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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Elektromagnetventile. Derzeitige
Elektromagnetventile umfassen hauptsächlich einen Tauchspulmagneten,
was einen verhältnismässig einfachen
Aufbau und gute Leistungen bei Aktivatoren von erheblichem Volumen,
d.h. zumindest mehr als zwei Kubikzentimeter, zulässt. Diese
bekannten Elektromagnetventile weisen mehrere Nachteile auf, die
sich von der erheblichen Masse des Tauchkolbens sowie seitlichen Reibungen
im Inneren des Spulenkerns herleiten. Weiter ist auch der übliche Einsatz
einer linearen Schraubenfeder, die auf den Tauchkolben wirkt, um das
Ventil in der geschlossenen Stellung zu halten, ein wichtiger Nachteil.
Diese Feder muss tatsächlich entsprechend
bemessen sein, um die Remanenz des Materials des feststehenden Kerns überwinden
zu können,
der den Tauchkolben anzieht. Die Kraft, die erforderlich ist, um
die Düse
abzudichten, ist bei Mikroventilen sehr viel geringer. Indem so
durch die lineare Schraubenfeder eine erhöhte Kraft auf das System aus
Klappe und Düse
ausgeübt
wird, die so bemessen ist, dass der Tauchkolben vom feststehenden
Magnetkern abgehoben werden kann, wird ein rascher Qualitätsverlust
der Klappe verursacht und die elektrische Leistung, die zur Kommutierung
des Ventils erforderlich ist, unnötig erhöht. Die meisten Elektromagnetventile
weisen einen Aufbau auf, bei dem der Hub des Tauchkolbens, durch
den die Hubleistung des Ventils bestimmt wird, von den Abmessungen
einer erheblichen Anzahl von Teilen abhängt. Man spricht daher von
einer mangelhaften Überlagerung
der Rohabmessungen; wenn die Fertigungstoleranzen der Teile berücksichtigt
werden, die die Hublänge
des Tauchkolbens beeinflussen, wird es sehr schwierig, mehrere Ventile
identischer Hubleistung herzustellen, wenn der Hub mit einer Genauigkeit
von 200 μm
oder darunter definiert wird.
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Ein
Elektromagnetventil des Standes der Technik wird im Dokument
FR 2 671 597 A vorgestellt.
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Eines
der Probleme beim Aufbau von derzeit auf dem Markt befindlichen
Elektromagnetventilen liegt in den Methoden der äusseren elektrischen und pneumatischen
Kontaktierung. Viele Elektromagnetventile haben als ein System für den elektrischen Aussenanschluss
mehradrige Leiter, auf die die Enden der Spulendrähte direkt
aufgewickelt sind. Dieses System weist mehrere Nachteile auf; seine
Herstellung ist sehr schwer automatisch zu gestalten, sie erfordert
viel Handarbeit. Bei einem Aktivator mit flachem Elektromagneten
muss der Aussendurchmesser des Ventils erhöht oder der Durchmesser der Spule
verringert werden, um die Drähte
und Spleissstellen im Inneren des feststehenden Magnetkerns 1 unterzubringen.
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Bei
anderen existierenden Elektromagnetventilen werden die Enden der
Spulendrähte
an Spitzen angeschweisst, die mit einem zweiten Anschluss verbunden
sind, der als elektrischer Aussenanschluss dient.
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Die
meisten Elektromagnetventile werden mit Schrauben auf ihrer Saugplatte
angebracht. Wenn die Ventildimensionen sehr klein sind, ist es sehr
schwer, diese Art der Befestigung zu integrieren.
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Das
Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Realisierung
eines Miniatur-Elektromagnetventils zu ermöglichen, bei dem die vorerwähnten Nachteile:
Aktivatorvolumen, Reibungsverluste darin, komplizierter Aufbau, Überlagerung
einer erheblichen Anzahl von Rohabmessungen, schwierige Montage
und Qualitätsverlust
der Verschlussklappe durch eine zu hohe Andruckkraft, umgangen werden. Der
Aufbau der in dieser Patentschrift vorgestellten Elektromagnetventile
optimiert die Kräfte
des Elektromagneten in Abhängigkeit
von den Aussenabmessungen des Systems. Die Miniaturisierung des
Ventils verlangt, das jedes Teil mehrere Funktionen ausfüllt.
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Die
vorliegende Erfindung hat ein Miniatur-Elektromagnetventil zum Gegenstand,
das sich durch die in Anspruch 1 ausgesprochenen Merkmale auszeichnet.
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Die
beigefügten
Zeichnungen veranschaulichen schematisch und beispielhaft einige
Ausführungsformen
des erfindungsgemässen
Elektromagnetventils.
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1a, 1b und 1c sind
schematische Schnitte durch Elektromagnetventile mit flachem Elektromagneten,
die aus einem feststehenden Magnetkern 1, einem Ring 10 und
einem Körper 16 bestehen.
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2a, 2b, 2c, 2d und 2e stellen
verschiedene Beispiele für
die Integration des nach der Konfiguration 1a aufgebauten
Ventils mit der Grundplatte vor. Die gleichen Integrationssysteme
können
für Ventile
eingesetzt werden, die gemäss den
Konfigurationen 1b und 1c aufgebaut sind. 2f zeigt
ein System des Druckausgleichs, das in ein Ventil mit flachem elektromagnetischem
Aktivator einmontiert ist. 2g stellt
ein Elektromagnetventil mit flachem Elektromagneten vor, das eine
Trennmembran enthält.
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3a und 3b veranschaulichen
zwei typische Formen von Flachfedern, die für die Konstruktionsidee für Ventile
geeignet ist, wie sie in dieser Patentschrift beschrieben werden.
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4a und 4b zeigen
zwei Möglichkeiten
des Schutzes des Solenoids vor der Flüssigkeit.
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5a und 5b veranschaulichen
ein System für
die Integration des Halteabschnitts einer elektrischen Steckerverbindung.
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6 veranschaulicht
ein System der elektrischen Verbindung durch Anschlüsse, durch
das das Ventil ebenfalls auf seiner Grundplatte gehalten wird.
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7 stellt
ein System für
den Ausgleich der Ausdehnung der auf einen flachen Tauchkolben montierten
Klappe vor.
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Der
Aktivator der veranschaulichten Elektromagnetventile setzt sich
aus einem Elektromagneten, der durch einen feststehenden Magnetkern 1 gebildet
wird, in dem eine Spule 2 untergebracht ist, und aus einem
flachen Tauchkolben 3 zusammen, der durch eine Flachfeder 13 gehalten
wird. Die Spule 2 ist vom selbsttragenden Typ und ist in
der Phase der Verfestigung der Spulendrähte auf ein Element 4 aufgeklebt,
durch das sie im feststehenden Magnetkern 1 an Ort und
Stelle gehalten wird und das als Träger für die beiden Spitzen 5 dient,
um die die Enden der Drähte
des Solenoids gewickelt sind und die auch als elektrische Anschlüsse des
Elektromagnetventils dienen.
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Der
feststehende Magnetkern 1 hat die Gestalt eines geraden
Zylinders und umfasst einen Vorspung 6 auf seiner zylindrischen
Aussenseite.
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Der
untere Abschnitt des feststehenden Magnetkerns 1 sitzt
in einem Zwischenring 10 (1a) oder
direkt im Körper
(1b). Ein dichtender O-Ring 11 kann zwischen
der Oberseite dieses Zwischenrings 10 (1a)
oder des Körpers 16 (1b)
und dem Vorsprung 6 des feststehenden Magnetkerns 1 untergebracht
sein. Dieser Zwischenring 10 erstreckt sich über das
aktive Ende des feststehenden Magnetkerns 1 hinaus, er
umfasst einen Innenflansch 12, der als Halt für den flachen
Tauchkolben dient. In bestimmten Ausführungsformen ist der Zwischenring 10 zusammen
mit dem feststehenden Magnetkern 1 als ein einziges Teil
ausgebildet.
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Ein
Verschlussstück 14 mit
einer Klappe 15 ist fest mit dem flachen Tauchkolben 3 verbunden. Eine
Feder 13 ist zwischen dem flachen Tauchkolben 3 und
dem Ver schlussstück 14 angebracht
und wird mit ihrer Peripherie gegen die Innenseite des Innenflansches 12 des
Zwischenrings 10 gedrückt.
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Die
Feder 13 ist eine Flachfeder, die zum Beispiel die in 3a und 3b veranschaulichten Formen
aufweist. Diese Feder 13 hat ein zentrales Loch 22 und
an ihrer Peripherie mündende Öffnungen 38.
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Das
Elektromagnetventil umfasst noch einen Körper 16, der im Inneren
(1a) oder ausserhalb (2f oder 1c)
des unteren Abschnitts des Zwischenrings 10 (1a)
oder des feststehenden Magnetkerns (1b) angeordnet
ist. Er ist am Ring 10 oder am feststehenden Magnetkern 1 mit
Hilfe eines Kunstharzes befestigt, das sich in einer Ringnut 17 befindet,
die an diesem Körper 16 angebracht
ist. Dieses Verschlusssystem funktioniert selbst dann sehr gut,
wenn der Körper
aus Kunststoff und der Ring aus Metall besteht; bei diesem System
wird das Prinzip genutzt, dass die Kleberdichtung am Metall haftet
und den Körper
mechanisch hält,
solange das Ventil unter Druck steht. Der Ventilkörper 16 hat Öffnungen 18 für den Eintritt
der Flüssigkeit
und eine zentrale Öffnung 19 für den Austritt
der Flüssigkeit. Dieser
Körper 16 definiert
also mit dem feststehenden Magnetkern 1 eine Kammer 43,
die durch die Öffnungen 18 mit
Flüssigkeit
versorgt wird und durch die Öffnung 19,
die einen Ventilsitz bzw. eine Düse 20 umfasst,
die mit der Klappe 15 des Verschlussstücks zusammenwirkt, Flüssigkeit
liefern kann.
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Das
Elektromagnetventil ist so konzipiert, dass es in der Ruhelage,
d.h. wenn der Elektromagnet 1, 2 nicht unter Spannung
steht, verschlossen ist. In dieser Lage ist der Flachkolben 3 vom
feststehenden Magnetkern 1 abgehoben und wird durch die
Feder 13 mit geringer Kraft gegen die Düse 20 gedrückt, die
somit durch die Klappe 15 dicht abgeschlossen ist. Die
Andruckkraft der Klappe 15 an der Düse 20, die durch die
Feder 13 definiert wird, wird für eine gegebene Feder 13 durch
die Entfernung zwischen der Düse 20 und
dem Innenflansch 12 des Zwischenrings sowie durch die Entfernung
der freien Oberfläche
der Klappe 15, ebenfalls bezogen auf diesen Innenflansch 12,
bestimmt. Diese Andruckkraft kann gering sein, um die Klappe 15 zu
schonen und um die elektrische Leistung für das Funktionieren zu verringern.
Diese Andruckkraft der Klappe 15 an der Düse 20 kann
unabhängig
von der Kraft festgelegt werden, die erforderlich ist, um den flachen
Tauchkolben 3 vom Elektromagneten 1, 2 abzuheben
und die Remanenzkraft zu überwinden,
da die Kraft für
das Abheben des Tauchkolbens 3 tatsächlich durch die Entfernung
zwischen der aktiven Seite des Elektromagneten 1, 2 von
der Ebene der Feder 13, d.h. dem Flansch 12, und
durch die Gestalt und die Dicke der Flachfeder 13 bestimmt
wird. Dieser Aufbau ermöglicht
es also, mit ein und derselben Flachfeder 13 eine höhere Kraft
für ein
Abheben des Tauchkolbens 3 und eine geringe Kraft für den Andruck
der Klappe 15 an die Düse 20 zu
schaffen.
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In
der in 3a und 3b in
Draufsicht veranschaulichten Ausführungsform hat die Feder 13 die
Gestalt einer Scheibe mit einem Loch 22 in der Mitte und
mit Öffnungen 38 an
der Peripherie, die durch zwei Federarme begrenzt wird. Die Arme
können
am ganzen Umfang des Vorsprungs (3a) oder
nur auf einem Abschnitt dieses Umfangs (3b) angebracht
und angedrückt
werden. Die peripheren Abschnitte dieser Federscheibe sind am Innenflansch 12 befestigt,
während
ihr zentraler Abschnitt zwischen dem Verschlussorgan 14 und
dem flachen Tauchkolben 3 angebracht ist. Es ist offensichtlich,
dass diese Federscheibe in anderen Ausführungsformen eine andere Gestalt
aufweisen könnte.
Diese Feder 13 kann Abmessungen und Eigenschaften aufweisen,
die ein Funktionieren unter Bedingungen eines sogenannten „Proportionalventils" ermöglichen.
In diesem Falle kann der Durchsatz des Ventils in Abhängigkeit
vom elektrischen Strom geregelt werden, der durch die Spule (2)
fliesst.
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Wie
in 4a und 4b veranschaulicht, kann
die Spule 2 durch eine Kunststoffdichtung 24, zum Beispiel
ein am Licht reagierendes Kunstharz, oder durch eine Dichtung aus
Elastomer 25 gegen die Flüssigkeit geschützt werden.
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Nach
ihrem Zusammenbau kann das Ventil nicht mehr auseinandergenommen
werden, so dass die Montageparameter, die die genannten Kräfte definieren,
nicht mehr verändert
werden können.
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Mehrere
Methoden des pneumatischen und elektrischen Anschlusses werden durch
die vorliegende Patentschrift definiert. Beim ersten Typ, der in 2a vorgestellt
wird, liegt das Ventil in Gestalt einer Schraube vor, die in einem
Loch der Grundplatte befestigt wird. Das Aussengewinde der Schraube 7 sitzt
auf dem feststehenden Magnetkern 1. Dieses Gewinde kann
in bestimmten Ausführungsformen selbstschneidend
sein. Nachdem das Ventil auf seiner Einsatz-Grundplatte an Ort und
Stelle gebracht worden ist, wird die Dichtung zwischen den verschiedenen
Räumen
durch zwei O-Ringe 11 und 21 gewährleistet,
die eine vollkommene Dichtheit des Aufbaus gewährleisten, die vom Festziehen
des Ventils in der Grundplatte unabhängig ist. In diesem Falle weist
die freie Oberfläche
des magnetischen Kreises 1 eine nichtzylindrische Einsenkung 23 auf,
die es ermöglicht,
das Ventil mit Hilfe eines Werkzeuges zu drehen.
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Das
zweite Befestigungssystem (2b, 2c, 2d, 2e)
besteht darin, das Ventil durch einen radialen Vorsprung 42,
der auf der Höhe des
magnetischen Kreises 1 oder des Rings 10 liegt, auf
der Grundplatte zu halten. Dieser Vorsprung kann axialsymmetrisch
sein oder lediglich zwei Abschnitte aufweisen, um wie ein Bajonettverschluss
in einem pneumatischen System verwendet zu werden. Die Abdichtung
zwischen den verschiedenen Räumen des
Systems kann durch ein System radialer (2b, 2c)
oder axialer (2d, 2e) O-Ringe
gewährleistet
werden. Bei einem Aufbau des in 1c veranschaulichten
Typs kann sich der Vorsprung 42 auf der Höhe des Kunststoffkörpers befinden.
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Eine
der Besonderheiten des Ventils liegt in seinem elektrischen Anschluss.
Es ist mit Spitzen 5 ausgestattet, auf die die Enden der
Drähte
der Spule vor ihrem Einbau in den magnetischen Kreis 1 aufgewickelt
und aufgeschweisst werden. Die Spitzen werden direkt für den äusseren
elektrischen Anschluss des Ventils verwendet.
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Im
ersten System des elektrischen Anschlusses werden die Spitzen 5 als
Stecker verwendet. Ein Plastikteil 26 wird auf den magnetischen
Kreis gelegt, um die untere Verschweissung 39 zu schützen, und bildet
einen Teil des Halters 41 für den Verbinder (5a und 5b).
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Beim
zweiten System des elektrischen Anschlusses werden die Spitzen direkt
auf eine äussere Leiterplatte
aufgeschweisst.
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Ein
weiteres System für
den elektrischen Anschluss und gleichzeitig die Befestigung des
Ventils auf seiner Saugplatte wird in 6 vorgestellt.
Eine Leiterplatte 30 mit zwei Elektroden 31 wird
nach der Endmontage des Ventils an die Spitzen 5 angeschweisst.
Zwei auf einer äusseren
Platte 33 sitzende Federkontakte 32 werden gegen
die Elektroden 31 gedrückt.
Ein Teil 28 wird zwischen die Platte 33 und das
Ventil eingesetzt und spannt das Elektromagnetventil längs in seiner
Grundplatte ein.
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Ein
System für
den Ausgleich der Ausdehnung der Klappe, die zum Beispiel unter
Temperatureinwirkung erfolgt, kann in den Klappenträger eingebaut
werden (7). Die Klappe 15 wird
gleitend auf den Klappenträger 14 montiert,
und diese Klappe 15 wird der Einwirkung einer Feder 34 ausgesetzt,
die sich zwischen dem Elastomer und dem oberen inneren Abschnitt
des Trägers
befindet. Diese Feder 34 drückt die Klappe 15 gegen den
unteren Vorsprung 29 des Klappenträgers 14. Die Klappenverlängerung ist
innen, und ihre mit der Düse
in Berührung
stehende Seite hat dann immer das gleiche Rohmass.
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Das
erfindungsgemässe
System ermöglicht es,
ein System des Druckausgleichs einzubeziehen, das auf die Klappe
wirkt, während
das Ventil geschlossen ist (2f).
In diesem Falle wird der Klappenträger 14 aus zwei Abschnitten
gefertigt, um eine dichtende Zwischenmembran 36 einspannen
zu können.
Ein Loch 35 ist in der Mitte des Klappenträgers angebracht,
damit der Druck unter der Düse
gleich dem Druck in der Zwischenkammer 37 ist. Durch dieses
System wird ermöglicht,
die durch den auf die Klappe wirkenden Druck verursachten Kräfte auszugleichen.
Es funktiert in beiden Richtungen.
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Eine
Membran kann im Inneren des Körperabschnitts 16 des
Ventils untergebracht werden (2g),
um eine Berührung
zwischen der Flüssigkeit
und dem elektromagnetischen Aktivator zu verhindern, die Totvolumina
zu verringern und somit ein Ventil zu schaffen, das als Ventil „mit getrennten
Medien" bezeichnet
wird. In diesem Falle kann der Körper
mehrteilig hergestellt werden.
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Die
mit der Flüssigkeit
in Berührung
kommenden Metallteile des Ventils können mit einem ultradünnen Schutzfilm
versehen werden, zum Beispiel aus DLC (amorphem Kohlenstoff), Polymer
oder Keramik. Da die Federkonstante der Flachfeder 13 progressiv
ist, also dämpfend
wirkt, und die Stossfläche zwischen
dem Tauchkolben 3 und dem feststehenden Magnetkern erheblich
ist, ist die Gefahr eines Qualitätsverlusts
des dünnen
Films sehr gering.
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Durch
seinen Aufbau und durch den Einsatz eines Elektromagneten mit flachem
Tauchkolben kann das Volumen des Elektromagnetventils verringert
werden, und die Reibungskräfte
zwischen dem Kern und dem Tauchkolben können ausgeschaltet werden.
Ausserdem kann dank der Federscheibe die Klappe mit geringer Kraft
gegen ihre Düse
gedrückt werden,
während
aber eine grössere
Kraft für
das Abheben des flachen Tauchkolbens vom Elektromagneten zur Verfügung steht.
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Die
Anbringung dieses Ventils ist sehr einfach und schnell, und zwar
wegen des selbstschneidenden Gewindes und wegen der Befestigung
durch einen Halter, einen Bajonettverschluss oder eine obere Platte.
Dieses Elektromagnetventil, das also in Gestalt einer nicht demontierbaren
Patrone vorliegt, ist einfach und billig und kann sehr nahe beim
Einsatzort der Flüssigkeit
angebracht werden.