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Elektromagnetisch betStigte Antriebsvorrichtung für ein Mengenregelventil
Die Erfindung betrifft eie elektromagnetisch mit Tauchkern betätigte Antriebsvorrichtung
für einen Schieberkörper zur direkten oder indirekten Mengenregelung von Flüssigkeiten
und insbesondere von Kohlenwasserstoffen.
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Es ist bekannt, die oeffnung des Schieberkörpers durch einen Elektromagneten
mit Tauchkern zu bewirken, wobei der Tauchkern fest mit dem Schieberkörper verbunden
ist. Obwohl diese Lösung einfach und ausreichend sein kann, wenn es sich um geringe
Hubwege des Schieberkörpers oder um niedrigere Öffnungskräfte handelt, wird sie
schnell kompliziert und-aufwendig, wenn ein grösserer Hubweg des Schieberkörpers
gefordert ist und wenn grössere Offnungskräfte aufgebracht werden müssen.
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Tatsächlich ist die zu überwindende Kraft beim Abheben des Schieberkörpers
am grössten, da der Flüssigkeitsdruck die-Tendenz hat, ihm auf seinem Sitz zu halten,
während in diesem Augenblick die Magnetkraft am niedrigsten ist, nachdem die Kerne
des Elektromagneten am weitesten voneinander entfernt sind. Nach dem Abheben des
Schieberkörpers verringert sich die zu seiner Verschiebung zu überwindende Kraft
aufgrund der Resultanten aus den Kräften des spezifischen Gewichts, des Trägheitsmomentes,
der Reibung und schliesslich einer Rückzugfeder.
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Demgemäß bedingt ein herkömmlicher -Antrieb eine hohe elektrische
Leistung, wenn ein großer Hubweg des Schieberkörpers er-reicht werden soll, Hierdurch
erhöht sich gang offensichtlich der Herstel
lungspreis einer derartigen
Vorrichtung insbesondere bei Einsatz zur Mengenregelung von Kohlemçasserstoffen,wo
die unter explosiven Atmosphären arteitenden elektrischen Geräte explosionsgeschützt
sein müssen wie zum Beispiel durch gekap-.
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selte Gehäuse, die umso teurer sind, je grösser die. elektrischen
Geräte werden.
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Es wurde bereits versucht, diese Nachteile dadurch auszuschalten.
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daß eine elastische Verbindung zwischen dem Tauchkern und dem Schieberkörper
vorgesehen'wurde dergestalt, daß im Augenblick der Erregung der Spule die. magnetische
Anziehung zuerst nur die elastische Reaktion überwinden muß, die mit der Verringerung
des Spaltes zunimmt, bis die magnetische Kraft zum .öffnen des Schieberkörpers groß
genug geworden ist. Der Nachteil dieser Lösung ist in der Tatsache begründet, daß
es nicht möglich ist, ohne Ausbau des Schiebers auf die elatische Vorrichtung einzuwirken
oder den Spalt zu regulieren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten
Antriebsvorrichtungen zu beseitigen. Ausgehend von einer durch Elektromagneten mit
Tauchkern betätigten Antriebsvorrlchtung rür einen Schieberkörper zur direkten-
oder indirekten Mengenregelung einer Flüssigkeit und insbesondere von Kohlenwasserstoffen,
wobei eine Spule und zwei Kerne magnetisch aufeinander einwirken, wird die der Erfindung
zugrunde liegende Aufgabe dadurch gelöst, daß eine oder zwei Spulen und mindestens
zwei Kerne vorgesehen sind, von denen einer beweglich und mit dem Schieberkörper
verbunden ist, während einer der anderen feststehend oder beweglich ist und mit
dem ersten in Flucht liegt dergestalt, daß die anfängliche Öffnung des Schieberkörpers
bei geringer Spaltbreite erfolgt.
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Die Erfindung umfasst darüberhinaus einzeln oder kombiniert alle oder
einen Teil der folgenden Merkmale:
a) eine Spule (1) ist vorgesehen
und der erste Kern (5) starr mit dem Schieberkörper (7) zur Durchflussregelung verbünden,
während der zweite Kern (3a) mit dem Joch (3) des Elektromagneten über eine Feder
(14a) gekoppelt ist.
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b) der zweite Kern (ga) ist mit einem dem Druckunterschied stromauRwärts
und stromabwärts vom geschlossenen Schieberkörper (7) ausgesetzten Membrane (25)
so verbunden, daß die Feder (14bs zusammengedrckt und der zweite Kern (3a) näher
an den ersten Kern (5) herangebracht- wird, um einen geringen Luftspalt zu erhalten.
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c) zwei Spule (1,2) sind vorgesehen, deren erste auf einen beweglichen
Kern (5) einwirkt, welcher mit einem kleinen Spalt in Flucht mit einem zweiten feststehenden
und vom Joch (3b) des Elektromagneten vorspringenden Kern (3a) angeordnet ist, wobei
der bewegliche Kern (5) am Schieberkörper (7) zur Durchflussregelung über eine Verbindung
angeschlossen ist,.
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welche den beweglichen Kerns (5) fest mit dem Schieberkörper ( koppelt
während sich der bewegliche Kern (5) in Öffnungsrichtung verschiebt, jedoch eine
weitere Hubbewegung des Schieberkörpers (7) zulässt, welche durch einen dritten
und fest mit dem Schieberkörper (7) verbundenen Kern (6) gesteuert wird, wobei dieser
dritte Kern (6) dem Einfluß der zweiten Spule (23 ausgesetzt und mit einem -verhältnismässig
grossen Spalt in Flucht mit dem ersten Kern (5) angeordnet ist.
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d) Zwei Spulen (1,2) sind vorgesehen, deren erste auf einen beweglichen
Kern (5) einwirkt, welcher in Flucht mit einem zweiten feststehenden und vom Joch
(v) des Elektromagneten vorspringenden Kern (a) angeordnet ist. wobei der béweglI-che
Kern (5) am Schieberkörper (t) zur Durchflussregelung mittels einer verformbaren
elastischen Verbindung gekoppel-t ist, und wobei ein dritter Kern (6) vorgesehen
ist, der fest
mit dem Schieberkörper (7) verbunden ist und unter
dem Einfluß der zweiten Spule (2) steht sowie mit einem verhältnis-' mässig großen
Spalt mit dem ersten Kern (5) ausgerichtet ist.
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e) Zwei Spulen (1,2) sind vorgesehen, deren erste auf einen beweglichen
Kern (5) einwirkt, welcher mit einem zweiten und vom Joch (3b) vorspringenden Kern
(3a) ausgerichtet ist, wobei dieser zweite Kern mit dem Joch (3) des Elektromagneten
über eine Feder (14a) gekoppelt ist, wobei der erste Kern (5) am Schieberkörper
(7) zur Durchflußregelung über eine Verbindung fest angeschlossen ist, wenn sich
dieser in Öffnung9rlchtung verschiebt, jedoch eine weitere Hubbewegung des Schieberkörpers
(7) zulässt, welche durch einen dritten und fest mitv' dem Schieberkörper (7) verbundenen
Kern (6) gesteuert wird, wobei dieser dritte Kern dem Einfluß der zweiten Spule
(2) ausgesetzt und mit einem verhältnismässig grossen Spalt mit dem ersten Kern
(5) ausgerichtet ist.
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f) Der Spalt zwischen den Kernen (3a) und (5) ist einstellbar.
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Als Beispiel und zum besseren Verständnis sind nachfolgend' zwei bevorzugte
Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben.
In den Zeichnungen zeigen: Figur 1 eine erfindungsgemässe Antriebsvorrichtung mit
einer Spule und zwei Kernen Figur 2 eine schematische Darstellung der Kräfte in
Abhängigkeit; vom Hubweg des oder der beweglichen Kerne gemäß Figur 1; Figur ) eine
Antriebsvorrichtung analog der in Figur 1 gezeigten unter Berücksichtigung des Druckunterschiedes
stromaufwärts und stromabwärts vom Schieberkörper;
Figur 4 eine
erfindungsgemässe Antriebsvorrichtung mit zwei Spulen und drei Kernen; Figur 5 eine
s-chematisc-he Darstellung der Kräfte in Abhängigkeit vom Hubweg des oder der beweglichen
Kerne gemäß Figur 4; Figur 6 eine abgewandelte Ausführungsform einer Antriebsvorrichtung
analog der Figur 5.
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Gemäß den Zeichnungen besteht die Antriebsvorrichtung aus einem Schiebergehäuse
(1)), dessen Abgang durch einen in seinem Sitz 7a befindlichen Schieber'xörper 7
verschlossen ist. Der Schieberkörper 7 wird durch einen Elektromagneten angetrieben,
der eine Spule 1 im Joch 3 aus magnetischem Material, einen feststehenden und vom
Joch 3 vorspringenden Kern 3a, einen Ring 3b zum Schliessen des Magnetkreises und
einen beweglichen Kern 5 besitzt, der in einer Hülse 4 aus unmagnetischem Werkstoff
gleitet. Des weiteren vorgesehen sind ein Kopf 10 für die Kabeleinführung sowie
eine Schraube 11 zur Regulierung des Spaltes Cm oder des Hubes C. Der Kern 5 ist
fest am Schieberkörper 7 angeordnet und der Kern 3a ist durch eine Spindel lla mit
einer Feder 14a verbunden, so daß der Kern 3a durch magnetische Anziehung verschoben
werden kann, wobei er sich -dem Kern 5-nähert und die Feder 14a zusammendrückt.
Der Schieberkörper 7a wird abgehoben, wenn die Kraft der Feder 14a größer wird als
der Hydraulikdruck, der den Schieberkörper 7 auf seinen Sitz 7a drückt. Eine Stellschraube
20 ist vorgesehen, durch welche der Hubweg C und der Spalt Cm beim Abheben reguliert
werden kann-.
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Die Arbeitsweise ist wie folgt. Wie in- Figur 1 dargestellt, befindet
sich der Kern 5 in Ruhestellung in einem Abstand C vom feststehenden Kern 3a. Auf
dem Kopf 15a wird dem Kern 6 durc-h die Feder 14 eine Kraft f beaufschlagt, die
unter der AnziehungskraSt des Kerns 5a auf dem Kern 5 regt, während die Spule 1
erregt wird. Somit ergibt
sich im Moment der Erregung, daß zunächst
die Feder 14 und dann die Feder 14b zusammengedrückt werden, und zwar gemäß einer
in Figur 2 dargestellten Kurve al während des Hubweges C-Cm des Kerns 5 unter der
magnetischen Anziehung b, die inirner höher als die Druckspannung der Federn bleibt,
da sie-in Abhängigkeit von dem Spalt einen hyperbolischen Verlauf hat. Sobald der
Spalt auf C m verringert ist, erreicht die Spannung die Kraft f und hebt sich der
Schieberkörper 7 ab. Die Druckspannung der der Federn 14, 14b ist somit klar höher
als die Kräfte, die einer-Verschiebung des Schieberkörpers 7 entgegenwirken, so
daß sich der Kern 5 gegen den feststehenden Kern 3a abhebt und die Federn sich gleichzeitig
ausdehnen, um den Hubweg des Schieberkörpers 7 abzuschliessen.
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Um also dem Schieberkörper 7 eine Kraft F zum Abheben zu beauS-schlagen,
wird ein Spalt Cm anstelle von C im Vergleich zu den herkömmlichen El ektroschiebern
-vorgesehen. Da die Anzahl der zur Erlangung einer bestimmten Anziehungskraft des
Elektromagneten erforderlichen Windungen proportional zum Spalt ist, im übrigen-
aber alles gleich ist, bedeutet dies, daß bei der erfindungsgemäsen Vorrichtung
die Anzahl der erforderlichen Windungen entsprechend dem Verhältnis der Spalte Cm
verringert werden kann.
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IN der Ausführung nach Figur 3 ist der Kern 5 fest mit dem -Schieberkörper
7 verbunden. Der Kern 3a steht durch die Spindel lla mit einer in einer Kammer angeordneten
Membrane 25 in Verbindung, wobei der obere Kammerabschnitt 22 mit dem stromaufwärts
gelegenen Teil des Schiebergehäuses 13 durch eine Leitung 23 und mit dem stromabwärts
gelegenen Teil des Schiebergehäuses 13 durch eine Leitung 24 verbunden ist. Wenn
sich jetzt der stromaufwärtige Druck im oberen Kammerabschnitt 22 auswirkt und der
untere Kammerabschnitt 21 mit der Atmosphäre in Verbindung steht, so senkt sich
die. Nembrane 25 und wird der Kern 3a unter ZusammendrUcken der Feder -14b an den
Kern 5 herangebracht. Der Nembrananschlag erfolgt; wena-der
Spalt
auf den Wert C verringert ist. Nach Erregung der Spule 1 wird der Kern 5 angezogen,
um sich vom Kern 3a zu lösen, wobei sich die Drücke stromaufwärts und stromabwärts
ausgleichen und die Feder 14b ein Anheben der Membrane sowie des Kerns 3a mit dem
darauf haftenden Kern 5 bewirkt, um den vollen Hubweg C des Schieberkörpers 7 zu
erreichen.
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Gemaß einem anderen erfindungsgemässen Ausführungsbeispiel (Figur
4) dient der Schieberkörper 7 als Antrieb für die Öffnung einer im Schiebergehäuse
13 angeordneten Differentlaiklappe 12. Ist der Schieberkörper 7 geschlossen, so
hält der stromaufwärts vorherrschende Druck die Differentialklappe 12 beim Durchgang
durch eine kalibrierte oeffnung 12a in ihrem Sitz. Das aus magnetischem Material
hergestellte Joch 3 ist fest mit einem Deckel 13a verbunden und besitzt eine erste
Spule 1 mit einem zugehörigen Ring 36 zum Schliessen des Magnetkreises und den Jochvorsprung
bzw. Kern 3a, der durch die Schraube 11 reguliert werden kann. Das Ganze wird nach
oben durch den Kopf 10 sur Btafuhrung der elektrischen Kabel abgeschlossen. Eine
zweite Sp'u1e 2 befindet sich unterhalb der ersten, wobei ein -weiterer Ring 3c
zum Schliessen des Magnetkreises dazwischen eingesetzt ist. Die Hülse 4 aus dünnem
unmagnetischen Material ist im Innern der Spulen 1, 2 vorgesehen. Der Kern 5 befindet
sich in Flucht mit dem Vorsprung oder Kern 3a mit einem kleinen Spalt Cm und ist
durch eine Spindel 8 aus unmagnetischem Werkstoff mits-dem Schieberkörper 7 verbunden.
Die Verbindung ist so ausgebildet, daß der Kern 5 den Schieberkörper 7 unter Abhebung
von seinem Sitz 7a nach oben ziehen kann und daß der Schieberkörper 7 seinen Hubweg
frei fortsetzen kann, wobei der Kern 5 Jetzt stillsteht und gegen den Vorsprung
oder Kern 3a anliegt. Ein dritter dem magnetischen Einfluß der Spule 2 ausgesetzter
Kern 6 ist fest mit dem Schieberkörper 7 verbunden. Die Feder 9 dient dazu, den
Kern 5 und den Schieberkörper 7 in RAhestellung voneinander entfernt zu halten.
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In diesem Falle ist die Arbeitsweise wie folgt: Die Spule 1 wird erregt,
wobei aufgrund des geringen Spaltes Cm zwischen dem Kern 5 und dem Vorsprung oder
Kern 3a die Anzlehungskraft grösser als die Haltekraft F ist (Kurve b nach Figur
6) und der Schieberkörper 7 nun den Hubweg Cm durchläuft. Die Differentialklappe
12 folgt nun dem-Schieberkörper 7 bis in eine dem-Hubweg Cm entsprechendeGleichgewichtsstellung.
Wird dann die Spule 2 erregte so ergibt der große Spalt C-Cme-ine so ausreichende
Nutzkraft, daß die Druckspannung der Feder 9 und der Verschiebewiderstand Z des
Schieberkörpers 7 (Kurve b' nach Figur 5) überwunden werden können.
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Die Differentialklappe 12 folgt nun erneut dem Schieberkörper 7 bis
zur vollständigen Öffnung. Umgekehrt wird zum Schliessen des Schiebers zunächst
die Spule 2 stromlos gemacht, der Schieberkörper 7 sowie die Differentialklappe
12 senken sich bis auf eine kleinere Öffnung entsprechend dem Hubweg und wird die
Spule 1 stromlos gemacht, so schliesst sich der Schieber vollständig. Der Vorteil
dieser Ausführungsform besteht darin, daß der Schiebe in zwei Etappen unter Erhalt
einer kleineren Öffnung geschlossen werden kann, was notwendig ist, um Rückschläge
eines Teils zu verhindern. Ausserdem ist es bei Abgabe einer vorbestimmten FlUssigkeitsmenge
unerlAsslich, daß eine Abgabe mit verringerter Durchflussgeschwindigkeit möglich
ist, wenn man der gewünschten Menge.näher kommt, um die Abgabe genau in dem Moment
zu unterbrechen, da diese Menge erreicht ist.
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Die Figur 6 zeigt die Kombination einer Schieberkörperöffnung durch
vorheriges Zusammendrücken einer Feder 14 zwischen dem Kern 5 und dem Schieberkörper
gemäß der Figur 1, wobei die große OfT-nung durch eine zweite Spule 2 und einen
fest mit dem Schieberkörper 7 verbundenen Kern 6 gemäß der Figur 5 bewirkt wird.
Durch diese Anordnung kann ein noch grösserer Gesamthubweg erreicht werden, wobei
schliesslich eine ebenfalls noch grössere Öffnungszwischenstellung durch Erregung
nur der Spule 1 möglich ist.
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Es gilt als vorausgesetzt, daß. die Erfindung nicht auf die vorstehend
beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist. So ist es zum Beispiel möglich,
eine feste Verbindung zwischen dem Kern 5 und dem Schieberkörper 7 vorzusehen und
den Vorsprung 3a dem Druckunterschied stromaufwärts und stromabwärts vom Schieberkörper
7 analog der Figur 3 auszusetzen oder eine elastische Verbindung zwischen dem Vorsprung
3a und dem Anker der Spule 1 in Kombination mit einer zweiten Spule 2 und einem
dritten Kern 6 vorzusehen, ohne daß der Rahmen der vorliegenden. Erfindung verlassen
wird. Desgleichen können die Ausführungsbeispiele- gemäß den Figuren 1, 3,4 mit
Differentialklappenschiebern-entsprechend den Figuren 5und 7 kombiniert werden,
wie auch die Ausfüfirungsbeispiele nach diesen. letztgenannten Figuren direkt auf
die Schieberkörper zur Mengenregelung von Flüssigkeiten. wirken können, ohne daß
Differentialklappen yorgesehen sind, und ebenfalls ohne daß der Rahmen der Erfindung
verlassen wird.