DE3227613A1

DE3227613A1 - Magnetluftventil

Info

Publication number: DE3227613A1
Application number: DE19823227613
Authority: DE
Inventors: William L. 48174 Romulus Mich. Sheppard
Original assignee: AVM Corp
Current assignee: AVM Corp
Priority date: 1981-10-14
Filing date: 1982-07-23
Publication date: 1983-04-28
Also published as: IT8222396A0; JPS5868572A; FR2514462B1; GB2107524B; CA1192174A; GB2107524A; IT1151928B; GB2152756B; FR2514462A1; GB2152756A; IT8222396A1; GB8501874D0; US4601458A

Description

Beschreibung Magnetluftventil

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Gasventile (insbesondere Luftventile), genauer gesagt auf magnetisch betätigte Gasventile. Im idealen Fall sollte ein magnetisch betätigtes Ventil kompakt ausgebildet sein, zuverlässig und schnell arbeiten und kostengünstig herstellbar sein. Magnetventile des Standes der Technik weisen üblicherweise eine bewegliche Nadel auf, die ein elastiches konisches Ende besitzt, das mit einem konischen Ventilsitz zusammenwirkt, so daß durch das Einsetzen der Nadel in den Ventilsitz ein strömungsmitteldichter Eingriff der entsprechenden konischen Flächen bewirkt wird. Es versteht sich, daß bei derartigen Nadelventilen eine genaue Ausrichtung zwischen der Nadel und der Öffnung erforderlich ist, wodurch relativ hohe Herstellkosten und nachteilige Auswirkungen in bezug auf die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Vertue verursacht werden.

Die aufgrund von Herstellungstoleranzen auftretenden Fehlausrichtungen müssen durch Verwendung relativ starker Federn kompensiert werden, um die Nadel unter Kraftaufwendung in einen vollständig abgesetzten Zustand zu drücken. Ferner können Fehlausrichtungen ein Anhaften zwischen der Nadel und dem Ventilsitz verursachen. Allen diesen Gegebenheiten muß der zum Abheben der Nadel entgegen der Kraft der relativ starken Federn und entgegen der verursachten Hafteffekte eingesetzte Elektromagnet Rechnung tragen. Da sich darüber hinaus ein Abschnitt des konischen Nadelendes auch nach dem Abheben der Nadel in die Öffnung hineinerstreckt, ist ein relativ großer Hub der Nadel in bezug auf die Öffnung erforderlich, um eine ungedrosselte

Strömung zu ermöglichen. An den Elektromagneten wird somit die weitere Forderung gestellt, daß dieser einen großen Hub der Nadel ermöglichen muß.

Von den Kosten her ist es wünschenswert, die an den Elektromagneten gestellten Forderungen minimal zu halten, um die Anzahl der erforderlichen Amperewindungen gering zu halten. Die verwendeten Leiter bestehen nämlich normalerweise aus einem gutleitenden Material, wie Kupfer oder Aluminium, das ziemlich teuer ist. Es ist daher vom Kostenstandpunkt her wünschenswert, den Einsatz dieser Materialien zu begrenzen. Die Forderung nach einem großen Hub sowie die Neigung der Nadelventile zum Anhaften erhöhen die Kosten von Magnetventilen beträchtlich, da dadurch eine relativ große Anzahl von Amperewindungen erforderlich ist.

In der US-PS 3 726 315 ist ein verbessertes Magnetventil beschrieben, das eine einfache Konstruktion besitzt und zuverlässig arbeitet und das für seinen Elektromagneten weniger Amperewindungen benötigt, als bekannte Magnetventile. Genauer gesagt ist ein gemäß dieser Veröffentlichung ausgebildetes Magnetventil mit einem beweglichen Ventilelement versehen, das einen Abschnitt aus einem magnetischen Material und einen ebenen Flächenabschnitt aufweist, der mit einem Ventilsitz zusammenwirkt. Durch die Anordnung eines mit einer ebenen Fläche versehenen beweglichen Ventilelementes wird ein ungedrosselter Durchfluß durch das Ventil bei geringeren Hubstrecken des Ventilelementes möglich, als dies bei Ventilen des Standes der Technik der Fall ist. Beispielsweise kann das bewegliche Ventilelement ein elastisches Element umfassen, das einen im wesentlichen ebenen Flächenabschnitt zum Eingriff mit dem Ventilsitz und einen Anker aufweist, auf dem das elastische Element montiert ist und der aus magnetischem Material besteht.

Das elastische Element ist derart am Anker montiert, daß eine vorgegebene Relativbewegung zwischen beiden Elementen möglich ist, so daß der Anker bei Betätigung des Ventiles vor seiner Einwirkung auf das elastische Element eine Anfangsgeschwindigkeit entwickeln kann, so daß dessen Trägheit die von der Druckdifferenz über dem Ventil erzeugte Sitzkraft überwindet.

Bei einem derartigen Ventil wird ein synergistischer Effekt erzielt, da der Elektromagnet in Folge von absichtlich oder unabsichtlich vorgesehenen Toleranzschwankungen des Ventils ungleichmäßig auf den Anker einwirkt und somit ein ungleichmäßiges Abheben des Ankers bewirkt, wodurch das elastische Element von Ventilsitz "losgebrochen" oder "abgestriffen" wird. Aufgrund des geringen Hubes, des Trägheitseffektes des Ankers und des erwähnten "Abstreifeffektes" ist eine beträchtlich niedrigere magnetische Flußdichte erforderlich, so daß die Anzahl der Amperewindungen des Elektromagneten niedriger sind, als bei anderen Ventilen des Standes der Technik. Folglich wird eine beträchtliche Kostenersparnis erzielt. Hinzu kommt, daß die Ausrichtung zwischen dem beweglichen Ventilelement und dem Ventilsitz nicht kritisch ist, so daß der Zusammenbau in einfacher und Wirtschaftler Weise durchgeführt werden kann. Ferner sind die Toleranzen nicht kritisch und in Folge von Verschleiß entstehende Dimensionsschwankungen haben nur geringe Auswirkungen auf die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer der Vorrichtung. Nach der Lehre der vorliegenden Erfindung ist der Anker eines derartigen Magnetluftventiles mit einer nichtmagnetischen Abdeckung oder einem entsprechenden überzug versehen, der vorzugsweise eine vorgegebene Dicke besitzt. Die nichtmagnetische Abdeckung wirkt als nichtmagnetischer Spalt oder als "künstlicher Luftspalt" zwischen dem Anker und dem Elektromagneten, um die magnetische Fluß-

dichte zwischen beiden Elementen zu steuern, wenn der Elektromagnet erregt ist. Die bevorzugte Ausführungsform einer derartigen Abdeckung oder eines derartigen Überzuges umfaßt eine innere Schicht aus relativ billigem, leicht aufbringbarem, nichtmagnetischen Material und eine äußere Schicht aus einem relativ harten verschleißfesten, nichtmagnetischem Material. Die Innenschicht besteht vorzugsweise aus Kupfer oder aus einem Kupfer enthaltenden Material, während die Außenschiht vorzugsweise aus stromlosem Nickel oder einem Nickel enthaltenden Material besteht.

Die nichtmagnetische Abdeckung des Ankers wird vorzusgweise dadurch hergestellt, daß der Anker mit der ersten Schicht aus dem nichtmagnetischen Material beschichtet oder plattiert wird, wonach der Anker zum Polieren einer Taumelbewegung unterworfen wird. In ähnlicher Weise wird der Anker danach mit der Außenschicht aus dem nichtmagnetischen Material beschichtet oder plattiert, wonach er ebenfalls zum Polieren einer Taumelbewegung ausgesetzt werden kann, falls dies erforderlich sein sollte. Ein derartiger abschließender Poliervorgang wird durchgeführt, bevor die Außenschicht zum Aushärten erhitzt wird.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen erläutert. Sämtliche Teile können von erfindungswesentlicher Bedeutung sein. Es zeigen:

Figur 1 einen seitlichen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines Magnetventiles;

Figur 2 eine Endansicht des Magnetventiles der Figur 1 ;

Figur 3 einen seitlichen Teilschnitt durch das Magnetventil der Figur 1, in dem dessen Wirkungsweise dargestellt ist,- und

Figur 4 eine vergrößerte Ansicht eines Eckabschnittes

des Ankers des Magnetventiles der Figur

In den Figuren 1 bis 3 ist ein Magnetventil 10 dargestellt, das in erfindungsgemäßer Weise ausgebildet ist. Wie man Figur 1 entnehmen kann, weist das Magnetventil eine Gehäuseeinheit 12 und drei Rohrfittings oder Nippel 14, 16 und 18 auf, die jeweils eine zylindrische Durchflußöffnung 20, 22 und 24 besitzen. Die Öffnung 24 steht immer mit einer mittleren Kammer 26 innerhalb der Gehäuseeinheit 12 in Verbindung, während die Öffnungen 20 und 22 nuri in ausgewählten Zeitintervallen mit der mittleren Kammer 26 in Verbindung stehen, was weiter unten im Detail beschrieben wird. Das Magnetventil 10 ist ferner mit einem Elektromagneten 28 innerhalb des Gehäuses 12 versehen, der eine Spule 30 und einen Kern 32 umfaßt. Die Spule 30 besitzt eine Anzahl Windungen eines Leiters 34 (weniger Amperewindungen als vergleichbare Magnetventile des Standes der Technik),die um einen Schaftabschnitt 36 des Kernes 32 herum angeordnet sind. Der Leiter 34 ist an einem Ende an eine erste Klemme 38 angeschlossen, die sich aus dem Gehäuse 12 heraus erstreckt und am anderen Ende an eine zweite Klemme 40, die sich ebenfalls aus dem Gehäuse 12 heraus erstreckt. Die Klemmen 38 und 40 sind in einem Isolationsblock 42 montiert, der einen Teil des Gehäuses 12 darstellt und mittels dem die Klemmen 38 und 40 so angeordnet sind, daß ein geeigneter elektrischer Anschluß entsteht.

Das Magnetventil 10 umfaßt ferner ein bewegliches Ventilelement 44, das aus einem elastischen Element 46 aus Gummi oder einem anderen elastomeren Material o.a.

und einem Anker 48 besteht, der aus einem magnetischen Material, d.h. einem Material mit einem geringen magnetischen Widerstand gegenüber magnetischen Fluß, wie beispielsweise Eisen, Stahl, Si-Stahl oder einem anderen geeigneten ferromagnetisehen Material hergestellt ist. Das elelastische Element 46 weist einen ersten im wesentlichen ebenen Oberflächenabschnitt 50 auf, der mit einem ersten Ventilsitz 52 am inneren Ende der öffnung 20 dichtend in Eingriff treten kann, wenn sich die bewegliche Ventileinheit 44 in der extrem linken Position befindet, wie gezeigt. Das elastische Element 46 weist einen zweiten im wesentlichen ebenen Oberflächenabschnitt 54 auf, der mit einem zweiten Ventilsitz 56 dichtend in Eingriff treten kann, wenn sich die bewegliche Ventileinheit 44 in der extrem rechten Position befindet. Wie man Figur 1 entnehmen kann, erstreckt sich die zylindrische öffnung 22 in Axialrichtung vom Fittig 16 durch den Schaftabschnitt 36 bis zum Ventilsitz 56. Die bewegliche Ventileinheit 44 wird durch eine leichte Schraubenfeder 58, die vorzugsweise mit ihrem einen Ende mit einer Ringnut 60 im Anker 48 in Eingriff steht und mit ihrem anderen Ende gegen die Fläche 62 des Kenias 32 stößt, so daß sie unter Druck gesetzt ist, elastisch in der Zeichnung nach links unter Vorspannung gesetzt.

Es wird somit eine Strömungsmittelbahn von der öffnung 20 über den Ventilsitz 52 zur öffnung 24 gebildet. Der Strömungsmitteldurchfluß kann durch den Ventilsitz 52 gedrosselt oder ganz unterbrochen werden, indem der im wesentlichen ebene Oberflächenabschnitt 50 des elastischen Elementes 46 auf den Ventilsitz 52 gesetzt wird. Somit wird durch Absetzen des ebenen Oberflächenabschnittes 50 auf dem Ventil 52 der Strömungsmittelfluß durch das Magnetventil

10 von der öffnung 24 zur öffnung 20 gedrosselt oder ganz unterbrochen. In ähnlicher Weise wird eine Strömungsmittelbahn von der öffnung 22 über den Ventilsitz 56 zur öffnung 24 gebildet. Durch

flachen Absetzen des im wesentlichen/Oberflächenabschnittes 54 auf den Ventilsitz 56 wird der Strömungsmittelfluß durch das Ventil von der öffnung 22 zur öffnung 20 gedrosselt oder ganz unterbrochen.

Die Gehäuseeinheit 12 ist mit einer Endkappe 64 versehen, die vorzugsweise aus Nylon oder einem anderen Kunststoff einstückig geformt ist. Wie man Figur 1 entnehmen kann, ist die Endkappe 64 mit Rohrfittigs 14 und 18 sowie dem ersten Ventilsitz 52 versehen. Der Ventilsitz 52 ist vorzugsweise mittig angeordnet und wird durch einen erhöhten, ringförmigen und abgerundeten Vorsprung 66 gebildet, wie gezeigt. Die Endkappe 64 ist mit drei abgerundeten Ankerlagervorsprüngen 68 versehen (von denen nur einer gezeigt ist), die in ümfangsrichtung in gleichmäßigen Abstanden angeordnet sind und eine vorgegebene Strecke relativ zum Ventilsitz 52 vorstehen, wie hiernach im einzelnen beschrieben wird.

Die Endkappe 64 umfaßt desweiteren einen abgerundeten, einwärts verlaufenden Lippenabschnitt 74, der sich mit einem auswärts gekrümmten linken Endabschnitt 46 eines zylindrischen Körpers 78 in Eingriff befindet, um die Endkappe 64 am Körper 7 8 zu befestigen.

Ein Vorsprung 80 an der Endkappe 64 befindet sich mit einem einwärts verlaufenden Flansch 82 am gekrümmten linken Endabschnitt 46 des zylindrischen Körpers 78 in Eingriff, so daß eine axiale Eingriffskraft zwischen der gekrümmten Lippe 74 und dem gekrümmten Endabschnitt 76 des zylindrischen Körpers 78 zur Verfügung gestellt und dadurch zwischen diesen Elementen eine Strömungsmitteldichtung geschaffen wird.

Eine weitere Strömungsmitteldichtung zwischen der Endkappe 64 und dem zylindrischen Körper 78 wird durch einen O-Ring 84 vorgesehen, der in einer Nut 86 in der Endkappe 64 angeordnet ist. Wenn sich der O-Ring 84 an Ort und Stelle befindet, steht er aufgrund seiner Ausdehnung mit der Endkappe 64 und dem gekrümmten Endabschnitt 76 des zylindrischen Körpers 78 unter Druck in Eingriff. Das bevorzugte Verfahren zur Montage der Endkappe 64 am zylindrischen Körper 78 schließt die Schritte des Einsetzens des Q-Ringes 84 in die Nut 86 und der Anbringung der Endkappe 64 auf dem zylindrischen Körper 78 ein. Die Lippe 74 verläuft anfangs in Axialrichtung und ist nicht gekrümmt. Durch Aufbringung von Wärme und einer radial einwärts wirkenden Kraft, beispielsweise durch einen Drehvorgang unter Verwendung eines geformten Drehwerkzeuges, das das Material über Reibung erhitzt, wird die Lippe 74 über den Endabschnitt 76 des zylindrischen Körpers 78 gekrümmt.

Der zylindrische Körper 78 ist aus einem magnetischen Material, d.h. aus einem Material mit einem niedrigen magnetischen Widerstand, geformt, so daß er als leitender Abschnitt für den hiernach beschriebenen Magnetkreis dient. Der zylindrische Körper 78 weist in seiner Seitenwand eine rechteckförmige öffnung 87 auf, die das vorher beschriebene Isolationselement 72 aufnimmt.

Die Gehäuseeinheit 12 umfaßt desweiteren einen Endmontagearm 88, der einen Montageflansch 90 aufweist, welcher sich unter einem rechten Winkel zum Endplattenabschnitt 92 erstreckt. Der zylindrische Körper 78 ist mit Hilfe von drei Lappen 94, die sich durch Schlitze 96 in den Endplattenabschnitt 92 erstrecken und einwärts gebogen oder gefaltet sind, wie in den Figuren 1 und 2 gezeigt ist, am Endmontagearm 88 befestigt. Der Endplattenab-

schnitt 92 weist einen ringförmigen auswärts verlaufenden Flansch 98 auf, der eine Bohrung 100 bildet, die den Schaftabschnitt 36 des Kernes 32 dichtend aufnimmt. Der Endmontagearm 88 besteht ebenfalls aus einem magnetischen Material, so daß er einen weiteren Abschnitt des Magnetkreises bildet, der weiter unten beschrieben wird.

Die Gehäuseeinheit 12 umfaßt desweiteren ein ringförmiges und U-förmiges Dichtungselement 102, das aus einem Material mit hohem magnetischen Widerstand, wie beispielsweise Messing o.a., besteht. Das U-förmige Element 102 besitzt einen radial äußeren Abschnitt 104, der sich mit dem einwärts erstreckenden Flansch 82 und der Innenbohrung des zylindrischen Körpers 78 in Eingriff befindet und vorzugsweise mit dem Flansch hartverlötet oder verlötet ist. Desweiteren weist das U-förmige Element einen radial inneren Abschnitt 106 auf, der sich mit einem zylindrischen Abschnitt 108 des Kernes 92 in Eingriff befindet und vorzugsweise mit diesem hartverlötet oder verlötet ist» Das U-förmige Element 102 ist durch Biegen elastisch vorgespannt und bildet daher eine wirksame Strömungsmitteldichtung zwischen dem zylindrischen Körper 78 und dem Kern 32 für die Kammer 26.

Das linke Ende des Kernes 32 ist mit einem radial verlaufenden Steg 110 und einem axial verlaufenden Flansch 112 versehen, der benachbart und mit Abstand zum Anker 48 angeordnet ist. Der Kern 32 besteht ebenfalls aus magnetischem Material, so daß er einen weiteren Abschnitt des Magnetkreises bildet. Der Anker 48 ist im wesentlichen eine flache Platte, die vorzugsweise kreisförmig ausgebildet ist und eine kreisförmige Innenbohrung 114 besitzt. Wie man Figur 1 entnehmen kann, ruht der Anker 48 auf Vorsprüngen 68, wenn sich das

elastische Element 46 auf dem Sitz befindet. Das elastische Element 46 ist vorzugsweise kreisförmig ausgebildet und besitzt einen H-förmigen Querschnitt/ so daß ein mittlerer zylindrischer Abschnitt 116 gebildet wird, der einen linken und einen rechten kreisförmigen Flansch 118, 120 miteinander verbindet. Die Flansche 118 und 120 sind um eine vorgegebene Strecke voneinander getrennt, die größer ist als die Dicke des Ankers 48, so daß eine begrenzte axiale Relativbewegung zwischen den Elementen stattfinden kann. Darüber hinaus besitzen die Flansche 118 und 120 eine vorgegebene Breite, so daß sie eine begrenzte elastische Verformung zulassen, was in Figur 1 in bezug auf den Flansch 118 dargestellt ist, wenn der ebene Oberflächenabschnitt 50 auf dem Ventilsitz 52 sitzt und die Fläche 72 des Ankers 48 ebenfalls auf den Lagervorsprüngen 68 des Ankers ruht. Der Flansch 120 verformt sich in ähnlicher Weise, wenn der zweite ebene Oberflächenabschnitt 54 an den zweiten Ventilsitz 56 angepaßt ist und der Anker 48 auf dem Kernflansch 112 ruht. Um die vorstehend beschriebenen Bedingungen zu erreichen, sind die AnkerlagervorSprünge 68 und der Ventilsitzvorsprung 66 so hoch und der Flansch 118 so breit ausgebildet, daß beim anfängliehen Kontakt zwischen dem ebenen Oberflächenabschnitt 50 und dem Ventilsitz 52 ein geringer Spalt zwischen der Oberfläche 72 des Ankerelementes 48 und dem abgerundeten Außenabschnitt 70 der Ankerlagervorsprünge 68 verbleibt. Somit führt eine kontinuierliche Bewegung des Ankers 48 unter dem Einfluß der Schraubenfeder 58 nach links zu einer Verformung des elastischen kreisförmigen Flansches 118, wie in Figur 1 gezeigt. In ähnlicher Weise sind der Ventilsitz 52 und der Kernflansch 112 so hoch und der Flansch 120 so breit ausgebildet, daß eine entsprechende Verformung des Flansches 120 erreicht wird, wenn sich die bewegliche Ventilein-

heit 44 nach rechts setzt. In Folge dieser Anordnung tritt die Ventileinheit 44 unabhängig von Herstellungstoleranzen unter Krafteinwirkung mit den Sitz in Kontakt..

Aus der vorhergehenden Beschreibung geht hervor, daß ein Magnetkreis vorliegt, bei dem eine Bahn mit niedrigem magnetischen Widerstand für die magnetische Induktion durch den radialen Steg 110, den axialen Flansch 112, den Schaft 36 des Kernes 32, die Endplatte 92 und den zylindrischen Körper 78 zum einwärts verlaufenden Flansch 82 verläuft.

Wenn sich der Anker 48 in seiner linken Position befindet, wie in Position 1 gezeigt, wird der Magnetkreis durch einen ringförmigen axialen Luftspalt 122, den Anker und einen zweiten ringförmigen axialen Luftspalt 124 vervollständigt. Mit anderen Worten, der Elektromagnet besitzt Pole 82 und 112 in der Nachbarschaft des Ankers 48, der zum Teil den Luftspalt zwischen den Polen 82 und 112 überbrückt. In diesem Kreis wird über den Kern 32 von den Wicklungen 30 des Elektromagneten 28 ein magnetischer Fluß erzeugt. Der Anker 48 ist vorzugsweise mit einem nichtmagnetischen Material 47 abgedeckt, beschichtet oder plattiert, wie in den Figuren 1 und 4 gezeigt ist. Das nichtmagnetische Material hält einen vorgegebenen nichtmagnetischen Spalt oder "künstlichen Luftspalt" zwischen dem Anker 48 und den Polen 82 und 112 aufrecht, wenn der Elektromagnet 28 erregt und der Anker 48 in Eingriff mit den Polen 82 und 112 gezogen wird. Der nichtmagnetische Spalt steuert den magnetischen Fluß zwischen dem Elektromagneten 28 und dem Anker 48 und reduziert diesen auf einen Wert, der geringer ist, als wenn das magnetische Material des Ankers 48 mit den Polen 82 und 112 direkt in Eingriff treten könnte. Durch die Steuerung und Begrenzung des magenetischen Flusses kann die Kraft gesteuert und reduziert werden, die zur Bewegung des Ankers von den Polen 82 und 112

weg erforderlich ist, so daß auf diese Weise die Schraubenfeder 58 leichter ausgebildet werden kann₇ als wenn der nichtmagnetische Spalt nicht vorhanden wäre. Aufgrund der reduzierten Kraft und der leichteren Schraubenfeder 58 kann das Magnetventil 10 auch schneller arbeiten und besitzt eine reduzierte Ansprechzeit.

Bei dem nichtmagnetischen Material 47 kann es sich um irgendein beliebiges nichtmagnetisches Material, wobei synthetische Materialien eingeschlossen sind, handeln.

Bei dem bevorzugten nichtmagnetischen Material 47 handelt es sich jedoch um einen zusammengesetzten überzug aus einer ersten Schicht aus Kupfer oder einem Kupfer enthaltenden Material und einer darüber angeordneten zweiten Schicht aus stromlosem Nickel oder einem Nickel enthaltenden Material. Die Kupferschicht ist relativ glatt und kann leicht und billig durch Galvanisieren oder andere bekannte Verfahren aufgebracht werden. Die Nickelschicht ist relativ hart und dient dazu, die Ver-Schleißfestigkeit des zusammengesetzten nichtmagnetischen Materials 47 zu verbessern. Um einen funktionierenden nichtmagnetischen Spalt aufrecht zu erhalten, muß das nichtmagnetische Material 47 nur im ringförmigen Stirnbereich des Ankers 48, der sich mit den Polen 82 und 112 in Eingriff befindet, wenn der Elektromagnet 28 erregt ist, vorgesehen sein. Vorzugsweise wird jedoch der gesamte Anker 48 mit dem nichtmagnetischen Material 47 überzogen, um eine wirtschaftlichere und leichtere Herstellung zu ermöglichen.

Der nichtmagnetische Spalt wird vorzugsweise durch Plattieren, Beschichten oder Bedecken des Ankers 48 mit einer ersten Schicht auf dem bevorzugten Kupfermaterial geformt. Der beschichtete Anker wird danach in einer bekannten Taumelvorrichtung einer Taumelbewegung ausgesetzt, um die erste Schicht zu polieren. Wie in Figur 4 gezeigt ist₇

- 18 weist der Anker 48 abgerundete Ecken 49 auf.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Dicke der ersten Schicht etwa drei Viertel der vorgegebenen Gesamtdicke des nichtmagnetischen Spaltes, wobei dieser Wert naturgemäß bei anderen verwendeten Materialien Änderungen erfahren kann. Der Anker 48 wird dann mit einer zweiten Schicht des bevorzugten stromlosen Nickel plattiert, überzogen oder bedeckt und danach wiederum einer Taumelbewegung unterzogen, um die zweite Schicht zu polieren, falls dies notwendig sein sollte. Schließlich wird der Anker vorzugsweise erhitzt, um die zweite Schicht weiter zu härten.

5 Die wünschenswerte Dicke des nicht magnetischen Spaltes kann bei unterschiedlichen Ausführungsformen des Magnetventiles 10 für unterschiedliche Anwendungszwecke verschieden sein. Die geeignete Dicke ist jedoch ohne weiteres vom Fachmann mit Hilfe der vorstehenden Beschreibung festlegbar. Die Gleichmäßigkeit der Schicht ist nicht kritisch, wie später noch erläutert wird.

Wenn das Magnetventil 10 in der normalerweise geschlossenen Weise eingesetzt werden soll, wird das Fitting 14 an eine Quelle reduzierten Druckes angeschlossen, um über dem Magnetventil 10 eine Druckdifferenz zu erzeugen. Beispielsweise wird das Fittig 14 an den Verteiler eines Kraftfahrzeugmotors angeschlossen, so daß die Öffnung 20 mit dem Unterdruck des Verteilers in Verbindung steht. Das Fitting 18 wird an eine den Strömungsmitteldruck nutzende Vorrichtung angeschlossen. Beispielsweise kann das Fitting an eine Steuerung für eine Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges, an eine Zündvorverstellungsmembran des Verteilers, an einen Schieber für ein Heiz- und Ventilationssystem oder an eine Entlüftungssteuerung für einen Kraftstofftank angeschlossen werden. Wenn das Magnetventil 10 in

der normalerweise offenen Weise betrieben werden soll, wird die Quelle des unter niedrigem Druck stehenden Strömungsmittels an das Fitting 16 angeschlossen. In jedem Fall kann das nicht benutzte Fitting 14 oder 16 offen gelassen werden, um die Vorrichtung zur Atmosphäre hin zu entlüften, wenn das Ventil geschlossen ist, oder es kann mit einer Kappe versehen werden, um eine Entlüftung zu verhindern. Ferner kann die Vorrichtung an zwei unterschiedliche Quellen angeschlossen werden, indem jede Quelle mit einem Fitting 14 und 16 verbunden wird. Offensichtlich kann ohne weiteres ein erfindungsgemäß ausgebildetes Ventil konstruiert werden, das nur in der normalerweise offenen oder der normalerweise geschlossenen Weise arbeitet, indem nur ein einziges Fitting 14 oder 16 zum Anschluß an die Unterdruck- oder Druckquelle vorgesehen wird.

Das Magnetventil 10 wird betätigt, indem an die Klemmen 38 und 40 ein elektrischer Strom angelegt wird, um einen Stromfluß durch die Windungen 34 und somit einen magnetischen Fluß durch den vorstehend beschriebenen Kreis zu erreichen. Infolge des magnetischen Flusses durch die Luftspalte 122 und 124, welcher Effekt bekannt ist, wird eine am Anker 48 angreifende Kraft erzeugt, die den Anker 48 nach rechts, d.h. in Richtung auf die Pole 82 und 112 verschiebt. Aufgrund von beabsichtigten oder unbeabsichtigten Herstellungstoleranzen, beispielsweise in der Höhe der Ankerlagervorsprünge 68, sind die Luftspalte 122 und 124 und somit die ümfangsverteilung des magnetischen Feldes um den Anker 48 herum nicht gleichmäßig. Folglich greift die vom Elektromagneten 28 erzeugte Kraft ungleichmäßig am Anker 48 an, so daß ein Teil desselben angehoben wird, bevor

die restlichen Teile angehoben werden. Bei der Anfangsbewegung des Ankers 48 handelt es sich somit um eine Schwenkbewegung, bei der der Anker um eine oder zwei AnkerlagervorSprünge 68 verschwenkt wird, oder es kann sich um eine derartige Bewegung handeln. Dieser Effekt ist regenerativ, d.h. durch die Anfangsbewegung des Ankers 48 in Richtung auf die Pole 82 und 112 werden die Luftspalte 122 und 124 reduziert, wodurch ein exponentielles Anwachsen des Magnetflusses und somit ein entsprechendes exponentielles Anwachsen der Kraft gegeben ist, die diesen Abschnitt des Ankers 48 nach rechts bewegt. Wie man aus Figur 1 entnehmen kann, wirkt dieser Anfangsbewegung des Ankers 48 nur die Schraubenfeder 50 entgegen, da die kreisförmigen Flansche 118 und 120 einen größeren Abstand voneinander aufweisen, als der Anker 48 dick ist. Nach einer vorgegebenen begrenzten Schwenkbewegung des Ankers tritt der erwähnte Ankerabschnitt mit dem entsprechenden Abschnitt der radialen Lippe 120 des elastischen Elementes 46 in Eingriff. Vor diesem Eingriff erhält der Anker 48 einen anfängliche Winkelgeschwindigkeit oder einen Impuls, der eine Trägheitskraft bewirkt, die zumindest teilweise auf das elastische Element 46 ausgedehnt wird, um die von der Druckdifferenz über dem Ventilsitz erzeugte Sitzkraft zu überwinden. Dabei wird ein synergistischer Effekt erzielt, da nur auf einen radial äußeren Abschnitt des elastischen Elementes 46 eingewirkt wird, so daß der Anfangseffekt des Ankereingriffs darin besteht, das elastische Element 46 vom Ventilsitz 52 "loszubrechen" oder "abzustreifen". Die anfängliche Schwenkbewegung des Ankers 48 und der daraus resultierende "Abstreifvorgang" sind aus Figur 3 ersichtlich, die einen Teilschnitt durch das Magnetventil 10 in einem Ubergangsstadium unmittelbar nach dessen Betätigung

zeigt. Wie man der Figur entnehmen kann, befindet sich der Anker 48 mit einem radial äußeren Abschnitt der elastischen Lippe 120 in Kontakt, nachdem er eine anfängliche Schwenkbewegung durchgeführt hat und bringt folglich eine konzentrierte Kraft auf, die das elastische Element 46 nur von einem Abschnitt des Ventilsitzes 52 löst, so daß durch diesen Abschnitt des Ventilsitzes ein anfänglicher Strömungsmittelausbruch bewirkt wird. Ein zweiter Rückkoppelungseffekt wird dadurch erreicht, daß durch den anfänglichen Strömungsmittelausbruch die Druckdifferenz über dem Ventilsitz 52 schnell reduziert wird und somit auch die Kraft reduziert wird, die erforderlich ist, um das elastische Element 46 vom Ventilsitz 52 abzuheben. Die durch die Trägheit des Ankers 48 zur Verfügung gestellte hohe Momentankraft wird daher gerade dann aufgebracht, wenn eine hohe Momentankraft erforderlich ist, um das Ventil "aufzubrechen" und den Druck entsprechend auszugleichen. Wenn das Ventil einmal geöffnet ist, wird eine sehr viel geringere Kraft benötigt, die über den Magnetfluß selbst zur Verfügung gestellt werden kann.

Wenn das Magnetventil 10 in der normalerweise offenen Weise betrieben werden soll, wird das Fitting 16 an eine Quelle reduzierten Druckes angeschlossen, beispielsweise an den Verteiler eines Kraftfahrzeugmotors. Nach der Erregung des Elektromagneten 28 wird der Anker 48 vollständig nach rechts gezogen, so daß der zweite ebene Oberflächenabschnitt 54 mit dem zweiten Ventilsitz 56 dichtend in Eingriff tritt und den Durchfluß über den zweiten Ventilsitz 56 unterbricht. Wenn der Elektromagnet 28 aberregt wird, bewegt sich der Anker 48 unter dem Einfluß der Feder 58 nach links. Der Abfall des Magnetflusses

ist jedoch in bezug auf den Anker 48 nicht gleichmäßig, da die Dicke des nichtmagnetischen Materiales 47 infolge von Herstellungstoleranzen durch den vorstehend beschriebenen Taumelvorgang nicht absolut gleichmäßig ist. Der Anker 48 wird daher gegen den kreisförmigen Flansch 118 des elastischen Elementes 46 geschwenkt und versucht, das Element 46 vom Ventilsitz 56 "loszubrechen". Während dieser Anfangsbewegung wird durch den Anker 48 eine Trägheitskraft erzeugt, die dazu beiträgt, das elastische Element 46 vom Ventilsitz 56 gegen die durch den Unterdruck in der öffnung 22 aufgebaute Druckdifferenz abzuheben. Die begrenzte Axialbewegung zwischen dem Anker 48 und dem elastischen Element 48 und die Schwenkbewegung des Ankers 48 tragen somit dazu bei, das elastische Element 46 vom Sitz abzuheben, wenn das Magnetventil 10 in der normalerweise offenen Weise arbeitet. Dies entspricht im wesentlichen der Funktionsweise des Ventiles 10 beim Betrieb desselben in der normalerweise geschlossenen Weise.

Aus Figur 3 geht hervor, daß das elastische Element 46 sehr flexible radiale Flansche 118 und 120 und einen relativ dazu viel weniger flexiblen mittleren Abschnitt 116 umfaßt. Folglich entspricht das Abheben des elastischen Ventilelementes 46 mehr einem "Losbrechen" als einem "Abstreifen". Ein verstärkter "Abstreifeffekt" kann erreicht werden, indem man relativ starre Flansche (oder andere Montageeinrichtungen) für das Element 46 und einen relativ flexiblen mittleren Abschnitt verwendet. Falls gewünscht, können beliebige Kombinationen in bezug auf die Flexibilität Anwendung finden, um diese Effekte miteinander zu vermischen, so lange wie das elastische Element 46 zusammen mit dem Anker 48 funktioniert. Durch die kombinierte

Wirkung der durch die Anfangsbewegung des Ankers 48 zur Verfügung gestellten Trägheitskraft und der Schwenkbewegung, durch die nur auf einen radial äußeren Abschnitt des elastischen Elementes 46 eine beträchtliche Kraft aufgebracht wird, kann das Magnetventil 10 zufriedenstellen arbeiten und benötigt einen geringeren Magnetfluß als die gegenwärtig im Betrieb befindlichen Magnetventile. Folglich kann die Anzahl der Amperewindungen der magnetischen Quelle 30 reduziert werden, was eine beträchtliche Kostenverringerung des Magnetventiles bedeutet. Darüber hinaus ist infolge der flachen Ventilform im Gegensatz zu einem Nadelventil nur ein kleiner Hub der beweglichen Ventileinheit 44 relativ zum Ventilsitz 52 erforderlich, um eine minimale Drosselung durch den Ventilsitz zu erreichen.

Bei einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Magnetventil 10 so konstruiert sein, daß zumindest die Pole 82 und 112 des Elektromagneten 28 mit dem nichtmagnetischen Material 47 versehen werden, wie dies vorstehend für den Anker 48 beschrieben worden ist. Der nichtmagnetische Spalt kann somit auch am Elektromagneten 28 anstelle des Ankers 48 vorgesehen sein.

Ein erfindungsgemäß ausgebildetes Ventil kann auch unter Verwendung eines beweglichen Kernes konstruiert werden. Dabei ist der bewegliche Kern derart mit der das elastische Element 46 tragenden Platte verbunden, daß durch die Bewegung des Kernes in Ansprache auf die Erregung der Quelle für den Magnetfluß das elastische Element 46 vom Ventilsitz abgehoben wird. Vorzugsweise ist die Verbindung zwischen dem beweglichen Kern und der Platte oder zwischen der Platte und dem elastischen Element 46 schief oder als Schwenkverbindung ausgebildet,

um den vorstehend erwähnten "Losbrecheffekt" zu erreichen. Beispielsweise kann das Element 48 einen winklig angeordneten Flansch besitzen, um die schiefe Verbindung auszubilden. Naturgemäß wird es bevorzugt, eine begrenzte Relativbewegung zwischen der Platte und dem beweglichen Kern oder der Platte und dem elastischen Element 46 vorzusehen, um vor dem Abheben des elastischen Elementes 46 vom Sitz 52 einen Anfangsimpuls oder eine Trägheitskraft zu erzeugen. Bei einer derartigen Ausführungsforra sollte das nichtmagnetische Material zumindest in demjenigen Abschnitt des Kernes angeordnet sein, der sich in enger Nachbarschaft zu den Windungen 30 befindet.

Bei einer Konstruktion des erfindungsgemäßen Ventiles sind die drei Vorsprünge 68 durch ein ringförmiges Rippenelement ersetzt, das einstückig mit der Endkappe 64 und kontinuierlich ausgebildet ist, mit Ausnahme einer Unterbrechung oder einer öffnung benachbart zur öffnung 24, um einen Luftkanal zwischen der öffnung 24 und dem Luftvolumen innerhalb des Ringelementes vorzusehen. Bei dieser Konstruktion ist die Oberfläche des Ringelementes, die dem Anker 48 gegenüberliegt, flach ausgebildet und etwa 0,025" breit und der Durchmesser ist etwas größer als der des Kreises, auf dem die Vorsprünge 68 angeordnet sind. Der Außendurchmesser entspricht etwa dem Durchmesser des Ankers 44, so daß jede signifikante Bewegung eines Teiles des Ankers 44 in Richtung der Endkappe 64 (in Figur 1 nach links) während des Verschwenkes ausgeschlossen wird. Wie die Vorsprünge 68 steht das ringförmige Element vorzugsweise geringfügig weiter (0,011") von der Innenseite der Endkappe 64 vor, als der Ventilsitz 52.

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Aus der vorstehenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäß ausgebildeten Magnetventiles geht hervor, daß ein Magnetventil zur Verfügung gestellt wird, das schneller arbeitet als die Magnetventile des Standes der Technik und eine schnellere Ansprechzeit besitzt und das mit einem geringeren Magnetfluß und somit einer geringeren Anzahl von Amperewindungen auskommt, als die Magnetventile des Standes der Technik. Es wird daher eine beträchtliche Kostenersparnis erreicht. Die Ausrichtung zwischen dem elastischen Element 46 und den Ventilsitzen 52 und 56 ist nicht kritisch, so daß die*entsprechenden Teile und der nichtmagnetische Spalt unter Einhaltung von üblichen Toleranzen hergestellt werden können, wodurch eine einfache und wirtschaftliche Montage und Herstellung erreicht wird. Darüber hinaus sind infolge von Verschleiß verursachte DimensionsSchwankungen ebenfalls nicht kritisch, was die Zuverlässigkeit und nutzbare Lebensdauer der Vorrichtung verbessert.

Leerseite

Claims

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Patentansprüche

Magnetventil mit einem beweglichen Anker zur Betätigung des Ventiles und magnetischen Einrichtungen zum Bewegen des Ankers in Richtung auf die magnetischen Einrichtungen, wenn diese erregt sind, gekennzeichnet durch Einrichtungen zum Aufrechterhalten eines nicht magnetischen Spaltes zwischen den magnetiscchen Einrichtungen (2) und dem Anker (48), wenn die magnetischen Einrichtungen erregt sind, um den magnetischen Fluß zwischen den magnetischen Einrichtungen (28) und dem Anker (48) zu steuern.
2. Magnetventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Aufrechterhalten des nichtmagnetischen Spaltes ein nichtmagnetisches Material (47) auf mindestens einem Abschnitt des Ankers (48) umfassen.
3. Magnetventil nach Amspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtmagnetische Material

(47) einen überzug aus einem Kupfer enthaltenden Material aufweist, der mindestens auf dem Abschnitt des Ankers (48) angeordnet ist.
4. Magnetventil nach Anspruch 2, da durch g e -

kenzeichn et, daß das nichtmagnetische Material (47) eine Schicht aus einem Kupfer enthaltenden Material und eine Schicht aus einem Nickel enthaltenden Material mindestens auf dem Abschnitt des Ankers (48) umfaßt.
5. Magnetventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtmagnetische Material (47) eine innere Schicht aus einem relativ weichen, nichtmagnetischen Material und eine äußere Schicht aus einem relativ harten nichtmagnetischen Material umfaßt, wobei die äußere Schicht auf der inneren Schicht ange-
6. Magnetventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Aufrechterhalten des nichtmagnetischen Spaltes ein nichtmagnetisches Material (47) auf mindestens einem Abschnitt der magnetischen Einrichtungen (28) umfassen.
7. Magnetventil nach Anspruch 6, dadurch ge^ kennzeichnet, daß das nichtmagnetische Material

(47) eine Schicht aus eienem Kupfer enthaltenden Material und eine Schicht aus einem Nickel enthaltenden Material auf mindestens einem Abschnitt der magnetischen Einriebe tungen (28) umfaßt.
8. Magnetventil mit einem beweglichen Anker zur Betätigung des Ventiles, einem Elektromagneten zum Bewegen des Ankers in Eingriff mit dem Elektromagneten wenn dieser erregt ist,und Vorspanneinrichtungen zum Bewegen des Ankers vom Elektromagneten weg, wenn dieser aberregt wird, da durch gekennzeichnet, daß mindestens ein Abschnitt des Ankers (48) eine Schicht aus nichtmagnetischem Material (4 7) zwischen dem Anker und dem Elektromagneten (28) aufweist, um den magnetischen Fluß zwischen dem Elektromagneten und den Anker und dadurch ■ die auf den Anker (48) in die entgegengesetzte Richtung wie die Vorspanneinrichtung (58) wirkende Kraft zu steuern.
9. Magnetventil nach Anspruch 8, da d u r c h gekennzeichnet, daß das nichtmagnetische Material (47) ein Kupfer enthaltendes Material umfaßt.
10. Magnetventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtmagnetische Material (47) ein stromlosen Nickel enthaltendes Material umfaßt.
11. Magnetventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus dem nichtmagnetischen Material eine innere Unterschicht aus einem Kupfer enthaltenden Material und eine äußere Schicht aus einem Nickel enthaltenden Material aufweist.
12. Magnetisch betätigter Mechanismus mit einem beweglichen Element und magnetischen Einrichtungen zum Bewegen des beweglichen Elementes in Eingriff mit den magnetischen Einrichtungen, wenn diese erregt werden, dadurch gekennze ichnet, daß mindestens ein Abschnitt des beweglichen Elementes eine Schicht aus einem nichtmagnetischen Material (47) aufweist, so daß auf diese Weise ein nichtmagnetischer Spalt zwischem dem beweglichen Element und den magnetischen Einrichtungen gebildet wird, wenn die magnetischen Einrichtungen erregt sind.
13. Magnetisch betätigter Mechanismus nach Anspruch 12,

dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Material (47) eine innere Schicht aus einem relativ weichen nichtmagnetischen Material und eine äußere Schicht aus einem relativ harten nichtmagnetische Material aufweist und daß die äußere Schicht wesentlich dünner ist als die innere Schicht.
14. Verfahren zur Ausbildung eines nichtmagnetischen Spaltes zwischen einer einen magnetischen Fluß erzeugenden Vorrichtung und einem magnetischen Anker, der mit dieser Vorrichtung in Eingriff bringbar ist, gekennzeichnet durch die nachfolgenden Schrittej

(a) Versehen des Ankers mit einer ersten Schicht aus einem nicht magnetischen Material;

(b) Polieren des Ankers, um die Oberfläche der ersten Schicht zu glättenf

(c) Versehen der ersten Schicht mit einer zweiten Schicht aus einem relativ harten nichtmagnetischen Material; und

(d) Polieren des Ankers, um die Oberfläche der zweiten Schicht zu glätten;

wobei die erste und zweite Schicht den nichtmagnetischen Spalt bilden.
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15. Verfahren zur Ausbildung eines nichtmagnetischen Spaltes zwischen einer magnetischen Fluß erzeugenden Vorrichtung und einem magnetischen Anker, der mit dieser Vorrichtung in Eingriff bringbar ist, gekennzeichnet durch die nachfolgenden Schritte:

(a) Versehen des Ankers mit einer Schicht aus einem Kupfer enthaltenden, nichtmagnetischen Material;

(b) Polieren des Ankers, um die Oberfläche der Kupfer enthaltenden Schicht zu glätten;

(c) Versehen der Kupfer enthaltenden Schicht mit einer Schicht aus einem Nickel enthaltenden, nicht magnetischen Material; und

(d) Polieren des Ankers zum Glätten der Oberfläche der Nickel enthaltenden Schicht;

wobei die Kupfer enthaltende Schicht und die Nickel

enthaltende Schicht den nichtmagnetischen Spalt bilden.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker erhitzt wird, um die Nickel enthaltende Schicht auszuhärten.
17. Magnetventil mit einem Ventilelement, das mit einem Ventilsitz in Eigriff bringbar ist, einem beweglichen Anker, um das Ventilelement in und außer Eingriff mit dem Ventilsitz zu bringen und magnetischen Einrichtungen zum Bewegen des Ankers in Richtung auf die magnetischen Einrichtungen, wenn diese erregt werden, dadurch gekennze ichnet, daß es Einrichtungen zum Versehen der Bewegung des Ankers (48) mit einer Schwenk-Drehkomponente und zum Drehverschwenken mindestens eines Abschnittes des Ventilelementes (46) relativ zum Ventilsitz (52, 56) in Ansprache auf die Dreh-Schwenkbewegung des Ankers (48) sowie Einrichtungen zum Aufrechterhalten eines nichtmagnetischen Spaites zwischen den magnetischen Einrichtung ⁿ(28) und dem Anker (48) aufweist, wenn die magnetischen Einrichtungen erregt sind, um dadurch den Magnetfluß zwischen den magnetischen Einrichtungen und dem Anker zu steuern.