-
Die
Erfindung betrifft ein elektropneumatisches Sitzventil mit einem
nach Art eines Hubankersystems ausgebildeten elektromagnetischen
Antrieb, umfassend eine elektrische Spule zur Erzeugung eines magnetischen
Feldes, die einen längs
durch das magnetische Feld bewegbaren Anker koaxial umgibt, der
mindestens einen Ventilsitz einer Ventileinrichtung betätigt, um
den Druckluftstrom zumindest zwischen einem Arbeitsanschluss A und
einem Speisedruckanschluss P zu steuern, wobei eine Rückstelleinrichtung
zur Rückführung der
Ventileinrichtung in eine definierte Ausgangslage vorgesehen ist.
-
Das
Einsatzgebiet derartiger elektropneumatischer Sitzventile erstreckt
sich vornehmlich auf die Fertigungsautomatisierung, um pneumatische
Antriebe anzusteuern, sowie auch auf die Verfahrens- oder Steuerungstechnik
zu dem selben Zweck.
-
Aus
der
DE 298 21 236
U1 geht ein gattungsgemäßes elektropneumatisches
Sitzventil hervor. Dieses besteht im wesentlichen aus einem elektromagnetischen
Antrieb, der an einer Ventileinrichtung angebracht ist. Der elektromagnetische
Antrieb besitzt eine von einem Gehäuse umgebene elektrische Spule,
die mit einem ortsfest hierzu angeordneten koaxialen Magnetkern
und einem ebenfalls koaxial, jedoch längs bewegbaren Hubanker zusammenwirkt. In
einem sich in Richtung Ventileinrichtung verjüngenden Endabschnitt des Hubankers
ist ein elastomeres Verschlusselement angebracht, das zum Öffnen oder
Schließen
eines der Ventileinrichtung zugeordneten Ventilsitzes dient. Durch
das Öffnen
oder Schließen
des Ventilsitzes wird ein Druckmittelstrom zwischen einem Speisedruckanschluss
und einem Arbeitsanschluss gesteuert. Somit ist dieses bekannte
elektropneumatische Sitzventil nach Art eines 2/2-Wegeventils ausgebildet.
-
Das
Schließen
des Ventilsitzes erfolgt durch Bestromen der elektrischen Spule.
Im unbestromten Zustand der elektrischen Spule gelangt der Hubanker
aufgrund der Kraftwirkung einer zwischen dem Magnetkern und dem
Hubanker angeordneten Zugfeder in seine Ausgangsposition zurück, in welcher der
Ventilsitz geöffnet
ist.
-
Ein
Nachteil des bekannten elektropneumatischen Sitzventils besteht
darin, dass wegen des weichgedichteten Ventilsitzes eine Konstanz
des Arbeitsluftspaltes zwischen dem elastomeren Verschlusselement
und dem Ventilsitz über
die Lebensdauer des Sitzventils nicht erreicht werden kann. Hierfür verantwortlich
ist Materialabrieb seitens des Verschlusselements sowie plastische
Verformungen im Kontaktbereich zu dem ringförmigen Ventilsitz nach einer
gewissen Betriebsdauer. Des weiteren verursacht die Ventileinrichtung
konstruktionsbedingt eine rechtwinklige Luftumlenkung an den Ventilsitzen,
was sich im Hinblick auf eine verlustarme Leistung des Sitzventils
negativ auswirkt. Ferner erfordert die Vielzahl von Einzelteilen
einen erhöhten
Montageaufwand sowie eine Mindestbaugröße.
-
Aus
der
DE 38 15 248 A1 ist
ein Magnetventil bekannt, bei dem eine Erleichterung bei der Rückstellung
auch im Falle von Remanenzwirkung erzielt werden soll. Dabei ist
die gewählte
Bauform weder kompakt noch leistungsoptimiert. Aus der
DE 43 11 347 A1 ist ein
Ventil bekannt, bei dem ähnliche
Bauteile bei unterschiedlichen funktionellen Ventilausführungen
verwendbar sein sollen. Die Anordnung ist dabei ebenfalls weder
kompakt noch leistungsoptimiert. Aus der
DE 39 25 794 A1 ist eine
Ventilanordnung bekannt, die allenfalls leistungsoptimiert aber dafür nicht
kleinbauend ist. Die Rückstellfeder
weißt dabei
eine enorme axiale Erstreckung auf und macht damit eine zusätzlich Baulänge notwendig.
-
Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein elektropneumatisches
Sitzventil der vorstehend beschriebenen Art dahingehend weiterzuverbessern,
dass dieses sich insbesondere zur Ausführung in einer kleinen Bauweise
eignet und im Hinblick hierauf einfach aufgebaut ist und auch optimale
Leistungskennwerte besitzt.
-
Die
Aufgabe wird ausgehend von einem elektropneumatischen Sitzventil
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen
gelöst.
Die nachfolgenden abhängigen
Ansprüche
geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
-
Die
Erfindung schließt
die technische Lehre ein, dass der Ventilsitz der Ventileinrichtung
konisch ausgebildet ist, um einen zugeordneten Kugelkörper als
Verschlusselement aufzunehmen, der zum Schließen der Ventileinrichtung von
einer Seite her vom Hubanker auf den Ventilsitz drückbar ist,
und der zum Öffnen
des Ventilsitzes bei unbestromter Spule von der gegenüberliegenden
Seite her durch die Rückstelleinrichtung
permanent beaufschlagt ist, die einen Stößel umfasst, der mit einem
Ende am Kugelkörper
zur Anlage kommt, und mit dem anderen Ende durch ein Federelement
axial beaufschlagt ist.
-
Der
Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt
insbesondere darin, dass durch die Anwendung von harten im Gegensatz
zu weichdichtenden Ventilsitzen des Standes der Technik in der Pneumatik
eine bessere Konstanz des Arbeitsluftspaltes und damit der Schaltsicherheit
unter wechselnden Betriebsbedingungen erreicht wird. Es treten beim
erfindungsgemäßen Sitzventil
kaum Setzeffekte auf, der Temperatureinfluss ist deutlich verringert
und elastomertypischer Abrieb, Rissbildung und Medienunverträglichkeit
können
ausgeschlossen werden. Die Dichtlinie ist wegen des konischen Ventilsitzes
geometrisch präzise
bestimmt. Damit können
die am Ventilsitz aus dem Betriebsdruck wirkenden Kräfte mit
hoher Zuverlässigkeit
berechnet werden, so dass konstruktiv mit einer verringerten Funktionsreserve
ausgelegt werden kann und schlussendlich bessere Leistungskennwerte
erreicht werden. Geringfügige
Leckagen, wie diese sich bei harten Dichtsitzen einstellen können, sind
bei einer Vielzahl von Anwendungen ohne Bedeutung. Weiterhin wird
durch die erfindungsgemäße Lösung eine
nur geringfügige
Medienumlenkung im Bereich des Ventilsitzes erreicht, was zur Verbesserung
der Durchflusskennwerte führt.
Bei der erfindungsgemäß ausgeführten Rückstelleinrichtung ist
kein Fügeprozess
zwischen den aneinander zur Anlage kommenden bewegten Teilen erforderlich. Dies
senkt den Herstellaufwand und verbessert die Dichtwirkung, da sich
der Kugelkörper
frei im Ventilsitz zentrieren kann. Aufwendige Aufvulkanisation von
Elastomeren auf Metallteilen entfallen ebenfalls.
-
Zur
Realisierung einer vorzugsweise 3/2-Ventilfunktion mit dem erfindungsgemäßen elektropneumatischen
Sitzventil wird vorgeschlagen, dass neben dem ersten Ventilsitz,
der den Arbeitsanschluss A mit dem Entlüftungsanschluss R verbindet, ein
zweiter konischer Ventilsitz mit zugeordnetem Kugelkörper vorgesehen
wird, der von dem dem ersten Ventilsitz gegenüberliegenden Ende des Hubankers
betätigbar
ist, um den Arbeitsanschluss A mit einem Speisedruckanschluss P
wechselseitig zu verbinden, wobei der zweite Ventilsitz durch die
bei unbestromter Spule über
den Hubanker wirkenden Rückstelleinrichtung
in der geschlossenen Stellung gehalten wird.
-
Gemäß einer
weiteren die Erfindung verbessernden Maßnahme besteht das Federelement
aus einer gestanzten, flachen Blattfeder, deren Randbereich im wesentlichen
ortsfest am Ventilgehäuse
gehalten ist. Im Gegensatz zu vorbekannten Lösungen ist das Federelement
somit nicht kegel- oder zylinderförmig oder als geätzte Flachformfeder
realisiert und lässt
sich somit in besonders einfacher Weise durch Stanzen herstellen
und besonders platzsparend in das erfindungsgemäße elektropneumatische Sitzventil
integrieren.
-
Gemäß einer
anderen, die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen,
dass der Hubanker zur Anpassung der sich durch das Magnetfeld ergebenen
Betätigungskraftkennlinie
seitens des ersten Ventilsitzes konisch sich verjüngend ausläuft. Durch
eine Änderung
des Kegelwinkels kann der Verlauf der Kraft-Weg-Kennlinie des Sitzventils
variiert werden.
-
Eine
weitere, die Erfindung im Hinblick auf eine Erhöhung des Durchflusses verbessernde
Maßnahme
besteht darin, dass der Hubanker zum/vom Arbeitsanschluss A mit
von der Kreisquerschnittsform abweichenden Längsrillen oder Längsebenen versehen
werden kann, um den Spaltquerschnitt zwischen dem Hubanker und der
zylindrischen Spule, welche den Hubanker koaxial umgibt, zu erhöhen.
-
Besonders
platzsparend kann die nach Art einer Blattfeder ausgestaltete Druckfeder
der Rückstelleinrichtung
des erfindungsgemäßen Sitzventils innerhalb
einer stirnseitig des Ventilgehäuses
durch einen Abschlussdeckel verschlossenen Ausnehmung untergebracht
werden. Der Abschlussdeckel bildet somit den stirnseitigen Abschluss
des Ventilgehäuses
und bildet die Vorraussetzung dafür, dass das erfindungsgemäße Sitzventil
besonders bauraumsparend ausgeführt
werden kann.
-
Eine
weitere, diesen Zweck fördernde
Maßnahme
besteht darin, dass das Ventilgehäuse zumindest teilweise aus
einem eisenmetallischen Rückflussmantel
gebildet und Bestandteil des Magnetkreises ist. Durch diese Funktionsintegration
können weitere
Einzelbauteile zur Bildung des Magnetkreises beziehungsweise des
Ventilgehäuses
eingespart werden.
-
Eine
weitere funktionsintegrierende Maßnahme besteht darin, dass
der den Ventilsitz umfassende Polflansch des erfindungsgemäßen Sitzventils vorzugsweise
stirnseitig des Rückflussmantels
angeordnet ist.
-
Insgesamt
lässt sich
das kleinbauende elektropneumatische Sitzventil in Form eines Patronenventils
gestalten. Die an sich bekannte Bauart des Patronenventils ermöglicht eine
besonders platzsparende Integration eines Ventils innerhalb einer
Ausnehmung eines pneumatischen Aggregats.
-
Weitere
die Erfindung verbessernde Maßnahmen
werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels
der Erfindung anhand der einzigen Figur näher dargestellt. Die Figur
zeigt einen Längsschnitt
durch ein elektropneumatisches Sitzventil in Patronenventil-Bauweise.
-
Der
als Hubankersystem ausgebildete magnetische Antrieb besteht aus
einem Hubanker 1, einem gleichfalls das Ventilgehäuse bildenden
Rückflussmantel 2 und
einem Polflansch 3 seitens des Magnetkreises, welchem eine
elektrische Spule 4 zur Erzeugung des magnetischen Feldes
zugeordnet ist. Die weichmagnetischen Werkstoffe von Hubanker 1, Rückflussmantel 2 und
Polflansch 3 bündeln
die magnetischen Feldlinien, welche die Spule 4 beim Anlegen
einer Spannung erzeugt. An denjenigen Stellen, an welchen der Magnetkreis
unterbrochen ist, nämlich
an den Luftspalten 5 und 6, treten nach außen hin nutzbare
Kraftwirkungen auf. Durch die Luftspalte 5 und 6 ist
der Hubanker 1 innerhalb eines Spulenkörpers 7 der elektrischen
Spule 4 für
einige Zehntelmillimeter axial verschiebbar gelagert und – siehe
Doppelpfeil – längsbewegbar
angeordnet. Der Luftspalt 6 ist hier spitzwinklig zur Bewegungsrichtung
des Hubankers 1 ausgebildet. Durch Änderung des Kegelwinkels in
diesem konischen Bereich des Hubankers 1 ist der Verlauf
der Kraft-Weg-Kennlinie konstruktiv variierbar. Der Luftspalt 5 ist
dagegen parallel zur Bewegungsrichtung des Hubankers 1 orientiert
und trägt
daher nicht zur Kraftwirkung bei, sondern dient allein der Führung des
Hubankers 1 sowie als Druckluftkanal.
-
Die
Ventileinrichtung ist bei dem elektropneumatischen Sitzventil durch
Kugelkörper 8 und 9 mit
zugeordneten konischen Ventilsitzen 8a und 9a als
2/3-Wegeventil umgesetzt. Die Druckluftzufuhr erfolgt über einen
Speisedruckanschluss P, wogegen die Druckluftabfuhr über einen
Entlüftungsanschluss R
am Ventilgehäuse
erfolgt. Beide Anschlüsse
sind mit Dichtringen 10 beziehungsweise 11 zur
Abdichtung gegenüber
einem – nicht
weiter dargestellten – angrenzenden
Bauteil versehen. Daneben ist auch ein Arbeitsanschluss A vorgesehen
und mit einem zugeordneten Dichtring 11 versehen. Je nach
durch Bestromung der elektrischen Spule 4 herbeigeführten Position
des Hubankers 1 wird entweder ein Druckluftfluss vom Arbeitsanschluss
A zum Entlüftungsanschluss
R oder ein Druckluftfluss vom Speisedruckanschluss P zum Arbeitsanschluss
A freigegeben. In der Figur ist diejenige Hubankerposition gezeigt,
die sich bei Bestromung der elektrischen Spule 4 mit angezogenem
Hubanker 1 ergibt, wobei eine Durchströmung vom Speisedruckanschluss
P zum Arbeitsanschluss A über
einen Sitzspalt beim Ventilsitz 8a möglich ist. Im unbestromten
Zustand ist der Sitzspalt beim Ventilsitz 8a geschlossen
und der gegenüberliegende
Ventilsitz 9a freigegeben.
-
Um
die Leichtgängigkeit
des Hubankers 1 sicherzustellen, sind entsprechende Laufspiele
erforderlich, die bei dieser kleinbauenden Ausführung eines Sitzventils in
der Regel ausreichende Durchflussspalte zwischen dem Hubanker 1 und
dem Rückflussmantel 2,
zwischen dem Hubanker 1 und dem Spulenkörper 7 und zwischen
dem Hubanker 1 und dem Polflansch 3 bewirken.
Die Kugelkörper 8 und 9 sind
nicht mit dem Hubanker 1 verbunden, sondern nur lose vor
die Stirnflächen
des Hubankers 1 gelegt. Damit ist sichergestellt, dass
sich die Kugelkörper 8 und 9 radialkraftfrei
im zugeordneten konischen Ventilsitz 8a beziehungsweise 9a zentrieren können und
eine hinreichende reproduzierbare Dichtheit ermöglicht wird.
-
Die
Rückstelleinrichtung
des Sitzventils beaufschlagt den Kugelkörper 9 von der dem
Hubanker 1 gegenüberliegenden
Seite her mittels eines Stößels 13.
Der Stößel 13 kommt
mit einem Ende am Kugelkörper 9 zur
Anlage und wird vom anderen Ende her durch ein Federelement 14 beaufschlagt. Das
Federelement 14 besteht aus einer flachen Blattfeder, deren
Randbereich ortfest am Ventilgehäuse gehalten
ist, in dem diese innerhalb einer stirnseitig des Ventilgehäuses durch
einen Abschlussdeckel 15 verschlossenen Ausnehmung untergebracht
ist.
-
- 1
- Hubanker
- 2
- Rückflussmantel
- 3
- Polflansch
- 4
- elektrische
Spule
- 5
- Luftspalt
- 6
- Luftspalt
- 7
- Spulenkörper
- 8
- Kugelkörper
- 8a
- Ventilsitz
- 9
- Kugelkörper
- 9a
- Ventilsitz
- 10
- Dichtung
- 11
- Dichtung
- 12
- Dichtung
- 13
- Stößel
- 14
- Federelement
- 15
- Abschlussdeckel
- A
- Arbeitsanschluss
- P
- Entlüftungsanschluss
- R
- Speisedruckanschluss