DE3618104A1 - Solenoidventil - Google Patents

Description

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Beschreibung:

Die Erfindung bezieht sich auf ein Solenoidventil mit zwei Öffnungen, welches bei einer plötzlichen Stromversorgung Öffnet und in der Offenstellung verbleibt.

Einige der selbsthaltenden Solenoidventile werden von einem plötzlichen Stromstoß an eine elektrische Anregungsspule geöffnet und verbleiben in der vollständig geöffneten Stellung auch nachdem der Strom abgeschaltet ist, beispielsweise durch die Wirkung eines Permanentmagneten od. dgl.. Um jedoch ein Ventil, wie ein übliches Solenoidventil, zu öffnen, muß das Solenoid eine hinreichend große Kapazität haben, um den Ventilkörper von dem Ventilsitz in die vollständig geöffnete Stellung zu ziehen, wenn Strom seiner Spule zugeführt wird. Bei einem derartigen Solenoid befindet sich jedoch der Anker in der vom feststehenden Eisenkern am weitesten entfernten Position, wenn der ''sntilkörper von dem Ventilsitz weggezogen wird; die Anziehungskraft zwischen Anker und feststehendem Eisenkern ist in dieser Stellung sehr gering, auch wenn das Ventilöffnen die größte Kraft erfordert. Aus diesem Grunde sind herkömmliche Solenoidventile verhältnismäßig groß und kostspielig.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein solches Solenoidventil mit zwei Öffnungen so auszugestalten, daß nach einem leichten Öffnen des Ventilkörpers durch- die Wirkung eines Ankers der Ventilkörper in die vollständig geöffnete Stellung mittels des Druckes des Fluides, welches durch das Ventilgehäuse strömt, gebracht wird und dort verbleibt; da-

^:=;."^: 361 81 OA

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durch kann der Bewegungshub des Ankers verkürzt und die Abmessung des Solenoids verringert werden.

Um diese Aufgabe zu lösen, weist ein Solenoidventil der gattungsgemäßen Art im wesentlichen die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 auf. Das Solenoidventil nach der Erfindung mit zwei Öffnungen hat einen Ventilsitz und ein Ventilglied auf der Einlaßöffnungsseite des Ventilgehäuses. Das Ventilglied besteht aus einem Ventilkopf und einer Ventilstange. Das Ventilglied ist gleitend in dem Ventilgehäuse mittels der Ventilstange geführt. Die Querschnittsfläche der Ventilstange ist geringer als die wirksame Fläche des Ventilsitzes, so daß eine Ventilschließkraft durch den Druck des Fluides auf der Einlaßseite entwickelt wird, wenn das Ventil geschlossen ist. Die Spitze einer Schubstange, die von dem Anker des Solenoids in Ventilöffnungsrichtung geschoben wird, liegt an dem Ventilkopf an, wodurch der Anker über eine geringe Strecke sich bewegen kann, die gerade ausreicht, um den Ventilkopf geringfügig von dem Ventilsitz abzuheben.

Bei diesem Ventil, bei welchem die Querschnittsfläche der Ventilstange geringer ist als die effektive Fläche des Ventilsitzes, wird der Ventilkopf normalerweise in geschlossener Stellung von dem Druck des Fluides von dem Einlaß her gehalten, was auf der Differenz der Fläche zwischen diesen beruht. Wenn ein Stromstoß an das Solenoid angelegt wird, schiebt die Schubstange den Ventilkopf leicht von dem Ventilsitz weg, um diesen zu öffnen, worauf das Fluid in Richtung der Ausgangsseite strömt. Der Druck des Fluides öffnet den Ventilkopf in die vollständig geöffnete Stellung und hält diesen in diesem Zustand.

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Auf diese Weise wird die Notwendigkeit, den Ventilkopf in die vollständig geöffnete Stellung zu bewegen, beseitigt; der Anker braucht nicht mehr Arbeit zu leisten, als einen Durchlaß zwischen den beiden Öffnungen geringfügig zu öffnen. Auf diese Weise kann der Bewegungshub des Ankers verkürzt und damit auch die Abmessung des Solenoids verringert werden.

Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein die Erfindung aufweisendes Solenoidventil gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel ,

Fig. 2 eine vergrößerte Schnittdarstellung, welche den Hauptteil des Ventils gemäß Fig. 1 im Bereich des Ventilkopfes zeigt, und

Fig. 3 den Längsschnitt für ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Bei dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel hat ein Ventilgehäuse 1 einen Einlaß 2, einen Auslaß 3 und einen Durchlaß 4, welcher Einlaß 2 und Auslaß 3

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in Strömungsverbindung miteinander bringt. Das Ventilgehäuse 1 besteht aus einem Aufbaublock 1A und einem Ventilstützglied 1B, welches dicht in ein Loch 5 eingepaßt ist, welches sich zu dem Durchlaß 4 hin öffnet. Der Aufbaublock 1A hat ein Schubstangenloch 6 gegenüber dem Ventilstützglied 1B. Das Ventilstützglied 1B hat ein Durchgangsloch 10, in welches die Ventilstange 9 des Ventilgliedes eingesetzt ist.

Wie sich aus Fig. 2 im einzelnen ergibt, ist am Öffnungsende des Schubstangenloches 6 ein Ventilsitz 7 vorgesehen, dessen effektiver Durchmesser größer ist als der Durchmesser d der Ventilstange 9, und zwar um den Betrag Δα. Der Ventilsitz 7 wird von dem Ventilkopf 8 geöffnet und geschlossen, dessen oberer Abschnitt halbkugelförmig gestaltet ist. Die Ventilstange 9, welche sich von dem Ventilkopf 8 aus erstreckt, ist gleitend in dem Durchgangsloch 10 aufgenommen, wobei das gegenüberliegende Ende aus dem Ventilgehäuse 1 hinausragt. Ein O-Ring 11 ist in der Mitte zur Abdichtung vorgesehen.

Ein Solenoid 14, welches an dem Ventilgehäuse 1 angebracht ist, weist eine elektrische Anregungsspule 15 aus einem um einen Spulenkörper gewickelten Draht, einen feststehenden Eisenkern 16, magnetische Rahmen 17, 17, die die Spule und den Eisenkern umgeben, ein Führungsrohr 18 aus nicht-magnetischem Material, welche in ein Spulenkernloch in der Spule 15 eingepaßt ist, und einen Anker 19 auf, welcher gleitend in das Führungsrohr 18 eingepaßt ist, auf; die gesamte Anordnung ist in synthetischen Harz, Kunststoff od. dgl. eingegossen.

Der Anker 19 hat eine Schubstange 20 an seinem einen Ende. Die Schubstange 20 führt durch ein Mittelloch in dem feststehenden Eisenkern 16 und das Schubstangenloch 6, wobei sich seine

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Spitze bis zu einer Stelle dicht der Oberseite des Ventilkopfes 8 erstreckt. Der Anker 19 kann sich über einen geringen Hub As bewegen, der gerade ausreicht, um den Ventilkopf 8 geringfügig von dem Ventilsitz 7 abzuheben.

Das Ventil gemäß Fig. 1 arbeitet wie folgt:

Fig. 1 zeigt das Ventil in einem zustand, in welchem kein Strom durch die elektrische Anregungsspule 15 fließt. Wie zuvor erwähnt, ist der effektive Durchmesser des Teiles des Ventilkopfes 8, welcher in Berührung mit dem Ventilsitz 7 kommt, um dieses zu schließen, größer als der Durchmesser d der Ventilstange 9 um das Maß Δ, d. Folglich wirkt der Druck des Fluides, welches von dem Einlaß 2 herkommt, auf das Ventilglied, wobei die Kraft, die sich aus der Durchmesserdifferenz ^d ergibt, den Ventilkopf 8 gegen den Ventilsitz 7 drückt, um den Ventilkopf 8 in geschlossener Stellung zu halten. In diesem Zustand befindet sich die Spitze der Schubstange 20 dicht boi dem Ventilkopf 8, wobei ein Abstand gewahrt ist, welcher dem geringen Hub ^s zwischen dem Anker 19 und dem feststehenden Eisenkern 16 entspricht. Es wird angenommen, daß bei der Benutzung des Ventils, wenigstens wenn das Ventil geschlossen ist, der Druck an dem Auslaß 3 und der Druck am anderen Ende der Ventilstange 9 etwa gleich sind.

Wenn ein Stromstoß an die elektrische Anregungsspule 15 in dem in Fig. 1 gezeigten Zustand gelegt wird, wird der Anker 19 in Richtung des feststehenden Eisenkernes 16 über den geringen Hub ^s angezogen, worauf die Schubstange 20 den Ventilkopf 8 geringfügig von dem Ventilsitz abhebt, um diesen zu öffnen.

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Wenn der Ventilsitz 7 so leicht geöffnet ist, strömt das unter Druck stehende Fluid von dem Einlaß 2 zu dem Auslaß 3, wobei der Druck in dem Schubstangenloch 6 etwas ansteigt. Dieser erhöhte Druck arbeitet auf die Oberseite des Ventilkopfes 8, wodurch die Richtung der Kraft, die auf das Ventilglied 8, 9 einwirkt, umgekehrt wird. Folglich wird der Ventilkörper 8 zur Öffnung des Ventilsitzes 7 bewegt und in vollständig geöffneter Stellung von dem Druck des Fluides gehalten, das durch den Durchlaß 4 hindurchströmt.

Auch wenn der Strom der Spule 15 pulsiert, wird der Ventilkopf 8 dennoch in der vollständig geöffneten Stellung gehalten. Darüber hinaus besteht keine Notwendigkeit, daß der Anker 19 den Ventilkopf 8 vollständig öffnet. Die Aufgabe des Ankers 19 ist nicht die vollständige Öffnung der Fluidströmung, sie besteht lediglich darin, den Ventilkopf 8 um einen so geringen Abstand zu öffnen, der ausreicht, um den Druck auf der Auslaßseite des Ventilsitzes 7 zu erzeugen. Folglich ist der Bewegungshub des Ankers 19 sehr gering.

Wenn der Durchmesser der Ventilöffnung D ist, sollte der Anker 19 einen Bewegungshub von etwa D/4 ausführen. Nach der Erfindung kann andererseits der Bewegungshub auf etwa 1/2 bis 1/4 der üblicherweise erforderlichen Strecke gebracht werden, da kein größerer Hub benötigt wird als ein solcher, um den Druck auf der Auslaßseite etwas anzuheben. Danach kann die von dem Solenoid entwickelte Kraft, welche umgekehrt proportional ist zu dem Quadrat des Bewegungshubes des Ankers 19, auf 1/4 bis 1/16 des üblichen Maßes reduziert werden.

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Wenn der Durchmesser der Schubstange 20 an seiner Spitze geringer ist als sonstwo, wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt, steigt der Druck, welcher auf die Oberseite des Ventilkopfes 8 einwirkt, rasch an, wenn der Ventilkopf 8 betätigt wird, um den Ventilsitz 7 leicht zu öffnen; dadurch wird die Betätigung des Ventilkopfes 8 beschleunigt, um den Ventilsitz 7 zu öffnen.

Aus der vollständig geöffneten Stellung kann der Ventilsitz 7 durch äußere Kraft geschlossen werden, d.h. entwede von Hand oder durch sonstige Mittel, die auf die Spitze der Ventilstange 9 einwirken, die aus dem Ventilgehäuse 1 herausragt; dabei wirkt die Schließkraft gegen den Druck des Fluides in dem Ventilgehäuse 1. Wenn der Ventilkopf 8 den Ventilsitz, wie in Fig. 1 gezeigt, erneut verschließt, wird der Ventilkopf 8 in der geschlossenen Stellung durch den Fluiddruck in dem Einlaß 2 gehalten.

Das Zwei-Öffnungs-Solenoidventil, wie es zuvor beschrieben wurde, kann als Notventil eingesetzt werden, da das Ventil durch einen Stromstoß in die geöffnete Stellung gebracht wird und die gewünschtr Funktion auch erfüllt wird, wenn der Strom danach ausfällt. Ein anderes Beispiel seiner Anwendung sind die Schwimmer, die an einem Fischereinetz od. dgl. angebracht sind, die auf den Seeboden abgesetzt werden. Wenn das Fischereinetz wieder angehoben wird, werden die Schwimmer mit Luft gefüllt, um den Auftrieb für das Anheben des Netzes an die Oberfläche zu schaffen. Das Aufblasen mit Luft wird durch Versorgen mit Druckluft von einem Lufttank aus über ein Solenoidventil erreicht, welches durch ein Signal geöffnet wird, welches von einem Ultraschallgerät oder einer anderen

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geeigneten Einrichtung ausgesendet wird.

Fig. 3 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, dessen Ventilgehäuse 21 einen Aufbaublock 21A und ein Ventilstützglied 21B aufweist, die den entsprechenden Gliedern der ersten Ausführungsform sehr ähnlich sind; außerdem ist ein Ventilrückstelldruckknopfstützglied 21C vorgesehen.

Das Ventilrückstelldruckknopfstützglied 21C, welches in den Ventilaufbaublock 21A eingeschraubt ist, um das Ventilstützglied 21B in seine Stellung zu drücken und dort festzulegen, bildet eine Druckkammer 41 , die in Strömungsverbindung steht mit einem Auslaß 23 über einen Durchlaß 41, in Verbindung mit dem Ventilstützglied 21B. Das Stützglied 21C nimmt gleitend einen abgedichteten Ventilrückstelldruckknopf 45 auf, welcher von der Ventilstange 29 eines Ventilkopfes 28 durch eine Rückstellfeder 44 in der Druckkammer 43 weggedrückt wird.

An dem offenen Ende eines Schubstangenloches 26 ist, wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel, ein Ventilsitz 2 7 vorgesehen, dessen wirksamer Durchmesser größer ist als der Durchmesser d der Ventilstange 29 um das Maß A d. Die Ventilstange 29 des Ventilskopfes 28, welcher den Ventilsitz 27 öffnet und schließt, ist gleitend in ein Durchgangsloch 30 eingesetzt, wobei das gegenüberliegende Ende in die Druckkammer 43 hineinragt und in der Mitte ein O-Ring zur Dichtung vorgesehen ist.

Ein Solenoid 34 ist an dem Ventilkörper 21 vorgesehen. Es hat, wie im ersten Ausführungsbeispiel, eine elektrisch anregbare Spule 35, einen feststehenden Eisenkern 36, magnetische Rahmen 37, ein Führungsrohr 38 aus nicht-magnetischem Material und einen Anker 39. Zwischen dem Anker 39 und dem feststehenden

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Eisenkern 36 ist eine Feder 46 eingefügt, die Anker und Kern auseinanderdrücken. Eine Schubstange 40 ist durch ein Schubstangenloch 26 und den feststehenden Eisenkern 36 hindurchgeführt, wobei ein Ende der Schubstange 40 in Berührung mit dem Ventilkopf 28 gebracht ist und das andere Ende etwas aus dem feststehenden Eisenkern 36 in Richtung des Ankers 39 hinausragt. Da der Aufbau dieses zweiten bevorzugten Ausführungsbeispieles im übrigen im wesentlichen gleich dem des ersten Beispieles ist, können insoweit die Erläuterungen weiterer Einzelheiten entfallen.

Das zweite bevorzugte Ausführungsbeispiel arbeitet wie das erste Ausführungsbeispiel, unterscheidet sich aber von jenem wie folgt:

Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel ragt die Spitze der Ventilstange 29 des Ventilkopfes 28 in die Druckkammer 43, welche mit dem Auslaß 23 über den Durchlaß 41 in Strömungsverbindung steht, wodurch der Druck an dem Auslaß 23 auf dem gleichen Pegel liegt, wie der Druck in der Druckkammer 43. Daher ist es bei dem zweiten Ausführungsbeispiel nicht erforderlich, daß der Fluiddruck am Auslaß im wesentlichen gleich dem Fluiddruck ist, der auf das äußere Ende der Ventilstange 29 einwirkt.

Die Feder 46 zwischen dem Anker 39 und dem feststehenden Eisenkern 36 verhindert Fehlfunktionen bei Vibrationen oder anderen Ursachen, welche bei dem ersten Ausführungsbeispiel nicht ganz vermieden werden können. Dadurch kann das Ventil gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel auch unter sehr veränderlichen Umgebungsbedingungen arbeiten. Darüber hinaus erlaubt der Raum zwischen dem Anker 39 und der Schubstange 40, daß der Anker 39 die Schubstange 40 durch seine gespeicherte kinetische Energie stößt. Dies erlaubt eine weitere Reduktion der

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Abmessung und noch sicherere Funktion des Solenoids.

Beim Schließen des Ventilsitzes 27 mit dem Ventilkopf 28 wird der Rückstelldruckknopf 45 gegen die Kraft der Rückstellfeder 44 gedrückt, ohne daß der Ventilkopf 28 in unmittelbare Berührung mit dem Ventilsitz 27 gebracht wird. Dies hält die Ventilstange 29 frei von Einfluß von äußerem Druck und verhindert eine Fehlfunktion des Ventilkopfes.

Bei dem zuvor beschriebenen Zwei-Öffnungs-Solenoidventil wird der Ventilkopf so betätigt, daß er in die vollständig geöffnete Stellung gelangt und dort verbleibt, wenn er in einen geringen Abstand von dem Ventilsitz gebracht wird, um diesen zu öffnen, was dem geringen Hub des Ankers entspricht. Daher kann der Bewegungshub des beweglichen Eisenkerns sehr gering im Vergleich zu dem Maß der Verschiebung des Ventilkopfes gemacht werden; die Abmessung der elektrisch anregbaren Spule kann dementsprechend verringert werden.

Da die Dauer der Stromzufuhr zu der elektrisch anregbaren Spule zur Öffnung des Ventilsitzes verkürzt werden kann, reicht auch ein geringer Stromimpuls beispielsweise in der Form eines Notsignals aus, um den Ventilsitz zu öffnen und geöffnet zu halten, auch wenn das elektrische System nachher ausfällt.

Die Erfindung ist nicht auf die zuvor beschriebenen besonderen Ausführungsbeispiele beschränkt, da ersichtlich im Rahmen der erfindungsgemäßen Lehre zahlreiche Abweichungen davon vorgenommen werden können.

Claims (4)

Keil&Schaafhausen PATENTANWÄLTE S 67 PG 21 Frankfurt am Main 28.5.1986 SMC CORPORATION 16-4, Shinbashi 1-chome, Minato-ku Tokyo 105 (Japan) Solenoidventil Ansprüche:

1. Solenoidventil mit zwei Öffnungen, mit einem Ventilgehäuse

(1) mit einem Einlaß (2), einem Auslaß (3), einem Durchlaß (4), welcher Einlaß (2) und Auslaß (3) in Strömungsverbindung miteinander bringt, einem Ventilsitz (7), welcher an der Einlaßseite des Durchlasses (4) vorgesehen ist, und einem Ventilkopf (8) zum Öffnen und Schließen des Ventilsitzes (7), wobei der Ventilkopf (8) von einem Soleniod (14) betätigbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkopf (8) zum Öffnen und Schließen des Ventilsitzes (7) mittels einer Stange (9) gleitend mit dem Ventilgehäuse (1) verbunden ist, wobei die Querschnittsfläche der Stange (8) kleiner ist als die effektive Fläche der Öffnung des Ventilsitzes (7), so daß eine Ventilschließkraft durch den Druck des Fluides von dem Einlaß

(2) aus ausgeübt wird, wenn der Ventilsitz (7) geschlossen ist, daß eine Schubstange (20) durch den Anker (19) in dem Solenoid (14) in Ventilverschlußrichtung gedruckt wird, wobei die Spitze der Schubstange (20) gegen den Ventilkopf (8) in

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Schließstellung anliegt, und daß der Anker (19) über einen geringen Hub bewegbar ist, der gerade ausreicht, um den Ventil kopf (8) geringfügig von dem Ventilsitz (7) abzuheben.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stange (9) durch ein Durchgangsloch (10) in dem Ventilgehäuse (1) hindurchgeführt ist, um aus diesem herauszuragen.

3. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Druckkammer (43), welche mit dem Auslaß (23) in Strömungsverbindung steht, in dem Ventilgehäuse (21) vorgesehen ist, daß die Ventilstange (29) durch ein Durchgangsloch (30) in dem Ventilgehäuse (21) hindurchgeführt ist, um in die Druckkammer (43) hineinzuragen, und daß ein abgedichteter Ventilrückstelldruckknopf (45), welcher von einer Rückstellfeder (44) weg von der Ventilstange (29) gedrückt wird, gleitend in dem Ventilgehäuse (21) aufgenommen ist und aus diesem herausragt.

4. Ventil nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Feder (46) den Anker (39) und den feststehenden Eisenkern (36) des Solenoids (34) auseinanderdrückt, indem sie zwischen Anker (39) und Kern (36) angeordnet ist, daß ein Ende einer Schubstange (40) zum Drücken des Ventilkopfes (28) in Berührung mit dem Ventilkopf (28) gehalten ist, und daß das andere Ende der Schubstange (40) etwas aus dem feststehenden Eisenkern (36) in Richtung des Ankers (39) herausragt, aber mit dem Anker (39) nicht in Berührung kommt.