DE3730381A1 - Bistabiles magnetventil mit dauermagnetischer haltekraft - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein bistabiles Magnetventil mit dauer­ magnetischer Haltekraft, bei dem in einem länglichen, zen­ tralen Innenraum ein zwischen zwei Arbeitsstellungen als Ventilkörper wirkender Anker mit Fluidwegen axial beweglich ist, bei dem jedem Ende des Ankers ein dessen Arbeitsstellungen bestimmender Körper mit zentralem Fluiddurchgang zugeordnet ist, bei dem dem Anker radial gegenüberliegende und seine Arbeitsstellungen stabilisierende Dauermagnetmittel und Mag­ netflußmittel vorgesehen sind, die auf der dem Anker abge­ kehrten Seite mit einem Jochkreis in Kontakt stehen, und bei dem axial neben den Dauermagnetmitteln und den Magnetfluß­ mitteln jeweils eine elektrische Spule vorgesehen ist, wobei die betreffende Spule bei Stromversorgung den Anker gegen den entsprechenden Körper bewegt.

Ein derartiges Magnetventil ist in der DE-OS 22 08 218 offen­ bart. Bei diesem Ventil sind die beiden axialen Arbeitsstellun­ gen des als Ventilkörper wirkenden Ankers jeweils durch ein Kunststoffteil aus einem Rohrabschnitt und aus einem radialen Flansch festgelegt, wobei im Übergangsbereich zwischen dem Rohrabschnitt und dem Flansch eine zum Anker hin offene Ring­ nut vorgesehen ist, in die der jeweilige endseitige Ringkragen des Ankers eingreift. Der Anker ist direkt von einem ring­ förmigen Dauermagneten umgeben, der sich im wesentlichen über die gesamte Länge des Ankers erstreckt und dessen Endseiten von den beiden Flanschen abgedeckt sind. Auf der Rückseite der Flansche schließen sich dann die beiden elektrischen Spulen an, die somit die genannten Rohrabschnitte umfangsmäßig umgeben.

Mit diesem bekannten Magnetventil können nur verhältnismäßig geringe Fluidleistungen gesteuert werden, denn die kunststoffe­ nen Rohrabschnitte dürfen nur einen relativ kleinen axialen Fluiddurchgang aufweisen und der Druck des zusteuernden Flu­ ides darf einen relativ niedrigen Wert nicht überschreiten, wenn die Kraft des Dauermagnenten die jeweilige, durch Strom­ durchfluß der betreffenden Spule eingenommene Arbeitsstellung des Ankers sicher fixieren soll. Dies ist im wesentlichen darauf zurückzuführen, daß die Ankerenden in der jeweiligen Arbeits­ stellung trotz der erwähnten Ringnut nicht gegen den Jochkreis zur Anlage kommen, weil dies durch die Restwanddicke der Flansche in diesem Übergangsbereich verhindert ist. Somit ver­ bleibt in jeder Arbeitstellung ein beträchtlicher Luftspalt zwischen Ankerende und Jochkreis, der den magnetischen Fluß und damit die dauermagnetische Haltekraft relativ stark schwächt.

Die Aufgabe derErfindung besteht in der Verbesserung eines bistabilen Magnetventiles der einleitend angeführten Art dahingehend, daß das Ventil bei konpaktem Aufbau mit einem höheren Fluiddruck als bisher betrieben werden kann und gleichzei­ tig eine größere Nennweite der strömungsbestimmenden Fluid­ durchgänge in seinem elektrischen Steuerteil aufweist.

Die Lösung der Aufgabe geht von dem einleitend angeführten Magnetventil aus und kennzeichnet sie dadurch, daß in an sich bekannter Weise ein rohrförmiger Spulenträger mit dem zentralen Innenraum für den Anker, mit einem ferromagneti­ schem, den Anker an seinem einen Ende axial gegenüberliegen­ den, den einen Fluiddurchgang aufweisenden, mit dem Jochkreis in Kontakt stehenden Endkern und mit der einen elektrischen, den Anker und den Endkern in axialer Richtung teilweise um­ gebenden Spule vorgesehen ist, wobei der Anker mit zwei end­ ständigen, gegeneinander abgefederten Dichtungselementen und mit wenigstens einem Fluidweg auf seiner Außenseite versehen ist, daß beide Dichtungselemente in dem Anker axial beweglich gelagert sind, daß der Spulenträger axial verlängert ausge­ bildet und mit der zweiten elektrischen Spule sowie mit den axial zwischen den beiden Spulen angeordneten Magnetfluß­ mitteln, die auf ihrer Außenseite die Dauermagnetmittel auf­ weisen, versehen ist, daß ein weiterer, den anderen zentralen Fluiddurchgang und auf seinem Außenumfang wenigstens einen axialen Fluidweg aufweisender, ferromagnetischer Endkern und eine diesen Endkern umgebende Ferromagnethülse, die sowohl mit diesem Endkern als auch mit dem Jochkreis in Kontakt steht, vorgesehen sind, daß der weitere Endkern und die Hülse in den zentralen Innenraum des Spulenträgers, dem anderen Ende des Ankers gegenüberliegend, axial hineinragen, und daß die zweite Spule den Anker und die Hülse mit dem weiteren Endkern in axialer Richtung teilweise umgibt.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetventils bestehen die auf dem Spulenträger radial zwi­ schen dem Anker und den Dauermagnetmitteln angeordneten Mag­ netflußmittel aus zu einem Paket zusammengefügten Lamellen­ scheiben und die Ferromagnethülse erstreckt sich im wesent­ lichen über die gesamte Länge des weiteren Endkernes. Um den weiteren Endkern einfach montieren und lagesicher fixieren zu können, ist er durch axial wirkende, an seinem dem Anker abge­ wandten Ende angreifende Federmittel gegenüber der ihn umgeben­ den Ferromagnethülse fixiert, wobei die beispielsweise als teller­ förmige Scheibenfeder ausgebildeten Federmittel zusammen mit dem Endkern und der Ferromagnethülse teilweise in einem nichtmag­ netischem Aufnahmeteil gelagert sind, welch letzteres vorzugsweise lösbar mit dem Jochkreis und/oder mit dem Gehäuse für das Magnetventil verbunden ist.

Das erfindungsgemäße bistabile Magnetventil kann mit erheblich gesteigertem Fluiddruck betrieben werden als das vorgenannte bekannte Magnetventil. Es ist eine merkliche Steigerung des Fluiddruckes möglich, woraus der wesentliche Vorteil resul­ tiert, daß das Magnetventil auch dort eingesetzt werden kann, wo relativ starke Vibrationen auftreten, wobei der Ventilanker auch bei Druckbelastung sicher in seiner jeweiligen Arbeits­ stellung gehalten wird. Des weiteren können die axialen Fluid­ durchgänge durch die Endkerne hindurch im Durchmesser größer gestaltet sein, so daß entspechend größere Durchflußmengen pro Zeiteinheit gesteuert werden können. Anstelle von bisher 0,8 mm können nun bei fast gleicher Baugröße und gleichem Betriebsdruck Durchmesser bis etwa 2,0 mm angewendet werden, was eine Flächenquerschnittssteigerung von über 600% bedeutet. Mit Hilfe des Aufnahmeteils für den weiteren Endkern ist eine einfache Montage sowie eine sichere Lagefixierung dieses End­ kernes erreicht, wobei das Aufnahmeteil auch dergestalt weitergebildet sein kann, um den Steuerteil des Magnetventils relativ zu dem Sockelteil des Ventils nach Wunsch winkelmäßig ausrichten zu können.

In der EP-Patentschrift 01 01 527 ist ein impulsgesteuertes Magnetventil beschrieben, das einen rohrförmigen Spulenträger aufweist, der in seinem zentralen Innenraum einen axial be­ weglichen, als Ventilkörper wirkenden Anker und auf seiner Außenseite eine elektrische Spule trägt. Der Anker besitzt äußere Fluidwege und zwei endseitige, gegeneinander abgefeder­ te Dichtungselemente, von denen eines einem Endkern mit einem zentralen Fluiddurchgang axial gegenüberliegt, während das andere, selbst unbewegliche Dichtungselement einen Haupt­ strömungsweg direkt öffnet und schließt,welche Funktion von einer Dauermagnetkraft unterstützt wird.

Dieses bekannte Ventil ist ein monostabiles Magnetventil, bei dem jedoch die zuhaltende Dauermagnetkraft durch eine zusätzliche, platzraubende Federkraft unterstützt wird. Außerdem können auch bei diesem Ventil keine größeren Nenn­ weiten für den zentralen Fluiddurchgang in dem Endkern ange­ wendet werden, wie es auch nicht möglich ist, dieses Ventil bei einem höheren Fluiddruck zu betreiben.

Die Erfindung ist nachstehend anhand eines in den anliegen­ den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Axialschnitt durch das Ausführungs­ beispiel,

Fig. 2 einen Querschnitt nach der Linie A-B in Fig. 1,

Fig. 3 einen Querschnitt nach der Linie C-D in Fig. 1,

Fig. 4 einen teilweise dargestellten Axial­ schnitt des Ausführungsbeispieles in abgeänderter Form.

Gemäß Fig. 1 umfaßt das erläuterte bistabile Magnetventil einen elektrischen Steuerteil 1 und einen damit vorzugsweise lösbar verbundenen Sockelteil 2 mit den Fluidanschlüssen 3 und 4. Der Steuerteil 1 besteht hauptsächlich aus einem Jochkreis 5 mit zwei sich axial gegenüberliegenden Endkernen 6 und 7, die je einen zentralen und axial verlaufenden Fluid­ durchgang 8 bzw. 9 aufweisen, aus einem zwischen den End­ kernen axial beweglichen und deren Fluiddurchgänge wechsel­ weise schließenden Anker 10, aus einem Spulenträger 11, der sich mit seinen entsprechenden Endabschnitten teilweise auf den Endkernen abstützt, einen zentralen Innenraum 12 für den Anker 10 und ferner drei äußere, axial nebeneinander liegende Kammern 13, 14 und 15 aufweist, aus zwei elektri­ schen Spulen 16 und 17, die je in den endseitigen Kammern 13 und 15 angeordnet sind, aus Magnetflußmitteln 18, die in der mittleren Kammer 14 angeordnet sind, und aus Dauermagnet­ mitteln 19, die beidseitig unter Flächenkontakt zum einen an den Magnetflußmitteln 18 und zum anderen an dem Joch­ kreis 5 anliegen. Der Steuerteil 1, der von einem vorzugs­ weise nach der Umspritztechnik hergestellten Gehäuse 20 umgeben ist, weist ein vorzugsweise mittels Schnappver­ bindungen 21 mit dem Joch 5 und/oder mit dem Gehäuse 20 zusammenhängendes, nichtmagnetisches Aufnahmeteil 22 auf, das andererseits in eine Ausnehmung 23 des Sockelteils 2 eingreift und darin z.B. durch Stifte 24 oder dergleichen befestigt ist.

Der längliche Anker 10 ist in seinem Innern mit zwei end­ ständigen, axial beweglichen Dichtungselementen 25 und 26, die durch eine Feder 27 auseinandergedrückt werden, und auf seinem Außenumfang mit wenigstens einem axialen Fluidweg 28 versehen. Der weitere Endkern 7 weist auf seiner Außenseite ebenfalls wenigstens einen axialen Fluidweg 29 auf und ist unter gutem Flächenkontakt von einer Ferromagnethülse 30 umgeben, die sich vorzugsweise im wesentlichen über die ge­ samte Länge des Endkernes 7 erstreckt. Die Hülse 30 ist ihrer­ seits unter gutem Kontakt mit dem Joch 5 verbunden, z.B. durch Festsitz, und ragt einerseits zentral in den Spulenträger 11 und andererseits zusammen mit dem Endkern 7 in das Aufnahme­ teil 22 hinein. Durch die Ferromagnethülse wird ein sehr guter Magnetfluß in dem weiteren Endkern 7 erzielt. Die endseitigen Spulenkammern 13 und 15 und die darin vorgesehenen elektrischen Spulen 16 und 17 sind örtlich so placiert, daß sie sowohl die Endkerne 7 und 8 als auch die entsprechenden Endabschnitte des Ankers 10 umgeben, wodurch eine sehr gute elektromagne­ tische Bewegungskraft auf den Anker ausgeübt wird, wenn die entsprechende Spule mit Strom versorgt wird.

Die in der mittleren Spulenträgerkammer 14 angeordneten Magnetflußmittel 18, die dem Mittelabschnitt des Ankers 10 direkt gegenüberliegen, bestehen aus einer Mehrzahl paket­ artig aneinanderliegender, ringförmiger Lamellenscheiben aus magnetisierbarem Metall und befinden sich auf ihrer Außen­ seite in Flächenkontakt mit den Permanentmagnetmitteln 19, die ihrerseits mit gutem Flächenkontakt am Jochkreis 5 an­ liegen. Die Ausbildung der Mittel 18 als Lamellenscheiben ermöglicht trotzdem einen guten Flächenkontakt mit den Dauer­ magnetmitteln 19 bei kostengünstiger Herstellung der Scheiben, obwohl sie eine geringere Durchmessergenauigkeit im Vergleich zu einem einteiligen Magnetflußmittel aufweisen, das genauer gefertigt sein müßte.

Der weitere Endkern 7 ist z.B. durch axial wirkende Feder­ mittel 31, beispielsweise in Form einer tellerförmigen Schei­ benfeder, die an dem dem Anker 10 abgewandten Endbereich des Kernes 7 angreift, gegenüber der ihn umgebenden Ferromagnet­ hülse 30 fixiert, wobei die Scheibenfeder selbst im Aufnahme­ teil 22 fixiert ist. Die Scheibenfeder ist mit Löchern 32 ver­ sehen (Fig. 3), die zu den Fluidwegen 29 auf dem Umfang des weiteren Endkernes 7 ausgerichtet sind, und drückt den Endkern 7 ferner unter Abdichtung in einen Endsitz 33 des Fluidanschlus­ ses 3. Hierdurch ist der Fluiddurchgang 9 des weiteren End­ kernes mit dem einen Fluidweg 3 des Sockelteils 2 fluidisch verbunden, während die äußeren Fluidwege 29 dieses Kernes 7 mit dem anderen Fluidweg 4 des Sockelteils kommunizieren, wie die Fig. 1 und 4 deutlich zeigen.

Eine weitere Möglichkeit, das Aufnahmeteil 22 und damit das Steuerteil 1 mit dem Sockelteil 2 zu verbinden, zeigt Fig. 4, wo eine Schnappverbindung gezeigt ist, die sich durch Arme 34 mit Außenwülsten 35 des Teils 22 und aus einer Umfangsnut 36 des Sockelteils 2 zusammensetzt. Diese Verbindungsart für die Teile 1 und 2 wird vorzugsweise angewendet, weil hierdurch die Teile schnell montiert und demontiert werden können.

Ferner ist es möglich, das Steuerteil 1 relativ zu dem Sockel­ teil 2 in verschiedenen Winkellagen mittels Formschlußteilen zu positionieren, indem z.B. das Aufnahmeteil 22 noppenartige Vorsprünge 37 aufweist, die in korrespondierende Vertiefungen 38 des Sockelteils 2 eingreifen (Fig. 4). Diese Formschluß­ mittel sind mehrfach vorgesehen und mit gleichem Winkelab­ stand voneinander auf einem Kreis angeordnet.

Das beschriebene Ventil arbeitet auf folgende Weise.

Gemäß Fig. 1 hat die kurzzeitig mit Strom beaufschlagte elektrische Spule 17 bewirkt, daß der Anker 10 gegen den unteren Endkern 7 zur Anlage gekommen ist, so daß dessen zentraler Fluiddurchgang 9 geschlossen ist. Der Anker bleibt nun in dieser Stellung, in der er durch die Kraft des durch die Teile 7, 10, 18, 19, 5, 30 verlaufenden magnetischen Flusses gehalten wird. Ein Fluidstrom kann nun entlang der Fluidwege 4, 23, 32, 29, 28 und 8 erfolgen. Erfolgt zu einem gewünschten Zeitpunkt eine kurzzeitige Strombeaufschlagung der anderen Spule 16, dann wird der genannte permanente Magnet­ fluß überlagert durch die entstehende elektromagnetische Kraft dieser Spule und der Anker 10 in seine andere Endstellung an dem Endkern 6 bewegt, so daß dessen Fluiddurchgang 8 ge­ schlossen ist.Der Anker verbleibt in dieser Endstellung durch den dann hauptsächlich über den oberen Endkern 6 verlaufenden permanentmagnetischen Kraftfluß. Somit ist dann eine Fluid­ kommunizierung zwischen den Fluidwegen 3, 9, 29, 32, 23 und 4 gegeben.

Claims (9)

1. Bistabiles Magnetventil mit dauermagnetischer Haltekraft,

• - bei dem in einem länglichen, zentralen Innenraum ein zwischen zwei Arbeitsstellungen als Ventilkörper wirkender Anker mit Fluidwegen axial beweglich ist,
• - bei dem jedem Ende des Ankers ein dessen Arbeitsstellungen bestimmender Körper mit zentralem Fluiddurchgang zugeordnet ist,
• - bei dem dem Anker radial gegenüberliegende und seine Arbeitsstellungen stabilisierende Dauermagnetmittel und Magnetflußmittel vorgesehen sind, die auf der dem Anker abgekehrten Seite mit einem Jochkreis in Kontakt stehen,
• - und bei dem axial neben den Dauermagnetmitteln und den Magnetflußmitteln jeweils eine elektrische Spule vorge­ sehen ist, wobei die betreffende Spule bei Stromversor­ gung den Anker gegen den entsprechenden Körper bewegt, dadurch gekennzeichnet,
• - daß in an sich bekannter Weise ein rohrförmiger Spulen­ träger (11) mit dem zentralen Innenraum (12) für den Anker (10), mit einem ferromagnetischen, den Anker an seinem einen Ende axial gegenüberliegenden, den einen Fluiddurchgang (8) aufweisenden, mit dem Jochkreis (5) in Kontakt stehenden Endkern (6) und mit der einen elek­ trischen, den Anker und den Endkern in axialer Richtung teilweise umgebenden Spule (16) vorgesehen ist, wobei der Anker (10) mit zwei endständigen, gegeneinander abgefeder­ ten Dichtungselementen (25, 26) und mit wenigstens einem Fluidweg (28) auf seiner Außenseite versehen ist,
• - daß beide Dichtungselemente (25, 26) in dem Anker (10) axial beweglich gelagert sind,
• - daß der Spulenträger (11) axial verlängert ausgebildet und mit der zweiten elektrischen Spule (17) sowie mit den axial zwischen den beiden Spulen angeordneten Magnetfluß­ mitteln (18), die auf ihrer Außensseite die Dauermagnet­ mittel (19) aufweisen, versehen ist,
• - daß ein weiterer, den anderen zentralen Fluiddurchgang (9) und auf seinem Außenumfang wenigstens einen axialen Fluid­ weg (29) aufweisender, ferromagnetischer Endkern (7) und eine diesen Endkern umgebende Ferromagnethülse (30), die sowohl mit diesem Endkern als auch mit dem Jochkreis in Kontakt steht, vorgesehen sind,
• - daß der weitere Endkern (7) und die Hülse (30) in den zentralen Innenraum (12) des Spulenträgers (11), dem ande­ ren Ende des Ankers (10) gegenüberliegend, axial hinein­ ragen,
• - und daß die zweite Spule (17) den Anker und die Hülse (30) mit dem weiteren Endkern (7) in axialer Richtung teilweise umgibt.

2. Magnetventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf dem Spulenträger (11) radial zwischen dem Anker (10) und den Dauermagnetmitteln (19) angeordneten Magnetfluß­ mittel (18) aus zu einem Paket zusammengefügten Lamellen­ scheiben bestehen.

3. Magnetventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Ferromagnethülse (30) sich im wesentlichen über die gesamte Länge des weiteren Endkernes (7) er­ streckt.

4. Magnetventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Spulenträger (11) drei axial nebeneinander­ liegende Kammern (13, 14, 15) aufweist und daß die mittlere Kammer (14) die Magnetflußmittel (18) aufnimmt, während in den beiden äußeren Kammern die elektrischen Spulen (16, 17) vorgesehen sind.

5. Magnetventil nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Endkern (7) durch axial wirkende, an seinem dem Anker (10) abgewandten Ende angreifende Federmittel (31) gegenüber der ihn umgebenden Ferromagnethülse (30) fixiert ist.

6. Magnetventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Federmittel (31) aus einer tellerförmigen Scheibenfeder mit Löchern (32) bestehen, welch letztere zu den Fluid­ wegen (29) auf dem Umfang des weiteren Endkernes (7) ausge­ richtet sind.

7. Magnetventil nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß der weitere Endkern (7) und die ihn umgebende Ferromagnethülse (30) auf ihrem dem Anker abge­ wandten Endabschnitt in einem nichtmagnetischen Aufnahme­ teil (22) gelagert sind und daß das Aufnahmeteil am Jochkreis (5) und/oder an einem den Jochkreis umgeben­ den Gehäuse (20) vorzugsweise durch Schnappverbindung (21) befestigt ist und die den weiteren Endkern fixierenden Feder­ mittel (31) trägt.

8. Magnetventil nach Anspruch 7, bei dem dessen elektrischer Steuerteil (1) mit einem zwei Fluidwege aufweisenden Sockel­ teil (2) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufnahmeteil (22) andererseits vorzugsweise durch Schnapp­ verbindung (35, 36) an dem Sockelteil (2) befestigt ist und daß der zentrale Fluiddurchgang (9) des weiteren End­ kernes (7) mit dem einen Fluidweg (3) des Sockelteils (2) kommuniziert und die Fluidwege (29) auf dem Außenumfang des Endkernes (7) mit dem anderen Fluidweg (4) des Sockel­ teils kommunizieren.

9. Magnetventil nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeich­ net, daß das Aufnahmeteil (22) und das Sockelteil (2) mit Formschlußmitteln (37, 38) versehen sind, um das elektrische Steuerteil (1) relativ zu dem Sockelteil (2) in einer ge­ wünschten Winkellage zu positionieren.