DE69629452T2

DE69629452T2 - Elektromagnet und elektromagnetventil

Info

Publication number: DE69629452T2
Application number: DE1996629452
Authority: DE
Inventors: Kazuo Kitakyushu-shi HIRAISHI; Itsunao Kitakyushu-shi KOGA; Hiroyuki Kitakyushu-shi SEKI; Taisuke Kitakyushu-shi HOUEI; Takanobu Kitakyushu-shi MATSUFUJI; Yoshinori Kitakyushu-shi NISHIMOTO; Katsuhiro Kitakyushu-shi KAWAHARA
Original assignee: Toto Ltd
Current assignee: Toto Ltd
Priority date: 1995-09-08
Filing date: 1996-09-09
Publication date: 2004-07-01
Anticipated expiration: 2016-09-10
Also published as: JP3653734B2; US6076550A; CN1165580A; EP0791939B1; KR100420662B1; EP0791939A4; KR970707561A; WO1997009727A1; CN1153229C; DE69629452D1; EP0791939A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektromagneten bzw. ein Solenoid.
Ein Magnetventil, das einen Kolben antreibt, ist mit einer in ein Joch eingekapselten Elektromagnetspule versehen. Ein longitudinales Loch ist im Zentrum der Elektromagnetspule ausgebildet, und eine zylindrische Kolbenführung ist im longitudinalen Loch angebracht. Weiterhin ist ein Polkern fest in dem oberen Abschnitt der Kolbenführung eingepaßt, und der sich in bezug auf den Polkern bewegende Kolben ist reibend in die Kolbenführung eingeführt. Weiterhin sind ein Einlaßloch, das mit einer Wasserzufuhrquelle verbunden ist, und ein Pilotloch, das mit der Sekundärseite der Wasserzufuhr verbunden ist, in einer mit einem Membranventil versehenen Membran eingerichtet.
Bei einem solchen Aufbau ist der äußere Mantel des Elektromagneten durch das Joch, eine untere Endplatte davon und eine Polkern-Befestigungsplatte, woran der Polkern befestigt ist, gebildet. Weiterhin wird der Kolben durch Empfangen einer durch die elektromagnetische Kraft, die durch Leiten von Elektrizität zu der Elektromagnetspule erzeugt wird, hervorgerufenen magnetischen Anziehungswirkung zu einem Durchgangsloch an einer unteren Endplatte des Jochs und von diesem fort bewegt. Dadurch wird das Membranventil durch das Öffnen und Schließen des Pilotlochs der Membran entsprechend der Bewegung des Kolbens geöffnet und geschlossen.
Das Anwendungsgebiet eines Magnetventils zur Wasserzufuhr steuerung wurde in den letzten Jahren diversifiziert, und das Ventil wird beispielsweise im Alltagsgebrauch in auf Wasser bezogenen Vorrichtungen, wie einem automatischen Wasserhahn, einer Toilettenwaschvorrichtung und dergleichen, verwendet. Daher waren auf dem Markt eine Kostenverringerung und eine weitere Verkleinerung erwünscht.
Es gibt jedoch eine Beschränkung bei der Verkleinerung der vorstehend beschriebenen Struktur, und es gibt verschiedene Gefahren beim Erreichen einer weiteren Verkleinerung davon.
Das heißt, daß beim Verkleinern eines Magnetventils der Kolbenhub oder die Membranfläche reduziert werden kann, um es einfach zu verkleinern. Es ist jedoch bekannt, daß die Handhabungsfähigkeit eines Magnetventils zur Wasserzufuhrsteuerung verschlechtert wird, es sei denn, daß es normalerweise bei einem Hydraulikdruck von 0,5 bis 10 kg/cm² verwendet wird und eine Durchflußrate von etwa 20 Litern je Minute selbst bei einem minimalen hydraulischen Verwendungsdruck gewährleistet ist.
Daher gibt es eine Beschränkung für das Verringern des Kolbenhubs oder der Membranfläche. Falls andererseits andere Anordnungen zu rekonstruieren sind, kann eine Funktionsbeeinträchtigung oder eine Beeinträchtigung der Wasserdichtungsfunktion hervorgerufen werden. Es ist daher sehr schwierig, ein den gegenwärtigen Zustand übersteigendes Verkleinern zu erreichen, während die Funktion beibehalten wird.
Ein Elektromagnet mit einem geschlossenen Teil einer Anre gungsanordnung mit einer den geschlossenen Teil umgebenden Spule und einem Joch zum Betätigen von Ventilen in der Art von Hydraulik-/Luftventilen ist in der Druckschrift US-A-4 290 039 offenbart.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Elektromagnet zum Antreiben eines Kolbens bzw. Plungers vorgesehen, wie in Anspruch 1 beansprucht ist.
Beim Elektromagneten gemäß der bevorzugten Ausführungsform wird die magnetische Kraft des Magnetfelds des zweiten magnetischen Flußpfads auf der Außenseite der aufteilenden Fläche des Bewegungsbereichs, zusätzlich zu der magnetischen Kraft des Magnetfelds des den Bewegungsbereich durchdringenden ersten magnetischen Flußpfads, auch von dem oberen Ende des das unregelmäßige Magnetfeld bildenden Elements ausgeübt. Auf diese Weise kann der Anziehungsvorgang des Kolbens durch die magnetischen Kräfte beider Magnetfelder ausgeführt werden, und es wird dementsprechend von dem Spulenwicklungsabschnitt mit einer kleinen Windungsanzahl eine große magnetische Kraft auf den Kolben ausgeübt, wodurch der Kolben bewegt werden kann und der Kolben dementsprechend durch Leiten nur eines sehr kleinen Stroms zu der Elektromagnetspule geöffnet und geschlossen werden kann.
Weiterhin ist das das unregelmäßige Magnetfeld bildende Element zum Ausüben der magnetischen Kraft des zweiten magnetischen Flußpfads selbst dann in das einkapselnde Element eingekapselt, wenn seine Länge von der Seite eines Endes des Bereichsbildungselements abweicht, wodurch die Länge des das unregelmäßige Magnetfeld bildenden Elements eingestellt werden kann. Der Betrag der magnetischen Kraft des zweiten magnetischen Flußpfads, die von dem oberen Ende des das unregelmäßige Magnetfeld bildenden Elements auf den Kolben ausgeübt wird, ist durch eine Positionsbeziehung zwischen dem das unregelmäßige Magnetfeld bildenden Element und dem Kolben, also die Länge des das unregelmäßige Magnetfeld bildenden Elements bestimmt. Daher kann der Betrag der auf den Kolben ausgeübten magnetischen Kraft durch Einstellen der Länge des das unregelmäßige Magnetfeld bildenden Elements eingestellt werden, und die magnetische Kraft des Magnetfelds des zweiten magnetischen Flußpfads kann durch Einstellen des Betrags der magnetischen Kraft am wirksamsten auf den Kolben ausgeübt werden. Daher kann bei dem erfindungsgemäßen Elektromagneten die Windungszahl des Spulenwicklungsabschnitts kleiner gemacht werden als bei einem Elektromagneten, bei dem ein ein unregelmäßiges Magnetfeld bildendes Element angeordnet ist, das nicht einer solchen Einstellung unterzogen wurde. Dementsprechend kann das Verkleinern des Spulenwicklungsabschnitts an sich erreicht werden, wodurch ein weiteres Verkleinern des Elektromagneten an sich erreicht werden kann.
Weiterhin können gemäß der vorstehend beschriebenen Erfindung die folgenden Ausführungsformen verwirklicht werden. Gemäß einer ersten Ausführungsform ist ein Elektromagnet vorgesehen,
bei dem das einen Bereich definierende Element einen Spulenkörper (11) aufweist, um ein longitudinales Loch (11c) aufzuteilen bzw. zu begrenzen, in dem der Kolben sich bewegt, wobei der Spulenkörper eine Peripheriewand (11d) mit einer Ausnehmung (11f) aufweist, die gebildet ist, um entlang des longitudinalen Lochs (11c) zu verlaufen, so daß das Element, das ein unregelmäßiges magnetisches Feld bildet, gegenüber dem Kolben angeordnet werden kann,
wobei die Elektromagnetspule mit einer Spulenwicklung (12) versehen ist, die direkt um die Peripheriewand (11d) des Spulenkörpers (11) gewickelt ist, und
wobei das Element, das ein unregelmäßiges magnetisches Feld bildet, angeordnet ist, um in die Ausnehmung (11f) zu passen.
Beim Elektromagneten gemäß der ersten Ausführungsform ist das das unregelmäßige Magnetfeld bildende Element an der Ausnehmung (11f) angeordnet, die entlang der Peripheriewand (11d) des Spulenkörpers (11) ausgebildet ist, und die Peripheriewand (11d) bildet einen Kern der Spulenwicklung (12). Daher kann das Verkleinern in Durchmesserrichtung durch übliches Ausbilden von Elementen erreicht werden.
Bei einem Elektromagneten gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist ein Elektromagnet vorgesehen, der aufweist:
ein Joch (2) mit einer Endplatte (22) an der oberen Seite und einer unteren Endplatte (23), die oberhalb bzw. unterhalb der Elektromagnetspule angeordnet sind, und eine Peripherieseitenplatte (21), die zwischen der oberen und der unteren Seitenendplatte angeordnet ist, um die Elektromagnetspule zu umgeben,
einen Polkern (16), der an einem Ende des longitudinalen Loches (11c) in Kontakt mit der oberen Endplatte (22) angeordnet ist, und
wobei das Element, das ein unregelmäßiges magnetisches Feld bildet, nahe einem Endabschnitt der unteren Endplatte (23) an einer Seite der Peripheriewand (11d) installiert ist.
Beim Elektromagneten gemäß der zweiten Ausführungsform ist das das unregelmäßige Magnetfeld bildende Element zusammenhängend mit der unteren Endplatte (23) des Jochs (2) eingerichtet, und die Handhabung ist daher erleichtert. Wenn weiterhin das Einstellen der Länge des das unregelmäßige Magnetfeld bildenden Elements erforderlich ist, nachdem es in der Ausnehmung (11f) angeordnet wurde, ist es bevorzugt, daß das eingerichtete das unregelmäßige Magnetfeld bildende Element zusammen mit der unteren Endplatte (23) des Jochs (2) entfernt wird. Weiterhin sind der Kolben und der Polkern in dem longitudinalen Loch (11c) entgegengesetzt zueinander angeordnet, weshalb der erste und der zweite magnetische Fluß des die magnetische Kraft auf den Kolben ausübenden Magnetfelds auch zu dem Polkern hin entwickelt werden, weshalb die Effizienz der magnetischen Kraft weiter gefördert werden kann, wodurch das Verkleinern durch weiteres Verringern der Windungsanzahl der Spulenwicklung erreicht werden kann.
Weiterhin ist bei einem Elektromagneten gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung ein Elektromagnet vorgesehen,
bei dem der Spulenkörper (11) mit einem vorstehenden Abschnitt (11h) versehen ist, der sich weiter nach außen als die Peripheriewand (11d) erstreckt, die von der unteren Endplatte (23) ausgedehnt bzw. erweitert ist.
Beim Elektromagneten gemäß der dritten Ausführungsform kann der vorstehende Abschnitt (11h), der sich von der Peripheriewand (11d) des Spulenkörpers (11) erstreckt, zum Montie ren eines anderen Elements, das an der unteren Fläche der unteren Endplatte (23) angebracht wird, beispielsweise einer Einlage zum Erreichen eines gedichteten Betriebs in bezug auf das Membranventil oder dergleichen, verwendet werden. Daher kann die Wasserdichtungsmaßnahme einfach in bezug auf das Membranventil oder dergleichen verwendet werden.
Bei einem Elektromagneten gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Dauermagnet (17) auf einer Außenseite des Polkerns (16) angeordnet.
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun nur beispielhaft und mit Bezug auf die anliegende Zeichnung beschrieben.
1 zeigt eine erklärende Ansicht des Innenaufbaus eines Magnetventils mit einem Elektromagneten gemäß der bevorzugten Ausführungsform.
2 zeigt eine erklärende Ansicht eines Betriebszustands des Magnetventils.
3 zeigt eine erklärende Ansicht eines Betriebszustands des Magnetventils.
4 zeigt ein Kennliniendiagramm einer Membran.
5 zeigt eine erklärende Ansicht eines Gleichrichtungskegels.
6 zeigt einen Graphen, in dem Änderungen der Strömungspfadfläche auf einer Peripherieseite des Gleichrichtungskegels dargestellt sind.
7 zeigt einen Graphen, in dem eine Beziehung zwischen dem Betrag der auf den Kolben 15 vom oberen Ende eines Vorsprungs 24 zum Bilden des unregelmäßigen Magnetfelds ausgeübten magnetischen Kraft eines unregelmäßigen Magnetfelds M2 und einer Vorstehhöhe des Vorsprungs 24 dargestellt ist.
8 zeigt einen Graphen, in dem eine Batteriespannung und Änderungen eines Elektrizitätsleitungs-Zeitraums eines Elektromagneten dargestellt sind,
9 zeigt eine erklärende Ansicht des Kolbens des Magnetventils mit einem Elektromagneten gemäß der bevorzugten Ausführungsform.
10 zeigt einen Graphen, in dem Anziehungskraftkennlinien des Elektromagneten gemäß der bevorzugten Ausführungsform dargestellt sind.
11 zeigt einen Graphen, in dem eine magnetische Eigenschaft bzw. Größe eines magnetischen Körpers dargestellt ist.
12 zeigt einen Graphen, in dem eine Beziehung zwischen einer Magnetfluß-Durchtrittsfläche und einem Sättigungspunkt einer magnetischen Flußdichte dargestellt ist.
13 zeigt eine Schnittansicht des Kolbens und eines Polkerns.
14 zeigt eine erklärende Ansicht eines Magnetventils.
15 zeigt eine erklärende Ansicht eines weiteren Typs eines Magnetventils.
16 zeigt eine erklärende Ansicht eines weiteren Typs eines Magnetventils.
17 zeigt eine erklärende Ansicht eines weiteren Typs eines Magnetventils.
18 zeigt eine erklärende Ansicht eines Magnetventils.
19 zeigt eine erklärende Ansicht eines Anbringungszustands des Magnetventils aus 18.
20 zeigt eine erklärende Ansicht einer Schaltung eines Elektromagneten.
21 zeigt einen Graphen, in dem eine Zeit-Strom-Kennlinie beim Leiten von Elektrizität zu dem Elektromagneten dargestellt ist.
22 zeigt eine schematische Schnittansicht zur Erklärung eines mit dem Membranventil C integrierten Wasserhahns 90.
Nachstehend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnung erklärt.
1 zeigt eine erklärende Ansicht des Innenaufbaus eines Magnetventils A, das mit einem Elektromagneten B gemäß der bevorzugten Ausführungsform versehen ist, wobei ein Ventilschließzustand dargestellt ist, in dem ein später erwähnter Kolben 15 vorgeschoben ist.
Das Magnetventil A weist einen Elektromagneten B und ein Membranventil C auf. Zuerst wird der Elektromagnet B erklärt.
Wie in 1 dargestellt ist, weist der Elektromagnet B eine Elektromagnetspule 1 und ein diese umgebendes Joch 2 auf. Die Elektromagnetspule 1 weist einen zylindrischen Spulenkörper 11 auf, um einen Bereich, der dafür vorgesehen ist, eine Spulenwicklung auf seiner Außenseite zu bilden, und einen Bereich, der dafür vorgesehen ist, einen beweglichen Kolben auf seiner Innenseite aufzunehmen, zu bilden. Ein oberes und unteres Ende des Spulenkörpers 11 bilden einen oberen Flansch 11a und einen unteren Flansch 11b. Ein longitudinales Loch 11c, das dafür vorgesehen ist, den Bereich zur Aufnahme des beweglichen Kolbens 15 zu bilden, ist in dem zentralen Abschnitt des Spulenkörpers 11 ausgebildet, und eine Spulenwicklung 12, die Kupferdrähte aufweist, ist direkt um eine Peripheriewand 11d davon gewikkelt (Bereich zur Bildung der Spulenwicklung). Wenn daher in der Elektromagnetspule 1 Elektrizität fließt, durchdringen Magnetflüsse eines erzeugten Magnetfelds das longitudinale Loch 11c des Spulenkörpers 11 in axialer Richtung, und es wird auf der Innenseite des longitudinalen Lochs 11c eine magnetische Kraft entwickelt, und der Kolben 15 wird durch Empfangen der magnetischen Kraft magnetisiert.
Weiterhin ist unterhalb des oberen Flansches 11a des Spulenkörpers 11 ein Aufteilungsflansch 11e gebildet, wobei sich zwischen dem oberen Flansch 11a und dem Aufteilungsflansch 11e ein Raum mit einem bestimmten Abstand befindet. Weiterhin bildet der Raum zwischen dem Aufteilungsflansch 11e und dem vom Joch 2 umgebenen oberen Flansch 11a einen Spuhenwicklungs-Endbehandlungsraum Q.
Der Spulenwicklungs-Endbehandlungsraum Q ist ein Raum zum Ziehen eines Wicklungsendes 20 der Spulenwicklung 12 nach außen, und die Spulenwicklung 12 ist, wie dargestellt, in dem Raum nicht gewickelt. Weiterhin ist das Wicklungsende 20 über eine Öffnung 26, die die obere Endfläche des Jochs 2 durchdringt, nach außen gezogen. Die Öffnung 26 ist durch eine Gummihülse 25 geschlossen, die eng anliegend an das Wicklungsende 20 angepaßt ist. Es ist dementsprechend nicht wie im herkömmlichen Fall erforderlich, am Zugabschnitt der Spulenwicklung 12 und der Gesamtperipherie der Elektromagnetspule 1 ein Harzformen vorzunehmen, wodurch ein Volumen eines gewickelten Abschnitts der Spulenwicklung, d. h. ein Volumen der Elektromagnetspule 1 an sich, verringert wird.
Es sei bemerkt, daß als ein Dichtungsmittel an Stelle der Verwendung der vorstehend beschriebenen Gummihülse 25 Harz von der Öffnung 26 einfließen gelassen werden kann, und daß nur der Spulenwicklungs-Endbehandlungsraum Q dem vorstehend beschriebenen Harzformen unterzogen werden kann.
Weiterhin ist das Joch 2 mit einer auf der äußeren Peripherie angeordneten Seitenplatte 21, die die äußere Peripherie der Elektromagnetspule 1 bedeckt, einer oberen Endplatte 22 und einer unteren Endplatte 23 versehen, die beide aus Ei sen bestehen und im wesentlichen kreisförmig sind, versehen. In diesem Fall kann das Joch 2 mit der unteren Endplatte 23 auch aus einem anderen Material als Eisen bestehen, solange das Material aus einem magnetischen Körper besteht. Es sei bemerkt, daß die untere Endplatte 23 an der oberen Fläche einer Druckkammer-Formungsplatte 60 des Membranventils C angebracht ist, wie später erwähnt wird.
Weiterhin weist das Joch 2 einen zylindrischen Vorsprung 24 zum Bilden eines unregelmäßigen Magnetfelds zur Anordnung zwischen der vorstehend beschriebenen oberen Endplatte 22 und der unteren Endplatte 23 auf. Der Vorsprung 24 steht von der Umgebung einer Öffnung nach oben vor, die in dem zentralen Abschnitt der unteren Endplatte 23 eingerichtet ist, und ist integriert bzw. einteilig mit der unteren Endplatte 23 ausgebildet und mit einem magnetische Eigenschaften aufweisenden Magnetismus versehen, weil die untere Endplatte 23 aus Eisen besteht. Das heißt, daß der Vorsprung 24 einen magnetischen Körper aufweist. Weiterhin umgibt der Vorsprung 24 den Kolben 15 in dem longitudinalen Loch 11c. Wenn in der Elektromagnetspule 1 Elektrizität fließt, bildet der Vorsprung 24 weiterhin ein unregelmäßiges Magnetfeld, wodurch magnetische Flüsse entwickelt werden, die von seinem oberen Ende in den Kolben 15 verlaufen. In diesem Fall wird die Vorstehhöhe des Vorsprungs 24, entsprechend dem Betrag des zu bildenden unregelmäßigen Magnetfelds, durch ein Schneidverfahren oder dergleichen angepaßt. Es sei bemerkt, daß später die Funktion des zylindrischen Vorsprungs 24 zur Bildung des unregelmäßigen Magnetfelds detailliert beschrieben wird. Weiterhin kann der Vorsprung 24 keine zylindrische Form aufweisen, sondern Teile davon können nach oben vorstehen. Er kann weiterhin durch Spritzgießen oder dergleichen integriert mit dem Spulenkörper 11 ge bildet werden.
Ein solcher zylindrischer Vorsprung 24 zur Bildung eines unregelmäßigen Magnetfelds wird in eine Ausnehmung 11f eingepaßt, die die Peripherie des longitudinalen Lochs 11c an einem unteren Abschnitt der Peripheriewand 11d des Spulenkörpers 11, der recht dick ausgebildet ist, umgibt. Wie in 1 dargestellt ist, dient die Ausnehmung 11f dazu, den Vorsprung 24 einzupassen, und sie wird zuvor tief ausgebildet, so daß die Vorstehhöhe des Einpassen des Vorsprungs 24 nicht verhindert, wobei die Vorstehhöhe wie zuvor beschrieben eingestellt wird. Weiterhin bildet ein Innenseiten-Endabschnitt der Peripheriewand 11d einen Vorsprung 11h, der sich von der unteren Endplatte 23 des Jochs 2 nach unten erstreckt.
Die Elektromagnetspule 1 ist auf der Innenseite des longitudinalen Lochs 11c in dieser Reihenfolge von der Seite des unteren Endes betrachtet, mit dem Kolben 15, einem Polkern 16 und einem Dauermagneten 17 versehen. Der Kolben 15 weist an seinem unteren Ende ein Ventil 14 auf und kann sich reibend auf der Innenseite des longitudinalen Lochs 11c bewegen. Weiterhin sind der Dauermagnet 17 und der Polkern 16 jeweils auf der Innenseite des longitudinalen Lochs 11c befestigt, so daß der Dauermagnet 17 oberhalb des Polkerns 16 angeordnet ist.
Der Dauermagnet 17 gemäß der Ausführungsform ist unter Verwendung eines aus Seltenerdelementen von Neodym-Eisen-Bor, Samarium-Kobalt oder dergleichen hergestellten Magneten mit einer hohen Koerzitivkraft gebildet. Der Dauermagnet 17 ist kleiner als ein herkömmlicher Magnet, weil ein ausreichend starkes Magnetfeld dadurch selbst dann gebildet werden kann, wenn das Volumen verringert ist. Es sei bemerkt, daß der Dauermagnet 17 ein unter Verwendung von Seltenerdmetallen hergestellter Magnet sein kann, insbesondere ein plastischer Magnet, dessen Hauptkomponente Neodym-Eisen-Bor, Samarium-Kobalt oder dergleichen ist.
Wenn der Dauermagnet 17 auf diese Weise in dem oberen Abschnitt angeordnet wird, läuft ein von der Elektromagnetspule 1 gebildetes elektromagnetisches Feld durch den Dauermagneten 17, und der Kolben 15 wird durch das elektromagnetische Feld magnetisiert. Weiterhin ist die von dem Dauermagneten 17 auf den Kolben 15 ausgeübte Kraft umgekehrt proportional zu einem Abstand zwischen dem Kolben 15 und dem Dauermagneten 17. Daher weist das durch Leiten von Elektrizität zu der Elektromagnetspule 1 (öffnende Elektrizitätsleitung) gebildete elektromagnetische Feld zum Anziehen des Kolbens 15 an einer von dem Dauermagneten 17 getrennten Position zu der Seite des Polkerns 16, also in Richtung der Öffnungsseite, die gleiche Richtung auf wie die Polarität des Dauermagneten 17. Umgekehrt weist das durch Leiten von Elektrizität zur Elektromagnetspule 1 (schließende Elektrizitätsleitung) gebildete elektromagnetische Feld zum Treiben des Kolbens 15 an einer Verriegelungsposition, wo er zu dem Dauermagneten 17 hingezogen wird, zu der Seite, auf der er vom Dauermagneten 17 getrennt ist, also in Richtung der Schließseite, eine zur Polarität des Dauermagneten 17 entgegengesetzte Richtung auf. Es ist dann erforderlich, den Kolben 15 zu magnetisieren, um die zu derjenigen des Dauermagneten 17 entgegengesetzte Polarität bereitzustellen, um den Kolben 15 an der Verriegelungsposition, wo er zu dem Dauermagneten 17 hingezogen wird, in Richtung der Schließseite zu treiben. Dementsprechend ist beim Leiten von Elektrizität zu der Elektroma gnetspule 1 (schließende Elektrizitätsleitung) eine erheblich stärkere elektromagnetische Kraft erforderlich als im Fall der öffnenden Elektrizitätsleitung.
Daher ist oberhalb des Dauermagneten 17 ein zylindrisches Einstellelement 18 zum Einstellen des Magnetismus des Dauermagneten angeordnet, und es ist ein Magnetkreis durch das Einstellelement 18 und den Dauermagneten 17 gebildet. Daraufhin wird das Magnetfeld des Dauermagneten durch den Magnetkreis dispergiert, und von dem Dauermagneten 17 zu dem Kolben 15 und zu dem Joch 2 laufende Flüsse werden verringert, wodurch die zum Bewegen des Kolbens 15 zur Schließseite hin erforderliche Kraft verringert wird. Es sei bemerkt, daß wenn der Kolben 15 durch Leiten von Elektrizität in der Elektromagnetspule 1 von dem Dauermagneten 17 getrennt wird, eine starke elektromagnetische Kraft erforderlich ist, wie vorstehend beschrieben wurde. Wenn der Kolben 15 jedoch von dem Dauermagneten 17 getrennt ist, wird die von dem Dauermagneten 17 auf den Kolben 15 ausgeübte Kraft verringert, wenn sich der Kolben 15 weiter von dem Dauermagneten 17 entfernt, so daß eine starke elektromagnetische Kraft nicht immer erforderlich ist, um die Elektromagnetspule 1 einer schließenden Elektrizitätsleitung zu unterziehen.
Das Einstellelement 18 gemäß der Ausführungsform weist eine zylindrische Form auf und ist in die Innenseite einer oberen Ausnehmung 11g eingepaßt, die an dem oberen Abschnitt der Peripheriewand 11d des Spulenkörpers 11 ringförmig ausgebildet ist. Die Form ist jedoch nicht auf die zylindrische Form beschränkt, sondern es kann jede beliebige Form verwendet werden, bei der Abschnitte des Einstellelements zu der Peripherieseite des Dauermagneten 17 vorstehen. Es sei bemerkt, daß die obere Ausnehmung 11g so ausgebildet ist, daß sie das longitudinale Loch 11c im wesentlichen ähnlich der vorstehend beschriebenen Ausnehmung 11f umgibt.
Weiterhin wird ein Verkleinern des Elektromagneten B erreicht, indem der Kolben 15 gemäß der Ausführungsform entsprechend der erforderlichen Magnetisierungskraft mit einem geringen Durchmesser versehen wird. Daher wird das Gewicht des Kolbens 15 verringert, und es wird die Reibungskraft verringert, wodurch die Anziehwirksamkeit der magnetischen Kraft gefördert wird.
Weiterhin bildet ein Rand eines zu der Ausnehmung 16a des Polkerns 16 hingezogenen sich verengenden Abschnitts 15a einen vertikalen Abschnitt 15b. Es wurde experimentell bestätigt, daß die Anziehwirksamkeit des Kolbens 15 durch die Bildung eines solchen vertikalen Abschnitts 15b gefördert wird. Demgemäß wird die anfängliche anziehende Kraft, die auf den Kolben 15 ausgeübt wird, vergrößert, wodurch die magnetische Wirksamkeit, zusätzlich zum Verkleinern des Kolbens 15, erheblich gefördert wird.
Eine Rückholfeder 19 ist zwischen dem Kolben 15 und dem Polkern 16 angeordnet. Durch diesen Aufbau empfängt der Kolben 15 eine elastische Kraft der Rückholfeder 19 und ist in einem Anfangszustand (oder wenn das Wasser abgeschaltet wird), in dem in der Elektromagnetspule 1 keine Elektrizität geleitet wird, in der geschlossenen Position angeordnet, wie in 1 dargestellt ist. Das an dem unteren Ende des Kolbens 15 installierte Ventil 14 schließt ein im zentralen Abschnitt der Membran 3 eines Membranventils C installiertes Pilotventilloch 31.
Weiterhin wird eine Beziehung zwischen der Federkraft der Rückholfeder 19 und der Anziehungskraft des Dauermagneten 17 folgendermaßen bestimmt. Wenn der Kolben 15 aus einer Position, in der er zum Polkern 16 hingezogen ist (Öffnungsseitenposition), auf natürliche Weise fallengelassen wird, wird er durch einen am Peripherierand des Pilotventilhochs 31 gebildeten Ventilsitz 35 begrenzt. Wenn der Kolben 15 eine obere Grenzposition (höchste erreichbare Position) erreicht, während er begrenzt ist, wird von der Rückholfeder 19 eine Trennkraft auf den Kolben 15 ausgeübt, die größer ist als die Anziehungskraft des Dauermagneten 17.
Beim Anbringen des Elektromagneten B an dem später erwähnten Membranventil C wird die untere Endplatte 23 des Jochs 2 oberhalb der oberen Fläche der Druckkammer-Formungsplatte 60 angeordnet. Es sei bemerkt, daß eine wasserdichte Anordnung der Elektromagnetspule 1 innerhalb des Jochs 2 durch eine Einlage 4, die zwischen dem Vorsprungsabschnitt 11h und der Druckkammer-Formungsplatte 60 angeordnet ist, und einen O-Ring 5, der zwischen dem unteren Flansch 11b des Spulenkörpers 11 und der Peripherieseitenplatte 21 des Jochs 2 angeordnet ist, erreicht wird. Demgemäß ist der Elektromagnet B gemäß der vorliegenden Erfindung durch einen einfachen Aufbau wasserdicht gemacht.
Weiterhin ist es angesichts der magnetischen Wirksamkeit vorteilhaft, die Peripherieseitenplatte 21 des Jochs 2 über dem gesamten Peripheriebereich bereitzustellen, der die Elektromagnetspule 1 umgibt, wie vorstehend beschrieben wurde. Es wurde insbesondere experimentell bestätigt, daß die magnetische Effizienz der Elektromagnetspule 1 mit dem Joch 2 gemäß der Ausführungsform um etwa 15% gegenüber ei ner Spule verbessert ist, die ein Joch mit einem kanalartigen Querschnitt aufweist, wobei die Peripherieseitenplatte 21 nur mit den Abschnitten der oberen Endplatte 22 und der unteren Endplatte 23 verbunden ist.
Als nächstes wird das Membranventil C erklärt.
Wie in 1 dargestellt ist, weist das Membranventil C einen Ventilkasten 6 auf, der einen Einströmungspfad 61 und einen Ausströmungspfad 62 aufweist, die mit einem Primärrohr bzw. einem Sekundärrohr verbunden und zusammengeführt sind.
Ein Sieb S mit einem netzförmigen Filter ist auf halbem Wege des Einströmungspfads 61 angeordnet. Daher werden hier Fremdgegenstände in dem zugeführten Wasser, die größer sind als das Netz, entfernt und fließen nicht in das Membranventil C.
Weiterhin ist zwischen dem Einströmungspfad 61 und dem Ausströmungspfad 62 in dem Ventilkasten 6 ein Hauptventilloch 63 ausgebildet, und der Peripherierand der Öffnung an dem oberen Ende des Hauptventillochs 63 bildet einen Hauptventilsitz 64. Weiterhin ist die Membran 3, die auch als ein Hauptventil zum Öffnen und Schließen des Hauptventillochs 63 dient, anbringbar und abnehmbar am Hauptventilsitz 64 angeordnet. Es sei bemerkt, daß ein Sitz 3b der Membran 3 an dem Hauptventilsitz 64 angebracht und von diesem abgenommen wird.
In Hinblick auf die Membran 3 sei bemerkt, daß der Radius r an einem gekrümmten Abschnitt einer Membran 3a gleich oder kleiner 3 mm ist, daß der betriebswirksame Durchmesser er höht ist und daß die Filmdicke t auf einen geringen Wert von 0,4 mm oder darunter gelegt ist. Weiterhin ist die Härte des die Membran bildenden Gummis auf 80 Grad oder weniger gelegt, wodurch die Membran 3 in bezug auf den Druck mit einer hohen Empfindlichkeit versehen ist und Hystereseeinflüsse weitestgehend verringert sind.
Das heißt, daß, wie in 4 dargestellt ist, die Membran 3 Eigenschaften erreicht, bei denen die Reaktionskraft entsprechend dem Hub vergrößert wird, wenn sie bei einem geringen Hub betätigt wird, während die Reaktionskraft konstant gehalten wird, wenn sie bei einem starken Hub betätigt wird. Dadurch werden die Wasserabschaltfähigkeit und die Ventilöffnungsfähigkeit selbst bei einem niedrigen Druck (0,3 kg/cm²) nicht beeinträchtigt, und die Membran bewegt sich selbst bei dem niedrigen Druck (0,3 kg/cm²) sofort zu der in 5 dargestellten Öffnungsposition, wodurch die erforderliche Strömungsrate sicher bereitgestellt werden kann.
Inzwischen ist zum Aufrechterhalten des Wasserabschaltzustands selbst dann, wenn die Membran geschlossen ist, eine geringe Reaktionskraft in der Membran 3 erforderlich. Eine herkömmliche Membran weist bis zu einem maximalen Hub dem Hub entsprechende Reaktionskrafteigenschaften auf, weshalb die Reaktionskraft beim maximalen Hub verstärkt ist. Daher ist ein großer Durchmesser erforderlich, um eine Membran bei einem niedrigen differentiellen Druck zu betätigen. Bei der Membran mit den vorstehend beschriebenen Eigenschaften ist jedoch selbst beim maximalen Hub ähnlich dem Fall eines Hubs, der kleiner als der maximale Hub ist, eine kleine konstante Reaktionskraft erforderlich, während die zum Aufrechterhalten des Wasserabschaltzustands er forderliche Reaktionskraft ausgeübt wird. Daher kann der Durchmesser der Membran verkleinert werden.
Eine Membrandruckkammer 30 ist von der Membran im wesentlichen umgeben, und die Druckkammer-Formungsplatte 60 ist oberhalb der Membran 3 ausgebildet. Weiterhin steht die Membrandruckkammer 30 über das im Zentrum der Membran 3 installierte Pilotventilloch 31 und ein am Peripherierand der Membran 3 installiertes Einlaßloch 32 in Verbindung mit dem Ausströmungspfad 62.
Das an dem oberen Ende des Kolbens 15 des Elektromagneten B bereitgestellte Ventil 14 ist gegenüber dem Pilotventilloch 31 und oberhalb von diesem angeordnet, wie vorstehend beschrieben wurde. Das Pilotventilloch 31 wird durch Herauszieh- und Zurückziehbewegungen des Kolbens 15 geöffnet und geschlossen, wie vorstehend erwähnt wurde. In diesem Fall empfängt der Kolben beim Öffnen des Ventils, selbst dann, wenn der Kolben 15 von dem Ventilsitz 35 des Pilotventillochs 31 begrenzt ist und an der oberen Grenzposition angeordnet ist, die trennende Kraft der Rückholfeder 19, welche die Anziehungskraft des Dauermagneten 17 übersteigt, wodurch der Kolben 15 sicher zu der Ventilschließseite getrieben wird, wie erklärt wurde. Daher kann das Membranventil C durch sicheres Schließen des Pilotventillochs 31 geschlossen werden.
Weiterhin ist ein Reinigungsstift 33, der das Einlaßloch 32 durchdringt, an dem unteren Ende der Druckformungsplatte 60 gegenüber der Membran 3 anbringbar und abnehmbar eingerichtet. Wenn der Reinigungsstift 33 daher verbogen ist oder dergleichen, kann er leicht durch Entfernen der Membran 3 ausgetauscht werden. Es sei bemerkt, daß der Reini gungsstift 33 in der Umgebung des Nadellochs anhaftende Ausfällungen durch die Aufwärts- und Abwärtsbewegung der Membran entfernt.
Das Einlaßloch 32 bildet ein im wesentlichen kreisringförmiges Einlaßloch, weil der Reinigungsstift 33 so eingerichtet ist, daß er das Einlaßloch 32 durchdringt. Daher kann der Kanalwiderstand, wenn Wasser durch das Einlaßloch 32 hindurchfließt, erhöht werden, und die Strömungsrate durch den Pfad kann dementsprechend verglichen mit derjenigen im Fall eines kreisförmigen Einlaßlochs, das mit der gleichen Querschnittsfläche perforiert ist, verringert werden. Daher wird die Wasserkraft beim Schließen der Membran 3 vermindert.
Weiterhin wird eine Querschnittsfläche eines Zwischenraums zwischen dem Einlaßloch 32 und dem Reinigungsstift 33 im wesentlichen gleich der Netzfläche des in der Mitte des Einströmungspfads 61 eingerichteten Siebs S oder auf einen größeren Wert als diese gelegt. Daher verstopft sehr kleiner Schmutz oder dergleichen, der durch das Sieb S hindurchgelaufen ist, das Einlaßloch 32 nicht, und Wasser fließt problemlos in das Einlaßloch 32.
Weiterhin bildet die äußere Peripherie an dem unteren Ende des Pilotventillochs 31 einen Gleichrichtungskegel 7 mit einer Peripheriefläche, deren Form sich zu der Strömungsrichtung der Flüssigkeit hin allmählich gleichmäßig verringert. Der Gleichrichtungskegel 7 ist so geformt, daß der Kanalwiderstand so gering wie möglich ist und die Strömungsrate sicher bei einem niedrigen Druck bereitstellt, wie nachstehend beschrieben wird.
5 zeigt die Ventilöffnungsposition bei einem niedrigen Druck (0,3 kg/cm²), und die Strömungsrate bei einem solchen niedrigen Druck kann durch gleichmäßiges Ändern der Strömungsrichtung in der Umgebung des Ventilsitzes sicher bereitgestellt werden. Zu diesem Zweck ist, wie in 5 dargestellt ist, der Gleichrichtungskegel 7 auf der Sekundärseite (der Ausströmungspfadseite) des Ventils bereitgestellt. Die wirksame Kanalfläche der Öffnung des Hauptventillochs 63 wird, wie in 6 dargestellt ist, geändert. In diesem Fall bezeichnet die Ordinate in 6 die effektive Kanalfläche. Weiterhin bezeichnet die Abszisse einen Trennungsabstand zwischen dem Gleichrichtungskegel 7 und dem Hauptventilsitz 64, wenn sich der Hauptventilsitz 64 an einer durch die durchgezogene Linie in 5 dargestellten Position in bezug auf den Sitz 3b der Membran 3 befindet. Die äußere Peripherieform des Gleichrichtungskegels 7 ist so ausgebildet, daß an einem Abschnitt zwischen einem Strömungspfad-Einsetzpunkt a, wo der Hauptventilsitz 64 in Kontakt mit dem Sitz 3b gebracht wird (siehe 5, wie folgt), und einem Formbildungs-Einsetzpunkt b des Gleichrichtungskegels 7 ein Trennungsabstand (a', b') zwischen dem Gleichrichtungskegel 7 und dem Hauptventilsitz 64, also die wirksame Kanalfläche, allmählich zunimmt, an einem Abschnitt zwischen dem Einsetzpunkt b und einem Formbildungs-Mittelabschnitt c des Gleichrichtungskegels 7 ein Trennungsabstand (c'), also die wirksame Kanalfläche, gleich bleibt, und an einem Abschnitt zwischen dem Formbildungs-Mittelabschnitt c und einem Formbildungs-Spitzenpunktabschnitt d ein Trennungsabstand (d'), also die wirksame Kanalfläche, allmählich wieder zunimmt.
Durch Bilden einer solchen Form wird die Führungsfunktion der Wasserströmung erreicht, und der durch Kontraktionen oder Wirbel hervorgerufene Druckverlust wird verringert.
Weiterhin gleicht die Länge des Gleichrichtungskegels 7 der Ausführungsform im wesentlichen dem maximalen Hub der Membran 3, die eine für die Strömungsrate experimentell bewiesene optimale Länge ist. Das heißt, daß wenn beim Fließen von Wasser in das Hauptventilloch 63 die Länge des Gleichrichtungskegels 7 äußerst kurz ist, Teile des Wassers sofort gegeneinander stoßen, wodurch eine turbulente Strömung hervorgerufen wird, wodurch die Strömungsrate verringert wird und eine gewünschte Strömungsrate nicht erhalten werden kann. Wenn er umgekehrt äußerst lang ist, bildet der Gleichrichtungskegel 7 an sich einen Widerstand, wodurch die Strömungsrate verringert wird, was experimentell bekannt ist.
Das Ansprechen des Membranventils C wird durch die vorstehend beschriebene Struktur gefördert. Weiterhin wird ein instabiler Betrieb bei einem niedrigen Druck gelöst, und die Abschaltfähigkeit und die Ventilöffnungsfähigkeit können ausgezeichnet sein. Weiterhin wird die Wasserabgabefunktion durch den Gleichrichtungskegel 7 gefördert, und das Membranventil C kann verkleinert werden, während die Ventilfunktion beibehalten wird.
Es sei bemerkt, daß die Form des vorderen Rands des Hauptventilsitzes 64 in 5 folgendermaßen bestimmt werden kann. Der Druckaufnahmedurchmesser wird in höherem Maße als im herkömmlichen Fall verringert, indem das Membranventil C verkleinert wird. Um das Verringern der Schließkraft der Membran 3 bei dem geringen Druckaufnahmedurchmesser zu kompensieren, wird ein Krümmungsradius des vorderen Endes des Hauptventilsitzes auf einen kleineren Wert (die Krümmung dieser Anordnung beträgt 0,3 mm) gelegt als der herkömmliche Krümmungsradius (etwa 0,5 mm). Das vordere Ende des Hauptventilsitzes mit einem geringen Krümmungsradius bildet jedoch einen Angriff des vorderen Endes in bezug auf den Sitz 3b der Membran 3, wodurch eine lokale Spannung auf die Membran 3 ausgeübt wird. Daher wird die Haltbarkeit in dem Fall verschlechtert, in dem der Krümmungsradius einfach verringert wird. Daher wird nicht nur der Krümmungsradius einfach verringert, sondern es wird auch ein Randabschnitt des vorderen Endes des Hauptventilsitzes 64 selbst auf der zweiten Seite der Wasserzufuhr im Durchmesser verringert, um eine Spannungsverteilung zu erreichen, indem die Oberfläche eines durch den Angriff hervorgerufenen Einsenkabschnitts des Sitzes 3b selbst dann vergrößert wird, wenn das vordere Ende des Hauptventilsitzes beim Schließen des Membranventils C an den Sitz 3b angreift. Durch Verringern des Durchmessers des Randabschnitts wird auf diese Weise die Haltbarkeit der Membran 3 durch die Verteilung der Spannungen gewährleistet. Weiterhin wird die laminare Strömungsfunktion durch die sich verengende Fläche zusammen mit dem vorstehend beschriebenen Gleichrichtungskegel 7 gefördert, wodurch verhindert wird, daß die Abgabemenge verringert wird.
Weiterhin kann ein sehr kleines Magnetventil A bereitgestellt werden, indem das Membranventil mit dem Elektromagneten B kombiniert wird, bei dem die vorstehend erwähnte Verkleinerung erreicht wurde.
Als nächstes wird die Arbeitsweise des in den 1 bis 3 und 8 dargestellten Magnetventils A erklärt.
Zuerst wird der Arbeitsgang des Treibens des Magnetventils A von dem in 1 dargestellten geschlossenen Zustand in den geöffneten Zustand erklärt.
Wenn Elektrizität zu der Elektromagnetspule 1 geleitet wird, um den Kolben 15 in die Öffnungsposition zu treiben, wie in 1 dargestellt ist, wird durch die Elektromagnetspule 1 ein Hauptmagnetfeld M1 erzeugt, das eine ins Innere des longitudinalen Lochs 11c des Spulenkörpers 11 gerichtete magnetische Kraft entwickelt. Weiterhin wird zusätzlich zu dem Hauptmagnetfeld M1 ein unregelmäßiges Magnetfeld M2 erzeugt. Das unregelmäßige Magnetfeld M2 wird mit dem Vorsprung 24, also dem magnetischen Körper, als Teil eines magnetischen Flußpfads erzeugt, und der magnetische Fluß wird von der Basisseite des Vorsprungs 24, also der Seite der unteren Endplatte 23 des Jochs 2 entlang der oberen Endseite des Vorsprungs 24 gebildet und erreicht den Kolben 15 innerhalb des longitudinalen Lochs 11c von dem oberen Ende des Vorsprungs 24. Daher entwickelt das unregelmäßige Magnetfeld M2 die magnetische Kraft von dem oberen Ende des Vorsprungs 24 zu dem Kolben 15. Demgemäß empfängt der Kolben 15, wie in 2 dargestellt ist, die magnetische Kraft des Hauptmagnetfelds M1 und des unregelmäßigen Magnetfelds M2 und wird zu dem Polkern 16 hingezogen. Auf diese Weise wird die magnetische Effizienz beim Treiben des Kolbens 15 zu der anziehenden Seite durch das unregelmäßige Magnetfeld M2 gefördert, und es tritt daher beim Anziehvorgang des Kolbens 15 selbst dann kein Hindernis auf, wenn die Windungszahl der Spulenwicklung 12 in der Elektromagnetspule 1 verringert wird. Daher kann das Verkleinern des Elektromagneten B durch Verringern der Windungszahl der Spulenwicklung 12 erreicht werden, und es treten selbst beim Elektromagneten B mit einer geringen Größe beim Vorgang des Herausziehens und Zurückziehens des Kolbens 15 keine nachteiligen Einflüsse auf.
Weiterhin wird beim Einpassen des Vorsprungs 24 in die Ausnehmung 11f der Peripheriewand 11d die Vorstehhöhe zuvor angepaßt. Daher ergibt sich der folgende Vorteil. Wie in 7 dargestellt ist, ändert sich der Betrag der magnetischen Kraft des unregelmäßigen Magnetfelds M2 vom oberen Ende des Vorsprungs 24, wodurch das unregelmäßige Magnetfeld zum Kolben 15 gebildet wird, entsprechend der Positionsbeziehung zwischen dem Vorsprung 24 und dem Kolben 15, also der Vorstehhöhe des Vorsprungs 24, und die magnetische Kraft ist maximal, wenn die Vorstehhöhe auf einen bestimmten Wert L fällt. Wenn der Vorsprung 24 daher in die Ausnehmung 11f eingepaßt wird, nachdem zuvor die Vorstehhöhe auf einen Wert L gelegt wurde, kann die magnetische Kraft des unregelmäßigen Magnetfelds M2 durch die maximale magnetische Kraft wirksamer auf den Kolben 15 ausgeübt werden. Daher kann die Windungszahl der Spulenwicklung 12, verglichen mit dem Fall, in dem der Vorsprung 24 einfach in die Ausnehmung 11f eingepaßt wird, verringert werden, weshalb der Elektromagnet B durch das Verkleinern der Spulenwicklung 12 an sich weiter verkleinert werden kann.
Das Magnetventil A wird inzwischen durch eine Batterie betrieben, und wie in 8 dargestellt ist, wird der Zeitraum der Elektrizitätsleitung für den Elektromagneten B durch die Batteriespannung geändert. Genauer gesagt, ist der Elektrizitätsleitungs-Zeitraum bei der Elektrizitätsleitung zum Öffnen für das Treiben des Kolbens 15 gegen die Rückholfeder 19 länger als derjenige bei der Elektrizitätsleitung zum Schließen, und der Elektrizitätsleitungs- Zeitraum ist bei der jeweiligen Elektrizitätsleitung umso länger, je kleiner die Batteriespannung ist. Demgemäß kann der Batterie eine lange Lebensdauer gegeben werden, und die Häufigkeit des Austauschens der Batterie ist verringert, weil die Entnahme aus der Batterie nicht stärker als erforderlich ist.
Weiterhin ist der Kolben 15, wie in 9 dargestellt ist, mit einem vertikalen Abschnitt 15b versehen, und es sind weiterhin der Verengungswinkel θp eines sich verengenden Abschnitts 15a des Kolbens und der Verengungswinkel θc einer Ausnehmung 16a des Polkerns auf eine Beziehung θp > θc gelegt. Daher kann die anziehende Kraft des Kolbens 15 verglichen mit derjenigen, bei der ein solcher vertikaler Abschnitt nicht vorhanden ist, erhöht werden. Insbesondere wurde ein Experiment in bezug auf den auf die anziehende Kraft ausgeübten Einfluß ausgeführt, wobei der erforderliche Hub auf 2,5 mm gelegt war, θp = 15° war, θc = 13,5° war, der kürzeste Abstand L2 zwischen dem Kolben 15 und dem Polkern 16 auf 0,432 mm gelegt war und die Länge L0 des vertikalen Abschnitts 15b in einem Bereich von null bis 1,4 mm veränderlich gemacht war. Dabei war die anziehende Kraft im Fall L0 = 1,4 mm, verglichen mit dem Fall, in dem kein vertikaler Abschnitt bereitgestellt war, um etwa 8% erhöht.
Es sei bemerkt, daß wenn die kürzeste Länge L2 im Vergleich vergrößert wird, eine lineare "Hub-Anziehungskraft-Kennlinie", wie sie in 10 dargestellt ist, erhalten wird, wenn die Länge L0 des vertikalen Abschnitts 15b auf diese Weise bereitgestellt wird. Wenngleich gemäß der Kennlinie die Anziehungskraft verringert wird, wenn sich der Kolben 15 dem Polkern 16 nähert, wird der Kolben 15 normalerweise infolge der Trägheit an dieser Position zu dem Polkern hingezogen, weshalb die große Anziehungskraft infolge der Elektromagnetspule nicht immer erforderlich ist. Daher ergibt sich selbst bei der vorstehend beschriebenen linearen Kennlinie kein spezielles Problem.
Wenn der herkömmliche Kolben 15 umgekehrt zu dem Polkern 16 hingezogen wird, wird die Differenz zwischen der Anziehungskraft und der Federkraft (wesentliche Anziehungskraft) umso größer, je näher der Kolben 15 der Verriegelungsposition kommt, wodurch infolge des Zusammenstoßens von Metallen ein Anstoßklang erzeugt wird. Durch Bereitstellen der in 10 dargestellten "Hub-Anziehungskraft-Kennlinie" wird die Erzeugung des Anstoßklangs beim Verriegeln jedoch so weit wie möglich unterdrückt.
Daher kann ein ruhiger Betrieb erreicht werden, ohne daß ein Puffer oder dergleichen getrennt bereitgestellt wird. Es sei bemerkt, daß die vorstehend beschriebene Wirkung bereitgestellt werden kann, indem die Federkraft stufenlos oder in mehreren Schritten eingestellt wird, indem in der Rückholfeder 19 eine konische Feder oder eine Mehrfachfeder verwendet wird.
Wie vorstehend erwähnt wurde, ist der vertikale Abschnitt 15b als der Rand des sich verengenden Abschnitts 15a des Kolbens 15 ausgebildet, wodurch die anfängliche Saugkraft erhöht werden kann, weil der Zwischenraum zwischen dem Rand und dem Polkern 16 durch den vertikalen Abschnitt 15b verglichen mit demjenigen in dem Fall, in dem der vertikale Abschnitt 15b nicht bereitgestellt ist, verkürzt werden kann.
Wie vorstehend beschrieben wurde, verläßt das Ventil 14 das Pilotventilloch 31, wenn der Kolben 15 angezogen wird, wodurch das Pilotventilloch 31 geöffnet wird und die Membrandruckkammer 30 und der Ausströmungspfad 62 in Verbindung miteinander gesetzt werden. Der Hydraulikdruck in der Membrandruckkammer 30 wird durch das Ausströmen in den Ausströmungspfad 62 verringert, wodurch eine Druckdifferenz zwischen dem Hydraulikdruck in der Membrandruckkammer 30 und dem Hydraulikdruck in dem Einströmungspfad 61 hervorgerufen wird, wodurch die Membran 3 angehoben wird, wie in 3 dargestellt ist. Dadurch verläßt die Membran 3 den Hauptventilsitz 64, und der Einströmungspfad 61 und der Ausströmungspfad 62 stehen über das Hauptventilloch 63 direkt in Verbindung miteinander, und Wasser wird von der Primärseite zu der Sekundärseite übertragen.
Es ist in diesem Fall ausreichend, daß die elektromagnetische Kraft nur durch den Hub des Kolbens 15 wirkt, und der Kolben 15 wird nach seiner Bewegung durch die magnetische Kraft des Dauermagneten 17 zu dem Polkern 16 gezogen und dort verriegelt. Dadurch kann das Membranventil C den Öffnungszustand aufrechterhalten. Dementsprechend ist die Elektrizitätsleitung zur Elektromagnetspule 1 nach dem Verriegeln des Kolbens 15 nicht erforderlich.
Als nächstes wird ein Vorgang erklärt, bei dem das Magnetventil A in dem in 3 dargestellten Öffnungszustand in den in 1 dargestellten Schließzustand gebracht wird.
Wenn Elektrizität in Entriegelungsrichtung des Kolbens 15 zu der Elektromagnetspule 1 geleitet wird, wird der Kolben 15 in einer zu der Polarität des Dauermagneten 17 entgegengesetzten Polarität magnetisiert, und die durch den Kolben 15 vom Dauermagneten 17 empfangene magnetische Kraft wird durch die magnetische Kraft der Elektromagnetspule 1 aufgehoben. Daher fällt der Kolben 15 durch den Betrieb der Rückholfeder 19 glatt bzw. sanft nach unten und schließt das Pilotventilloch 31 der Membran 3. Daher beginnt die Membran 3 herunterzufallen.
In diesem Moment wird die in die Membrandruckkammer 30 einströmende Wassermenge allmählich verringert, indem die Form des Reinigungsstifts 33 durch die von dem Stift bereitgestellte Quetschwirkung zu einer sich verengenden Form gemacht wird. Dadurch wird die Fallgeschwindigkeit der Membran 3 verringert, während die Membran herunterfällt, und das Hauptventilloch 63 wird, verglichen mit dem Fall, in dem es sich nicht verengt, weiter moderat geschlossen.
Wie vorstehend beschrieben wurde, verläuft der Vorgang glatt, und die gewünschte Strömungsmenge kann trotz der Verringerung der Größe des Magnetventils A erhalten werden.
Zwischenzeitlich wird gemäß der Ausführungsform das Eigengewicht des Kolbens 15 verringert, indem der Kolben 15 entsprechend einer erforderlichen Magnetisierungskraft mit einer geringen Größe versehen wird, um das Verkleinern des Elektromagneten B zu erreichen, wobei die Anziehungseffizienz der magnetischen Kraft durch Verringern der Reibungskraft gefördert wird. Nun wird die Konstruktion des Kolbens 15 erklärt.
Wie in 11 ersichtlich ist, worin die magnetische Eigenschaft eines magnetischen Körpers dargestellt ist, ist die Effizienz der Verwendung der magnetischen Energie ausgezeichnet, wenn er in einem linearen Bereich betrieben wird. Wenn die Linearität jedoch durch Überschreiten einer bestimmten magnetischen Flußdichte Bt verlorengeht und das Magnetfeld weiter intensiviert wird, wird der Magnetismus schließlich gesättigt, und die Energiewirksamkeit wird verschlechtert.
Weiterhin wird, wie in 12 dargestellt ist, worin eine Beziehung zwischen der Magnetfluß-Durchtrittsfläche und dem Sättigungspunkt der magnetischen Dichte dargestellt ist, wenn die Durchtrittsfläche S des magnetischen Flusses verkleinert wird, während das Magnetfeld konstant gehalten wird, die magnetische Dichte notwendigerweise vergrößert, und sie beginnt in ähnlicher Weise bei Bt zu sättigen. Weiterhin wird, wenn die Durchtrittsfläche S des magnetischen Flusses weiter vergrößert wird, ein Gesamtbetrag des magnetischen Flusses (Bt·S) dadurch verringert, und es wird gleichzeitig auch die Anziehungskraft verringert.
Dementsprechend ist bekannt, den Kolben in einem Bereich auszulegen, in dem die magnetische Flußdichte das vorstehend beschriebene Bt nicht übersteigt, um das Verringern der Größe effizient zu erreichen.
Es kann eine Begrenzung gesucht werden, wodurch ein Kolben in bezug auf den Kolben mit einem longitudinalen Loch zum Einführen der Rückholfeder wirksam verkleinert werden kann. Weiterhin wurde die Beziehung zwischen einer minimalen Querschnittsfläche SpMIN des Kolbens und einem minimalen Radius r1MIN des Kolbens in bezug auf den Radius r2 eines longitudinalen Lochs für eine Feder bei der Begrenzung gesucht, und diese Werte werden als die Beträge beider Minima oder größer bestimmt.
Nachstehend wird eine weitere detaillierte Erklärung gegeben. 13 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Kolbens und eines Polkerns, und es werden in der Zeichnung die folgenden Bezeichnungen verwendet:
X: Hub
lg: kürzester Abstand zwischen dem Kolben und dem Polkern
d: Länge entlang der geneigten Fläche des Überlappungsabschnitts
r1: Radien des Kolbens und des Polkerns
r2: Radius des longitudinalen Lochs für die Feder
θ: Verengungswinkel der geneigten Fläche des Kolbens
Sga: mittlere Fläche des Überlappungsabschnitts
Sp: Querschnittsfläche des Kolbens
F: Anziehungskraft
Hierbei werden der kürzeste Abstand zwischen dem Kolben und dem Polkern lg und die Länge d entlang einer geneigten Fläche eines geneigten Überlappungsabschnitts durch die folgenden Gleichungen 1 und 2 ausgedrückt: lg = xsinθ Gleichung 1
Durch Bezeichnen einer Überlappungsfläche auf der Seite des Kolbens mit Sg1 und einer Überlappungsfläche auf der Seite des Polkerns mit Sg2 werden die beiden Überlappungsflächen Sg1 und Sg2 durch die folgenden Gleichungen 3 und 4 ausgedrückt:
Daher wird die mittlere Fläche Sga der Überlappungsabschnitte durch die folgende Gleichung 5 ausgedrückt, die sich aus den Gleichungen 3 und 4 ergibt:
Die Querschnittsfläche Sp des Kolbens wird durch die folgende Gleichung 6 ausgedrückt: Sp = π(r12 – r22) Gleichung 6
Wenn weiterhin die Permeanz (Kehrwert des magnetischen Widerstands) des Überlappungsabschnitts als Pg bezeichnet wird, wird die folgende Gleichung 7 anhand der Gleichungen 1, 2, 5 und 6 erhalten:
Hierbei wird die Anziehungskraft F berechnet, und F wird als eine Funktion einer Magnetisierungskraft Ug in dem Spalt und des Änderungsverhältnisses des magnetischen Widerstands dPg'/dx berechnet.
In diesem Fall wird durch Bezeichnen des magnetischen Widerstands in dem Spalt als Rg und der magnetischen Flußdichte als Bg die Magnetisierungskraft Ug durch die folgende Gleichung 8 ausgedrückt:
Dabei wird das Änderungsverhältnis dPg/dx des magnetischen Widerstands anhand Gleichung 7 durch die folgende Gleichung 9 ausgedrückt.
Daher wird die Anziehungskraft F durch Gleichung 10 ausgedrückt, die sich aus den Gleichungen 8 und 9 ergibt.
Es sei bemerkt, daß das negative Vorzeichen in Gleichung 10 die Anziehungskraft ausdrückt. Als nächstes wird die minimale Anziehungsfläche SpMIN des Kolbens, bei der der magnetische Fluß zu sättigen beginnt, berechnet, wobei eine Ziel-Anziehungskraft mit F0 bezeichnet wird. Die Berechnung wird jedoch unter der Voraussetzung ausgeführt, daß die Sättigung an dem Kolbenabschnitt vor dem Überlappungsab schnitt auftritt, und sie wird daher unter der Voraussetzung einer durch die folgenden Gleichung 11 dargestellten Bedingung ausgeführt:
Gleichung 11 wird anhand Gleichung 5 und Gleichung 6 zu Gleichung 12 modifiziert:
In diesem Fall beginnt der magnetische Fluß an dem Kolbenabschnitt zu sättigen, weshalb die magnetische Flußdichte dort in bezug auf die magnetische Flußdichte des Überlappungsabschnitts Bt ist, und der Gesamtbetrag des magnetischen Flusses bleibt gleich, weshalb die magnetische Flußdichte Bg durch Gleichung 13 ausgedrückt wird:
Wenn Gleichung 10 in Gleichung 12 eingesetzt wird, ergibt sich die durch Gleichung 14 dargestellte Ziel-Anziehungskraft F0.
Durch Umordnen von Gleichung 14 wird die minimale Querschnittsfläche SpMIN des Kolbens erhalten, wenn das Verkleinern bei der Ziel-Anziehungskraft F0 effizient aus geführt wird.
Weiterhin nimmt r1 bei der minimalen Querschnittsfläche SpMIN einen Minimalwert r1MIN an, weshalb eine Beziehung zwischen dem minimalen Radius r1MIN des Kolbens und dem Radius r2 des longitudinalen Lochs für die Feder anhand Gleichung 6 bestimmt wird.
Durch Berechnen der minimalen Querschnittsfläche SpMIN des Kolbens und einer Beziehung zwischen dem minimalen Radius r1MIN und dem Radius r2 des longitudinalen Lochs für die Feder wird auf diese Weise die Größe des Kolbens 15 bestimmt.
Bisher wurde die Anordnung erklärt, bei der der Elektromagnet B durch eine Batterie betrieben wird, es kann jedoch auch eine Wechselspannungsquelle verwendet werden. In diesem Fall wird der Dauermagnet 17 überflüssig, weil die Batterielebensdauer oder dergleichen nicht berücksichtigt zu werden braucht, und es kann daher ein Aufbau in der Art des in 14 dargestellten bereitgestellt werden. In 14 bezeichnet eine Bezugsziffer 11j einen in dem Aufteilungsflansch 11e bereitgestellten gekerbten Abschnitt, und das Wicklungsende 20, das durch einen Anfangspunkt der Wicklung gebildet ist, und der Endpunkt der Wicklung der Spulenwicklung 12 werden von dem gekerbten Abschnitt 11j in den Spulenwicklungsenden-Behandlungsraum Q eingeführt. Es sei bemerkt, daß im vorhergehenden Fall, in dem der Elektromagnet B (1 bis 3) durch eine Batterie angetrieben wird, ein ähnlicher Aufbau bereitgestellt ist, wenngleich dies nicht dargestellt ist.
Weiterhin wird in 14 der Kolben 15 reibend in dem im Spulenkörper 11 bereitgestellten longitudinalen Loch 11c bewegt, es kann jedoch auch ein in 15 dargestellter Aufbau bereitgestellt werden. Gemäß 15 wird ein integriert mit dem Membranventil C aus Harz bereitgestellter, zylindrisch verlängerter Abschnitt 60a in das longitudinale Loch 11c des Spulenkörpers 11 eingeführt, und der Kolben 15 wird innerhalb des zylindrisch verlängerten Abschnitts 60a reibend bewegt. Es sei bemerkt, daß dieses modifizierte Beispiel auch auf jeden der Elektromagneten anwendbar ist, in denen der in jeder der 1 bis 3 dargestellte Dauermagnet angeordnet ist.
Weiterhin kann jeder der in den 14 und 15 dargestellten Elektromagnete durch einen in 16 dargestellten Elektromagneten gebildet sein, wobei der Polkern 16 fortgelassen ist und nur das vorstehend erwähnte Einstellelement 18 an dem Oberteil des longitudinalen Lochs 11c installiert ist. In diesem Fall ist das Einstellelement 18 installiert, um nicht nur die Funktion des Einstellens des Magnetfelds, sondern auch eine Funktion des Bildens eines magnetischen Pfads des elektromagnetischen Felds durch die Spulenwicklung 12 zu erreichen.
Bei allen der in den 14 bis 16 dargestellten Elektromagneten wird der Kolben 15 in Harz reibend bewegt, wes halb der dynamische Reibungswiderstand verringert werden kann und eine zum Bewegen des Kolbens 15 erforderliche Kraft reduziert werden kann.
Eine weitere Anordnung ist in 15 mit Bezug auf eine Gummihülse 250 dargestellt. Bei der Gummihülse 250 ist das untere Ende in Kontakt mit dem Aufteilungsflansch 11e des Spulenkörpers 11 gebracht, die Form des Mittelabschnitts gleicht der an dem oberen Flansch 11a eingerichteten Kerbe (die Kerbe ist etwas größer ausgebildet als die Öffnung 26 am oberen Abschnitt des Jochs), und er steht von dem oberen Flansch 11a um einen geringen Betrag vor, und es ist oberhalb davon ein vorstehender Abschnitt mit einer Form bereitgestellt, die im wesentlichen derjenigen der Öffnung 26 gleicht. Bei einem solchen Aufbau kann die Gummihülse 250 an dem Wicklungsendabschnitt 20 der um den Spulenkörper 11 gewickelten Spulenwicklung 12 angebracht werden und durch Einführen in das Joch 2 in einem Zustand, in dem die Gummihülse zwischen dem oberen Flansch 11a des Spulenkörpers 11 und dem Aufteilungsflansch 11e befestigt ist, integriert werden, und ihre Integration ist daher gegenüber der in 14 dargestellten vereinfacht.
Weiterhin kann das in 17 dargestellte Magnetventil A hergestellt werden. Gemäß dem Magnetventil A unterscheidet sich der Vorgang des Bildens der Ausnehmung 11f an dem unteren Abschnitt der Peripheriewand 11d in dem Spulenkörper 11 von dem in 1 dargestellten. Das heißt, daß, wie in 17 dargestellt ist, die Ausnehmung 11f mit einer Tiefe ausgebildet wird, die an die Vorstehhöhe des Vorsprungs 24 angepaßt ist, so daß an dem oberen Ende des Vorsprungs 24 kein Zwischenraum zur Bildung des unregelmäßigen Magnetfelds bleibt. Die Vorstehhöhe des Vorsprungs 24 wird vorab so eingestellt, daß die magnetische Kraft des unregelmäßigen Magnetfelds M2 auf den Kolben 15 durch die maximale magnetische Kraft entwickelt wird, wie in 7 dargestellt ist. Das heißt, daß die Ausnehmung 11f bis zu einer Tiefe ausgebildet ist, deren Abmessung im wesentlichen gleich derjenigen der vorbestimmten Vorstehhöhe ist, nachdem die Vorstehhöhe des Vorsprungs 24 auf diese Weise vorbestimmt wurde. Die magnetische Kraft des unregelmäßigen Magnetfelds M2 kann selbst mit dem Magnetventil A aus 17 und damit dem Elektromagneten B am effizientesten durch die maximale magnetische Kraft auf den Kolben 15 ausgeübt werden, und das Magnetventil A kann dementsprechend durch Verkleinern der Spulenwicklung 12 an sich weiter verkleinert werden.
Wie vorstehend beschrieben wurde, wird bei dem in 17 dargestellten Magnetventil A das Verkleinern durch Einstellen der magnetischen Kraft des unregelmäßigen Magnetfelds M2 durch Einstellen der Vorstehhöhe des Vorsprungs 24 verwirklicht. Falls jedoch eher eine Vereinfachung der Handhabung des Vorsprungs 24 als die Verkleinerung des Elektromagneten B oder des Magnetventils A beabsichtigt ist, kann der Vorsprung 24 erhöht werden und aus dem Ende der unteren Endplatte 23 gebildet werden, indem die in 17 dargestellte Struktur verwendet wird. Das heißt, daß eine Vereinfachung der Handhabung des Vorsprungs 24 erreicht werden kann, indem er mit der unteren Endplatte 23 integriert wird, falls die Tiefe der Ausnehmung 11f und die Vorstehhöhe des Vorsprungs 24 im wesentlichen gleich gemacht werden, ohne daß die Vorstehhöhe des Vorsprungs 24 angepaßt wird. Auch in diesem Fall kann das Verkleinern in gewissem Maße durch Fördern der magnetischen Effizienz durch das unregelmäßige Magnetfeld M2 erreicht werden.
Als nächstes wird das Magnetventil A von einem Kassettentyp mit Bezug auf die 18 und 19 erklärt. 18 zeigt eine Heftstruktur des Magnetventils A, und 19 zeigt eine Befestigungsstruktur des Magnetventils A.
Gemäß der in 18 dargestellten Heftstruktur wird ein Hauptsitz 81 aus Harz zum Anbringen des Magnetventils A an einem Ventilhauptkörper 80 verwendet. Der Hauptsitz 81 ist mit Anschlagklauen 82 an vier Ecken seines oberen Rands versehen, und der Elektromagnet B ist durch die Anschlagklauen 82 geheftet. Weiterhin ist bei der Heftstruktur der Elektromagnet B an den Hauptsitz 81 geheftet, wodurch eine einzige Einheit gebildet ist und die Handhabung durch die Einheit ausgeführt werden kann.
Daher wird der Elektromagnet B beim Verschicken oder dergleichen nicht vom Hauptsitz 81 getrennt, wodurch die Zuverlässigkeit der Kassette gefördert werden kann. Weiterhin werden die Kosten verringert, weil auf ein Versehen mit Klebeband, ein Verpacken oder dergleichen verzichtet werden kann.
Bei einem solchen Kassettentyp des Magnetventils A, wie es in 19 dargestellt ist, sind Druckaufnahmebereiche für den primärseitigen Druck, wenn das Magnetventil an dem Ventilhauptkörper 80 angebracht ist, durch einen Abschnitt I– I und einen Abschnitt II–II gebildet, die gleich sind. Dementsprechend heben die auf den Abschnitt I–I und den Abschnitt II–II angewendeten Drücke einander auf, und es ist für das Anbringen eine dem Primärdruck widerstehende Kraft nicht erforderlich. Daher ist ein sicheres Befestigen durch Schrauben oder unter Verwendung eines Halterings oder dergleichen nicht erforderlich, es kann jedoch beispielsweise ein Anbringen durch Einpassen oder punktförmiges Anbringen von Harz erfolgen, wodurch der Anbringungsvorgang erleichtert wird und eine Kostenverringerung erreicht werden kann.
Als nächstes wird eine Schaltung des Magnetventils A gemäß der Anordnung mit Bezug auf 20 erklärt.
Dieses Beispiel wird ausgeführt, um eine lange Lebensdauer einer Batterie zu erreichen, indem auf eine unnötige Leistungszufuhr so weit wie möglich verzichtet wird, weil der Strom für den Elektromagneten von einem Anfangswert allmählich abnimmt und schließlich infolge der Erhöhung des Innenwiderstands der Batterie oder einer Erhöhung des Innenwiderstands durch den Verbrauch der Batteriekapazität keine ausreichende Leistungszufuhr erfolgt, wenn eine Batterie als die Leistungsquelle zum Antreiben des Elektromagneten verwendet wird.
Das heißt, daß, wie in 20 dargestellt ist, eine Batterie 40 mit einem vorbestimmten Innenwiderstand, die eine elektromotorische Kraft bereitstellt, mit der Schaltung integriert wird, wobei die Batterie die Leistungsquelle des Magnetventils A bildet. Die Batterie 40 wird über einen konstanten Widerstand R1 auf der Seite eines Plus-Anschlusses mit dem Elektromagneten B verbunden, und ein Schalter SW wird damit über einen konstanten Widerstand R2 auf der Seite eines Minus-Anschlusses verbunden. Weiterhin wird die Schaltung durch den Schalter SW geöffnet und geschlossen.
Weiterhin ist ein Kondensator 41 mit einer Position stromaufwärts des Elektromagneten B verbunden, und der Schalter SW verläuft parallel zu der Batterie 40, zu dem Elektromagneten B und zu dem Schalter SW. Die Kapazität des Kondensators 41 ist so festgelegt, daß eine Ladung, die dem Elektromagneten B Treiberstrom zuführen kann, wenn der Schalter SW geschlossen ist, gespeichert werden kann.
Der Schalter SW wird durch eine Schalter-Treiberschaltung 42, die parallel zu der Batterie 40 bereitgestellt ist, geöffnet und geschlossen, und die Schalter-Treiberschaltung 42 kann die Ansteuerzeit durch einen darin installierten Zähler oder dergleichen messen. Weiterhin gibt die Schalter-Treiberschaltung 42 während eines konstanten Zeitraums durch ein Treibersignal von einer Magnetventiltreiber-Betriebseinheit 43 erzeugte Impulssignale aus, und der Schalter SW wird während eines Zeitraums geschlossen, während dessen die Impulssignale ausgegeben werden.
Wenn der Schalter SW daher durch die Schalter-Treiberschaltung 42 geschlossen wird, wird der Strom vom Kondensator 41 hauptsächlich veranlaßt, in dem Elektromagneten B zu fließen. Daher kann der Stromwert beim Treiben des Elektromagneten B unabhängig von dem Betrag des Innenwiderstands der Batterie 40 sicher bereitgestellt werden, und der Betrag der Stromleitung kann im wesentlichen konstant gemacht werden. Dies ist dementsprechend in Hinblick auf den Leistungsverbrauch vorteilhaft.
Weiterhin ist ein minusseitiger Eingangsanschluß eines Vergleichers 44 an einen Punkt zwischen dem Schalter SW und dem konstanten Widerstand R2 angeschlossen, und ein an dem konstanten Widerstand R2 anliegender Spannungswert VR, der proportional zu dem im Elektromagneten B fließenden Strom ist, wird mit einem festgelegten Spannungswert V0 verglichen, der an den anderen Eingangsanschluß des Vergleichers 44 angelegt ist.
Der Vergleicher 44 ist vorgesehen, um ein Signal an die Schalter-Treiberschaltung 42 auszugeben, wenn der Spannungswert VR des konstanten Widerstands R2 gleich dem festgelegten Spannungswert V0 wird oder diesen übersteigt.
Weiterhin ist die Schalter-Treiberschaltung 42 vorgesehen, Elektrizität durch Schließen des Schalters SW durch das Treibersignal von der Magnetventiltreiber-Betriebseinheit 43 zu leiten und die Elektrizität durch Öffnen des Schalters SW durch das Signal von dem Vergleicher 44 zu trennen.
Dabei ist der festgelegte Spannungswert V0 ein im konstanten Widerstand R2 auf der Grundlage eines Werts des im Elektromagneten B fließenden Stroms erzeugter Spannungswert, wenn die Bewegung des Kolbens 15 des Elektromagneten B unterbrochen wird. Dementsprechend kann ein minimaler für das Treiben des Magnetventils A erforderlicher Elektrizitätsleitungs-Zeitraum ungeachtet des Betrags der auf den Kolben 15 einwirkenden Last stets erhalten werden, wodurch verhindert werden kann, daß Strom verschwendet wird.
Weiterhin sind beide Eingangsanschlüsse eines Vergleichers 47 für die Spitzenwerterfassung ON (AN) an einen Zwischenpunkt zwischen dem Schalter SW und dem Vergleicher 44 über eine Spielraum-Addierschaltung 45 bzw. eine Spitzenwert-Erfassungsschaltung 46 angeschlossen. Weiterhin sind beide Eingangsanschlüsse eines Vergleichers 55 für die Tiefst- werterfassung ON über eine Tiefstwert-Erfassungsschaltung 48 und eine Spielraum-Subtrahierschaltung 49 daran angeschlossen.
Eine Zeit-Strom-Kennlinie des Elektromagneten B beim Leiten von Elektrizität ist in 21 dargestellt. Wenn die Elektrizität daher in der Elektromagnetspule des Elektromagneten B dabei zu fließen beginnt, wird der Strom durch Anlegen einer Spannung an die Elektromagnetspule 1 erhöht, und der Strom wird nach einem vorbestimmten Zeitraum durch Erzeugen einer inversen elektromotorischen Kraft, die mit der Bewegung des Kolbens 15 einhergeht, einmal verringert. Weiterhin wird die inverse elektromotorische Kraft beim Öffnen oder Schließen des Membranventils C null, und der Strom nimmt dementsprechend danach weiter zu.
Die Spitzenwert-Erfassungsschaltung 46 ist dafür vorgesehen, zu einer beliebigen Zeit einen Maximalwert des fließenden Stroms zu erfassen, und sie erfaßt den Maximalwert des von der an die Elektromagnetspule 1 angelegten Spannung hervorgerufenen Stroms. Sie gibt weiterhin den erfaßten Maximalwert des Stroms an den Vergleicher 47 aus, um eine Spitzenwerterfassung ON vorzunehmen.
Der Vergleicher 47 zur Spitzenwerterfassung ON vergleicht den Maximalwert des Stroms mit einer von der Spielraum-Addierschaltung 45 bereitgestellten Ausgabe, wobei in der Spielraum-Addierschaltung 45 beim Leiten von Elektrizität zum Elektromagneten B ein vorbestimmter Spielraum zu der Stromwellenform addiert wird. Wenn die von der Spielraum-Addierschaltung 45 bereitgestellte Ausgabe nach Überschreiten eines Maximalwerts des Stroms verringert wird, beendet der Vergleicher 47 den Betrieb der Spitzenwert- Erfassungsschaltung 46 und leitet den Betrieb der Tiefstwert-Erfassungsschaltung 48 ein.
Die Tiefstwert-Erfassungsschaltung 48 ist dafür vorgesehen, einen Minimalwert des fliehenden Stroms zu erfassen, und sie erfaßt den Minimalwert des Stroms, wenn das Membranvent-il C geöffnet wird, also wenn die inverse elektromotorische Kraft null wird. Weiterhin gibt sie den Minimalwert des Stroms zur Tiefstwerterfassung ON an den Vergleicher 50 aus.
Der Vergleicher 50 zur Tiefstwerterfassung ON vergleicht den Minimalwert des Stroms mit einer von der Spielraum-Subtrahierschaltung 49 bereitgestellten Ausgabe, wobei in der Spielraum-Subtrahierschaltung 49 beim Leiten von Elektrizität zum Elektromagneten B ein vorbestimmter Spielraum von der Stromwellenform subtrahiert wird und die Elektrizitätsleitung von der Batterie 40 zu der Elektromagnetspule 1 unterbrochen wird, wenn die von der Spielraum-Subtrahierschaltung 49 bereitgestellte Ausgabe nach Überschreiten des Minimalwerts des Stroms erhöht wird.
Auf diese Weise unterbricht die Schaltung des Magnetventils A ein Leiten von Elektrizität zu dem Elektromagneten B zu der Zeit, zu der entweder der festgelegte Spannungswert V0 oder der Minimalwert des Elektromagnetstroms erfaßt wird. Daher kann eine Stromverschwendung bei der Batterie 40 verhindert werden, wodurch eine lange Lebensdauer von dieser erreicht werden kann.
Wenngleich die vorstehend beschriebene Anordnung erklärt wurde, bei der der Elektromagnet B zur Steuerung der Wasserzufuhr verwendet wird, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt, sondern sie kann bei verschiedenen Anwendungen, wie beispielsweise als ein Öffnungs- und Schließventil für Gas und dergleichen verwendet werden. Das Verkleinern des Membranventils C mit dem Magnetventil A kann beispielsweise bis zu einem Maße erreicht werden, bei dem der Außendurchmesser etwa 22 mm beträgt und die Höhe etwa 21 mm beträgt, und es kann daher für sich in einem Wasserhahn integriert werden, wie in 22 dargestellt ist.
Das heißt, daß ein in 22 dargestellter Wasserhahn 90 an einer oberen Fläche einer Ablage 92 auf der Innenseite eines Waschbeckens 91 befestigt wird und mit einer im wesentlichen zylindrischen Form mit einem Durchmesser von etwa 45 mm versehen wird. Weiterhin steht ein Einströmungspfad 61 auf der Primärseite, der mit einem Wasserzufuhrrohr 93 in Verbindung steht, über das Membranventil C in Verbindung mit einem Ausströmungspfad 62 auf der Sekundärseite, wodurch Wasser von der Auslaßöffnung 94 in das Waschbecken 91 abgegeben wird. In diesem Fall wird der Wasserhahn 90 mit einem Durchmesser von etwa 45 mm versehen, und es kann dementsprechend eine Ausnehmung 95 mit dem Innendurchmesser von etwa 30 mm gebildet werden, und das Membranventil C mit dem Außendurchmesser von etwa 22 mm wird in die Ausnehmung integriert. Wenngleich die Ausnehmung 95 auf diese Weise an dem oberen Abschnitt des Wasserhahns 90 gebildet werden kann, kann ein herkömmliches Membranventil nicht so weit verkleinert werden, daß es mit der Ausnehmung integriert werden kann, weshalb das herkömmliche Membranventil mit der unteren Fläche der Ablage 92 integriert wird. Daher ist bei jeder Wartung und Prüfung des Ventils ein Arbeitsgang an der unteren Fläche der Ablage erforderlich. Bei dem mit dem Wasserhahn 90 integrierbaren Membranventil C können die Wartung und die Prüfung jedoch vereinfacht sein. Es sei bemerkt, daß der Wasserhahn 90 mit einem Sensor 96 zum Erfassen einer in das Waschbecken 91 gelegten Hand versehen ist und dafür vorgesehen ist, den Kolben 15 des Magnetventils durch ein Signal vom Sensor zur Ventilöffnungsseite zu bewegen.
Industrielle Anwendbarkeit
Wie erklärt wurde, hat das Magnetventil A mit dem Elektromagneten gemäß der bevorzugten Ausführungsform eine Funktion, wodurch die Ausnehmung 95 an dem oberen Abschnitt mit einem Innendurchmesser von etwa 30 mm versehen werden kann, weil der Wasserhahn 90 mit einem Durchmesser von etwa 45 mm versehen ist und auf einen Bruchteil des Volumens verkleinert werden kann, während die Ausnehmung beibehalten wird und zur Verwendung mit verschiedenen Ventilen, wie einem Magnetventil zur Wasserzufuhrsteuerung, einem Öffnungs- und Schließventil für Gas und dergleichen oder einem Elektromagneten, der Antriebsquellen dafür bildet, geeignet ist.

Claims

Elektromagnet bzw. Solenoid zum Antreiben eines Plungers bzw. Kolbens (15), mit: einer elektromagnetischen Spule (1) mit einem einen Bereich definierenden Element, das aus einem nicht magnetischen Material hergestellt ist, um einen Bewegungsbereich (11c) festzulegen, in dem der Kolben (15) sich bewegt, und mit einem spulenwickelnden Abschnitt (12), der um das einen Bereich definierende Element (11) gewickelt ist, um ein magnetisches Feld eines ersten magnetischen Flußpfades (M1) zu erzeugen, das den Bewegungsbereich (11c) entlang einer Richtung der Bewegung des Kolbens (15) durchdringt, wobei die elektromagnetische Spule (11) eine magnetische Kraft des ersten magnetischen Flußpfades (M1) auf den Kolben (15) ausübt, einem Element (24), das ein unregelmäßiges bzw. ungleichmäßiges magnetisches Feld bildet und aus einem magnetischen Material besteht und an einer äußeren Seite einer aufteilenden Fläche angeordnet ist, die gebildet ist, um den Bewegungsbereich (11c) aufzuteilen und an einer Endseite des einen Bereich definierenden Elements (11) gegenüber dem Kolben (15), wobei das Element (24), das ein unregelmäßiges magnetisches Feld bildet, einen zweiten magnetischen Flußpfad (M2) des magnetischen Feldes bildet, das durch die elektromagnetische Spule (1) gebildet ist an der externen Seite der aufteilenden Fläche von der Endseite des einen Bereich definierenden Elements (11), wobei das Element (24), das ein unregelmäßiges magnetisches Feld bildet, eine magnetische Kraft des zweiten magnetischen Pfades von einem oberen Ende des Elements (24), das ein unregelmäßiges magnetisches Feld bildet, auf den Kolben (15) über die aufteilende Fläche ausübt, und einem Einkapselungselement mit einem einkapselnden Abschnitt (11f), der gebildet ist, um das Element (24), das ein unregelmäßiges magnetisches Feld bildet, an der externen Seite der aufteilenden Oberfläche und an der Endseite des einen Bereich definierenden Elements (11) gegenüber dem Kolben (15) anzuordnen, wobei der einkapselnde Abschnitt (11f) in der Lage ist, das Element (24), das ein unregelmäßiges magnetisches Feld bildet, mit unterschiedlichen Längen von der Endseite des einen Bereich definierenden Elements (11) anzuordnen.
Elektromagnet nach Anspruch 1, bei dem das einen Bereich definierende Element einen Spulenkörper (11) aufweist, um ein longitudinales Loch (11c) aufzuteilen, in dem der Kolben sich bewegt, wobei der Spulenkörper eine Peripheriewand (11d) mit einer Ausnehmung (11f) aufweist, die gebildet ist, um entlang des longitudinalen Lochs (11c) zu verlaufen, so daß das Element, das ein unregelmäßiges magnetisches Feld bildet, gegenüber dem Kolben angeordnet werden kann, wobei die elektromagnetische Spule mit einer Spulenwicklung (12) versehen ist, die direkt um die Peripheriewand (11d) des Spulenkörpers (11) gewickelt ist, und wobei das Element, das ein unregelmäßiges magnetisches Feld bildet, angeordnet ist, um in die Ausnehmung (11f) zu passen.
Elektromagnet nach Anspruch 2, der weiterhin aufweist: einen Bügel bzw. ein Joch (2) mit einer Endplatte (22) an der oberen Seite und einer unteren Endplatte (23), die oberhalb bzw. unterhalb der elektromagnetischen Spule angeordnet sind, und eine Peripherieseitenplatte (21), die zwischen der oberen und der unteren Seitenendplatte angeordnet ist, um die elektromagnetische Spule zu umgeben, einen Polkern (16), der an einem Ende des longitudinalen Loches (11c) in Kontakt mit der oberen Endplatte (22) angeordnet ist, und wobei das Element, das ein unregelmäßiges magnetisches Feld bildet, nahe einem Endabschnitt der unteren Endplatte (23) an einer Seite der Peripheriewand (11d) installiert ist.
Elektromagnet nach Anspruch 2 oder 3, bei dem der Spulenkörper (11) mit einem vorstehenden Abschnitt (11h) versehen ist, der sich weiter nach außen als die Peripheriewand (11d) erstreckt, die von der unteren Endplatte (23) ausgedehnt bzw. erweitert ist.
Elektromagnet nach Anspruch 2 oder 3, der weiterhin einen magnetischen Pfadspalt aufweist, der zwischen einem Vorsprung (24) zum Bilden des unregelmäßigen magnetischen Feldes und dem Polkern (16) gebildet ist, wobei der magnetische Pfadspalt an einem näherungsweise zentralen Abschnitt der elektromagnetischen Spule angeordnet ist.
Elektromagnet nach einem der Ansprüche 3 bis 5, der einen Dauermagneten (17) aufweist, der an einer äußeren Seite des Polkerns (16) angeordnet ist.