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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung:
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Durchflussratenregelventil
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Beschreibung
des Standes der Technik
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Ein
Durchflussratenregelventil wird herkömmlicherweise dazu verwendet,
die Strömungsrate
eines durch einen Durchgang strömenden
Fluides durch Änderung
der Durchgangsfläche
in dem Ventil regeln, wenn ein Druckfluid einem Stellglied zugeführt oder
von diesem abgeführt
wird.
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Bei
einem herkömmlichen
Durchflussratenregelventil 1, wie es in 3 gezeigt
ist, wird ein Fluiddurchgang 8 im allgemeinen durch manuelle
Betätigung
eines Handgriffabschnitts 2 geöffnet und geschlossen, um es
einer Ventilstange 4 zu ermöglichen, sich in einer axialen
Richtung des Durchflussratenregelventils 1 vorwärts und
rückwärts zu bewegen.
Der Handgriffabschnitt 2 ist oberhalb eines Körpers 3 angeordnet.
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Bei
dem obigen Fall ist ein sich verjüngendes vorderes Ende 9 der
Ventilstange 4, die durch eine Dichtung 5 gehalten
wird, dem Fluiddurchgang 8, der zwischen einem Fluidzufuhranschluss 6 und
einem Fluidablassanschluss 7 ausgebildet ist, zugewandt. Die
Durchflussrate des von dem Fluidzufuhranschluss 6 zu dem
Fluidablassanschluss 7 fließenden Fluides wird durch den
Einsetzgrad des vorderen Endes 9 in den Fluiddurchgang 8 geregelt.
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Bei
dem obigen herkömmlichen
Durchflussratenregelventil 1 ermöglicht es die manuelle Betätigung dem
vorderen Ende 9 (Ventilstopfen) der Ventilstange 4 sich
vorwärts
und rückwärts zu bewegen. Der
Ventilöffnungsgrad
kann jedoch nicht konstant auf einen gewünschten Wert geregelt werden,
da die obigen Vorwärts-
und Rückwärtsbewegungen
in Abhängigkeit
von der manuellen Betätigung
des Benutzers durchgeführt
werden, und kann den Fluiddurchgang 8 und den Ventilstopfen
nicht mit vollständig
geschlossenen Ventilstopfen luftdicht und flüssigkeitsdicht halten.
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Das
US-Patent Nr. 6,050,542, auf welches der Oberbegriff des Anspruchs
1 zurückgeht,
beschreibt ein Elektromagnetventil, das eine Spulenabdeckung und
eine obere Abdeckung aufweist und aus einem Spulenkörper, einem
Stopp und einem Tauchkern angeordnet. Ein Kegelventil und eine Dichtanordnung
sind an einem Ende des Tauchkerns vorgesehen, um mit einer Öffnung mit
quadratischen Kanten, die an dem Ausgang des Körpers ausgebildet ist, zusammen
zu arbeiten. Eine Durchflussregelung von Erdgas und Propan und anderen
derartigen Brennstoffen bei niedrigen Drücken soll erleichtert werden,
indem an den Drosselpositionen im mittleren Bereich eine lineare
Strömungscharakteristik
erreicht wird.
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Das
Dokument
US 5,471,002 beschreibt
ein Regelventil mit einem Tauchkern, das ein Servosystem enthält mit einem
Gleitgatter, das Fluiddurchgänge
zwischen dem Einlassanschluss, dem Ausgangsanschluss und einer unter
Druck gesetzten Kammer oberhalb des Tauchkerns öffnet und schließt, wodurch
sich der Tauchkern aufwärts
und abwärts
zu einer Steuerposition bewegt, um den Tauchkern auszubalancieren.
Dementsprechend ist eine Verbindung zwischen dem Eingangsanschluss
und dem Ausgangsanschluss auch in einem Zustand, in dem der Tauchkern
auf der den Ventilsitz bildenden Öffnungsplatte aufsitzt, gegeben.
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Das
Dokument
EP 1 013 982
A1 beschreibt eine fluiddruckbetätigte Vorrichtung, wobei die
Verbindung zwischen den beiden Fluiddurchgängen mit Hilfe einer Membran,
die aus einem elastischen Material besteht, hergestellt/blockiert
wird. Die Membran bildet, wenn sie auf dem Ventilsitz aufsitzt,
eine hermetische Abdichtung, die einen Fluidstrom zwischen den Fluidanschlüssen verhindert.
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Gemäß der
DE 199 14 372 A1 wird
die Position eines Ventilelementes mit Hilfe eines magnetischen
Sensors erfasst.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Durchflussratenregelventil
zu schaffen, das eine beliebige Strömungsrate durch elektronische
Regelung der Öffnungs-
und Schließoperation
eines Ventilstopfens einstellen kann und das die Strömungsrate
eines Fluides sehr genau regeln kann.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist ein Durchflussratenregelventil mit den Merkmalen des Anspruchs
1 vorgesehen.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
obigen und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung ergeben sich noch deutlicher aus der nachfolgenden Beschreibung
in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen, in denen eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung beispielhaft dargestellt ist.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Vertikalschnitt in einer Axialrichtung, der ein Durchflussratenregelventil
gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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2 ist
ein Vertikalschnitt in der Axialrichtung, der das Durchflussratenregelventil
darstellt, das von dem in 1 gezeigten
geschlossenen Zustand in den geöffneten
Zustand geschaltet ist; und
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3 ist
ein Vertikalschnitt in einer Axialrichtung, der ein herkömmliches
Durchflussratenventil darstellt.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Mit
Bezug auf 1 bezeichnet das Bezugszeichen 10 ein
Durchflussratenregelventil gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Das
Durchflussratenregelventil 10 umfasst im Wesentlichen ein
Abdeckelement 56, das oberhalb des Durchflussratenregelventils 10 angeordnet ist,
einen ersten Körper 2,
der in Reihe unterhalb des Abdeckelementes 56 angeordnet
ist, einen zweiten Körper 16,
der in Reihe unterhalb des ersten Körpers 12 angeordnet
ist und eine erste Kammer 14 aufweist, die im Wesentlichen
an seiner Mitte ausgebildet ist, und einen dritten Körper 22 mit
einem Fluidzufuhranschluss 18 und einem Fluidablassanschluss 20,
die darin ausgebildet sind. Dem Fluidzufuhranschluss 18 wird über eine
nicht dargestellte Druckfluidzufuhrquelle ein Fluid zugeführt. Der
Fluidablassanschluss 20 lässt das dem Fluidzufuhranschluss 18 zugeführte Fluid
ab.
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Ein
Elektromagnet (Solenoid) 24 ist in der Nähe des äußeren Umfangs
des ersten Körpers 12 angeordnet.
Ein fester Eisenkern 30 und ein beweglicher Eisenkern 40 sind
jeweils koaxial in einer Öffnung 27 angeordnet.
Die Öffnung 27 ist
in dem Elektromagnet 24 ausgebildet.
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Ein
elektrischer Signalverbinder 28 ist integral an einer Seitenfläche des
ersten Körpers 12 angeordnet.
Der elektrische Signalverbinder 28 liefert den elektrischen
Strom zu dem Elektromagnetventil 24. Der Elektromagnet 24 hat
einen Spulenkörper 38, um
eine Spule 36 darum zu wickeln. Ein nicht dargestelltes
elektrisches Kabel ist an den elektrischen Signalverbinder 28 angeschlossen.
Ein elektrisches Signal wird durch das elektrische Kabel eingegeben.
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Ein
Ring 58, der aus einem Magneten besteht, ist in die Öffnung 27 des
ersten Körpers 12 eingesetzt.
Der Ring 58 erstreckt sich über den festen Eisenkern 30 und
den beweglichen Eisenkern 40.
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Der
bewegliche Eisenkern 40 ist in den Ring 58 eingesetzt.
Der bewegliche Eisenkern 40 ist durch die Drängwirkung
des Elektromagneten 24 axial verschiebbar. Eine Scheibe 42 ist
auf ein Ende des beweglichen Elementes 40 über einen
ringförmigen Vorsprung 51 aufgeschraubt.
Eine Feder 80 ist zwischen einer äußeren Kante der Scheibe 42 und
einem gebogenen Bereich des Rings 58 angeordnet. Die Feder 48 drängt die
Scheibe 42 von dem Ring 58 weg.
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Ein
ringförmiger
Puffer 43, der aus einem elastischen Material, bspw. Gummi,
besteht, ist an der äußeren Umfangsfläche des
beweglichen Eisenkerns 40 angebracht. Der Puffer 43 absorbiert
den Stoß,
der ausgeübt wird,
wenn der bewegliche Eisenkern 40 magnetisch erregt wird,
um die Verschiebungsendposition zu erreichen.
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Der
dritte Körper 22 umfasst
den Fluidzufuhranschluss 18, der an seiner einen Seite
ausgebildet ist, den Fluidablassanschluss 20, der an seiner
anderen Seite gegenüber
dem Fluidzufuhranschluss 18 ausgebildet ist, eine zweite
Kammer 32, die zwischen dem Fluidzufuhranschluss 18 und
dem Fluidablassanschluss 20 ausgebildet ist, und einen
Ventilsitz 34, der zwischen der zweiten Kammer 32 und
dem Fluidzufuhranschluss 18 ausgebildet ist.
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Eine
Membran (Ventilstopfen) 44, die aus einem elastischen Material
besteht, umfasst einen sich verjüngenden
Vorsprung 46, der auf dem Ventilsitz 34 aufgesetzt
werden kann und der einen Durchmesser aufweist, der sich allmählich reduziert,
eine Welle 45, die axial in einer dem Vorsprung 46 entgegengesetzten
Richtung vorsteht, und einen dünnwandigen Mantelabschnitt 47,
der sich von dem Vorsprung 46 radial nach außen erstreckt.
Die Welle 45 ist durch eine Durchgangsöffnung der Scheibe 42 in
eine Gewindeöffnung,
die im Wesentlichen in der Mitte des beweglichen Eisenkerns 40 angeordnet
ist, eingeschraubt. Das bedeutet, dass die Membran 44 integral
mit dem beweglichen Eisenkern 40 verbunden ist.
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Die äußere Umfangskante
des Mantelabschnitts 47 ist zwischen einer Nut des zweiten
Körpers 16 und
dem dritten Körper 22 angeordnet.
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Gemäß der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist eine Stange (Stangenelement) 54, die
aus einem nicht magnetischen Element besteht, an dem anderen Ende
des beweglichen Eisenkerns 40 angebracht. Die Stange 54 tritt
durch eine Durchgangsöffnung 55,
die im Wesentlichen in der Mitte des Eisenkerns 30 ausgebildet
ist, durch. Die Stange 54 steht um eine festgelegte Länge von
der oberen Fläche
des festen Eisenkerns 30 vor. Ein magnetisches Element
(erfasstes Objekt) 52, das aus einem Permanentmagneten
oder dgl. besteht, ist an dem oberen Ende der Stange 54 befestigt.
Das magnetische Element 52 ist einem Sensor 50 (Detektionsmechanismus),
der in dem Abdeckelement 56 befestigt ist, zugewandt.
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Der
Sensor 50 besteht aus einem Magnetisierungs-Erfassungssensor
oder dgl., bspw. einem Halleffektelement oder einem magnetischen
Widerstandselement. Der Sensor 50 erfasst die Änderung des
Magnetfeldes. Das Magnetfeld ändert
sich in Abhängigkeit
von der Entfernung des magnetischen Elementes 52, das an
dem oberen Ende der Stange 54 angeordnet ist. Der Sensor 50 gibt
ein Detektionssignal als ein elektrisches Signal aus.
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Wie
in den 1 und 2 gezeigt ist, bezeichnet das
Bezugszeichen 60 einen Regelkreis. Der Regelkreis 60 vergleicht
ein voreingestelltes Signal (Eingangssignal), das vorab durch nicht
dargestellte Eingabemittel eingestellt wurde, mit dem Ausgangssignal
des Sensors 50, um den Strom für den Elektromagneten 24 zu
regeln. Der Regelkreis 60 ist durch das nicht dargestellte
elektrische Kabel elektrisch an den elektrischen Signalverbinder 28 und den
Sensor 50 angeschlossen.
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Das
Durchflussratenregelventil 10 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist im Wesentlichen wie oben beschrieben aufgebaut. Seine
Betriebs-, Funktions- und Wirkungsweisen werden nachfolgend erläutert.
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1 zeigt
einen nicht erregten Zustand, in dem der Strom der Spule 36 des
Elektromagneten 24 nicht zugeführt wird. Die Membran 44 (Ventilstopfen) ist
in dem nicht erregten Zustand vollständig geschlossen. Insbesondere
liegt der Vorsprung 46 der Membran 44 an dem Ventilsitz 34 an, um
die Verbindung zwischen dem Fluidzufuhranschluss 18 und
der zweiten Kammer 33 zu blockieren.
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Im
Einzelnen wird der bewegliche Eisenkern 40 durch die Federwirkung
der Feder 48, die zwischen der Scheibe 42 und
dem zweiten Körper 60 angeordnet
ist, nach unten gepresst. Der Vorsprung 46 der Membran 44,
die etwa mit der Mitte des beweglichen Eisenkerns 40 integral
vorgesehen ist, wird in den Ventilsitz 34 eingesetzt.
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Der
Vorsprung 46, der aus dem elastischen Element besteht,
wird gegen den Ventilsitz 34 gepresst. Der Vorsprung 46 wird
somit eingesetzt und passend in den Ventilsitz 34 eingebracht,
um die Verbindung zwischen dem Fluidzufuhranschluss 18 und der
zweiten Kammer 32 zu blockieren. Der Fluidzufuhranschluss 18 und
der Fluidablassanschluss 20 können dementsprechend luftdicht
oder flüssigkeitsdicht
gehalten werden.
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Auch
wenn dem Elektromagnet 34 kein Strom zugeführt wird,
wird der bewegliche Eisenkern 40 durch die Federwirkung
der zwischen der Scheibe 42 und dem zweiten Körper 16 angeordneten
Feder 48 außerdem
konstant daran gehindert, sich nach oben zu bewegen. Dadurch können der
Fluidzufuhranschluss 18 und die zweite Kammer 32 zuverlässig luftdicht
oder flüssigkeitsdicht
gehalten werden.
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Während die
Membran 44 geschlossen ist, wird, wenn der Strom durch
den elektrischen Signalverbinder 28 von der nicht dargestellten
Stromzufuhrquelle der Spule 36 des Elektromagneten 24 zugeführt wird,
die Spule 36 proportional zu dem eingegebenen Stromwert
magnetisch verriegelt. Der bewegliche Eisenkern 40 wird
durch die magnetische Erregung der Spule 36 zu dem festen
Eisenkern 30 verschoben. Der an dem ringförmigen Vorsprung 41 des beweglichen
Eisenkerns 40 angeordnete Puffer 43 schlägt an dem
Ver schiebungshubende an dem Ring 58 an. Der Fluidzufuhranschluss 18 kommuniziert
mit der zweiten Kammer 32, um die Membran 44 zu öffnen. Das
bedeutet, wie in 2 gezeigt ist, dass die Membran 44 von
dem geschlossenen Zustand, in dem die Verbindung zwischen dem Fluidzufuhranschluss 18 und
dem Fluidablassanschluss 20 blockiert ist, in den geöffneten
Zustand, in dem die Verbindung zwischen den beiden Elementen hergestellt ist,
geschaltet wird.
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Bei
Erreichen der Position des Verschiebungshubendes schlägt der Puffer 43,
der an dem beweglichen Eisenkern 40 angeordnet ist, an
dem Ring 58 an, um den Stoß des Anschlags zu absorbieren.
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In
dem obigen Fall kann der Sensor 50 die Abhebemenge des
Vorsprungs 46 von dem Ventilsitz 34 erfassen,
indem er die Änderung
des Magnetfeldes erfasst. Das Magnetfeld ändert sich in Abhängigkeit
von der axialen Entfernung zwischen dem Sensor 50 und dem
magnetischen Element 52, das an dem vorderen Ende der Stange 54 angeordnet
ist. Dementsprechend kann die Membran 40 proportional gesteuert
werden, um sich zu öffnen
und zu schließen.
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Der
Regelkreis 60 wird geregelt, um die Abweichung zwischen
dem Erfassungssignal, das von dem Sensor 50 abgeleitet
wird, und dem vorab eingestellten Eingangssignal (voreingestelltes
Signal) zu korrigieren. Das Eingangssignal des elektrischen Signals
wird zurückgeführt. Das
korrigierte elektrische Signal wird von dem elektrischen Signalverbinder 28 in
den Elektromagneten 24 eingegeben. Dadurch kann der Fehler
des Öffnungsgrades
der Membran 44 verringert werden.
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Der
bewegliche Eisenkern 40 wird entgegen der Feder 48,
die zwischen der Scheibe 42 und dem zweiten Körper 16 angeordnet
ist, zu dem festen Eisenkern verschoben. Die Membran 44 wird
außerdem
integral mit dem beweglichen Eisenkern 40 verschoben. Dementsprechend
hebt der Vorsprung 46 von dem Ventilsitz 34 ab,
um die Verbindung zwischen dem Fluidzufuhranschluss 18 und
der zweiten Kammer 32 herzustellen. Der Fluidzufuhranschluss 18 und
der Fluidablassanschluss 20 werden ebenfalls in Verbindung
miteinander gebracht. Das Druckfluid wird von dem Fluidzufuhranschluss 18 in
die zweite Kammer 32 eingeführt und von dem Fluidablassanschluss 20 abgeführt.
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Wie
sich aus der obigen Beschreibung ergibt, kann bei der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung die Membran 44 elektrisch gesteuert
werden, um proportional zu dem eingegebenen Stromwert sehr genau
geöffnet
und geschlossen zu werden. Außerdem
ist es nicht notwendig, den Handgriffabschnitt 2 zum Öffnen und
Schließen
des Ventilstopfens vorzusehen, wobei der Handgriffabschnitt 2 oberhalb
des herkömmlichen
Durchflussratenregelventils angeordnet ist. Dementsprechend kann
die Höhendimension
verringert werden und das gesamte Durchflussratenregelventil kann
minimiert werden.
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Obwohl
die Erfindung insbesondere mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen
dargestellt und beschrieben wurde, versteht es sich, dass ein Fachmann
daran Änderungen
und Abwandlungen vornehmen kann, ohne den Rahmen der Erfindung, wie
er durch die nachfolgenden Ansprüche
festgelegt wird, zu verlassen.