-
Gebiet der Erfindung:
-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein solenoid-betätigtes Ventil
(Elektromagentventil) gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1, das es ermöglicht,
die Haltbarkeit einer Membran zu verbessern, indem die auf einen
Wurzelbereich der Membran aufgebrachte Last zum Öffnen/Schließen eines Fluiddurchgangs
verringert wird.
-
Beschreibung des Standes der Technik:
-
Solenoid-betätigte Ventile
werden bisher bspw. dazu verwendet, die Fließrichtung der Druckluft durch
Zufuhr der Druckluft zu einem Stellglied oder durch Ablassen der
Druckluft in die Atmosphäre zu
steuern. Das solenoid-betätigte Ventil
verwendet im Allgemeinen das System, bei dem ein Ventilstopfen durch
einen Solenoid (Elektromagnet) betätigt wird.
-
Wie
in
4 dargestellt ist, umfasst ein solenoid-betätigtes Ventil
gemäß dem Stand
der Technik ein Spulengehäuse
4,
das einen festen Eisenkern
1, eine Spule
2 und
einen darin angeordneten beweglichen Eisenkern (Tauchkolben)
3 sowie
einen Ventilkörper
8 aufweist.
An dem Ventilkörper
8 ist
eine Membran
7 zum Öffnen/Schließen eines
Ventilsitzes
6 angeordnet, um eine Verbindung zwischen
einem Paar von Fluideinlass-/-auslassöffnungen
5a,
5b herzustellen
(vgl. die
japanische Patentoffenlegungsschrift
Nr. 3-61776 ).
-
Die
Membran 7 hat einen dickwandigen Abschnitt 7a,
der auf dem Ventilsitz 6 aufsetzt, und einen dünnwandigen
Abschnitt 7b, der einstückig
mit dem dickwandigen Abschnitt 7a ausgebildet ist. Eine Umfangskante
des dünnwandigen
Abschnitts 7b ist an einer Aussparung 9 des Ventilkörpers 8 befestigt.
-
Wenn
bei dieser Anordnung der elektrische Strom auf die Spule 2 aufgebracht
wird, wird die Anziehungskraft erzeugt. Der bewegliche Eisenkern 3 wird
durch die Anziehungskraft verschoben und dadurch wird die Membran 7 betätigt.
-
Bei
dem oben beschriebenen herkömmlichen
solenoid-betätigten
Ventil wird jedoch immer dann, wenn die Membran 7 integral
mit dem beweglichen Eisenkern 3 oder bei dem Abschaltvorgang verschoben
wird, die übermäßige Last
auf die Umgebung (Wurzelbereich) der Umfangskante, die in der Aussparung 9 des
Ventilkörpers 8 befestigt
ist, aufgebracht. Dadurch wird die Haltbarkeit der Membran 7 extrem
verschlechtert.
-
Außerdem wird
es bevorzugt, die Antwortgeschwindigkeit des solenoid-betätigten Ventils
durch Erhöhen
der Anziehungskraft der Spule 2 zu vergrößern, indem
die magnetische Flussdichte, die durch die Spule 2 erzielt
wird, vergrößert wird.
-
Das
Dokument
US-A 6,006,728 beschreibt ein
solenoid-betätigtes
Ventil gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1 mit einem festen und einem beweglichen Eisenkern. Der
bewegliche Eisenkern wird durch die Erregung einer Spule verschoben
und verschiebt eine Membran, die auf einem Ventilsitz aufsetzt und
von diesem abgehoben wird, um einen Verbindungsdurchgang zu öffnen. Die
Umfangskante der Membran wird zwischen einem Ringhalter und einem
Ventilkasten gehalten.
-
Das
Dokument
US 4,171,792 beschreibt
ein Hochdruckmembranventil, wobei die Umfangskante der Membran,
die aus einer Mehrzahl von übereinander
angeordneten Metallschichten besteht, zwischen einem elastischen
Stützpolster
und einem Halter gehalten wird. Das elastische Stützpolster
weist eine vorspringende Basis auf, die nicht in einer Richtung zu
der Membran geneigt ist.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Es
ist eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein solenoid-betätigtes Ventil
vorzuschlagen, das es ermöglicht,
die Haltbarkeit einer Membran zu verbessern, indem die Membran durch Verringerung
der auf einen Wurzelbereich der Membran aufgebrachten Last zum Öffnen/Schließen eines
Fluiddurchgangs gleichmäßig betätigt wird.
-
Eine
wesentliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung
eines solenoid-betätigten Ventils,
das es ermöglicht,
die Antwortgeschwindigkeit durch Erhöhen der Anziehungskraft einer
Spule, die auf einen beweglichen Eisenkern aufgebracht wird, zu
erhöhen.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein solenoid-betätigtes
Ventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen.
-
Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
-
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 welchen eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung beispielhaft dargestellt ist.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
1 zeigt
einen vertikalen Schnitt entlang einer axialen Richtung eines solenoid-betätigten Ventil
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
-
2 zeigt
einen teilweise vergrößerten vertikalen
Schnitt, der eine in 1 gezeigte Membran darstellt;
-
3 zeigt
einen vertikalen Schnitt, der den EIN-Zustand darstellt, in welchem
die Membran von dem in 1 gezeigten AUS-Zustand umgeschaltet und
nach oben bewegt ist; und
-
4 zeigt
einen vertikalen Schnitt, der ein herkömmliches solenoid-betätigtes Ventil
darstellt.
-
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
Mit
Bezug auf 1 bezeichnet das Bezugszeichen 10 ein
solenoid-betätigtes
Ventil gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
-
Das
solenoid-betätigte
Ventil 10 umfasst einen ersten Ventilkörper 16, der einen
in der Mitte angeordneten Druckfluidzufuhranschluss 12 und
ein Paar von Druckfluidablassanschlüssen 14a, 14b aufweist,
die nebeneinander an der rechten und linken Seite angeordnet sind,
wobei der Druckfluidzufuhranschluss 12 zwischen ihnen angeordnet
ist, sowie einen zweiten Ventilkörper 18 mit
einer im Wesentlichen zylindrischen Form, der über einen ringförmigen Stufenabschnitt 17 einstückig mit
einem oberen Bereich des ersten Ventilkörpers 16 verbunden
ist.
-
Das
solenoid-betätigte
Ventil 10 umfasst außerdem
eine Kappe 20 mit Boden, die eine zylindrische Form aufweist
und einstückig
mit einer Seitenfläche
des ersten Ventilkörpers 16 verbunden
ist, einen Elektromagnetabschnitt 22, der innerhalb der Kappe 20 angeordnet
ist, und einen Ventilmechanismusabschnitt 24, der den Verbindungszustand
und den Nichtverbindungszustand zwischen dem Druckfluidzufuhranschluss 12 und
den Druckfluidablassanschlüssen 14a, 14b durch
magnetische Erregung des Elektromagnetabschnitts 22 umschaltet.
-
Ein
Flanschabschnitt 26 ist an einem unteren Bereich der Kappe 20 ausgebildet.
Das solenoid-betätigte
Ventil 10 kann an einem nicht dargestellten anderen Element
angebracht werden, indem Bolzen (nicht dargestellt) in nicht dargestellte
Befestigungsöffnungen
des Flanschabschnitts 26 eingesetzt werden. Dichtelemente 28a, 28b sind
in der Nähe
des Druckfluidzufuhranschlusses 12 und der Druckfluidablassanschlüsse 14a, 14b angebracht.
-
Der
Elektromagnetabschnitt 22 umfasst ein Kappenelement 32,
das in die Kappe 20 eingesetzt ist und durch ein zylindrisch
geformtes Metallelement mit Boden gebildet wird, einen Spulenkörper 36,
der innerhalb des Kappenelementes 32 angeordnet ist und
um den eine Spule 34 gewickelt ist, einen festen Eisenkern 38,
dessen eines Ende mit dem Kappenelement 32 verbunden ist,
und einen beweglichen Eisenkern 42, der koaxial zu dem
festen Eisenkern 38 angeordnet ist und durch die Wirkung
der elastischen Kraft eines ersten Federelementes 40, das
zwischen dem festen Eisenkern 38 und dem beweglichen Eisenkern 42 angeordnet
ist, in eine Richtung gedrängt wird,
in der er abhebt.
-
Ein
ringförmiger
Vorsprung 42b, der sich radial nach außen erweitert, so dass er eine
Umfangsfläche 42a aufweist,
ist an einem unteren Abschnitt des beweglichen Eisenkerns 42 ausgebildet.
Der ringförmige
Vorsprung 42b ist in eine Aussparung eines plattenförmigen Elementes
eingesetzt, wie es später
beschrieben wird. Ein Stangenabschnitt 42c, der nach unten
vorsteht, ist an einem Ende des beweglichen Eisenkerns 42 ausgebildet.
Außerdem weist
der bewegliche Eisenkern 42 ein Loch 44 mit einer
zylindrischen Form und einem Boden auf. Ein Gleitelement 46,
das an einem Ende durch das erste Federelement 40 befestigt
wird und das an dem anderen Ende gegen den festen Eisenkern 38 anliegt, ist
verschiebbar in der Öffnung 44 vorgesehen.
-
Ein
Ringelement 48, das eine Öffnung zum Einsetzen des beweglichen
Eisenkerns 42 aufweist und das aus Metall hergestellt ist,
ist unterhalb der Spule 34 so vorgesehen, dass das Ringelement 48 durch
das Kappenelement 32 gehalten wird. Ein Flanschabschnitt 48b,
der eine äußere Umfangsfläche 48a mit
großer
Breite entlang der inneren Wandfläche des Kappenelementes 32 aufweist,
ist an dem Ringelement 48 ausgebildet.
-
Eine
Platine 49, die eine Schaltung für eine übermäßige Erregung aufweist, ist
zwischen der Kappe 20 und dem Kappenelement 32 angeordnet. Die
Schaltung für
die übermäßige Erregung
umfasst eine CR-Schaltung mit einem Kondensator und einem Widerstand
(nicht dargestellt), die parallel geschaltet sind. Die Schaltung
für die übermäßige Erregung
dient der Verstärkung
der auf die Spule 34 aufgebrachten Spannung.
-
Der
Ventilmechanismusabschnitt 24 umfasst eine Membran 50,
die aus einem Harz, wie einem Fluorharz, hergestellt ist und einen
dickwandigen Abschnitt 50, der mit dem Stangenabschnitt 42c des
beweglichen Eisenkerns 42 verbunden ist, und einen dünnwandigen
Abschnitt 50b, der einstückig mit dem dickwandigen Abschnitt 50a ausgebildet
ist, aufweist; ein plattenförmiges
Ele ment 54, das mit dem unteren Abschnitt des beweglichen
Eisenkerns 42 verbunden ist, das so vorgesehen ist, dass
es integral mit dem beweglichen Eisenkern 42 verschiebbar
ist, und das einen als ein Stopper dienenden ringförmigen Vorsprung 54a aufweist;
ein Verschiebungselement 56, das an dem dickwandigen Abschnitt 50a der
Membran 50 angebracht ist; ein elastisches Element 58, das
zwischen dem Verschiebungselement 56 und der Membran 50 angeordnet
ist und das aus einem elastischen Material, wie Gummi, hergestellt
ist, um den dünnwandigen
Abschnitt 50b dadurch zu schützen; und ein zweites Federelement 60,
das zwischen dem Ringelement 48 und dem Verschiebungselement 5 angeordnet
ist.
-
Die
Membran 50 ist in der Lage, einen Durchgang 64 zur
Verbindung des Druckfluidzufuhranschlusses 12 mit den Druckfluidablassanschlüssen 14a, 14b zu öffnen/zu
schließen,
wenn die Membran 50 auf einem Sitzabschnitt 62,
der an dem ersten Ventilkörper 16 ausgebildet
ist, aufsetzt oder wenn die Membran 50 von dem Sitzabschnitt 62 abgehoben
wird.
-
Ein
erstes elastisches Ringelement 68a und ein zweites elastisches
Ringelement 68b, die jeweils bspw. aus einem elastischen
Material, wie Gummi, hergestellt sind, sind integral in einer ringförmigen Aussparung 66,
die durch den ersten Ventilkörper 16 und
den zweiten Ventilkörper 18 festgelegt
wird, gehalten.
-
Wie
in 2 dargestellt ist, ist eine Umfangskante des dünnwandigen
Abschnitts 50b der Membran 50 zwischen dem ersten
elastischen Ringelement 68a und dem zweiten elastischen
Ringelement 68b angeordnet. Ein Paar von Lippenabschnitten 70a, 70b der
ersten und zweiten Ringelemente 68a, 68b wird
integral mit dem dünnwandigen
Abschnitt 50b der Membran 50 flexibel gebogen.
Dementsprechend ist es möglich,
die Last auf den Wurzelabschnitt 72 der Membran 50,
der durch die ersten und zweiten elastischen Ringelemente 68a, 68b gehalten
wird, zu verringern.
-
Mit
anderen Worten ist es möglich,
die auf den Wurzelabschnitt 72, an dem die Membran 50 gehalten
wird, aufgebrachte Last zu reduzieren, und dadurch ist es möglich, die
Haltbarkeit der Membran 50 zu verbessern, indem den Lippenabschnitten 70a, 70b der
ersten und zweiten elastischen Ringelemente 68a, 68b die
Federeigenschaft zugewiesen wird.
-
Beide
des Paares von Lippenabschnitten 70a, 70b haben
eine dünnwandige
Gestalt, die um eine festgelegte Länge radial nach innen von den ersten
und zweiten elastischen Ringelementen 68a, 68b,
die in der ringförmigen
Aussparung 66 gehalten werden, vorsteht. Ein Ende jedes
der Lippenabschnitte 70a, 70b ist so gestaltet,
dass es im Wesentlichen bündig
mit der inneren Wandfläche 18a des
an der oberen Seite angeordneten zweiten Ventilkörpers 18 verläuft (vgl. 2).
-
Wie
in 2 dargestellt ist, steht eine Vielzahl von Vorsprüngen 74 in
Kontakt mit der Umfangskante der Membran 50, um die Dichtfunktion
zu erfüllen.
Die Vorsprünge 74 sind
an inneren Abschnitten der ersten und zweiten elastischen Ringelemente 68a, 68b ausgebildet.
Wellenförmige
Abschnitte 76, die an den ersten und zweiten elastischen
Ringelementen 68a, 68b ausgebildet sind, dienen
als Entlastung, wenn die ersten und zweiten elastischen Ringelemente 68a, 68b in
der ringförmigen
Aussparung 66 gehalten werden.
-
Die
ersten und zweiten elastischen Ringelemente 68a, 68b können in
integrierter Weise ausgebildet sein, ohne sie getrennt zu formen.
Die Federkraft des zweiten Federelementes 60 ist so gewählt, dass
sie größer ist
als die Federkraft des ersten Federelementes 50.
-
Das
solenoid-betätigte
Ventil 10 gemäß der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist im Wesentlichen wie oben beschrieben
aufgebaut. Als nächstes
werden seine Betriebs-, Funktions- und Wirkungsweise erläutert.
-
1 zeigt
den nicht erregten Zustand, in dem der Spule 34 kein Strom
zugeführt
wird, wobei der AUS-Zustand dargestellt ist, in dem die Membran 50 auf
den Sitzabschnitt 62 aufsitzt und die Verbindung zwischen
dem Druckfluidzufuhranschluss 12 und den Druckfluidablassanschlüssen 14a, 14b blockiert
ist.
-
Ausgehend
von dem oben beschriebenen AUS-Zustand wird dann, wenn eine nicht
dargestellte Stromquelle eingeschaltet wird, um den elektrischen Strom
auf die Spule 34 aufzubringen, die Spule 34 magnetisch
erregt. Der bewegliche Eisenkern 42 wird durch die magnetische
Erregung zu dem festen Eisenkern 38 gezogen. Wie in 3 dargestellt
ist, wird das solenoid-betätigte Ventil 10 von
dem AUS-Zustand in den EIN-Zustand umgeschaltet.
-
Das
bedeutet, dass der bewegliche Eisenkern 42 entgegen der
Federkraft der ersten und zweiten Federelemente 40, 60 um
eine sehr kleine Strecke zu dem festen Eisenkern 38 verschoben
wird. Das plattenförmige
Element 54 und das Verschiebungselement 56 werden
gemeinsam mit dem beweglichen Eisenkern 42 nach oben verschoben. Während dieses
Vorgangs liegt der ringförmige
Vorsprung 54a des plattenförmigen Elementes 54,
das als Stopper dient, an dem Ringelement 48 an. Dadurch
wird die Verschiebungsendposition festgelegt.
-
Somit
wird die Membran 50 entsprechend der Verschiebung des beweglichen
Eisenkerns 42 von dem Sitzabschnitt 62 abgehoben.
Dementsprechend wird, wie in 3 dargestellt
ist, der EIN-Zustand erreicht, in dem der Druckfluidzufuhranschluss 12 mit
den Druckfluidablassanschlüssen 14a, 14b in Verbindung
steht. Als Folge hiervon tritt das Druckfluid, das von dem Druckfluidzufuhranschluss 12 zugeführt wird,
durch den Spalt zwischen der Membran 50 und dem Sitzabschnitt 62.
Außerdem
wird das Druckfluid über
den Durchgang 64 und die Druckfluidablassanschlüsse 14a, 14b einer
nicht dargestellten fluidbetätigten
Vorrichtung zugeführt.
-
Bei
der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist die Umfangskante des dünnwandigen Abschnitts 50b der
Membran 50 zwischen dem ersten elastischen Ringelement 68a und
dem zweiten elastischen Ringelement 68b angeordnet, die
jeweils aus einem elastischen Material, wie Gummi, bestehen. Das
Paar von Lippenabschnitten 70a, 70b der ersten
und zweiten elastischen Ringelemente 68a, 68b wird
gemeinsam mit dem dünnwandigen
Abschnitt 50b der Membran 50 elastisch gebogen. Dementsprechend
ist es möglich,
die Last auf den Wurzelabschnitt 72 der Membran 50,
der durch die ersten und zweiten Ringelemente 68a, 68b gehalten wird,
zu reduzieren.
-
Mit
anderen Worten dienen die Lippenabschnitte 70a, 70b der
ersten und zweiten elastischen Ringelemente 68a, 68b als
Federn und sind entsprechend der Verschiebung des dünnwandigen
Abschnitts 50b der Membran 50 flexibel. Dementsprechend
ist es möglich,
die auf den Wurzelabschnitt 72, an dem die Membran 50 gehalten
wird, ausgeübte Last
zu verringern, und es ist möglich,
die Haltbarkeit der Membran 50 zu verbessern.
-
Außerdem ist
bei der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung das Ringelement 48, das den Flanschabschnitt 48b mit
der breiten äußeren Umfangsfläche 48a aufweist,
unter der Spule 34 vorgesehen. Des weiteren weist der bewegliche
Eisenkern 42 den ringförmigen
Vorsprung 42b auf, dessen Umfangsfläche 42a sich radial
nach außen
erweitert. Dementsprechend wird die magnetische Flussdichte, die
durch die Spule 34 erzeugt wird, erhöht, um die Anziehungswirkung
der Spule 34 erfolgreich zu vergrößern. Als Folge hiervon ist es
möglich
die Antwortgeschwindigkeit des solenoid-betätigten Ventils 10 zu
erhöhen.
-
Mit
anderen Worten wird der Oberflächenbereich
um die Umfangsfläche 42a,
die an dem ringförmigen
Vorsprung 42b des aus Metall hergestellten beweglichen
Eisenkerns 42 ausgebildet ist, und die äußere Umfangsfläche 48a,
die an dem Flanschabschnitt 48b des aus Metall hergestellten
Ringelementes 48 ausgebildet ist, vergrößert. Dementsprechend wird
die Dichte des magnetischen Flusses, der durch die Spule 34 erzeugt
wird, erhöht.
Dadurch ist es möglich,
die durch die Spule 34 erzeugte Anziehungskraft zu vergrößern.
-
Wenn
der Elektromagnetabschnitt 22 in dem EIN-Zustand ist, wird
der kleine Freiraum 78 (vgl. 3) zwischen
dem festen Eisenkern 38 und dem beweglichen Eisenkern 42 ausgebildet,
so dass der feste Eisenkern 38 und der bewegliche Eisenkern 42 nicht
in Kontakt miteinander stehen. Die Dimension des beweglichen Eisenkerns 42 in
der axialen Richtung wird vorab sehr genau so eingestellt, dass
der Freiraum 78 zwischen dem festen Eisenkern 38 und dem
beweglichen Eisenkern 42 in dem EIN-Zustand hergestellt
wird.
-
Dadurch
ist es möglich,
jegliches Auftreten eines Anschlaggeräusches zwischen dem festen
Eisenkern 38 und dem beweglichen Eisenkern 42 zu vermeiden,
und dadurch ist es möglich,
Stille zu gewährleisten.
Dadurch kann das solenoid-betätigte Ventil 10 gemäß der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung vorzugsweise in einer Umgebung eingesetzt
werden, in der Stille herrschen muss, bspw. in Krankenhäusern und
Tonstudios.
-
Die
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wurde anhand eines Falles erläutert, bei
dem die ersten und zweiten elastischen Ringelemente 68a, 68b zum
flexiblen Halten der Umfangskante der Membran 50 an dem
solenoid-betätigten
Ventil 10 vorgesehen sind. Die vorliegende Erfindung ist
jedoch nicht hierauf beschränkt.
Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung anstelle des solenoid-betätigten Ventils
auch bei einer Vielzahl von fluiddruckbetätigten Vorrichtungen und Ventilen,
bspw. Druckreduzierventilen, die eine Mehrzahl von Membranen aufweisen,
eingesetzt werden kann.