiddurchlaß mit einem Ventilsitz 4 vorhanden. Gegenüber diesem Ventilsitz 4 befindet sich ein Hauptventilelement 5, das innerhalb des Gehäuses 1 mittels einer Membran 6 gehalten ist, die an der dem Ventilsitz 4 abgewandten Seite eine Fluidarbeitskammer 7 begrenzt.

Die Membran 6 hat eine kleine öffnung 8, durch die Fluid von der Primäröffnung 2 in die Arbeitskammer 7 gelangt. Das Hauptventilelement ist mit einer Steueröffnung 9 versehen, durch die das Fluid aus der Arbeitskammer 7 zur Sekundäröffnung 3 strömt. Die effektive Querschnittsfläche S₁ der kleinen öffnung 8 ist kleiner als die effektive Querschnittsfläche S₂ der Steueröffnung 9.

Um das öffnen und Schließen der Steueröffnung 9 zu regulieren, ist auf dem Hauptventilelement 5 ein die öffnung 9 umgebender Steuerventilsitz 10 vorhanden, mit dem das am unteren Ende eines hohlen, bewegbaren Zylinderelementes 12 befestigte Steuerventilelement 11 in dichtenden Eingriff bringbar ist. Das Zylinderelement 12 hat einen ringförmigen Flansch 14, der zur Anlage an einer Fangeinrichtung 13 dient. Die Fangeinrichtung hat die Form eines Ringes mit einer im Querschnitt umgekehrt L-förmigen Wand und ist in vorbestimmtem Abstand vom Flansch 14 des Zylinderelementes 12 am Hauptventilelement befestigt, um so die Bewegung des Zylinderelementes 12 bezüglich dem Hauptventilelement 5 auf einen Hub vorbestimmter

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•fr.

Länge zu begrenzen, was zum Öffnen der Steueröffnung 9 erforderlich ist.

Das Zylinderelement 12 ist locker um das untere Ende des Kolbens

16 angeordnet und mit diesem über eine Druckfeder 19 verbunden, die sich zwischen einem als Ringflansch ausgebildeten Federsitz

17 am unteren Ende des Kolbens 16 und einer oberen Endwand 18 des Zylinderelementes 12 befindet, so daß sie das bewegbare Element 12 anhebt, wenn der Kolben 16 vom Solenoid 15 angezogen wird. Wird die Wicklung 20 des Solenoids 15 stromlos, wird der Kolben 16 in seiner unteren Stellung gehalten, in der er das am Zylinderelement 12 angebrachte Steuerventilelement 11 gegen den Steuerventilsitz 10 auf dem Hauptventilelement 15 preßt. Bei Erregung der Solenoidwicklung 20 wird der Kolben 16 gegen die Wirkung einer Rückstellfeder 22 auf einen stationären Kern 21 zu bewegt, um das Hauptventilelement 5 am Ende seines Hubes anzuheben.

Wenn sich das Solenoid im stromlosen Zustand befindet, wie dies in Figur 1 gezeigt ist, gelangt das unter Druck stehende Fluid von der Primäröffnung 2 durch die kleine öffnung 8 in der Membran

6 in die Arbeitskammer 7. In diesem Zustand ist die Steueröffnung 9 vom Steuerventilelement 11 verschlossen, das unter Druck auf dem Steuerventilsitz 10 aufliegt, so daß der sich in der Arbeitskammer

7 aufbauende Fluiddruck nicht entweichen kann und ein Druck P₃ aufrecht erhalten wird, der im wesentlichen gleich dem Fluiddruck P₁ an der Primärseite des Ventils ist. Auf diese Weise wird das Hauptventilelement 5 geschlossen gehalten.

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Wird in diesen Zustand die Wicklung 20 des Solenoids 15 erregt, um den Kolben 16 in Richtung auf den stationären Kern 21 anzuziehen, so übt der Kolben 16 über die zwischen dem Flansch 17 an dessen unterem Ende 16 und der oberen Endwand 18 des Zylinderelementes 12 angeordnete Feder 19 eine anhebende Kraft auf das Zylinderelement 12 aus. Das Steuerventilelement 11 wird jedoch in diesem Fall von einer Kraft f.. = P₃ χ S₂ (P₃ ist der Fluiddruck in der Arbeitskammer 7 und S₂ die effektive Querschnittsfläche der Steueröffnung 9) auf dem Steuerventilsitz 10 gehalten. Wenn somit f₁ größer ist als f₂ (f₂ = k χ £', wobei k die Federkonstante und ^ der Federweg ist), d.h. wenn die auf das Zylinderelement 12 wirkende Hebekraft f₂ kleiner ist als die vorstehend erwähnte Kraft f₁, kann sich das Steuerventilelement 11 nicht vom Steuerventilsitz 10 lösen. Ist jedoch f.. kleiner als f₂, so gibt das Steuerventilelement 11 die Steueröffnung 9 frei, wie dies in Figur 2 angedeutet ist.

Bei Freigabe der Steueröffnung 9 kann das in der Arbeitskammer 7 unter Druck stehende Fluid zur Sekundäröffnung 3 ausfließen, so daß der Druck P₃ in der Kammer 7 niedriger wird als der Druck P₁ an der Primärseite und sich dem Druck P₂ an der Sekundärseite des Ventils annähert. Als Folge davon wird das Hauptventilelement 5 durch die Druckdifferenz zwischen Arbeitskammer 7 und Primärseite angehoben und der Hauptfluiddurchlaß geöffnet. Es sei darauf hingewiesen, daß das Hauptventilelement 5 durch das Zusammenwirken der Kraft der Feder 19 und der auf den Kolben 16 ausgeübten magnetischen Zugkraft angehoben wird, sobald der Flansch 14 des Zy-

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linderelementes 12 sich an das obere Ende der Fangeinrichtung 13 des Hauptventilelementes 5 anlegt.

Ist bei dem vorstehend beschriebenen Ventilöffnungsvorgang nahezu keine Druckdifferenz Δρ zwischen dem Fluid an der Primärseite und dem Fluid an der Sekundärseite des Ventils vorhanden, d.h. zwischen P₁ und P₂/ so ist die auf das Steuerventilelement 11 infolge des Fluiddruckes P₃ wirkende Kraft f. nahezu gleich 0. In diesem Fall ist keine große Kraft vom Solenoid 15 erforderlich, um den Kern 16 und das Zylinderelement 12 anzuheben. Diese beiden Elemente werden ohne Zusammendrücken der Feder 19 zusammen angehoben. Im Verlauf des Aufwärtshubes des Kolbens 16 kommen der Flansch 14 des Zylinderelementes 12 und die Fangeinrichtung 13 des Hauptventilelementes 5 in Berührung miteinander, so daß das Hauptventilelement 5 zusammen mit dem Zylinderelement 12 vom Solenoid 15 angehoben wird. Da ^P = 0 ist und da das Hauptventilelement 15, wie vorstehend erwähnt, praktisch nicht von dem Fluiddruck beeinflußt wird, braucht das Solenoid 15 keine besonders große Anziehungskraft zum Öffnen des Ventils auszuüben.

Ist der Fluiddruck P- an der Primärseite höher als der Fluiddruck P₂ an der Sekundärseite, wird der Fluiddruck P₃ in der Arbeitskammer 7 infolge des durch die kleine öffnung 8 eintretenden Fluids höher und damit vergrößert sich die Kraft f- (= P₃ χ S₂), die auf das Steuerventilelement 11 wirkt. Wird in diesem Fall die Wicklung 20 des Solenoids 15 zum Anziehen des Kolbens 16 auf den stationären Kern 21 zu erregt, bewegt sich das Zylinderelement 12, das

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das Steuerventilelement 11 trägt, nicht sofort aufwärts, sondern die Feder 19 wird zusammengedrückt. Ist die Feder 19 soweit zusammengedrückt, daß eine Kraft f₂ entsteht, die größer ist als die Kraft f₁, löst sich das Steuerventilelement 11 vom Steuerventilsitz 10.

Sobald das Steuerventilelement angehoben ist, tritt Fluid durch die Steueröffnung 9 aus der Arbeitskammer 7 zur Sekundäröffnung 3 hin aus,und der Druck in der Kammer 7 sinkt. Das Hauptventilelement 5 wird durch den Druck an der Primärseite des Ventils in geöffneter Lage gehalten.

Figur 3 zeigt in einem Diagramm als Kurve A den Verlauf der magnetischen Anziehungskraft des Solenoids und als Kurve B die durch die Federwirkung entstehende Belastung. Man erkennt, daß die mag-' netische Anziehungskraft des Solenoids 15 sehr wirksam zum öffnen des Steuerventilelementes 11 ausgenutzt werden kann, wenn der Abstand zwischen Kolben und stationärem Kern soweit verringert ist, daß eine größere magnetische Zugkraft auf den Kolben 16 wirkt. Zu Beginn des Aufwärtshubes des Kolbens, wenn die magnetische Zugkraft verhältnismäßig gering ist, drückt der Kolben 16 die Feder 19 einfach zusammen. Das bedeutet, daß das erfindungsgemäße Magnetventil mit einem kleinen Solenoid zuverlässig arbeiten kann, selbst wenn normalerweise wegen eines in der Kammer 7 auftretenden hohen Fluiddruckes eine große Ventilbetätigungskraft erforderlich ist.

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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel dient eine Membran zur Begrenzung der Arbeitskammer. Es ist jedoch klar, daß statt einer Membran auch eine Kolben-Zylinder-Anordnung, eine Balgmembran, ein Balg o.a. benutzt werden kann.

Obwohl die Erfindung vorstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, ist es klar, daß sie nicht auf dieses beschränkt ist, sondern daß weitere Abwandlungen und Änderungen möglich sind, die alle unter die Erfindung fallen.

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Claims

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Ansprüche

Λ.j Magnetventil, das mittels eines Steuerventils betätigbar ist und ein Gehäuse mit einer Primäröffnung, einer Sekundäröffnung und einem Hauptfluiddurchlaß zwischen diesen sowie einen in der Wand des Hauptfluiddurchlasses gebildeten Hauptventilsitz aufweist, auf den ein Hauptventilelement zu und von ihm weg bewegbar ist, gekennzeichnet durch eine mittels einer Begrenzungseinrichtung hinter dem Hauptventilelement gebildete Arbeitskammer, durch eine im Hauptventilsitz vorgesehene Steueröffnung, die von einem Steuerventilsitz umgeben ist, durch ein Solenoid mit einem stationären Kern und einem auf die Steueröffnung zu und von ihr weg bewegbaren Kolben, der an seinem unteren Ende einen Federsitz in Form eines ringförmigen Flansches aufweist, durch ein locker um das untere Ende des Kolbens angeordnetes, hohles, bewegbares Element mit einem Federsitz und einem ringförmigen Flansch am unteren Ende, wobei ein Steuerventilelement am unteren Ende des bewegbaren Elementes gegenüber dem Steuerventilsitz befestigt ist, durch eine um das untere Ende des Kolbens zwischen einer oberen Endwand des bewegbaren Elementes und dem Ventilsitz angeordnete Druckfeder, die bei Aufwärtsbewegung von Haupt- und Steuerventilelement durch den Kolben zusammendrückbar ist, und durch eine in vorbestimmtem Abstand vom Flansch am unteren Ende des bewegbaren Elementes am Hauptventilelement befestigte Fangeinrichtung, die zum Anheben des Hauptventilelementes in Eingriff mit dem Flansch bringbar ist.

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2. Magnetventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegbare Element die Form eines hohlen Zylinders mit einem Ringflansch am unteren Ende hat.
3. Magnetventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fangeinrichtung aus einem Ring besteht, dessen Wand im Querschnitt umgekehrt L-förmig ist.
4. Magnetventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungseinrichtung aus einer Membran besteht.
5. Magnetventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungseinrichtung aus einer Kolben-Zylinder-Anordnung besteht.
6. Magnetventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungseinrichtung aus einer Balgmembran besteht.
7. Magnetventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungseinrichtung aus einem Balg besteht.

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