SE504052C2 - Reglerventil för styrning av ett fluidum - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 504 052 SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Ändamålet med föreliggande uppfinning är, att föreslå en anordning för reglering av en sådan spaltventil, för att åstadkomma en reglerventil med huvudsakligen linjärt förhåll- ande mellan flöde och en styrstorhet, som företrädesvis är en elektrisk ström.

Ett annat ändamål med uppfinningen är att föreslå en reglerventil, som är mycket noggrann och ger repeterbara värden på regleringen av flödet.

Vidare är det ett ändamål med uppfinningen att, så långt möjligt är, eliminera friktionskrafterna och den magne- tiska hysteres, som tidigare kända solenoidventiler har.

För att uppfylla dessa ändamål åstadkommas enligt uppfinningen en reglerventil med de kännetecken, som framgår av nedanstående patentkrav.

KORTFATTAD BESKRIVNING AV RITNINGARNA Uppfinningen beskrives mer i detalj nedan, med hjälp av föredragna utföringsformer av uppfinningen och under hän- visning till bifogade ritningar.

Fig 1 är en tvärsnittsvy av en föredragen utförings- form av reglerventilen enligt föreliggande uppfinning.

Fig 2 är en tvärsnittsvy av reglerventilen enligt fig 1, dock i ett andra driftsläge.

Fig 3 är en planvy över en fjäderbricka som används i reglerventilen enligt fig 1.

Fig 4 är ett diagram, som visar sambandet mellan flödet och den elektriska reglerstorheten, som i detta fallet är en strömstyrka.

Fig 5 är en planvy liknande fig 3 över en alternativ utformning av fjäderbrickan.

Fig 6 är ett förstorat detaljtvärsnitt av ventilsäte och ventilelement i reglerventilen enligt fig 1 och 2.

Fig 7 är ett tvärsnitt motsvarande fig 6 av en alter- nativ utformning av ventilsäte och ventilelement.

DETALJERAD BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN I fig 1 visas en föredragen utföringsform av regler- 10 15 20 25 30 35 504 052 3 ventilen enligt uppfinningen i tvärsnitt.

Reglerventilen innefattar ett ventilhus 1 och ett reglerhus 2. Ventilhuset innefattar en inloppskanal 3 för inkommande flöde, som avslutas med ett ventilsäte 4. Ventil- sätet 4 mynnar centralt i en cylindrisk ventilkammare 5, som vid sin ena sida är försedd med ett utlopp 6.

Ventilkammaren 5 avgränsas nedåt i fig 1 av ett företrädesvis cirkulärt membran 7. På membranets mitt finns en plan gummiplatta 8, som är belägen mittför ovannämnda ventil- säte 4 och kan täta däremot. Membranet är vid sin periferi fastklämt mellan ventilhuset 1 och reglerhuset 2.

På andra sidan membranet 7, mittför gummiplattan, finns en rörformad spolstomme 10, som är fäst vid membranet 7 med en mutter 11, företrädesvis av aluminium. På spolstommen finns en spole 12 av elektrisk ledningstråd. Spolens 12 ändar är förbundna med kontaktstift 13, 14, som passerar genom reglerhusets 2 väggar.

Spolstommen är belägen i ett ringformat luftgap 9 bildat av två magnetok 15, 16, varvid ett radiellt magnetfält upprätthålles i det ringformade luftgapet 9 medelst en perma- nentmagnet 17 (av ringtyp) belägen mellan magnetoken 15, 16.

Luftgapets 9 höjd, definieras av det ena oket 15, som är ringformat. Spolen 12 och spolstommen 10 är fria att röra sig i luftgapet 9 utan att beröra oken 15, 16.

Reglerhuset 2 är försett med anordningar för att säkert fasthålla oken 15, 16 och permanentmagneten 17 i en bestämd position, så att det ringformade luftgapet 9 är väl- definierat och så rotationssymmetriskt som möjligt. Vidare finns ett centralt hål 18, som är försett med en skruv (visas ej i fig 1). En skruvfjäder 19, eller såsom en sådan allmänt brukar kallas; en spiralfjäder, är anordnad mellan skruven och det ovanförliggande membranet, dvs axiellt inuti spolen.

Det inses att det ovan beskrivna reglerhuset är mycket likt det inre av en högtalare och i en praktisk utför- ingsform av reglerventilen används också en sönderplockad högtalare, där högtalarmembranet ersatts av ovannämnda membran.

I fig 3 visas membranet 7 mer i detalj. Membranet består av en cirkulär stålbricka 7' försedd med flera urtag- 10 15 20 25 30 35 S04 052 - 4 ningar 21, såsom visas i figuren. Urtagningarna bildar till- sammans tre partiellt ringformade fjäderben 22, som är så långa som möjligt. Därmed blir fjädringskraften inte alltför stor, vilket är ett önskemål. Spolstommen 10 är fäst vid fjäder- brickan 7', såsom visas med streckade linjer 23 i fig 3. I mitten av fjäderbrickan finns ett hål 24 avsett för anbringning av en skruv och mutter.

På detta sättet erhålles en fjäderbricka, där den axiella utböjningen av brickans centrum i förhållande till dess periferi är huvudsakligen proportionell mot den utböjande kraften, givetvis inom vissa gränser. Fjäderbrickan motstår också tendenser till snedställning av spolstommen, så att denna alltid förblir huvudsakligen axiellt inriktad.

Av ovanstånde beskrivning torde funktionen av regler- ventilen vara uppenbar. En ström tillföres anslutningsstiften 13 och 14 och får passera genom spolen 12. Strömmen samverkar med det radiella magnetfältet alstrat av permanentmagneten 17 och oken 15 och 16 i luftgapet 9 däremellan. Därvid uppkommer en kraft, som tenderar att förflytta spolen axiellt i endera riktningen beroende på riktningen för den tillförda strömmen, varvid kraften är direkt proportionell mot strömmen.

Spolen är förspänd uppåt i fig 1 medelst skruv- fjädern 19 och membranet 7 eller fjäderbrickan 7'. Därvid tryckes gummiplattan 8 mot ventilsätet 4 med en förutbestämd kraft och inloppet är stängt. Allteftersom den tillförda strömmen ökar, kommer den av strömmen och magnetfältet alstrade kraften att motverka och upphäva summan av ovannämnda fjäder- krafter och det tryck, som ingångstrycket utövar på gummiplat- tan, varvid ventilsätet öppnas och ett flöde erhålles från inloppet 3 till ventilkammaren 5 och utloppet 6.

När strömmen ökar ytterligare, kommer spolen och membranet att förflyttas ytterligare nedåt till ett nytt jämviktsläge bestämt av de motverkande fjäderkrafterna. Därvid ökar också avståndet mellan gummiplattan 8 och ventilsätet 4.

Gasflödet förbi ventilsätet är huvudsakligen proportionellt mot avståndet mellan gummiplattan och ventilsätet.

Sambandet mellan gasflödet och strömmen i spolen framgår närmare av fig 4. Såsom framgår av kurvan är flödet i 10 15 20 25 30 35 504 052 5 det närmaste noll fram till en strömstyrka av omkring 0,3 A, där fjäderkrafterna huvudsakligen motverkas. Från omkring 0,5 A och till drygt 1,1 A är gasflödet nästan fullständigt pro- portionell mot strömstyrkan, vilket område motsvarar ett gasflöde mellan ca 30 - 200 liter per minut, vid ett ingångs- tryck på 3 kp/cmz och ett utgångstryck på omkring 0,1 kp/cmz för den utföringsform som ligger till grund för fig 4.

Linjäriteten för sambandet mellan gasflödet och strömstyrkan kan förbättras eller påverkas genom den exakta utformningen av ventilsätet och gummiplattan. Vidare påverkas linjäriteten av fjädrarnas egenskaper.

I fig 6 visas en förstoring av ventilsätet 4 och ventilelementet 8. Ventilsätet består av en nippel 25, som sträcker sig ut från ytan av ventilkammaren 5. Nippeln 25 har en planslipad nedre kant 26. Ventilelementet består av nämnda mutter 11, som har en försäkning 27, i vilken gummiplattan 8 är anordnad. Avståndet mellan plattan 8 och den nedre kanten 26 bildar den spalt genom vilken gasflödet passerar.

Spolen består av ett fåtal varv ledningstråd av koppar, exempelvis ca 10 varv av koppartråd med en diameter av 1 mm. Tråden kan ha fyrkantigt tvärstnitt för att bättre utnyttja utrymmet i luftgapet 9. Övriga från högtalarteknik kända egenskaper och särdrag kan utnyttjas i föreliggande uppfinning.

Spolstommen är i den visade reglerventilen helt utan järnkärna, vilket leder till en mycket lätt och därigenom mycket snabb konstruktion. Genom att ingen järnkärna finns, uppkommer ingen remanens eller hysteres, som kan påverka noggrannheten och repeterbarheten av regleringen.

Spolstommen uppbäres enbart av membranet och för- flyttar sig i luftgapet utan att beröra oken. Således uppkommer ingen friktion för spolstommen, som således blir mycket lätt- rörlig. En mycket noggrann och repeterbar reglering kan uppnås enligt uppfinningen.

Det påpekas att en eller flera av skruvfjädern 19 och skruven i hålet 18 samt muttern 11 lämpligen är tillverkade av plastmaterial eller aluminium för att vara inerta ur magnetisk synpunkt och så lätta som möjligt. 10 15 20 25 30 35 504 D52 6 Membranet 7 eller fjäderbrickan 7' kan vara av stål för att erhålla goda fjädringsegenskaper.

Det inses att luften i ventilkammaren 5 kan passera genom hålen i fjäderbrickan 7' ned till utrymmet under mem- branet. Gastrycket i ventilkammaren 5 påverkar således inte membranet eller utsätter spolen för någon kraft annat än i stängt läge, då inloppstrycket verkar på gummiplattans yta.

Reglerhuset är tätat så, att gasen inte kan läcka ut till omgivningen.

Alternativt kan fjäderbrickan 7' vara försedd med ett tätande membran, så att gasen är innestängd ovanför membranet.

Därvid kommer trycket vid utloppet att påverka membranet och en variation av detta tryck påverkar spalthöjden. Då emellertid trycket vid utgången är mycket nära atmosfärstrycket och dessutom huvudsakligen konstant, innebär denna påverkan ingen praktisk olägenhet i vissa tillämpningar.

Det inses att spiralfjädern 19 kan utelämnas i sådana konstruktioner där ett inställbart stängningstryck inte erfor- dras. Därvid övertar fjäderbrickan helt den motverkande meka- niska fjäderfunktionen, som huvudsakligen bestämmer linjärite- ten. Vidare ombesörjer fjädermembranet att ventilen är stängd, om ingen ström tillföres.

Alternativt kan en ström i motsatta riktningen åstad- komma en kraft, som håller ventilen stängd och ersätter spi- ralfjädern. Genom att använda strömmar i bägge riktningarna erhålles fördelen, att permanentmagneten inte riskerar att avmagnetiseras. En reglerventil enligt denna utföringsform är öppen, om strömmen brytes av någon anledning (strömavbrott), vilket kan vara användbart i vissa sammanhang.

Det är också möjligt att använda ett membran utan fjädrande egenskaper, varvid membranet endast har till funktion att hålla spolstommen inriktad med luftgapets symmetriaxel. Den erforderliga fjädringskraften kan åstadkommas av nämnda spi- ralfjäder.

I fig 5 visas en alternativ utföringsform av fjäder- brickan som utgör membranet 7. Denna fjäderbricka 7" har fyra radiella ben 31, som kan ge önskad fjädring i axiell led och ger stabilitet i sidled. Det inses att ytterligare varianter på 10 15 20 -25 30 504 052 7 fjäderbrickan erbjudes för en fackman.

Det inses också att oken 15, 16 måste vara till- verkade av ferromagnetiska material, som inte erbjuder någon risk för mättnad på grund av magnetfältet i spolen.

Permanentmagneten kan givetvis ersättas av en elek- tromagnet om så önskas. Därvid kan erhållas ett kvadratiskt samband mellan ström och kraft, dvs mellan strömmen och av- ståndet mellan ventilplatta och ventilsäte. Permanentmagneten kan vara av konventionell konstruktion eller vara tillverkad av högpermanent-magnetiska material såsom kobolt-samarium etc.

Som alternativ kan ventilsätet 4 utgöras av en 0-ringstätning och kan gummiplattan 8 ersättas av en hård platta av exempelvis hårdplast. Spolstommen kan gjutas i en form där ett mittparti är upphöjt för att bilda plattan.

Spolstommen kan också integrera fjäderbrickan eller membranet 7, varigenom en reglerventil med få delar erhålles.

Det är möjligt att utforma ventilsätet och ventil- elementet såsom koniska samverkande element, varvid samma funktion erhålles, men med större slaglängd för spolen. En sådan utföringsform visas mer i detalj i fig 7. Därvid är ventilsätet utformat med ett inre konformat parti 35 och har ventilelementet ett komplementärt utformat koniskt parti 36.

För att erhålla säker tätning i det stängda läget, kan ventil- elementet vara försett med en gummitätning 37 vid det kon- formade partiets fot. I denna utföringsform är det av betydelse att de konformade partierna är exakt rotationssymmetriska och inte skevar, vilket påverkar reglerventilens karakteristik.

Härovan har uppfinningen beskrivits under hänvisning till föredragna utföringsformer av uppfinningen. Det inses dock att uppfinningen kan modifieras i många avseenden av en fackman som läser denna beskrivning och avsikten är att sådana, för en fackman uppenbara modifieringar skall ingå inom uppfinningens ram. Uppfinningen begränsas endast av nedanstående patentkrav.

Claims (7)

10 15 20 25 30 35 504 D52 PATENTKRAV

1. Reglerventil för styrning av ett fluidum exempel- vis ett gasflöde, omfattande ett inlopp (3) för flödet; ett ventilsäte (4), som är förbundet med inloppet (3): en ventilkammare (5), som är förbunden med ventil- sätet (4); ett utlopp (6) för flödet, som är förbundet med ventilkammaren (S); ett ventilelement (8), som är anordnat att samverka med ventilsätet (4) och reglera flödet genom reglerventilen; samt en reglerenhet (2), som är förbunden med ventilele- mentet (8) för att reglera avståndet mellan ventilsätet (4) och ventilelementet (8), en okanordning (15, 16), som bildar ett ringformat luftgap (9), och en magnet (17) anordnad i samband med okanord- ningen för att alstra ett magnetfält i luftgapet (9); en spoleanordning (10 och/eller 12), varvid ventil- elementet (8) är anordnat på spoleanordningens (10) ena ände; ett membran (7), som är anordnat att uppbära spole- anordningen (10 och/eller 12) i ett läge, så att ventil- elementet (8) är beläget mittför ventilsätet (4) och spole- anordningen (10 och/eller 12) är belägen i och är fritt rörlig i luftgapet (9); kännetecknad av att ventilelementet (8) och spoleanordningen (10) utgöres av en på membranet fritt upphängd enhet; en fjäderanordning (19, 7), vilken utgöres av en skruvfjäder (19) anordnad centralt inuti spolanordningen (10) och vilken är anordnad att förspänna ventilelementet (8) mot eller från ventilsätet (4), varvid en elektrisk ström, tillförd till spoleanord- ningen, åstadkommer en kraft som motverkar nämnda fjäderanord- ning och placerar ventilelementet på ett förutbestämt avstånd från ventilsätet, vilket avstånd är beroende av storleken hos nämnda ström. 10 15 20 504 052 -9

2. Reglerventil enligt krav 1, kännetecknad av att membranet utgöres av en fjäderbricka (7',7") med en huvud- sakligen linjär fjäderkarakteristik.

3. Reglerventil enligt krav 1 eller 2, kännetecknad av en justerskruv, som är anordnad att verka på skruvfjäderns (19) ena ände för inställning av anliggningstrycket mellan ventilelementet (8) och ventilsätet (4) i stängt läge för reglerventilen.

4. Reglerventil enligt krav något av föregående krav, kännetecknad av att ventilelementet (8) består av en mutter (11) fäst vid membranet (7) och spolstommen (10) samt en gummiplatta (8), som är försänkt i en urtagning (27) i nämnda mutter (11).

5. Reglerventil enligt krav 4, kännetecknad av att ventilsätet består av en nippel (25), som sträcker sig ut från ventilkammarens (5) yta och är försedd med en plan yttre kant (26).

6. Reglerventil enligt något av föregående krav, kännetecknad av att ventilelementet (8) består av ett konformat parti (36) och att ventilsätet (4) består av ett komplementärt utformat parti (35).

7. Reglerventil enligt något av föregående krav, kännetecknad av att membranet (7) utgöres av en styrning för spolstommen, som håller denna koncentrisk med luftgapet (9).