DE19812804C2 - Ventil zur Entlüftung, insbesondere als Bestandteil eines elektropneumatischen Druckregelventils - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Ventil zur Entlüftung, insbesondere als Bestandteil eines elektropneumatischen Druckregelventils, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Ein derartiges Ventil ist beispielsweise aus dem Produktkatalog "Know-how in Pneumatik" der Firma Mannesmann Rexroth Pneumatik GmbH (11/93, Seite 7.026 f) in Form eines Druckregelventils bekannt. Das Druckregelventil steuert entsprechend einem vorgegebenen Sollwert einen Druck aus. Eine integrierte Reglerelektronik führt einen Vergleich zwischen dem Sollwert und einem in einer Arbeitsleitung über einen Drucksensor als Istwert gemessenen Druck durch. Die Reglerelektronik generiert daraus eine Stellgröße, die einem Proportionalmagneten ausgeführten Elektromagneten zugeführt wird, so dass dieser durch Betätigung einer integrierten Sitzventilanordnung den vorgegebenen Druckwert in der Arbeitsleitung einstellt. Die Sitzventilanordnung besteht im wesentlichen aus einem mit einem Ventilsitz zusammenwirkenden Ventilstößel, der zu diesem Zwecke endseitig eine Tellerfläche aufweist. Der Ventilstößel ist durch eine Arbeitskammer hindurchgeführt und an seinem anderen Ende mit einem im Elektromagneten längsbeweglichen Magnetanker verbunden.

Zur Erfüllung seiner bestimmungsmäßigen Aufgabe verfügt das Druckregelventil neben einem mit der Arbeitskammer verbundenen Arbeitsanschluss, über einen Entlüftungsanschluss sowie einen Speisedruckanschluss. Soll der Druck in der Arbeitsleitung entsprechend der von der Reglerelektronik ausgegebenen Stellgröße erhöht werden, so wird der Arbeitsanschluss so lange mit dem Speiseanschluss über die innenliegende Sitzventilanordnung mittels des Elektromagneten verbunden, bis sich der vorgegebene höhere Druck in der Arbeitsleitung eingestellt hat. Soll anlog dazu der Druck in der Arbeitsleitung gesenkt werden, wird der Arbeitsanschluss entsprechend mit dem Entlüftungsanschluss verbunden, bis sich der vorgegebene niedrigere Druck in der Arbeitsleitung eingestellt hat.

Speziell während des letzten Entlüftungsvorgangs wirkt auf eine untere Tellerfläche des Ventilstößels, die mit dem Ventilsitz korrespondiert, ein vom Entlüftungshub abhängiger Staudruck. Infolge dessen steigt die entgegengesetzt wirkende erforderliche Betätigungskraft des Elektromagneten an und erreicht beim größten Entlüftungshub ihr Maximum. Diese bei Untersuchungen des Entlüftungsverhaltens von gattungsgemäßen Ventilen erkannte Erscheinung beeinträchtigt durch die Änderung der Betätigungskraft über den Entlüftungshub eine präzise Ansteuerbarkeit des Ventils. Insbesondere bei einem Druckregelventil bewirken die dabei auftretenden instabilen Zustände eine insgesamt schlechte Regelbarkeit des Druckes in der Arbeitsleitung.

Aus der DE 40 28 506 A1 ist bereits ein Ventil bekannt, welches zum Zwecke eines ventilinternen Kraftausgleichs und damit zur Verbesserung der Druckverhältnisse am Ventilstößel eine hierdurch verlaufende längsgerichtete Durchgangsbohrung aufweist. Die Durchgangsbohrung verbindet den druckdichten Spuleninnenraum, der zwischen dem Anker und dem Sockel gelegen ist mit der Speisekammer des Ventils. Weiterhin ist zu Druckausgleichszwecken hier das in die Speisedruckkammer mündende Ende des durchbohrten Ventilstößels von einem Rückschlagventil verschlossen, welches erst von der Hubbewegung des Stößels entsperrt werden muss, ehe Druckmittel in den Bereich des Spuleninnenraums gelangt, um dort betätigungskraftausgleichend zu wirken. Bei dem Ventil handelt es sich abweichend vom gattungsgemäßen Ventil jedoch um ein Belüftungsventil.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Entlüftungsverhalten eines gattungsgemäßen Ventils zu verbessern und eine präzise Ansteuerbarkeit des Ventils beim Entlüften zu erzielen.

Die Aufgabe wird bei einem Ventil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst.

Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass bei einem gattungsgemäßen Ventil der Ventilstößel eine von seiner unteren mit der Entlüftungskammer direkt in Verbindung stehenden Tellerfläche ausgehende längsgerichtete Durchgangsbohrung aufweist, die innerhalb des Elektromagneten in einen druckdichten Spuleninnenraum einmündet, der gegen die Arbeitskammer über eine die Längsbeweglichkeit des Ventilstößels ermöglichende und insoweit dynamische Dichtung abgedichtet ist.

Durch diese Maßnahme gelangt der bei der Entlüftung entstehende Staudruck unter der Tellerfläche des Ventilstößels auch in den Spuleninnenraum und bewirkt dort zu dem auf die Tellerfläche des Ventilstößels wirkenden Staudruck eine Gegenkraft. Damit stellt sich ein druckausgeglichener Zustand in Form eines durch den erfindungsgemäß umgeleiteten Staudruck bewirkten Kräftegleichgewichtes ein. Der bei der Entlüftung an der Tellerfläche des Ventilstößels anstehende Staudruck hat insoweit keinen Einfluss mehr auf die Betätigungskraft des Ventilstößels und somit auf das Regelverhalten des Ventils. Damit wird eine hochpräzise Ansteuerbarkeit des Ventils beim Entlüftungsvorgang gewährleistet.

Eine die Erfindung verbessernde Maßnahme besteht darin, daß die dynamische Dichtung nach Art eines Nutringes oder eines O-Ringes ausgebildet sein kann. Dieses stellt eine aus Kostengesichtspunkten optimale Lösung dar. Zur Verbesserung der Gleiteigenschaften kann hierbei der Nutring bzw. der O-Ring an einer Lauffläche aus Teflon zur Anlage kommen. Weiterhin kann die dynamische Dichtung auch nach Art einer flächigen Membrane oder einer Rollmembrane ausgebildet sein. Bei kleineren erforderlichen Hubwegen des Ventilstößels empfielt sich eine flächig ausgestaltete Membrane. Bei größeren erforderlichen Hubwegen des Ventilstößels kann auf eine Rollmembrane zurückgegriffen werden. Durch den Einsatz von Membranen als Dichtung entfällt eine Reibung des Ventilstößels am Dichtungspartner gänzlich, was sich auf das dynamische Verhalten des Ventils positiv auswirkt.

Eine weitere die Erfindung verbessernde Maßnahme besteht darin, daß der zylindrische Spuleninnenraum von einem Polrohr umgeben ist, das über eine die Montage zumindest eines innenliegenden Magnetankers ermöglichende stirnseitige Verschlußkappe druckdicht gegenüber der Atmosphäre verschlossen ist. Vorzugsweise ist die Verschlußkappe mit dem Polrohr über eine Quetschverbindung und dazwischen angeordneter Dichtung verbunden. Insoweit kann eine bisher vorzusehende den Spuleninnenraum mit der Atmosphäre verbindende Atmungsbohrung entfallen, die ansonsten einen durch die Längsbewegung des Magnetankers entstehenden Druckunterschied zwischen dem Spuleninnenraum und der Atmosphäre ausgleicht. Durch den Entfall der Atmungsbohrung verbessert sich darüber hinaus der IP-Schutz des Ventils.

Die vorstehend erläuterten erfindungsgemäßen Maßnahmen sind nicht allein bei Druckregelventilen anwendbar, sondern bei allen gattungsgemäßen Sitzventilen, bei denen der Ventilstößel ausgehend vom beweglichen Magnetanker des Elektromagneten durch die Arbeitskammer hindurch zum Ventilsitz geführt ist. Bei dieser konstruktiven Anordnung stellt sich die vorstehend beschriebene Kräftekonstellation zwischen der Betätigungskraft und der Kraft, die durch den an der unteren Tellerfläche anstehenden Staudruck erzeugt wird, ein.

Weitere, die Erfndung verbessernde Maßnahmen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet und werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.

Es zeigt:

Fig. 1 einen teilweise Längsschnitt durch ein elektropneumatisches Druckregelventil und

Fig. 2 ein Diagramm einer Betätigungskraft-Hub-Kennlinie des Druckregelventils nach Fig. 1.

Das elektropneumatische Druckregelventil gemäß Fig. 1 besteht im wesentlichen aus einem als Proportionalmagneten ausgeführten Elektromagneten 1, der an einem Ventilgehäuse 2 über eine in der Figur nicht dargestellte Schraub- oder Stiftverbindung lösbar befestigt ist. Der Elektromagnet 1 besteht aus reiner ein Polrohr 3 umgebenden elektrischen Spule 4. Die elektrische Spule 4 ist mittels einer stirnseitigen Mutter am Pohlrohr 3 befestigt. An der gegenüberliegenden Stirnseite kommt die elektrische Spule am Ventilgehäuse 2 zur Anlage. Ein innerhalb des Polrohres 3 gebildeter zylindrischer Spuleninnenraum 5 nimmt einen ortsfesten Magnetanker 6 und einen im Spuleninnenraum 5 längsbeweglichen Magnetanker 7 auf. Der zylindrische Spuleninnenraum 5 ist an einem Ende mittels einer mit einer Dichtung 8 ausgerüsteten Verschlußkappe 9 druckdicht verschlossen. Die Verschlußkappe 9 weist dafür einen äußeren Durchmesser auf, der in einem komplementär dazu ausgebildeten inneren Durchmesser am Polrohr 3 eingreift, wobei durch Verquetschen des Polrohres an seinem Außenumfang eine unlösbare Verbindung geschaffen wird und insoweit eine Demontage des innenliegenden beweglichen Magnetankers 7 verhindert wird. Alternativ dazu ist es auch möglich an dieser Stelle eine Schraubverbindung vorzusehen, um damit eine lösbare Verbindung zu schaffen.

Der bewegliche Magnetanker 7 ist über eine Druckfeder 10, die zwischen ihm und dem ortsfesten Magnetanker 6 angeordnet ist, in einer oberen Ausgangsposition bei stromlosem Zustand der elektrischen Spule 4 gehalten. Vom beweglichen Magnetanker 7 geht koaxial ein Ventilstößel 11 aus, der über eine Bohrung im ortsfesten Magnetanker 6 in das Innere des Ventilgehäuses 2 ragt. Zur Abdichtung des Spuleninnenraumes 5 gegenüber dem Inneren des Ventilgehäuses 2 ist eine die Längsbewegung des Ventilstößels 11 ermöglichende in einer Nut im ortsfesten Magnetanker 6 eingelassene Dichtung 12 angeordnet. In diesem Bereich befindet sich eine zweite Dichtung 13, die das Innere des Ventilgehäuses 2 gegen die Atmosphäre abdichtet.

Außen am Ventilgehäuse 2 ist ein Arbeitsanschluß 14, der zu einer innenliegenden Arbeitskammer 15 führt, ein Speisedruckanschluß 16, der zu einer entsprechenden Speisedruckkammer 17 führt, sowie ein Entlüftungsanschluß 18 mit zugeordneter Entlüftungskammer 19 angeordnet. Das durch seine Entlüftungsstellung, Null-Stellung und Belüftungsstellung gekennzeichnete elektropneumatische Druckregelventil ist damit ein 3/3-Wegeventil. Zum Be- und Entlüften der Arbeitskammer 15 besitzt das Druckventil eine Ventilsitzhülse 20. Im Bereich der Ventilsitzhülse 20 ist stirnseitig ein Ventilsitzring 21 als Belüftungsventilsitz angeordnet. An einer Stirnseite trägt die Ventilsitzhülse 20 einen Dichtring 22. Der Dichtring 22 dient als Verschlußelement für den Ventilsitzring 21, der druckdicht im Ventilgehäuse 2 eingesetzt ist. Das dem Ventilsitzring 21 gegenüberliegende Ende der Ventilsitzhülse 20 ist zur Führung der bewegbaren Ventilsitzhülse 20 im Ventilgehäuse 2 gehalten. Dabei weist die Ventilsitzhülse 20 im Bereich der Führung eine Dichtung 22 auf, die die Speisedruckkammer 17 von der Entlüftungskammer 19 druckdicht abtrennt, so daß kein Druckmittel aus der Speisedruckkammer 17 an die Atmosphäre entweichen kann. Die Ventilsitzhülse 20 wird durch eine Druckfeder 23, die zwischen dem Ventilgehäuse 2 und der dem Ventilsitzring 21 abgewandten Stirnfläche der Ventilsitzhülse 20 angeordnet ist, in ihrer Ausgangsposition gehalten.

Um ein von Druckeinflüssen freies Belüften des Ventils zu ermöglichen, d. h. um davon verursachte Störkräfte zu verhindern, ist die Ventilsitzhülse 20 nach der Bedingung für druckausgeglichene Stößel so gestaltet, daß der Durchmesser an der Führung der Ventilsitzhülse 20 gleich dem Durchmesser des Ventilsitzringes 21 sowie gleich dem Durchmesser der Dichtung 12 am Ventilstößel 11 des Elektromagneten 1 ist.

Um ein von Staudruckkräften, die sich unterhalb einer Tellerfläche 24 des Ventilstößels 11 bilden, freies Entlüften des Ventils zu ermöglichen, besitzt der Ventilstößel 11 eine von seiner unteren Tellerfläche 24 ausgehende längsgerichtete Durchgangsbohrung 25, die innerhalb des Elektromagneten 1 in den druckdichten Spuleninnenraum 5 einmündet. Die Einmündung ist neben der Durchgangsbohrung 25 auch von einem unterhalb des beweglichen Magnetankers 7 abzweigenden Kanal 26 zum Zwecke eines gleichmäßigen Strömungsverlaufes innerhalb des Spuleninnenraums 5 gebildet. In seiner Belüftungsstellung drückt der bewegliche Magnetanker 7 des, Elektromagneten 1 über den Ventilstößel 11 die druckdicht am Ventilsitzring 21 anliegende Ventilsitzhülse 20 vom Ventilsitzring 21 ab. Damit kann Druckmittel vom Speisedruckanschluß 16 kommend über die Speisedruckkammer 17, dem als Belüftungsventilsitz dienenden Ventilsitzring 21 in die Arbeitskammer 15 und schließlich zum Arbeitsanschluß 14 strömen.

In der aus der Fig. 1 ersichtlichen Entlüftungsstellung liegt infolge eines Einfahrens des beweglichen Magnetankers 7 der Dichtring 22 durch die von der Druckfeder 23 beaufschlagte Ventilsitzhülse 20 am Ventilsitzring 21 an. Der Ventilstößel 11 ist vom Dichtring 22 abgehoben. Damit gelangt Druckmittel vom Arbeitsanschluß 14 kommend über die Arbeitskammer 15 durch das Innere der Ventilsitzhülse 20 hindurch zur Entlüftungskammer 19 und letztlich zum Entlüftungsanschluß 18, der nicht zwingend mit einer Druckmittelleitung belegt sein muß, sondern auch direkt - ggfs. über einen Geräuschdämpfer - an die Atmosphäre gehen kann. Gleichfalls gelangt Druckmittel zur Bildung einer dem dabei auftretenden Staudruck auf der Tellerfläche 24 entgegengesetzten Kraft durch die Durchgangsbohrung 25 des Ventilstößels 11 in den Spuleninnenraum 5.

In der Nullstellung letztlich sind sowohl der Ventilsitzring 21 als auch die Ventilsitzhülse 22 bei einer Mittelposition des beweglichen Magnetankers 7 geschlossen, so daß weder eine Be- noch eine Entlüftung der Arbeitskammer 15 erfolgt.

Von der Arbeitskammer 15 ausgehend, führt ein Druckkanal 27 im Ventilgehäuse 2 zu einem Drucksensor 28 einer im Ventilgehäuse 2 integrierten Reglerelektronik 29. Die Reglerelektronik 29 ist über einen lösbaren Deckel 30 am Ventilgehäuse 2 zugänglich. Das elektrische Ausgangssignal des Drucksensors 28 steht der Reglerelektronik 29 als Istwert zur Verfügung, die unter Berücksichtigung eines von einer nicht dargestellten übergeordneten Steuerung zugeführten Sollwertes den Elektromagneten 1 derart ansteuert, daß sich durch Be- oder Entlüften der Arbeitskammer 15 ein dem Sollwertentsprechender Druck in der Arbeitskammer 15 einstellt.

Aus dem Diagramm gemäß Fig. 2 läßt sich zu jedem Hubwert des Ventilstößels 11 der mittlere erforderliche Betätigungskraftwert, erzeugt durch den Elektromagneten 1, ablesen. Für das Hubwerte-Intervall der Entlüftung sind somit nur geringe Betätigungskräfte (Stichlinie) für den Ventilstößel 11 erforderlich. Diese Erscheinung beruht auf der erfindungsgemäßen Eliminierung der durch den Stauchdruck unterhalb der Tellerfläche 24 des Ventilstößels 11 auftretenden Störkraft. Insoweit ist das Druckregelventil besonders im Entlüftungsbereich präzise regelbar. Im Vergleich dazu zeigt das Diagramm (Punktlinie) auch den Betätigungskraftverlauf, der erforderlich wäre, ohne die erfindungsgemäßen Maßnahmen zur Eliminierung der durch den Staudruck an der Tellerfläche 24 anstehenden Störkraft. Hier ist eine weitaus höhere Betätigungskraft nötig, um den Ventilstößel 11 zu bewegen.

Die erforderliche Betätigungskraft steigt mit einer Sprungstelle in der Nullstellung des Ventils für das Hubwerte-Intervall der Belüftung stark an. Hier sind trotz der oben beschriebenen Maßnahmen für einen Druckausgleich noch erheblich höhere Betätigungskräfte erforderlich als bei der Entlüftung.

In Ergebnis dessen gewährleistet die Erfindung für ein zum Zwecke einer Entlüftung eingesetztes Ventil - insbesondere auch für die Entlüftung bei einem elektropneumatischen Druckregelventil - eine präzisere Ansteuerbarkeit des Stößels 11 über den Elektromagneten 1 und verbessert insoweit das Entlüftungsverhalten des Ventils.

Bezugszeichenliste

1

Elektromagnet

2

Ventilgehäuse

3

Polrohr

4

Spule

5

Spuleninnenraum

6

Magnetanker, ortsfest

7

Magnetanker, beweglich

8

Dichtung

9

Verschlußkappe

10

Druckfeder

11

Ventilstößel

12

Dichtung

13

Dichtung

14

Arbeitsanschluß

15

Arbeitskammer

16

Speisedruckanschluß

17

Speisedruckkammer

18

Entlüftungsanschluß

19

Entlüftungskammer

20

Ventilsitzhülse

21

Ventilsitzring

22

Dichtung

23

Druckfeder

24

Tellerfläche

25

Durchgangsbohrung

26

Kanal

27

Druckkanal

28

Drucksensor

29

Reglerelektronik

30

Deckel

Claims (10)

1. Ventil zur Entlüftung, insbesondere als Bestandteil eines elektropneumatischen Druckregelventils, mit einem Elektromagneten (1), der als Stellantrieb an einem Ventilgehäuse (2) befestigt ist, an dem zumindest ein Arbeitsanschluß (14) sowie ein Entlüftungsanschluß (18) angeordnet ist, die zu je einer innerhalb des Ventilgehäuses (2) angeordneten Arbeitskammer (15) bzw. Entlüftungskammer (19) geführt sind und über einen Ventilsitz (20, 21) voneinander abgetrennt sind, welcher mit einem vom Elektromagneten (1) ausgehenden und über dessen beweglichen Magnetanker (7) längs beweglichen sowie durch die Arbeitskammer (15) hindurchgeführten Ventilstößel (11) als Verschlußelement korrespondiert, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilstößel (11) eine von seiner unteren mit der Entlüftungskammer (19) direkt in Verbindung stehenden Tellerfläche (24) ausgehende längs gerichtete Durchgangsbohrung (25) aufweist, die innerhalb des Elektromagneten (1) in einen druckdichten Spuleninnenraum (5) einmündet, der gegen die Arbeitskammer (15) über eine die Längsbeweglichkeit des Ventilstößels (11) ermöglichende, d. h. dynamische Dichtung (12) abgedichtet ist.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dynamische Dichtung (12) nach Art eines Nutringes oder eines O- Ringes ausgebildet ist.

3. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbesserung der Gleiteigenschaften die dynamische Dichtung (12) an einer Lauffläche aus Teflon zur Anlage kommt.

4. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dynamische Dichtung (12) nach Art einer flächigen Membrane oder einer Rollmembrane ausgebildet ist.

5. Ventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der druckdichte Spuleninnenraum (5) von einem Polrohr (3) umgeben ist, das über eine die Montage eines innenliegenden beweglichen Magnetankers (7) ermöglichende stirnseitige Verschlußkappe (9) druckdicht gegenüber der Atmosphäre verschlossen ist.

6. Ventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschlußkappe (9) mit dem Polrohr (3) über eine Quetschverbindung und dazwischen angeordneter Dichtung (8) verbunden ist.

7. Ventil nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschlußkappe (9) mit dem Polrohr (3) über eine Schraubverbindung und dazwischen angeordneter Dichtung (8) verbunden ist.

8. Ventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zur längsgerichteten Bewegung des Ventilstößels (11) dienende Elektromagnet (1) als Proportionalmagnet ausgeführt ist.

9. Ventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilgehäuse (2) weiterhin einen Speisedruckanschluß (16) aufweist, der in eine innerhalb des Ventilgehäuses (2) angeordnete Speisedruckkammer (17) mündet, die über den Ventilsitz (20, 21) mittels einer vom Ventilstößel (11) betätigbaren Ventilsitzhülse (20) von der Arbeitskammer (15) abgetrennt ist.

10. Ventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Ventilgehäuse (2) ein über einen Druckkanal (27) den Druck in der Arbeitskammer (15) erfassender Drucksensor (28) integriert ist, dessen elektrisches Ausgangssignal als Istwert, einer ebenfalls im Ventilgehäuse (2) integrierten Reglerelektronik (29) zur Verfügung steht, die unter Berücksichtigung eines von einer übergeordneten Steuerung zugeführten Sollwertes den Elektromagneten (1) derart ansteuert, daß durch Be- oder Entlüften der Arbeitskammer (15) ein dem Sollwert entsprechender Druckwert in der Arbeitskammer (15) einstellbar ist.