DE60117219T2

DE60117219T2 - Elektromagnetisches Ventil

Info

Publication number: DE60117219T2
Application number: DE60117219T
Authority: DE
Inventors: Marco Liorati; Daniele Zaupa; Bruno Giordano
Original assignee: Brahma SpA
Current assignee: Brahma SpA
Priority date: 2000-09-08
Filing date: 2001-05-23
Publication date: 2006-08-24
Anticipated expiration: 2021-05-24
Also published as: DE60117219D1; US6725877B2; ATE317955T1; IT1316202B1; US20020029804A1; EP1186816A3; EP1186816B1; ITRM20000484A1; DK1186816T3; EP1186816A2; ITRM20000484A0

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektromagnetische Ventile und insbesondere auf ein elektromagnetisches Ventil für die Zufuhr eines Fluids (Versorgung mit einer Flüssigkeit) mit veränderlichem Durchsatz gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und wie dies z.B. in dem Dokument des nächstliegenden Stands der Technik EP-A-0676589 offenbart ist.
Elektromagnetische Ventile dieser Bauart sind weit verbreitet in Gasbrenner-Zufuhrsystemen zum Einstellen des Eingangs-Gasstroms und somit Modulieren der Wärmeerzeugung durch den Brenner. Ein typisches bekanntes elektromagnetisches Ventil enthält einen hohlen Metallkörper mit einem Einlass-Verbindungsstück und einem Auslass-Verbindungsstück mit einem Ventilsitz sowie ein Absperrorgan, das entlang einer Achse senkrecht zur Strömung des Fluids beweglich ist. Das Absperrorgan ist mit einem ferromagnetischen Kern verbunden oder anderweitig mechanisch gekoppelt, der einen Teil eines magnetischen Kreises bildet, der durch einen an dem Körper montierten Solenoid bzw. Elektromagnet aktiviert wird. Der Ventilsitz und das Absperrorgan sind so geformt, dass zwischen ihnen eine Öffnung bestimmt wird, deren Größe von 0 aus kontinuierlich veränderlich ist, das heißt von einer Stellung, in der die Fluidströmung blockiert ist, zu einem maximalen Wert, das heißt einer Stellung, in der das Fluid den maximalen Durchsatz hat, und zwar in Abhängigkeit von einer elektrischen Führungsgröße, die üblicherweise der durch den Solenoid fließende Strom ist. Das Durchsatz-Einstellmittel kann auch vorgesehen sein, um eine stabile Positionierung des Absperrorgans an allen Punkten seines Weges sowie eine graduelle Bewegung des Absperrorgans ohne Hysterese zu gewährleisten.
Der Hohlkörper wird im Allgemeinen aus einer Eisenlegierung durch Pressen oder Druckgießen hergestellt und hat derartige Struktur- und Dimensionseigenschaften, dass er die notwendige Torsions- und Biegefestigkeit gewährleistet. Er ist im Allgemeinen recht schwer und sperrig und stellt einen ziemlich teueren Teil des elektromagnetischen Ventils dar. Die Einstellmittel stellen ebenfalls einen kritischen Teil des elektromagnetischen Ventils dar, da sie oftmals recht aufwändig sind und besondere Sorgfalt und enge Herstellungstoleranzen erfordern, insbesondere wenn sie hydraulische Positions-Steuerungssysteme aufweisen.
Die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein elektromagnetisches Ventil bereitzustellen, das keinen herkömmlichen Körper wie den oben beschriebenen hat und das deshalb weniger sperrig und kostspielig als bekannte elektromagnetische Ventile ist.
Diese Aufgabe wird durch die Bereitstellung des elektromagnetischen Ventils gelöst, das in dem ersten Anspruch definiert und im Allgemeinen gekennzeichnet ist.
Ein besseres Verständnis der Erfindung ergibt sich aus der nun folgenden ausführlichen Beschreibung dreier nicht einschränkend aufzufassender Ausführungsbeispiele der Erfindung, die unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erklärt werden, wobei:
1 ein elektromagnetisches Ventil für die Gaszufuhr in einem axialen Schnitt zeigt, und zwar insbesondere ein normalerweise geschlossenes elektromagnetisches Ventil mit einem einzigen Absperrorgan zum Modulieren des Ausgangs-Durchsatzes;
2 ein Diagramm ist, das den Ausgangsdruck des elektromagnetischen Ventils von 1 in Abhängigkeit von dem elektrischen Steuerungsstrom zeigt;
3 ein zweites Ausführungsbeispiel des elektromagnetischen Ventils gemäß der Erfindung in einem axialen Schnitt zeigt, und zwar insbesondere ein normalerweise geschlossenes elektromagnetisches Ventil, wie das von 1, jedoch mit einem zusätzlichen Absperrorgan;
4 ein Ventilaggregat bzw. Ventilsystem mit einem elektromagnetischen Ventil wie dem von 3 zeigt, das eine Stabilisierung des Ausgangs-Durchsatzes des Fluids ermöglicht; und
5 ein Ventilaggregat bzw. Ventilsystem zeigt, das dem von 4 ähnelt und bei dem der Durchsatz des Fluids durch Verwendung eines Hall-Effekt-Sensors stabilisiert wird.
Wie in 1 gezeigt, enthält ein Ventil zwei zylinderförmige Elemente 20 und 21, die in einem Mantel 22 aus nicht-ferromagnetischem Material leckdicht eingepasst sind, sowie einen ferromagnetischen Kern 23, der in dem Mantel zwischen den beiden Elementen 20 und 21 verschiebbar ist. Die Elemente 20 und 21 haben koaxiale Durchgangslöcher 24 und 25, die nach außen hin auf geweitet sind, um die Einlassöffnung 26 bzw. die Auslassöffnung 27 des Ventils zu bilden. Das Element 20 mit der Einlassöffnung oder, kurz gesagt, das Einlassglied 20 besteht aus einem ferromagnetischen Material, und das Element 25 mit der Auslassöffnung, oder, kurz gesagt, das Auslassglied 25 können ebenso gut aus einem nicht-ferromagnetischen Material, wie z.B. Messing, oder aus einem ferromagnetischen Material bestehen.
Ein Solenoid bzw. Elektromagnet 28 umgibt den Mantel 22 sowie Teile der Elemente 20 und 21, und eine zylinderförmige Schale 29 umgibt den Solenoid bzw. Elektromagnet 28. Die Teile des oben beschriebenen Ventils werden durch eine Tragstruktur zusammengehalten, die in diesem Ausführungsbeispiel zwei Scheiben 30, 31 und zwei Schrauben 34, 35 aufweist. Die beiden Scheiben 30 und 31, die aus ferromagnetischem Material bestehen und mittige Löcher haben, durch welche die Endabschnitte der beiden Elemente 20 und 21 ragen, sind mit ringförmigen Anschlägen 32 bzw. 33 der beiden Elemente 20 und 21 in Berührung. Die beiden Schrauben 34 und 35 sind in Löcher eingeführt, die in gegenüberliegenden radialen Vorsprüngen der Scheiben 30 und 31 vorgesehen sind, und halten die verschiedenen tragenden Teile des Ventils zusammen, wodurch die notwendige Torsions- und Biegefestigkeit gewährleistet wird.
Der Kern 23 ist als Kolben ausgebildet, der in der durch den Mantel 22 bestimmten zylinderförmigen Kammer beweglich ist, und unterteilt diese Kammer in zwei Abteilungen 36 und 37. Die beiden Abteilungen 36 und 37 kommunizieren miteinander durch Löcher in dem Kern 23, das heißt ein axiales Loch 38 und radiale Löcher 39 in diesem Ausführungsbeispiel. Ein Absperrorgan 40, das in diesem Ausführungsbeispiel aus Gummi oder einem anderen Elastomermaterial besteht, hat ein kegelstumpfförmiges Ende und ist mit dem Kern 23 fest verbunden. Das axiale Loch 25 in dem Element 21 ist zur Innenseite der Abteilung 37 auf geweitet und bildet einen Ventilsitz 41 mit einer konischen Oberfläche, der mit der konischen Oberfläche des Absperrorgans 40 zusammenpasst, wenn dieses sich in der Ventil-Absperrstellung befindet. Der von dem Absperrorgan 40 entfernte Abschnitt des Kerns 23 hat einen Hohlraum, der ebenfalls eine kegelstumpfförmige Oberfläche hat und der mit einer entsprechenden Oberfläche des inneren Endes 42 des Einlassgliedes 20 zusammenpasst, wenn sich der Kern 23 in der Stellung befindet, in der das Ventil vollständig offen ist.
Eine Feder 43, die in einem Hohlraum in dem inneren Ende 42 des Einlassgliedes 20 untergebracht ist, liegt an der ihm zugewandten Oberfläche des Kerns 23 an, um das Absperrorgan in der Schließstellung zu halten, wenn keine anderen Kräfte vorhanden sind.
Wenn ein Strom durch das elektromagnetische Ventil 28 hindurchgeleitet wird, um in dem Kern 23 eine Kraft in einer Richtung und mit einer ausreichenden Stärke zu induzieren, um die elastische Kraft der Feder 43 zu überwinden, bewegt sich das Absperrorgan 40 von dem Ventilsitz 41 weg. Wenn das Einlassglied 20 mit einem Gas-Zufuhrrohr verbunden ist, kann das Gas durch das axiale Loch 24 des Einlassgliedes, die Abteilung 36, die Löcher in dem Kern, die Abteilung 37 und die zwischen dem Absperrorgan 40 und dem Ventilsitz 41 gebildete Öffnung hindurchtreten, indem der Kern 23 verschoben wird, um die Ventil-Auslassöffnung 27 zu erreichen. Die Größe der Öffnung wird durch den durch das elektromagnetische Ventil fließenden Strom bestimmt, genauer gesagt durch den Strom, bei dem die axiale Komponente der in dem Kern 23 induzierten Kraft mit der elastischen Kraft der Feder 43 im Gleichgewicht ist.
Aufgrund der komplementären (das heißt sich ergänzenden) kegelstumpfförmigen Oberflächen des Kerns 23 und des Einlassgliedes 20 nimmt die axiale Komponente der induzierten Kraft graduell und im Wesentlichen proportional zu der elektrischen Führungsgröße zu.
2 ist ein Diagramm, das beispielhaft zeigt, wie der Druck P_out und somit der Durchsatz des ausgegebenen Gases sich als Funktion des Stromes I verändert, der durch das elektromagnetische Ventil fließt. Die mit A gekennzeichnete Kurve bezieht sich auf einen Öffnungs-Vorgang, und die mit B gekennzeichnete Kurve bezieht sich auf einen Schließ-Vorgang.
Wie man sieht, ermöglicht der Aufbau des Ventils mit dem Absperrorgan, das entlang derselben Achse wie die Fluidströmung (Gas in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel) beweglich ist, dass man auf einen herkömmlichen Ventilkörper verzichten kann und somit dessen Herstellungskosten einsparen kann. Die Einsparung zeigt sich noch deutlicher in der Tatsache, dass die Hauptteile des Ventils durch kostengünstige Drehvorgänge einfach hergestellt werden können. Wie schon erwähnt, werden die notwendige Torsions- und Biegesteifigkeit durch die Trag- und Befestigungsstruktur gewährleistet, die aus den beiden gegenüberliegenden Scheiben und den beiden Schrauben gebildet ist.
3, bei der Teile, die zu denjenigen von 1 identisch oder äquivalent sind, dieselben Bezugszeichen tragen, zeigt ein elektromagnetisches Ventil mit zwei Absperrorganen, das in vorteilhafter Weise als Einstell- und Sicherheitsventil für die Versorgung einer Gas-Installation verwendbar ist, bei der eine so genannte doppelte Gasdichtung erforderlich ist, wie z.B. in einem Warmwasserbereiter für eine Wohnung.
Im Vergleich mit dem elektromagnetischen Ventil von 1 ist das Einlassglied in zwei Abschnitte unterteilt: ein erster Abschnitt, der aus einem nicht-ferromagnetischen Material besteht und mit 20' bezeichnet ist und der im Wesentlichen die Funktion eines Einlass-Verbindungsstücks hat; und ein zweiter Abschnitt, der aus ferromagnetischem Material besteht und mit 20'' gekennzeichnet ist und von dem ersten Abschnitt durch eine zylinderförmige Kammer 50 getrennt ist. Ein zweites Absperrorgan, das in der Kammer 50 gleitend gelagert ist, ist durch ein Dichtungsglied gebildet, das in diesem Ausführungsbeispiel eine Gummischeibe 52 ist, die an einem Ende des Kerns 51 aus ferromagnetischem Material mit radialen Rillen und axialen Löchern (in der Zeichnung nicht sichtbar) befes tigt ist. Eine Feder 53 im Innern der Kammer 50 drückt den Kern 51 zu dem Abschnitt 20'', so dass bei Abwesenheit anderer Kräfte die Gummischeibe 52 den Ventilsitz 54 schließt, der durch das Ende des axialen Lochs in dem Abschnitt 20'' des Einlassgliedes bestimmt ist. Wenn der Solenoid bzw. Elektromagnet 28 gespeist wird, bewegt sich der Kern 51 und überwindet die elastische Kraft der Feder 53 und öffnet den Durchtritt für das Gas zu dem axialen Loch in dem Abschnitt 20''. Die Feder 53 ist so ausgewählt, dass sich der Kern 51 zu der geöffneten Stellung hin bewegt, das heißt zu der Stellung, bei der die Scheibe 52 von dem Ventilsitz 54 spätestens zu dem Zeitpunkt wegbewegt wird, bei dem das Einstellventil mit dem beweglichen Kern 23 sich zu öffnen beginnt. Die zweite Abdichtung, die durch das zweite Absperrorgan 52 gewährleistet wird, stellt eine Sicherheitsmaßnahme dar für den Fall, dass das Absperrorgan 40 aus irgendeinem Grund in der geöffneten Stellung festsitzt.
Wenn die Genauigkeit der Einstellung des Durchsatzes durch das elektromagnetische Ventil von 1 oder von 3 als unzulänglich angesehen wird, ist es möglich, auf an sich bekannte Art und Weise und wie in 4 schematisch gezeigt, einen Druckfühler 63 förderabseitig von dem elektromagnetischen Ventil sowie eine elektronische Steuerungseinheit 64 bereitzustellen, die den Strom I in dem Solenoid bzw. Elektromagnet in Abhängigkeit von dem Fühlersignal einstellt, um den Druck und somit den Durchsatz des Fluidausgangs auf einem vorbestimmten Wert P_ref konstant zu halten.
Ein besonders vorteilhaftes Verfahren zum Einstellen des Durchsatzes eines elektromagnetischen Ventils gemäß der Erfindung ist in 5 gezeigt. Wie man sieht, ist eine kleine Turbine 60 am Auslass des elektromagnetischen Ventils montiert und dreht sich mit einer Geschwindigkeit, die mit dem Durchsatz des austretenden Gases veränderlich ist. Zumindest ein Magnet ist in der Turbine eingekapselt. Ein Hall-Effekt-Sensor 61 erzeugt ein elektrisches Signal, das zur Drehzahl der Turbine proportional ist. Eine elektronische Steuerungseinheit 62 vergleicht die von dem Sensor 61 stammende Information mit einer Referenzgröße Q_ref, die einem vorbestimmten Durchsatz entspricht, und bewirkt eine Veränderung des Zufuhrstroms I des elektromagnetischen Ventils, um den austretenden Gasstrom bei dem vorbestimmten Durchsatz stabil zu halten.
Man erhält somit ein elektromagnetisches Ventil mit einem Durchsatz-Stabilisierer mit einem einfachen, sehr kompakten, einfachen und gleichzeitig zuverlässigen Aufbau.
Obwohl einige Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben und dargestellt wurden, sind natürlich zahlreiche Veränderungen und Abwandlungen im Rahmen der beigefügten Ansprüche möglich.

Claims

Elektromagnetisches Ventil zur Versorgung einer Flüssigkeit mit veränderlichem Durchsatz, welches umfasst: eine Leitung mit einer Einlass- (26) und einer Auslassöffnung (27), wodurch die Flüssigkeit wesentlich ohne Richtungsänderungen strömen kann, einen ersten Ventilsitz (41) innerhalb der Leitung zwischen der Einlass- und der Auslassöffnung, ein erstes Absperrorgan (40), das sich zwischen eine Absperrstellung und eine vollständige Öffnungsstellung bewegen kann, elektromagnetische Mittel, welche auf das erste Absperrorgan so wirken, dass dieses sich in Abhängigkeit von einer elektrischen Führungsgröße zu irgendeiner Stellung zwischen die Absperr- und die Öffnungsstellung bewegt, wobei die elektromagnetischen Mittel ein erstes Kern (23) aus ferromagnetischem Material aufweisen, welches am ersten Absperrorgan (40) fest gesichert und wesentlich auf derselben Achse der Flüssigkeit bewegbar ist, und ein Solenoid (28) zur Erzeugung einer Kraft auf das erste ferromagnetische Kern (23) derselben Achse entlang, gekennzeichnet dadurch, dass das Ventil einen weiteren Ventilsitz (54), ein weiteres Kern (51) aus ferromagnetischem Material, ein weiteres am Kern fest gesichertes Absperrorgan (52) und nachgiebige Mittel (53) umfasst, deren Massen derart sind, dass das weitere Absperrorgan (52) gegen den weiteren Ventilsitz (54) geschoben wird, wenn das Solenoid (28) nicht gespeist ist, um den Durchlass der Flüssigkeit abzusperren, und das weitere Absperrorgan (52) vom weiteren Ventilsitz (54) verschoben wird, wenn das Solenoid (28) gespeist ist, um den Durchlass der Flüssigkeit zu erlauben.
Elektromagnetisches Ventil nach Anspruch 1; welches umfasst: ein Einlassglied (20), dass einen ersten der Einlassöffnung (26) benachbarten Leitungsabschnitt (24) bestimmt und mindestens teilweise aus ferromagnetischem Material besteht_; ein Auslassglied (21), dass einen zweiten der Auslassöffnung (27) benachbarten Leitungsabschnitt (25) bestimmt und den Ventilsitz (41) umfasst, und einen Mantel (22) aus nichtferromagnetischem Material, der das Einlass- (20) ans Auslassglied (21) verbindet und zwischen beiden Gliedern eine Kammer bestimmt, worin das Kern (23) mit dem ersten Absperrorgan (40) verschiebbar gelagert ist.
Elektromagnetisches Ventil nach Anspruch 2, welches nachgiebige Mittel (43) aufweist, um das Kern (23) mit dem ersten Absperrorgan (40) zur Absperrstellung zu schieben.
Elektromagnetisches Ventil nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, bei dem das Kern (23) die vom Mantel (22) bestimmte Kammer in eine erste Abteilung (36) in Verbindung mit dem ersten Leitungsabschnitt (24) und in eine zweite Abteilung (37) in Verbindung mit dem zweiten Leitungsabschnitt (25) teilt, wenn das erste Absperrorgan (40) nicht in der Absperrstellung ist, wobei das Kern Leitungsmittel (38, 39) umfasst, die beide Kammerabteilungen (36, 37) miteinander in Verbindung setzen.
Elektromagnetisches Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das erste Absperrorgan (40) und der erste Ventilsitz (41) jeweilige wesentlich ergänzende konische Oberflächen haben.
Elektromagnetisches Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Einlassglied (20) und das Kern (23) jeweilige wesentlich ergänzende konische Oberflächen haben.
Elektromagnetisches Ventil nach einem der Ansprüche 2 bis 6 mit einer Tragstruktur, die zwei Scheiben (30, 31) aus ferromagnetischem Material aufweist, welche mit Zentralöffnungen vorgesehen sind, wodurch sich die Endabschnitte des Einlass- (20) und des Auslassglieds (21) erstrecken, und mit Befestigungsmitteln (34, 35), die beide Scheiben verbinden.
Ventilaggregat umfassend ein elektromagnetisches Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, Mittel (60, 61) zur Aufnahme des Durchsatzes der vorn elektromagnetischen Ventil herausströmenden Flüssigkeit, und Einstellmittel (62) zur Änderung der elektrischen Führungsgröße (I) des Solenoids, um den Durchsatz der herausströmenden Flüssigkeit auf einem vorbestimmten Wert zu halten.
Ventilaggregat nach Anspruch 8 mit Aufnahmemitteln umfassend eine Turbine (60), welche auf dem Weg der herausströmenden Flüssigkeit angeordnet ist, mindestens einen Dauermagnet, der sich mit der Turbine bewegen kann, und feinen Hall-Effekt-Sensor (61), und wobei die Einstellmittel (62) eine elektronische Einheit aufweisen, welche in Abhängigkeit vom Unterschied zwischen einem vom Hall-Effekt-Sensor erzeugten Signal und einem dem vorbestimmten Durchflusswert (Qref) entsprechenden Signal die elektrische Führungsgröße steuert.
Ventilaggregat nach Anspruch 9, wobei die Aufnahmemittel einen Druckfühler (63) umfassen, welcher auf dem Weg der herausströmenden Flüssigkeit angeordnet ist, und wobei die Einstellmittel eine elektronische Einheit (64) aufweisen, welche in Abhängigkeit vom Unterschied zwischen einem vom Druckfühler (63) erzeugten Signal und einem dem vorbestimmten Durchflusswert entsprechenden vorbestimmten Drucksignal (Pref) die elektrische Führungsgröße steuert.