DE102018004855B4

DE102018004855B4 - Elektrofluidisches Sitzventil mit verbessertem Einfrierschutz

Info

Publication number: DE102018004855B4
Application number: DE102018004855.2A
Authority: DE
Inventors: Edwin Kreuzberg; Olaf Ohligschläger; Thomas Rolland; Mike Heck
Original assignee: Thomas Magnete GmbH
Current assignee: Thomas Magnete GmbH
Priority date: 2018-06-20
Filing date: 2018-06-20
Publication date: 2023-05-04
Anticipated expiration: 2038-06-21
Also published as: DE102018004855A1

Abstract

Elektrofluidisches Sitzventil (1), mindestens einen Elektromagneten (2) und eine Ventilbaugruppe (3) enthaltend, wobei die Ventilbaugruppe (3) mindestens aus einer Membran (4), einem Ventilsitz (5), einer ersten Leitung (6) und einer zweiten Leitung (7) besteht, und wobei die Membran (4) von den Druckkräften der Fluiddrücke in den Leitungen (6, 7) und von der Kraft eines Stößels (8) beaufschlagbar ist, der die Kräfte einer Rückstellfeder (9) und des Elektromagneten (2) überträgt, und wobei die Ventilbaugruppe (3) öffnet, wenn die auf die Membran (4) wirkenden fluidischen Kräfte die Summe der Kräfte der Rückstellfeder (9) und des Elektromagneten (2) überwiegen, und wobei die Ventilbaugruppe (3) schließt, wenn die Summe der Kräfte der Rückstellfeder (9) und des Elektromagneten (2) die auf die Membran (4) wirkenden fluidischen Kräfte überwiegen, wobei die öffnende Verformung der Membran (4) von einem beweglichen Adapter (10) begrenzt ist, der in dem Joch (22) des Elektromagneten (2) gelagert ist und von einem Federmittel (11) axial so abgestützt ist, dass sich die abstützende Kraft erhöht, wenn der Adapter (10) zum Elektromagneten (2) hin verlagert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die abstützende Kraft des Federmittels (11) auf den Adapter (10) nur wirkt, wenn der Adapter (10) von der Membran (4) aus seiner Ruhelage verschoben wird, wobei die Ruhelage des Adapters (10) von der ungespannten Länge des Federmittels (11) und dem Einbauraum des Federmittels (11) bestimmt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrofluidisches Sitzventil entsprechend dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs.
Stand der Technik:
Elektrofluidische Sitzventile sind bekannt und weit verbreitet. Es sind insbesondere elektromagnetisch angesteuerte Druckregelventile bekannt, deren Dichtkörper aus einer gegen einen Dichtsitz wirkenden Membran bestehen, zum Beispiel aus der Druckschrift DE 10 2013 012 818 A1 .
Ein solches Druckregelventil mit Membran besitzt einen geringen Schutz vor Beschädigung bei einem Einfrieren des Arbeitsfluids, denn die Membran kann zurückweichen und damit das verfügbare Volumen auf der Seite des Dichtsitzes vergrößern.
Wenn die Menge des einfrierenden Arbeitsfluids groß ist, reicht die genannten Vergrößerung des Volumens nicht aus und es können Beschädigungen auftreten.
Die DE 10 2014 013 512 A1 offenbart ein Membranventil, mit einem einen Ventilkörper aufweisenden Gehäuseunterteil, einem am Gehäuseunterteil befestigten Gehäuseoberteil, einer mit dem Ventilkörper zusammenarbeitenden Membran, einer mit der Membran verbundenen, axial verstellbaren Spindel und einem auf die Membran einen Druck ausübenden Druckstück, wobei das Gehäuseunterteil einen sich in Richtung des Gehäuseoberteils erstreckenden Aufnahmetopf aufweist in welchem die Membran aufgenommen ist, und im oder am Aufnahmetopf das Gehäuseoberteil befestigt ist, wobei im Gehäuseoberteil ein auf den Rand der Membran wirkendes und in Richtung des Gehäuseunterteils drängendes Druckelement vorgesehen ist.
Die DE 10 2011 016 819 A1 offenbart ein schaltbares Druckbegrenzungsventil mit einem Elektromagneten und einer Vorrichtung zum Öffnen und Verschließen eines Durchlasses für einen Fluidstrom. Das Öffnen des Ventils wird durch die Kraftbilanz am Stößel bestimmt, auf den die Druckkraft des Fluids am Anschluß P, die Druckkraft des Fluids am Anschluss T und die Kraft zweier Federn einwirken. Die Kraft der ersten Feder wird durch die Lage des Ankers des Elektromagneten verändert. Wenn die Druckkraft am Anschluß P die Summe der anderen Kräfte überwiegt, öffnet das Ventil. Die oben genannte Vorrichtung zum Öffnen und Verschließen besteht aus einer Membran und einem Dichtsitz und diese Membran ist zwischen dem Magnetpol und dem Gehäuse dichtend eingespannt.
Aufgabe:
Es soll ein elektrofluidisches Sitzventil mit verbessertem Schutz gegen die Wirkung von einfrierendem Arbeitsfluid beschrieben werden, wobei die bei dem Einfrieren erforderliche Vergrößerung des Volumens auf einer Seite der Membran wieder vollständig zurückgestellt wird, wenn das Arbeitsfluid wieder auftaut.
Lösung:
Die auf die Vorrichtung gerichteten Aufgaben werden durch die Merkmale des ersten Anspruchs gelöst, vorteilhafte Weiterbildungen sind in den folgenden Unteransprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße elektrofluidische Sitzventil enthält mindestens einen Elektromagneten und eine Ventilbaugruppe.
Die Ventilbaugruppe besteht mindestens aus einer Membran, einem Ventilsitz, einer ersten Leitung und einer zweiten Leitung.
Die Membran wird von den Druckkräften der Fluiddrücke in den genannten Leitungen und von der Kraft eines Stößels beaufschlagt, der die Kräfte einer Rückstellfeder und des Elektromagneten überträgt.
Die Ventilbaugruppe öffnet, wenn die auf die Membran wirkenden fluidischen Kräfte die Summe der Kräfte der Rückstellfeder und des Elektromagneten überwiegen.
Die Ventilbaugruppe schließt, wenn die Summe der Kräfte der Rückstellfeder und des Elektromagneten die auf die Membran wirkenden fluidischen Kräfte überwiegen.
Vorzugsweise übt der Elektromagnet eine die Ventilbaugruppe öffnende Kraft auf den Stößel und die Membran aus und die Rückstellfeder bewirkt eine die Ventilbaugruppe schließende Kraft auf den Stößel und die Membran. Allerdings können in einer anderen Ausführung der Elektromagnet auch schließend und die Rückstellfeder öffnend wirken.
Die öffnende Verformung der Membran ist von einem beweglichen Adapter begrenzt, der in dem Joch des Elektromagneten gelagert ist und von einem Federmittel axial so abgestützt ist, dass sich die abstützende Kraft erhöht, wenn der Adapter zum Elektromagneten hin verlagert wird, wobei die abstützende Kraft des Federmittels auf den Adapter nur dann wirkt, wenn der Adapter von der Membran aus seiner Ruhelage verschoben wird, wobei die Ruhelage des Adapters von der ungespannten Länge des Federmittels und dem Einbauraum des Federmittels bestimmt ist.
In einer alternativen Ausführung ist die Ruhelage des Adapters von einem Anschlag bestimmt, der eine Verlagerung des Adapters weg von dem Elektromagneten begrenzt. Der Anschlag ermöglicht den Einsatz einer vorgespannten Feder mit größerer durchschnittlicher Federkraft.
In einer ersten Ausführung besteht das Federmittel aus mindestens einer Tellerfeder, die nur geringen Bauraum benötigt.
In einer zweiten Ausführung besteht das Federmittel aus einem Elastomerkörper, der den verfügbaren Bauraum gut ausnutzt.
In einer dritten Ausführung besteht das Federmittel aus einer Spiralfeder, die eine sehr genaue Bemessung der Federkraft erlaubt.
In einer vierten Ausführung bilden das Federmittel und der Adapter eine körperliche Einheit und bestehen aus einem Elastomerkörper, dadurch lassen sich eine Bauteilereduzierung und eine Kostensenkung erzielen.
In einer fünften Ausführung bilden das Federmittel und der Adapter eine körperliche Einheit und bestehen aus einem aufgeschäumten Elastomerkörper mit Wabenstruktur, dadurch ergibt sich eine geringere Federsteifigkeit im Vergleich zu einem massiven Elastomerkörper.
In einer sechsten Ausführung bilden das Federmittel und der Adapter eine körperliche Einheit und bestehen aus einem Federbalg, dadurch ergibt sich eine Bauteilereduzierung und eine höhere Genauigkeit der Federkraft im Vergleich zu dem Elastomerkörper.
Vorteilhafterweise ist ein Flansch zur Befestigung des Elektromagneten an einem Gehäuse elastisch so verformbar ausgelegt, dass er bis zu einem Grenzdruck p₁ des Arbeitsfluids der Ventilbaugruppes durch seine elastische Verformung eine Volumenausdehnung des Arbeitsfluids dadurch ausgleichen kann, dass durch die Verformung des Flansches der Raum in der Ventilbaugruppe vergrößert wird.
Der Grenzdruck p₁ ergibt sich aus der Grenze der elastischen Verformung des Flansches, jenseits dieser Grenze kommt es zu einer plastischen Verformung und die geforderte vollständige Rückstellung nach dem Auftauen des Arbeitsfluids ist nicht mehr gegeben.
Weiter vorteilhafterweise sind mindestens zwei Befestigungsschrauben zur Befestigung des Elektromagneten an dem Gehäuse im Zusammenwirken mit jeweils einer Federscheibe elastisch so verformbar ausgelegt, dass sie ab einem Grenzdruck p₂ bis zu einem Grenzdruck p₃ des Arbeitsfluids der Ventilbaugruppes durch die elastische Verformung eine Volumenausdehnung des Arbeitsfluids dadurch ausgleichen können, dass durch die Verformung der Befestigungsschrauben und der Federscheiben der Raum für das Arbeitsfluid in der Ventilbaugruppe vergrößert wird.
Der Grenzdruck p₂ wird erreicht, wenn die Vorspannkraft der Federscheibe erreicht wird, und der Grenzdruck p₃ wird erreicht, wenn die Grenze der elastischen Verformung der Befestigungsschrauben erreicht wird.
Anwendung:
Elektrofluidische Sitzventile der beschriebenen Gattung werden zur Steuerung und Regelung von Drücken und Durchflüssen von Arbeitsfluiden eingesetzt, die bei einer Unterschreitung einer Grenztemperatur einfrieren können und dabei ihr Volumen vergrößern.
Figurenliste

1 zeigt eine Schnittdarstellung des elektrofluidischen Sitzventils entsprechend der ersten Ausführung im bestromten Zustand des Elektromagneten.
2 zeigt eine ausschnittsweise Schnittdarstellung mit einem Elastomerkörper als Federmittel entsprechend der zweiten Ausführung.
3 zeigt eine ausschnittsweise Schnittdarstellung mit einer Spiralfeder als Federmittel entsprechend der dritten Ausführung.
4 zeigt eine ausschnittsweise Schnittdarstellung mit einem aufgeschäumten Elastomerkörper entsprechend der fünften Ausführung.
5 zeigt eine ausschnittsweise Schnittdarstellung mit einem Federbalg entsprechend der sechsten Ausführung.
6 zeigt eine Ansicht des Ventils.
7 zeigt eine Detaildarstellung der Verschraubung zur Befestigung des Flansches.

Beschreibung
Das elektrofluidisches Sitzventil (1) gemäß 1 weist einen Elektromagneten (2) und eine Ventilbaugruppe (3) auf, wobei die Ventilbaugruppe (3) aus einer Membran (4), einem Ventilsitz (5), einer ersten Leitung (6) und einer zweiten Leitung (7) besteht.
Dabei wird die Membran (4) von den Druckkräften der Fluiddrücke in den Leitungen (6, 7) und von der Kraft eines Stößels (8) beaufschlagt, der die Kräfte einer Rückstellfeder (9) und des Elektromagneten (2) überträgt.
Die Ventilbaugruppe (3) öffnet, wenn die auf die Membran (4) wirkenden fluidischen Kräfte die Summe der Kräfte der Rückstellfeder (9) und des Elektromagneten (2) überwiegen.
Die Ventilbaugruppe (3) schließt, wenn die Summe der Kräfte der Rückstellfeder (9) und des Elektromagneten (2) die auf die Membran (4) wirkenden fluidischen Kräfte überwiegen.
Die öffnende Verformung der Membran (4) wird von einem beweglichen Adapter (10) begrenzt, der in dem Joch (22) des Elektromagneten (2) gelagert ist und von einem Federmittel (11) axial so abgestützt ist, dass sich die abstützende Kraft erhöht, wenn der Adapter (10) zum Elektromagneten (2) hin verlagert wird.
In einer nicht dargestellten Ausführung ohne einen Anschlag (12) wirkt die abstützende Kraft des Federmittels (11) auf den Adapter (10) nur, wenn der Adapter (10) von der Membran (4) aus seiner Ruhelage verschoben wird, wobei die Ruhelage des Adapters (10) von der ungespannten Länge des Federmittels (11) und dem Einbauraum des Federmittels (11) bestimmt ist.
In der in 1 dargestellten Ausführung erhöht sich die abstützende Kraft des Federmittels (11) auf den Adapter (10) nur dann wegabhängig, wenn der Adapter (10) von der Membran (4) aus seiner Ruhelage verschoben wird, wobei die Ruhelage des Adapters (10) von einem Anschlag (12) bestimmt ist, der eine Verlagerung des Adapters (10) weg von dem Elektromagneten (2) begrenzt.
In der Ausführung gemäß 1 besteht das Federmittel (11) aus zwei Tellerfedern (13).
In der Ausführung gemäß 2 besteht das Federmittel (11) aus einem Elastomerkörper (14).
In der Ausführung gemäß 3 besteht das Federmittel (11) aus einer Spiralfeder (15).
In der Ausführung gemäß 4 bilden das Federmittel (11) und der Adapter (10) eine körperliche Einheit und bestehen aus einem aufgeschäumten Elastomerkörper (16) mit Wabenstruktur.
In der Ausführung gemäß 5 bilden das Federmittel (11) und der Adapter (10) eine körperliche Einheit und bestehen aus einem Federbalg (17).
In der Ausführung gemäß 6 ist der Flansch (18) zur Befestigung des Elektromagneten (2) an einem Gehäuse (19) elastisch so verformbar ausgelegt, dass er bis zu einem Grenzdruck p1 des Arbeitsfluids der Ventilbaugruppes (3) durch seine elastische Verformung eine Volumenausdehnung des Arbeitsfluids dadurch ausgleichen kann, dass durch die Verformung des Flansches (18) der Raum (20) in der Ventilbaugruppe (3) vergrößert wird.
Gemäß der Darstellung in 7 sind vier Befestigungsschrauben (21) zur Befestigung des Elektromagneten (2) im Zusammenwirken mit jeweils einer Federscheibe (23) an einem Gehäuse (19) elastisch so verformbar ausgelegt, dass sie ab einem Grenzdruck p2 bis zu einem Grenzdruck p3 des Arbeitsfluids der Ventilbaugruppes (3) durch die elastische Verformung eine Volumenausdehnung des Arbeitsfluids dadurch ausgleichen können, dass durch die Verformung der Befestigungsschrauben (21) und der Federscheiben (23) der Raum (20) für das Arbeitsfluid in der Ventilbaugruppe (3) vergrößert wird.
Bezugszeichenliste

1.: Elektrofluidisches Sitzventil
2.: Elektromagnet
3.: Ventilbaugruppe
4.: Membran
5.: Ventilsitz
6.: erste Leitung
7.: zweite Leitung
8.: Stößel
9.: Rückstellfeder
10.: Adapter
11.: Federmittel
12.: Anschlag
13.: Tellerfeder
14.: Elastomerkörper
15.: Spiralfeder
16.: Elastomerkörper
17.: Federbalg
18.: Flansch
19.: Gehäuse
20.: Raum
21.: Befestigungsschraube
22.: Joch
23.: Federscheibe

Claims

Elektrofluidisches Sitzventil (1), mindestens einen Elektromagneten (2) und eine Ventilbaugruppe (3) enthaltend, wobei die Ventilbaugruppe (3) mindestens aus einer Membran (4), einem Ventilsitz (5), einer ersten Leitung (6) und einer zweiten Leitung (7) besteht, und wobei die Membran (4) von den Druckkräften der Fluiddrücke in den Leitungen (6, 7) und von der Kraft eines Stößels (8) beaufschlagbar ist, der die Kräfte einer Rückstellfeder (9) und des Elektromagneten (2) überträgt, und wobei die Ventilbaugruppe (3) öffnet, wenn die auf die Membran (4) wirkenden fluidischen Kräfte die Summe der Kräfte der Rückstellfeder (9) und des Elektromagneten (2) überwiegen, und wobei die Ventilbaugruppe (3) schließt, wenn die Summe der Kräfte der Rückstellfeder (9) und des Elektromagneten (2) die auf die Membran (4) wirkenden fluidischen Kräfte überwiegen, wobei die öffnende Verformung der Membran (4) von einem beweglichen Adapter (10) begrenzt ist, der in dem Joch (22) des Elektromagneten (2) gelagert ist und von einem Federmittel (11) axial so abgestützt ist, dass sich die abstützende Kraft erhöht, wenn der Adapter (10) zum Elektromagneten (2) hin verlagert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die abstützende Kraft des Federmittels (11) auf den Adapter (10) nur wirkt, wenn der Adapter (10) von der Membran (4) aus seiner Ruhelage verschoben wird, wobei die Ruhelage des Adapters (10) von der ungespannten Länge des Federmittels (11) und dem Einbauraum des Federmittels (11) bestimmt ist.
Elektrofluidisches Sitzventil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Federmittel (11) aus mindestens einer Tellerfeder (13) besteht.
Elektrofluidisches Sitzventil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Federmittel (11) aus einem Elastomerkörper (14) besteht.
Elektrofluidisches Sitzventil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Federmittel (11) aus einer Spiralfeder (15) besteht.
Elektrofluidisches Sitzventil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Federmittel (11) und der Adapter (10) eine körperliche Einheit bilden und aus einem Elastomerkörper (16) bestehen.
Elektrofluidisches Sitzventil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Federmittel (11) und der Adapter (10) eine körperliche Einheit bilden und aus einem aufgeschäumten Elastomerkörper (16) mit Wabenstruktur bestehen.
Elektrofluidisches Sitzventil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Federmittel (11) und der Adapter (10) eine körperliche Einheit bilden und aus einem Federbalg (17) bestehen.
Elektrofluidisches Sitzventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Flansch (18) zur Befestigung des Elektromagneten (2) an einem Gehäuse (19) elastisch so verformbar ausgelegt ist, dass er bis zu einem Grenzdruck p1 des Arbeitsfluids der Ventilbaugruppes (3) durch seine elastische Verformung eine Volumenausdehnung des Arbeitsfluids dadurch ausgleichen kann, dass durch die Verformung des Flansches (18) der Raum (20) in der Ventilbaugruppe (3) vergrößert wird.
Elektrofluidisches Sitzventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Befestigungsschrauben (21) zur Befestigung des Elektromagneten (2) im Zusammenwirken mit jeweils einer Federscheibe (23) an einem Gehäuse (19) elastisch so verformbar ausgelegt sind, dass sie ab einem Grenzdruck p2 bis zu einem Grenzdruck p3 des Arbeitsfluids der Ventilbaugruppes (3) durch die elastische Verformung eine Volumenausdehnung des Arbeitsfluids dadurch ausgleichen können, dass durch die Verformung der Befestigungsschrauben (21) und der Federscheiben (23) der Raum (20) für das Arbeitsfluid in der Ventilbaugruppe (3) vergrößert wird.
Elektrofluidisches Sitzventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromagnet (2) eine die Ventilbaugruppe (3) öffnende Kraft auf den Stößel (8) und die Membran (4) ausübt und die Rückstellfeder (9) eine die Ventilbaugruppe (3) schließende Kraft auf den Stößel (8) und die Membran (4) ausübt, wobei auch die auf die Membran (4) wirkenden Druckkräfte der Fluiddrücke eine öffnende Kraft auf die Membran (4) ausüben.