DE2054218A1 - Als Überströmventil ausgebildetes, steuerbares Druckhalteventil - Google Patents

Description

Dr. Ing. Hans A. Trossen 8103 Tint er engs tr ing en

Als Ueberströmventil ausgebildetes, steuerbares Druckhalteventil.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein als Ueberströmventil ausge- j bildetes, steuerbares Druckhalteventil, zum Konstanthalten eines stetig steuerbaren Druokes in einem System, insbesondere in einem Flüssigkeitssystem, mit mindestens einem, im Betrieb beaufschlagten Abflusstutzen mit gesteuertem statischem Mediumsdruck und einem als Ueberlaufsteile ausgebildeten VentilDurchgang zum Abführen des überschüssigen Mediums.

Herkömmlieherweise werden steuerbare Druckregelventile durch Federoder Grewiohtsanordnungen gesteuert. Dies bedingt relativ kompli- 4f zierte Gewichts- und Hebelanordnungen oder bedarf spezieller Federn am Ventilteller, wobei die Binsteilung des Ventils auf andere konstant zu haltende vorgewählte Ausflussdrüoke, umständliche Aenderungen der Feder- bzw. Grewiohtsanordnungen notwendig macht und nioht auf einfache Art stetig verstellbar gemacht werden kann.

Um diese Nachteile zu beheben, zeichnet sioh die vorliegende Erfindung dadurch aus, dass ein oder mehrere Elektro-Magnete und eine oder mehrere Federn im Ventil angeordnet sind, um auf den Ventil-

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körper dem Spulenstrom entsprechend eine lageunabhängige Kraft auszuüben.

Aueführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes werden ansohliessend anhand von Figuren erläutert; Ss zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt eines feder- und magnetbelasteten, steuerbaren Druokhalteventils in geöffneter Lage

Fig. 2 ein Kraft-Weg-Diagramm der auf den Ventil-Körper des Druok- ^ halteventils gemäss Fig. 1 wirkenden Kräfte, wobei "a" die

Charakteristik einer linearen und "b" einer progressiven Feder darstellt

Fig. 3 anhand eines Diagrammes die Abhängigkeit der Druckdifferenz

A ρ eines feder- und magnetbelasteten Ventils gemäss Fig. vom Spulenstrom I, bei zwei verschiedenen Federvorspannungen

Fig. 4 einen Längsschnitt eines steuerbaren Druokhalteventils anderer Ausführung, bei welohem Federrüoketellkraft und Magnet-™ kraft gleichgerichtet sind

Fig. 5 ein Kraft-Weg-Diagramm für Federrüokstell- und Magnetkraft des Ventile von Fig. 4 und deren Resultierende, bei verschiedenen Spulenströmen

Fig. 6 anhand eines Diagramms die Abhängigkeit der Druckdifferenz Δ ρ eines Ventils gemäss Fig. 4 vom Spulenstrom I für versohiedene Vorspannungen der Feder

Fig. 7 ein Kraft-Weg-Diagramm für Feder- und Magnetkraft eines

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Druckhalteventils, bei dem die Feder zwischen Ventilteller und Magnetspule im Spalt L (Fig. 4) angeordnet ist

Fig. 8 anhand eines Diagrammes die Abhängigkeit des Differenzdruckes 4 ρ eines Ventils gemäss den Kennlinien von Fig. 7, vom Spulenstrom I, bei verschiedener Federvorspannung

Fig. 9 ein steuerbares Druckhalteventil, wobei ein Eisenkern eines Topfmagneten im Magnethohlraum als Büchse für den Ventilkörper ausgebildet ist, welcher mittels Membranen vom durchströmenden Medium flüssigkeitsdioht getrennt ist.

Beim Druckhalteventil gemäss Fig. 1 mündet eine Zuströmleitung 1 in ein Ventilgehäuse 3 aus nicht-magnetischem Material. In diesem befindet sich ein Topfmagnet mit einem Spulenkörper 5, einem Topf 7 und einem Eisenkern 9. Dieser Topfmagnet ist an der Stirnseite mit einer Platte 10 aus nichtmagnetischem Material abgedeckt. Der Eisenkern 9 weist an seinem einen Ende einen Gewindebolzen 12 auf, der durch den Topf 7 und die Rückwand des Ventilgehäuses 3 ragt. Das andere Ende des Eisenkerns 9, welches über die Platte 10 vorsteht, ist im Durchmesser grosser. Durch Aufschrauben einer Mutter 13 auf das Gewinde 12 werden die Platte 10, der Verfctiltopf 7 und der Spulenkörper 5 im Ventilgehäuse 3 festgehalten. Am verbreiterten Ende des Eisenkernes 9 ist eine Gewindebüchse 15 eingelassen, auf der mittels einer Schraube 17 eine Metallmembrane 19 festgeschraubt ist. Gewindebüchse 15 und Schraube 17 sind aus nichtmagnetischem Material. Die Metallmembrane 19 ist auf ihrem Umfang mit einem Ventilteller 21 verbunden, z.B. punktgeschweisst. Dieser Ventilteller 21 ist gewölbt und sein Abstand von der Schraube 17 so gross, dass im Hubbe-

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bereich des Ventils keine Behinderung des Ventils durch die Schraube 17 erfolgen kann. Um den Topf 7 ist eine Druckfeder 23 angeordnet, welcher der Ventilteller 21 mit einer Führungsnut 22 als Federteller dient. Auf dem Ventilteller 21 ist koaxial zur Zuströmleitung 1 eine Dichtungescheibe 25 angeordnet, deren Grosse auf die Grosse der Oeffnung der Zuströmleitung 1 abgestimmt ist. Das -Abströmen des überschüssigen Mediums aus dem Ventilgehäuse 3 erfolgt duroh eine Oeffnung 31. In der Zuströmleitung 1 ist vor der Abzweigung einer Leitung 29, in der gesteuerter Druck herrscht, eine Blende oder Düse 27 angeordnet.

Angenommen,eine Flüssigkeit fliesse mit einer derartigen Geschwindigkeit duroh die Blende oder Düse 27 ein, dass in der Abflussleitung 29 gerade der gewünschte Druck auftritt, bzw. die vorgesehene Flüssigkeitsmenge abströmt, so wird die Ventilöffnung 28 durch die auf dem Leitungsende aufliegende Dichtungsscheibe 25 geschlossen. Ss können auch mehrere Leitungen 29 vorgesehen werden. Steigt die anströmende Flüssigkeitsmenge und mit ihr die Zuströmgeschwindigkeit, so wird der Flüssigkeitsdruck auf den Ventilteller 21 erhöht. Das System befindet sich nun nicht mehr im Gleichgewicht. Angenommen, der Ventilteller 21 werde solange gegen die Federkraft der Feder 23 vom Leitungsende weggedruckt, bis sich die Kraft aus dem neu einstellenden Druck und die Rückstellkraft der Feder 23 Gleichgewicht halten. In dieser offenen Ventilstellung würde in der Zuströmleitung 1 gegenüber dem ursprünglichen Druck ein Ueberdruok herrschen. Es wäre also der Druck in der Zuströmleitung 1 um einen der Ventilöffnung entsprechenden Wert grosser als der Ausgangsdruok. Um den ursprünglichen Druck in der Zuströmleitung 1 wieder zu er-

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reichen, muss das Ventil noon weiter geöffnet werden, was duroh eine der Federrückstellkraft entgegengeriohtete Kraft erfolgt. Das Oeffnen erfolgt solange, bis sioh die resultierende Rückstellkraft und die druckbedingte Kraft des duroh das weitere Oeffnen des Ventile auf den Ausgangswert abgesunkenen Druckes Gleichgewicht halten. Diese den Flüssigkeitsdruck unterstützende, das Ventil öffnende Kraft wird durch den Topf magneten bewirkt. Der eine Pol ist der Topf 7, während der andere Pol durch den Eisenkern 9 gebildet wird. Die magnetischen Feldlinien verlaufen demzufolge vom. Sisenkern 9, dem H-PoI, über den luftspalt L* zum Ventilteller 21 und von diesem g duroh den luftspalt L zum Gegenpol S, dem Topf 7. Demzufolge wirkt bei Erregung des Spulenkörpers 5 eine anziehende Kraft zwischen dem Ventilteller 21 sowie dem Topf 7, welche progressiv mit zu- oder abnehmender Luftspaltgrösse L ab- oder zunimmt. Die Richtung der Sohliesskraft sei positiv. Dann ergibt sich für diese Magnetkraft die in Jig. 2 dargestellte Abstandsabhängigkeit K^ » f (L). Diese Kraft-Wegfunktion kann je naoh Wahl des Spulenstroms I χ bis zur Sättigung bezüglioh der Abszisse, also in Richtung der Kraftachse K (Ordinate) versohoben werden, wobei die Charakteristik dieser Funktion in beschränktem Bereich nahezu gleich bleibt. Die in entgegengesetzter Richtung zur Magnetkraft K, verlaufende Jederrückstellkraft K. ist in Abhängigkeit des AbStandes L ebenfalle in Fig. 2 eraiohtlioh. Aus den überlagerten Punktionen gemäse Flg. 2 geht hervor, das· im Bereich Λ I* die resultierende Kraft R au« Federkraft X^ und Magnetkraft K, nahezu konstant 1st, da eioh in diesem Bereich des Ventilkörperhub·· die Magnetkraft K^ und die Federkraft Kj praktisch direkt proportional dem Hub· a L ändern· Di· Kurve "a" zeigt die Charakteristik einer linearen, die Kurve "b" diejenige

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einer progressiven Feder. PUr grössere Bereiohe A L muss zur besseren Uebereinstimmung, d.h. besserer Konstanthaltung von R, die Feder charakteristik Ky gleich gekrümmt, also progressiv wie die Magnetoharakterlstik K^ sein. Die Resultierende R entspricht mithin der Kraft, die ein gewünschter Druok auf den Ventilteller 21 ausübt. Sie kann entsprechend dem gewünsohten Druok durch den Spulenstrom verändert werden (Scharparameter I). Eine bestimmte Ventilstellung bei konstant gehaltenem Spulenstrom entsprloht nioht einem bestimmten Differenzdruck Ap, sondern einer bestimmten Zulaufmenge bzw. EInströmgesohwindigkeit. Der Dlfferenzdruok Ap hat also bei jeder Ventilstellung im Intervall a L einen konstanten Wert. Das Diagramm gemäss Fig. 3 zeigt den Zusammenhang zwisohen dem Differenzdruck A P und dem Spulenstrom I für zwei verschiedene Federvorspannungen der Druckfeder £3 (Fig. 1). Die Gerade "1" gilt für eine stärkere, «2« für eine schwächere Federvorspannung. P₁ 1st der gesteuerte Druok und P₀ der Umgebungsdruck. Wird eine starke Federvorspannung eingestellt, so muss der Spulenstrom I₁ für einen gleich gross gesteuerten Druok p, und bei gleich grossem Umgebungsdruck p. grosser gewählt werden (Punkt A) als der Spulenstrom I₂ bei einer schwächeren Federvorspannung (Punkt B).

Den gleionen Effekt kann ein Ventil mit der Anordnung gemäss Fig. 4 aufweisen. Sin aus niohtmagnetisohem Material, z.B. aus Kunststoff, bestehendes Zuleitungsrohr 32 ragt duroh den inneren Hohlraum eines Topfmagneten mit einem Spulenkörper 5 und einem Topf 7. Koaxial zum Zuleitungsrohr 32 1st ein als Hagnetkern dienendes Bisenrohr 33 zwieohen dem Spulenkörper 5 und dem Zuleitungsrohr 32 angeordnet. Dieses Eisenrohr 33 überragt die an der Stirnseite des Topfmagneten

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angebrachte Platte 10 aus nichtmagnetischem Material. Das Zuleitungsrohr 32 steht über das Ilsenrohr 33 vor. Ueber der Stirnseite des Topfmagneten ist als Ventilgehäuse eine Büchse 34 aus nichtmagnetisehern Material angebracht, die nebst der Mündung des Zuleitungsrohres 32 einen Ventilteller 35 und dahinter eine Druckfeder 36 UmSChIIeSSt₁ Die Stirnwand der Büchse 34 dient der Feder 36 als Auflage.

Der Ventilteller 35, der zentral eingestülpt ist, bildet mit seinem vertieften Rand den Federteller der Feder 36. Er kann unter Be- λ lastung der Feder 36 in der Büchse 34 axial bewegt werden. Der Ventilteller 35 liegt mit einer koaxial angebrachten Dichtung 37 gegenüber der Mündung des Zuleitungsrohres 32. Die Feder 36 drückt den Ventilteller 35 und damit die Dichtung 37 mit der Kraft K_n, in Sichtung der Mündung des Rohres 32. Das durch das Rohr 32 in den

_fir, fliessende Medium kann durch eine zwischen Topfmagnet/ Topfmagnet Aind Ventilteller 35 in der Büchse 34 angebrachte üermüng 38 entweichen, während in einer Abflussleitung 39 das Medium mit gesteuertem Druck abfliesst. Hier bewirkt der Magnet, wie in Fig. gezeigt, eine mit der Sohliesskraft gleichgerichtete Kraft K^, auf ^ den Ventilteller 35. Steigt die Magnetkraft mit abnehmendem Abstand L des Ventiltellers 35 vom Magneten, so fällt die Federrückstellkraft K™. Werden die beiden Charakteristiken überlagert, so entsteht wieder in einem gewissen Abstandsbereich & L eine lageunabhängige, konstante positive, d.h. in Sohliessrichtung wirkende Kraft R. Aus Fig. 6 ist ersichtlich, wie der Spulenstrom I gewählt werden muss, damit sich bei gegebener Federvorspannung ("1": starke, «2^M: mittlere, "3^M: keine Vorspannung) das Ventil beim gewünschten Differenzdruck öffnet. Stellt sich bei eingestelltem Spulenstrom I-

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und Federvorspannung Null ("3") ein Differenzdruck νοηΔΡ-, ein, βο benötigt man einen kleineren Spulenstrom I₂, um bei einer mittleren Federvorspannung ("2") den gleich Differenzdruck 6P₁ zu erhalten.

Es ist auch durchaus möglich, das Ventil gemäss Fig. 4 so zu konzipieren, dass die Feder und der Topfmagnet auf der gleichen Seite des Ventiltellers angebracht werden. Diese Anordnung arbeitet grundsätzlich gleich wie diejenige gemäss Fig. 1, jedoch haben die am Ventilteller angreifenden Kräfte umgekehrte Vorzeichen und sie werden mit öffnendem Ventil kleiner, d.h. die Feder ist in geschlossenem Zustand des Ventils vorgespannt und die Resultierende, z.B. R₄ ist konstant im Bereich ^L, um die Unabhängigkeit des Druckes τοη der Zuströmmenge im Medium vor dem Ventilkörper sicherzustellen. Ss ergibt diese Anordnung Charakteristiken gemäss den Fig. 7 und 8, eines Ventils also, das den gleichen Effekt wie die oben beschriebenen Varianten zeitigt. In Flg. 8 gilt die Gerade "1" mit, die Gerade ⁿ 2" ohne Vorspannung.

Eine weitere konstruktive Variante zeigt Fig. 9. An einer mit einer Leitung 52 versehenen Abdeckplatte 53 ist ein Topf 54 eines Topfmagneten koaxial mit der Leitung 52 befestigt. Der Topf 54 ist so ausgebildet, dass er einen durch eine Kunststoffhülle 55 geschützten Spulenkörper 56 trägt. Das Topfinnere ist so dimensioniert, dass zwischen dem Spulenkörper 56 und der Abdeckplatte 53, wie auch zwisohen dem Spulenkörper 56 und der Aussenwand des Topfes 54 ein Hohlraum 64 entsteht. Ein Ventilkörper 58 dient auch zur Führung und Abstützung einer Druckfeder 60.

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Zur unteren Befestigung einer Membrane 70 ist im Ventilkörper 58 ein Bolzen 59 vorgesehen. Als äussere Aufnahme der Membrane 70 und gleichzeitiger Abstützung der Druckfeder 60 dient eine aus nichtmagnetischem Material bestehende Biiohse 71, welche auf dem Boden des Topfes 54 befestigt ist. Die Büchse 71 hat eine Oeffnung 61, duroh welche der Bolzen 59, je nach Bewegung des Ventilkörpers 58,austreten kann. Der Mittelteil des Topfes 54 ist als in den Magnethohlraum ragende Büchse 57 ausgebildet, in der der Ventilkörper 58 kolbenartig bewegt wird. Der Topf 54 ist mittels einer Abdeokbüchse 62 abgedeckt. Sie bildet mit dem Magnettopf 54 einen Hohl- _Λ raum 63. Die Flüssigkeit fliesst duroh die Mündung 65 der Leitung 52, an einer im Ventilkörper 58 angebrachten Dichtung 66 vorbei duroh den Hohlraum 64 und eine Oeffnung 67 im Topf 54 in den Hohlraum 63. Diesen verlässt sie durch eine Oeffnung 68 in der Abdeokbüchse 62. Die Magnetfeldlinien verlaufen hier über den Topf 54 in die Abdeckplatte 53, von dieser über einen Luftspalt in den Ventilkörper 58 und zurück in die vom Mittelteil des Topfes 54 gebildete Büchse 57, Die Kräfteoharakteristik ist gleich wie diejenige gemäss den Fig. 5 und 6. ^

Um ein Einströmen von Flüssigkeit zwisohen die (^leitflächen des Ventilkörpers 58 und der Büchse 57 zu verhindern, sind an den Stirnseiten zwischen den beweglichen Teilen 58, 59 und der Büchse 57 sowie der Büchse 71 Membranen 69 und 70 angebracht, welche die erwähnten Gleitflächen und die Oeffnung 61, in der der Bolzen 59 gleitet, gegen die mit Flüssigkeit gefüllten Hohlräume 63/64 absohliessen. Wählt man die Federsteilheit der Feder in den verschiedenen Ausführungen so, dass mit der Magnetkraft zusammen keine konstant ver-

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laufende Resultierende R über dem Ventilhub ^L resultiert, so ist es möglioh, das Ventil mit einer sogenannten negativen Charakteristik auszustatten. Dabei würde der Differenzdruck Δ ρ mit steigender Zulaufmenge bzw. Einströmgeschwindigkeit, der Charakteristik entsprechend, sinken. Die in den verschiedenen Ausführungen vor der Ueberströmstelle, deren Querschnitt durch die Lage des Ventilkörpers geregelt wird, angeordnete Blende oder Düse 27 ist als Zuflusswiderstand ausgebildet. Sie dient der Stabilisierung der Strömung.

Se ist auch möglioh, einen Ventilkörper aus nichtmagnetischem Material zu verwenden, z.B. eine selbsttragende oder auf einem dünnen Spulenträger aufgebrachte Wioklung, die sich im ringförmigen luftspalt eines Topfmagneten bewegen kann, wie dies z.B. bei Tauchspulen von Lautsprechern der Fall ist. Anstelle eines Strom-erregten Magneten kann eine Kombination aus einem Dauermagnet und einem ^trom-erregten Magnet verwendet werden. Die Feder lässt sich in diesem Falle infolge ihrer dadurch notwendigen Vorspannung, hervorgerufen durch den Dauermagneten, bedeutend besser dimensionieren.

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Claims (5)

Pat entansprüche

1. Als Ueberströmventil ausgebildetes, steuerbares Druckhalteventil zum Konstanthalten eines stetig steuerbaren Druckes in einem System insbesondere in einem Flüssigkeitssystem, mit mindestens einem, im Betrieb beaufschlagten Abflusstutzen mit gesteuertem statischem Mediumsdruck und einem als Ueberlaufstelle ausgebildeten Ventildurchgang zum Abführen des überschüssigen Mediums, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Elektro-Magnete und eine oder g mehrere Federn im Ventil angeordnet sind, um auf den Ventilkörper dem Spulenstrom entsprechend eine lageunabhängige Kraft auszuüben.

2. Druckhalteventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwecks Stabilisierung, insbesondere bei negativer Charakteristik, bei welcher der Systemdruck mit steigender Zuströmmenge sinkt, ein Durchflusswiderstand, z.B. eine Blende(27), vor der Ueberlaufstelle angeordnet ist.

3. Druckhalteventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet als kombinierter Permanent- und Elektromagnet ausgebildet ist.

4. Druckhalteventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet als Topfmagnet mit dem Kern des Topfes als Büchse ausgebildet ist, worin ein als Kolben ausgebildeter Ventilkörper verschiebbar angeordnet ist (Fig. 9).

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5. Druckhalteventil nach Anepruoh 4, dadurch gekennzeichnet, dass Dichtungen vorgesehen sind, um ein Sinflieesen τοη Flüssigkeit in die vom Topf gebildete Büchse zu verhindern (Fig. 9}.

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