DE29707905U1

DE29707905U1 - Magnetventil und dessen Anwendung zur Steuerung der Gaszufuhr zu einem Brenner

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Publication number: DE29707905U1
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Authority: DE
Original assignee: Honeywell BV
Current assignee: Honeywell BV
Priority date: 1997-05-02
Filing date: 1997-05-02
Publication date: 1998-08-27
Anticipated expiration: 2007-05-03

Description

HONEYWELL B.V. \.^# .:.· ■ 29. April 1997

Laarderhoogtweg 18-20 72200880 DE

NL-1101 EA Amsterdam Z.O. HR/ep

Niederlande
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Magnetventil und dessen Anwendung zur Steuerung der Gaszufuhr zu einem Brenner

Magnetventile mit permanentmagnetischer Schließkrafterzeugung oder -unterstützung sind bekannt. So zeigt DE 29 21 832 Al ein bistabiles Magnetventil, bei dem in einer ersten, dem Stand der Technik zugerechneten Ausführungsform der Anker selbst aus einem permanentmagnetischen Material besteht. Wird die Spule durch Stromfluß in einer ersten Stromrichtung erregt, so wird der Anker in den Spuleninnenraum hineingezogen und behält diese Stellung auch beim Abschalten des Stromes bei, weil sich der Anker in dem die Spule umgebenden Magnetkreis aufgrund seines permanenten Magnetismus hält. Wird die Spule in Gegenrichtung von einem Strom durchflossen, so wird der Anker aus dem Innenraum der Spule herausgestoßen und in Richtung auf den Ventilsitz bewegt. Bei Abschaltung des Stroms behält er aufgrund des Eigengewichts des Ankers samt Schließkörper diese Stellung bei. Bei einer zweiten Ausfuhrungsform gemäß DE 29 21 832 Al besteht der Permanentmagnet aus einer die Ventilstange des Ankers lose umgebenden, in Achsrichtung magnetisierten Hülse, welche auf der Ventilstange gleitend geführt ist. Fließt Strom in einer ersten Richtung durch die Erregerspule, so wird die Hülse in Richtung auf den Spuleninnenraum beschleunigt, schlägt an einem Kopf der Ventilstange an und bewegt diese, beschleunigt durch die kinetische Energie der Hülse, in Richtung auf den Spuleninnenraum. Beim Abschalten des Stroms behält die Hülse aufgrund ihres permanenten Magnetismus die Lage bei und damit auch die Ventilstange samt vom Ventilsitz abgehobenem Schließkörper. Fließt Strom in Gegenrichtung durch die Erregerspule, so wird die Hülse aus deren Innenraum herausgestoßen, schlägt gegen einen Kragen des Schließkörpers und bewegt diesen wiederum durch die kinetische Energie beschleunigt in Richtung auf den Ventilsitz. Beim Abschalten des Stroms behalten Hülse und Schließkörper aufgrund ihrer Schwerkraft die eingenommene Schließstellung des Ventils bei.

In DE 38 14359C2 wird ein stromlos geschlossenes Elektromagnetventil mit permanentmagnetischer Schließkraft beschrieben, bei dem einem U-fÖrmigen, von einer Erregerspule umgebenen Magnetjoch ein Klappanker gegenübersteht, der auf seiner dem Magnetjoch zugewandten Seite einen Permanentmagneten trägt. Am freien Ende des Klappankers ist der Schließkörper eines Behälterauslaßventils befestigt, welches durch Stromfluß in der Erregerspule gegen die Kraft des Permanentmagneten geöffnet werden kann.

Ferner zeigt EP-PS 0 380 693 in Figur 9 ein Magnetventil mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1. Das bekannte Ventil wird durch die Kraft des Elektromagneten geöffnet und durch die Kraft des Permanentmagneten auch bei abgeschaltetem

Elektromagneten offengehalten. Zum Schließen des Ventils wird ein Strom in Gegenrichtung durch die Erregerspule des Elektromagneten geschickt. Dieser erzeugt eine die Haltekraft des Permanentmagneten übersteigende, den Anker abstoßende und damit das Ventil in Schließrichtung zurückstellende Kraft, welche die Kraft der in Schließrichtung wirkenden Rückstellfeder unterstützt. Der Permanentmagnet ist ringförmig ausgebildet und in Achsrichtung magnetisiert. Die mechanische Verbindung zwischen dem Anker des Elektromagnetantriebs und dem Schließkörper eines Ventils ist nicht dargestellt.

Das im Anspruch 1 gekennzeichnete Magnetventil gemäß der Neuerung zeichnet sich demgegenüber dadurch aus, daß die vom Elektromagneten erzeugte, auf den Anker einwirkende Kraft derjenigen des Permanentmagneten entgegengerichtet ist. Die Kraft der Rückstellfeder wirkt wie im Stand der Technik der Kraft des Permanentmagneten entgegen. Das Magnetventil gemäß der Erfindung bleibt durch die Kraft des Permanentmagneten gegen die Rückstellkraft der in Öfmungsrichtung wirksamenden Rückstellfeder geschlossen, solange die Stromstärke im Elektromagneten unterhalb eines vorgegebenen unteren Grenzwertes liegt. Wird der Grenzwert erreicht, so hebt das vom Elektromagneten erzeugte Feld dasjenige des in Schließrichtung wirkenden Permanentmagneten zunehmend auf, so daß die Rückstellfeder in der Lage ist, den Schließkörper in Richtung OfFenstellung des Ventils zu bewegen und zwar in einem Maße, welches vom Stromfluß durch die Erregerwicklung abhängt. Bei Abschaltung des Erregerstroms bewegt der Permanentmagnet den zugleich als Schließkörper ausgebildeten oder den Schließkörper tragenden Anker gegen die Kraft der Feder in die Schließstellung. Sollte der Erregerstrom über einen das Ventil voll öffnenden oberen Grenzwert weiter ansteigen, so erzeugt dieser Überstrom ein das Feld des Permanentmagneten übersteuerndes Magnetfeld in Gegenrichtung zu demjenigen des Permanentmagneten. Sobald dieses durch den Überstrom erzeugte Magnetfeld eine die Öftnungskraft der Feder übersteigende Schließkraft in Gegenrichtung zur Federkraft erzeugt, bewegt dieses in seiner Richtung umgekehrte Magnetfeld den Anker wieder in Richtung Schließstellung. Das Ventil kann also nur geöffnet werden, wenn die Stromstärke innerhalb eines bestimmten Strombereichs liegt. Sowohl unterhalb als auch oberhalb dieses Strombereichs ist das Ventil geschlossen. Es ist somit eigensicher, indem es sowohl bei Stromausfall als auch bei Überstrom in Schließlage geht. Diese Eigensicherheit des Ventils ermöglicht die Verwendung einer sehr einfachen Erregerschaltung. Der Aufwand für eine eigensichere Ansteuerelektronik kann somit entfallen. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Magnetventils ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Die Neuerung wird nachfolgend anhand in der Zeichnung wiedergegebener Ausfuhrungsbeispiele erläutert. Dabei zeigt:

Figur 1 schematisch eine erste Ausfuhrungsform des Ventils im Teilschnitt mit einem

scheibenförmigen Permanentmagneten;
Figur 2 eine Steuerschaltung für derartige Magnetventile; und

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Figur 3 eine zweite Ausfuhrungsform mit ringförmigem Permanentmagneten.

Das topfförmige Gehäuse 1 weist in seinem Boden 2 eine zentrale Durchlaßöffiiung 3 auf, in welche eine Ringdichtung 4 eingesetzt ist. Die Erregerspule 5 ist am gegenüberliegenden Deckel 6 des aus magnetisch leitfähigem Material bestehenden topfförmigen Gehäuses 1 befestigt. Im Deckel 6 ist mindestens eine Gasdurchlaßöffiiung 7 vorgesehen, und der Mittelteil 8 des Deckels bildet zugleich eine Führung für den zentralen Zapfen 9 des Ankers 10. Auf den scheibenförmigen Teil 13 des Ankers 10 ist der in Achsrichtung magnetisierte und ebenfalls scheibenförmig ausgebildete Permanentmagnet 11 aufgesetzt. Anker 9, 10, 13 und Permanentmagnet 11 bilden den Schließkörper des Ventils, der mit dem Sitzring 4 zusammenwirkt. Eine Schraubenfeder 12 stützt sich einerseits am Führungsteil 8 des Deckels und andererseits an einem, beispielsweise als eingesetzte Scheibe ausgebildeten, umlaufenden Kragen 14 des Ankerzapfens 9 ab. Sie spannt den Anker in Öflhungsrichtung vor. Die Schließkraft des Ventils wird durch die Differenz der vom Permanentmagneten 11 erzeugten, in Schließrichtung wirkenden Magnetkraft und der Kraft der Feder 12 gebildet. Die Kraft des Permanentmagneten 11 ist größer als die der gespannten Feder 12, so daß das Ventil bei stromloser Erregerspule 5 in Schließlage gehalten wird. Während der Magnet 11 den Anker 10 in Schließrichtung zu bewegen sucht, ist die Feder 12 in Öffhungsrichtung wirksam.

Zum Öffnen des Ventils fließt ein Gleichstrom solcher Stärke und Richtung durch die Spule 5, daß das Magnetfeld des Permanentmagneten 11 in zunehmendem Maße geschwächt und neutralisiert wird und die Feder 12 das Ventil öffnen kann. Das Magnetfeld des Permanentmagneten 11 und das des Elektromagneten 5 sind entgegengesetzt gerichtet. Mit zunehmendem Elektromagnetfeld wird also das resultierende Magnetfeld immer schwächer, und die Feder 12 kann das Ventil öffiien. In der Endstellung liegt der Anker 10 an einem hier nicht dargestellten Anschlag, beispielsweise dem Träger der Spule 5 an. Steigt der Strom weiter an, so entsteht ein resultierendes, das Feld des Permanentmagneten 11 völlig übersteuerndes Magnetfeld in Gegenrichtung, welches den Anker 10 gegen die Kraft der Feder 12 wieder gegen die umlaufende Sitzfläche 4 des zugleich als Polstück 15 wirksamen Bodens 2 zieht und damit das Ventil schließt.

Für die Ansteuerung eines solchen Magnetventils eignet sich insbesondere eine Schaltungsanordnung wie sie in Figur 2 dargestellt und im Prinzip aus EP-A 0 252 638 bekannt ist. Wie bereits erwähnt, kann das zuvor beschriebene Ventil nur geöffnet werden, wenn der seine Erregerwicklung durchfließende Strom in einem vorgegebenen Bereich liegt. Ist der Strom kleiner als der untere Grenzwert des Bereichs oder größer als dessen oberer Grenzwert, so schließt das Ventil. Die Erregerspule L des Ventils ist in Reihe mit einem elektronischen Schalter Q, z.B. einem Transistor, zwischen eine Gleichstrom-Versorgungsklemme VDC und Masse GND eingeschaltet. Der Spule L ist wie üblich eine

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Diode D parallelgeschaltet. Der elektronische Schalter Q wird durch eine Impulsfolge P angesteuert, deren Puls-/Pausenverhältnis (Tastverhältnis) den Strommittelwert durch das Ventil L bestimmt. Die Versorgungsspannung und die Erregerwicklung des Ventils sind derart ausgelegt, daß das Ventil voll geöfihet ist, wenn der Spulenstrommittelwert etwa der Hälfte des Stroms entspricht, welcher auftritt, wenn die Erregerwicklung L unmittelbar ständig an die Versorgungsspannung VDC angeschlossen wäre. Das Ventil schließt, wenn der Spulenstrom gleich Null wird oder auf den vollen Spulenstrom bei ständig durchgeschaltetem Halbleiterschalter Q anwächst. Dieser elektronische Schalter Q ist derart bemessen, daß er nicht in der Lage ist, halb durchgeschaltet betrieben zu werden. Er kann nur eine impulsweise Durchschaltung vertragen. Würde er wegen eines Fehlers in der Steuerschaltung nur teilweise durchgeschaltet, so würde ihn die dann auftretende erhöhte Verlustleistung zerstören und damit das Ventil L abgeschaltet.

Zum Öffnen des Ventils L wird der elektronische Schalter Q mit einer Impulsfolge P durchgeschaltet, deren Tastverhältnis etwa 50% beträgt. Die Frequenz ist hoch genug gewählt, um mechanische Schwingungen des Ventils zu vermeiden. Die Ausgangsimpedanz Ro des nicht dargestellten Rechteckgenerators ist derart bemessen, daß dieser keinen zum Öffnen des Ventils ausreichenden Strom liefern kann. Das Tastverhältnis der Impulsfolge P bestimmt den Mittelwert des Stroms durch die Spule L und damit die jeweilige Position des Ventilkörpers des Magnetventils. Eine solche lineare oder analoge Steuerung des Ventils erfolgt jedoch nur in einem vorgegebenen Strombereich. Sollte der elektronische Schalter Q durch Kurzschluß überbrückt werden, so würde der volle Versorgungsstrom aus der Quelle VDC durch die Spule L fließen und das Ventil, wie zuvor von Fig. 1 erläutert, schließen. Wird durch einen Ausfall des Schalters Q der Erregerstrom unterbrochen, so schließt das Ventil L ebenfalls. Sollte die Diode D durchschlagen und die Erregerwicklung L niederohmig überbrücken, so kann das Ventil ebenfalls nicht öffnen. Sollte die Diode D ihren Stromweg unterbrechen, so würden die an der Spule L entstehenden Impulsspitzen mit der Zeit den elektronischen Schalter Q zerstören, und das Ventil würde, wie zuvor erwähnt, in Schließlage gehen. Sollte der Impulsgenerator ein Dauerstrichsignal abgeben und den Schalter Q ständig durchschalten oder sperren, so würde das Ventil in beiden Fällen aufgrund seiner oben geschilderten Eigenschaften schließen. Das Ventil arbeitet also in jedem Fall eigensicher.

In Figur 3 ist eine gegenüber Figur 1 abgewandelte Ausführungsform des Magnetventils wiedergegeben. Das topfförmige Gehäuse 21 weist in seinem Boden 22 eine Durchgangsöffhung 23 auf, welche von einer einen Ventilsitz bildenden Ringdichtung 24 umgeben ist. Am Deckel 26 ist die Erregerspule 25 befestigt. Andererseits stützt sich an diesem mit Gasdurchlaßöffhungen 27 versehenen Deckel 26 die Rückstellfeder 28 ab, welche mit ihrem gegenüberliegenden Ende an der Stirnfläche des zylindrischen Teils 29 des Ankers 30 anliegt. Der Anker ist wiederum mit einem scheibenförmigen Teil 31 versehen, welcher

einen hier ringförmigen in Achsrichtung magnetisierten Permanentmagneten 32 trägt. In der dargestellten Offenstellung des Ventils überwiegt die Summe der von der Feder 28 und von der Erregerspule 25 erzeugten Kräfte die Schließkraft des Permanentmagneten 32. Ansonsten ist die Arbeitsweise die gleiche wie beim zuvor anhand von Figur 1 beschriebenen Ausfuhrungsbeispiel.

Claims

Schutzansprüche:
1. Magnetventil mit:

a) einer von einem Magnetjoch (1, 2, 6; 21, 22, 26) getragenen Erregerspule (5, 25);

b) einem aus einem zylindrischen Teil (9; 29) sowie einer auf dessen eines Ende

aufgesetzten Scheibe (13,31) bestehenden längsverschieblichen Anker (10, 30), der mit dem zylindrischen Teil in die Erregerspule eintaucht;

c) einem von der Scheibe (13, 31) getragenen, axial magnetisierten Permanentmagneten (11, 32); sowie

d) einer zwischen Gehäuse und Anker wirksamen Rückstellfeder (12; 28); dadurch gekennzeichnet, daß

e) das Magnetjoch ein topfförmiges Ventilgehäuse (1, 2, 6; 21, 22, 26) bildet, in welchem die Erregerspule (5, 25) befestigt ist;

f) im Boden (2, 22) des Gehäusetopfes eine einen Ventilsitz (4, 24) bildende Öffnung (3, 23) vorgesehen ist, welcher das scheibenförmige Teil (13, 31) des Ankers (10, 30) als Schließkörper gegenübersteht;

g) die Rückstellfeder (12, 28) in Öffhungsrichtung des Ventils mit dem einen Ende am Anker (10, 30) angreift und sich mit dem anderen Ende gehäusefest abstützt;

h) der Permanentmagnet (11, 32) so bemessen und gepolt ist, daß er bei stromloser Erregerwicklung das Ventil gegen die Kraft der Rückstellfeder geschlossen hält; i) das vom Stromfluß durch die Erregerspule erzeugte Magnetfeld dem vom Permanentmagneten erzeugten Magnetfeld entgegengerichtet und so bemessen ist, daß es;

j) bei oberhalb eines ersten Grenzwertes liegender Stromstärke das Feld des Permanentmagneten soweit schwächt, daß der Anker durch die Kraft der Rückstellfeder (12, 28) in Richtung Offenstellung des Ventils bewegt wird; und

k) bei über einem zweiten Grenzwert liegender Stromstärke auf den Anker eine die Kräfte der Rückstellfeder und des Permanentmagneten übersteigende Schließkraft ausübt, welche den Anker in Schließrichtung des Ventils bewegt.
2. Magnetventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsitz (4) auf der Innenseite des Gehäusebodens (2) angeordnet ist und der scheibenförmige Teil (13) des Ankers (10) im Gehäuseinneren dem Ventilsitz (4) gegenübersteht.
3. Magnetventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzei chnet, daß der Ventilsitz (24) auf der Außenseite des Gehäusebodens (22) angeordnet ist, der zylindrische Teil (30) des Ankers durch die Öffnung (23) hindurchragt und der scheibenförmige Teil (31) des Ankers (30) auf der Gehäuseaußenseite dem Ventilsitz (24) gegenübersteht.
4. Magnetventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (32) ringförmig ausgebildet ist.
5. Magnetventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (11) scheibenförmig ausgebildet ist.
6. Magnetventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (11, 32) auf der dem Ventilsitz (24) zugewandten Seite des scheibenförmigen Teils (13, 31) angeordnet ist.
7. Magnetventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rand (15) der Öffiiung (3) nach Art eines magnetischen Polschuhs in seiner Wandstärke gegenüber dem restlichen Gehäuse (1,2) verstärkt ist.
8. Magnetventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Feder (12) an der Außenseite des Gehäusedeckels (6) abstützt und mit ihrem anderen Ende am zylindrischen Ankerteil (9) angreift.
9. Magnetventil nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Rückstellfeder (28) auf der Innenseite des Gehäusedeckels (26) abstützt und mit ihrem anderen Ende am zylindrischen Ankerteil (29) angreift.
10. Magnetventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeich-

net, daß der Gehäusedeckel (6; 26) wenigstens eine Auslaßöfihung (7; 27) des Ventil aufweist.
11. Magnetventil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Ventilsitz (4; 24) zusammenwirkende Schließfläche des Ankers durch den Permanentmagneten (11; 32) gebildet ist.