DE2921832A1 - Bistabiles elektromagnetisches ventil mit permanentmagnet - Google Patents

Description

Bistabiles elektromagnetisches Ventil mit Permanentmagnet

Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisches Ventil gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Allgemein befaßt sich die Erfindung mit Vorrichtungen, die es ermöglichen, durch eine elektrische Steuerschaltung eine Leitung zu öffnen und zu schließen, in der ein Fluid (Gas oder Flüssigkeit) strömt.

Derartige Vorrichtungen enthalten im allgemeinen eine Spule, in deren Innerem ein Magnetfeld erzeugt wird, wenn sie von einem Wechselstrom gespeist wird. Das Magnetfeld wirkt auf einen Kern bzw. Anker ein, der im allgemeinen aus Weicheisen gebildet ist, wobei das Magnetfeld diesen in einer angehobenen Stellung hält, die derart gewählt ist, daß das Fluid zwischen

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zwei Teilen einer Leitung strömen kann. Wenn der Speisestrom der Spule unterbrochen wird, so fällt der Kern unter der Einwirkung der Schwerkraft in eine abgesenkte Stellung zurück. Das untere Ende des Kerns ist eine Dichtung, die somit eine dichte Unterbrechung zwischen den beiden.Teilen der Leitung gewährleistet. Diese Vorrichtung hat also einen einzigen Ruhezustand, wenn der Kern sich in der abgesenkten Stellung befindet. Der übergang des Kerns in die angehobene Stellung erfordert eine hohe Energie, und das Festhalten in dieser Stellung erfordert ebenfalls einen Energieaufwand. In der Spule und in dem Kern entsteht ferner eine Joule'sehe Wärme, die schädlich sein kann, wenn das in der Leitung zirkulierende Fluid gekühlt wird.

Weitere bekannte Vorrichtungen ermöglichen es, den Energieverbrauch und die Wärmeverluste aufgrund eines bistabilen Verhaltens zu reduzieren. Diese Vorrichtungen enthalten einen Kern, der als Permanentmagnet ausgebildet ist und ein Magnetfeld mit hoher Koerzitivkraft aufweist. Das Halten des Kerns in der abgesenkten Stellung erfolgt wie bei den zuvor erwähnten Vorrichtungen aufgrund der Schwerkraft, zu der ggf. eine Kraft hinzukommt, die aus der Druckdifferenz zwischen den beiden Teilen der Leitung resultiert. Das Festhalten des Kerns in der angehobenen Stellung wird durch Schließen des Magnetflusses über die magnetische Abschirmung der Spule erreicht. Um die Stellung des Kerns zu verändern, reicht ein kurzer Stromimpuls in der einen Richtung zum Anheben des Kerns und in der anderen Richtung zum Absenken desselben aus.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein elektromagnetisches Ventil zu schaffen, durch das die Energie des Steuerimpulses beim Anheben weiter herabgesetzt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch ein elektromagnetisches Ventil der eingangs genannten Art gelöst, das gemäß der Erfindung

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dadurch gekennzeichnet ist, daß der Permanentmagnet zylindrisch und von einem axialen Loch durchbohrt ist, durch das eine nicht magnetische Stange verläuft, deren Länge größer als diejenige des Magneten ist und längs welcher der Magnet zwischen zwei Anschlägen gleiten kann, wobei die Bewegung des Magneten unter der Einwirkung der elektrischen Stromimpulse die Bewegung der Stange nach sich zieht.

Gemäß der Erfindung ist ferner die Bewegung in zwei Teile aufgeteilt: Abheben des Endes des Kerns, wodurch die aus der Druckdifferenz resultierende Kraft entfällt, dann Anheben des Kerns bis zur stabilen angehobenen Stellung. Es muß dann lediglich die Schwerkraft überwunden werden.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht eines bekannten elektromagnetischen Ventils;

Fig. 2 eine Detailansicht des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Ventils;

Fig. 3 eine Steuerschaltung für das elektromagnetische Ventil; und

Fig. 4 eine Anwendung des elektromagnetischen Ventils.

Fig. 1 zeigt schematisch und im Schnitt ein elektromagnetisches Ventil bekannter Art. Es wird angestrebt, eine Leitung mittels einer Dichtung 4, die z.B. die Form einer Spitze aufweisen kann, zu öffnen und zu verschließen, wobei diese Leitung aus zwei Abschnitten 1 und 2 gebildet ist, die

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einen Winkel miteinander bilden. Wenn sich die Dichtung in der abgesenkten Stellung befindet, so setzt sie sich auf die Mündung 3 des Abschnitts 2 auf. Die Leitung ist dann verschlossen, und keinerlei Fluid kann zwischen den Abschnitten 1 und 2 strömen. Wenn die Dichtung 4 in der angehobenen Stellung ist, so wird der Durchgang zwischen den Abschnitten 1 und 2 freigegeben, und das Fluid kann strömen. Bei einem elektromagnetisch betätigten Ventil erfolgt die Steuerung des öffnens und des Schließens durch ein elektrisches Signal, im allgemeinen mittels einer Spule 7, in der ein Strom fließen kann, um im Inneren der Spule ein Magnetfeld zu erzeugen. Die Spule 7 ist von einer magnetischen Abschirmung 8 umgeben, im Inneren der beiden Öffnungen der Spule befindet sich eine weitere Abschirmung 13. Das eigentlich Ventil enthält im Inneren eines Gehäuses 6 ein erstes bewegliches Teil 5, dessen Ende die Dichtung 4 bildet und das eine Translationsbewegung in Richtung der Achse ζ der Spule ausführen kann. In der abgesenkten Stellung, die in der Figur gezeigt ist, befindet sich das Teil 5 außerhalb des Magnetfeldes der Spule. In der angehobenen Stellung liegt es wenigstens teilweise im Inneren der Spule. Dieses bewegliche Teil ist aus einem als Permanentmagnet ausgebildeten Kern verwirklicht, z.B. aus Ferritmaterial. Die Spule wird mit Gleichstrom gespeist. Je nach Stromrichtung wird der Kern in das Innere der Spule hineingezogen, also in die angehobene Stellung gebracht, oder aus der Spule herausgestoßen, also in die abgesenkte Stellung. Die abgesenkte Stellung ist so lange stabil, wie in der Spule kein Strom fließt, der ein anziehendes Magnetfeld erzeugt. Der Kern wird durch sein Eigengewicht gehalten, und im allgemeinen auch durch eine Kraft, die aus einer Druckdifferenz zwischen den Abschnitten 1 und 2 resultiert. Die angehobene Stellung ist ebenfalls stabil, solange wie in der Spule kein Strom fließt, der ein abstoßendes Magnetfeld erzeugt. Wegen der Abschirmungen 8 und 13 wird nämlich der Magnetfluß

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zwischen dem Kern und den Abschirmungen geschlossen. Um die Stabilität zu verbessern, kann am oberen Ende des Ventils ein Weicheisenteil 9 angeordnet werden, das den Kern von oben hält. Es ist also nur ein kurzer Stromimpuls erforderlich, um den Übergang von einer Stellung in die andere zu steuern. Wenn die Spule nicht gespeist wird, so bleibt der Kern in seiner Stellung. Der Kern ist vorzugsweise aus einem Material gebildet, das ein Magnetfeld mit hoher Koerzitivkraft ergibt, damit er sich in seiner angehobenen Stellung nicht entmagnetisiert, wenn ein umgekehrtes Magnetfeld daran angelegt wird.

Wie bereits dargelegt wurde, sind die Haltekräfte des Kerns für die abgesenkte Stellung die Schwerkraft P und die Kraft F aufgrund der Druckdifferenz zwischen den beiden Abschnitten der Leitung. Die Größenordnung dieser Kräfte entspricht einer Last von 0,04 N bzw. 1 N. Um die Energie des Steuerimpulses, der zum öffnen des Ventils erforderlich ist, zu reduzieren, ist das bewegliche Teil 5 gemäß der Erfindung entsprechend der Schnittdarstellung nach Fig. 2 ausgebildet. Das bewegliche Teil enthält einen zylindrischen Permanentmagneten 13, der von einem axialen Loch durchbohrt ist, durch das eine Stange 11 hindurch verläuft, die an ihrem unteren Ende einen die Dichtung 4 bildenden spitzen Verschlußkörper trägt. Am oberen Ende der Stange 11 befindet sich eine nicht magnetische Scheibe 12, die sich zwischen dem Magnet 13 und dem Weicheisenteil 9 befindet, wenn das bewegliche Teil in seiner angehobenen Stellung ist. Die Länge der Stange 11 ist größer als diejenige des Magnets 13, damit dieser entlang der Stange gleiten kann. Um zu verhindern, daß der Magnet 13 gegen die Leitung stößt, ist sein Außendurchmesser etwas geringer als die Durchmesser der Scheibe 12 und des spitzen Verschlußkörpers 4. Letzterer ist vorzugsweise aus einem sehr harten Plastikwerkstoff gebildet, der den dichten Verschluß des Ventils gewährleistet. Die Scheibe 12 kann z.B. aus nicht magnetischem nichtrostenden

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Stahl oder aus Messing sein, ebenso wie die Stange 11. Eine besonders einfache Ausführungsform entsteht, wenn eine Schraube der gewünschten Länge verwendet' wird. Diese Schraube wird in das in dem Magneten angebrachte axiale Loch eingeführt, und dann wird ein spitzer Verschlußkörper aus Plastikwerkstoff auf der Spitze der Schraube befestigt.

Die Arbeitsweise des Ventils mit einem so ausgebildeten beweglichen Teil ist in Fig. 2 in drei Schritten (a), (b) und (C) dargestellt. Fig. 2(a) zeigt das bewegliche Teil in der abgesenkten Stellung, wobei der Magnet 13 aufgrund seines Eigengewichtes auf dem spitzen Verschlußkörper 4 ruht« Wenn in der Spule 7 ein Strom geeigneter Richtung fließt, so wird der Magnet 13 durch das im Inneren der Spule erzeugte Magnetfeld angezogen. Er gleitet entlang der Stange 11, wie durch den Pfeil X angedeutet ist, und gewinnt kinetische Energie. Solange der Magnet nicht gegen die Scheibe 12 angestoßen ist, gewährleistet der Spitze Versc_hlußkörper 4 weiterhin den Verschluß des Ventils, und die alleinige Kraft, die der Magnet überwinden muß, ist sein Eigengewicht P. In Fig. 2(b) stößt der Magnet 13 gegen die Scheibe 12 an, und die angesammelte kinetische Energie addiert sich zu der magnetischen Anziehungsenergie, um die Druckkraft F zu überwinden und das Abheben des spitzen Verschluß körpers 4 zu ermöglichen. Sobald dieser abgehoben hat, strömt das Fluid zwischen den beiden Abschnitten des Ventils, und die Kraft F verschwindet. Die Gesamtheit aus der Stange und dem Magnet gelangt leicht in die angehobene Stellung, die in Fig. 2(c) gezeigt ist. Außer dem bereits erwähnten Vorteil, daß die Energie des Steuerimpulses reduziert wird, weist diese Ausbildung des beweglichen Teils noch folgende Vorzüge auf: - einen besseren Schutz des Magneten, wenn er gegen das Weicheisenteil 9 anstößt; die Dicke der Scheibe 12 wird recht gering gewählt, damit dieses Teil weiterhin seine Aufgabe erfüllt, in der angehobenen Stellung eine Anziehungskraft auszuüben, das Vorhandensein dieses Eisenspalts erleichtert jedoch

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das Abheben beim Anlegen des Schließ impulses;

- eine Führung des Magneten ohne Reibung;

- der Magnet muß nicht derart bearbeitet werden, daß eine gute Dichtigkeit des Ventils erreicht wird; diese Dichtigkeit wird durch die Dichtung 4 erreicht, die aus einem leicht zu bearbeitenden Werkstoff gebildet ist.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Kern aus gesintertem Magnetopiumbit gebildet/ dessen remanente magnetische Fußdichte etwa 0,37 Tesla und dessen koerzitive magnetische

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Feldstärke etwa 2400 χ 10 A/m beträgt. Dieser Kern besitzt eine Länge von 25 mm, einen Außendurchmesser von 6 mm und einen Innendurchmesser von 2 mm. Der Hub des Kerns beträgt 10 mm, derjenige der Stange 4 mm. Der Durchmesser der Öffnung 3 des Ventils beträgt 2 mm. Bei einer Spule mit 1000 Windungen aus einem Draht der Abmessung 25/100 mm, mit einem Außendurchmesser von 20 mm, einem Innendurchmesser von 10 mm und einer Länge von 20 mm, bewirkt ein Impuls mit 14 V und 0,5 A bei einer Dauer von 30 ms das öffnen bzw. Schließen des Ventils, je nach Polarität des Stromes.

Die Stromimpulse zum öffnen und Schließen des Ventils werden von einer externen Steuerschaltung bezogen, die sehr vielfältige Formen annehmen kann. Vorzugsweise werden Schaltungen mit kostengünstigen Bauteilen verwendet, um die Kosten für das Ventil nicht unnötig zu erhöhen, und solche Bauteile, die außerhalb der Arbeitsmomente (Abgabe eines Impulses) wenig Strom verbrauchen. Ein Ausführungsbeispiel einer Steuerschaltung ist in Fig. 3 gezeigt. Sie enthält eine Impulsquelle 14 zum Schließen und eine Impulsquelle 15 zum Öffnen, die geeichte Impulse abgeben und deren Aufbau von der Anwendung abhängt, für die das Ventil bestimmt ist. Es kann sich um einen einfachen Knopf handeln, auf den manuell eingewirkt wird, oder um eine Thermostatvorrichtung, die die Aussendung eines Impulses C„ verursacht, wenn der Raum, in dem das Fluid strömt, eine Temperatur erreicht, die geringer

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als ein bestimmter Schwellwert ist, während ein Impuls C_Q ausgesandt wird, wenn dieser Raum eine Temperatur erreicht hat, die über einem anderen Schwellwert liegt. Es kann sich auch um einen Zeitschalter usw. handeln. Der Ausgang der Impulsquelle 14 ist mit der Steuerelektrode G₁ eines Thyristors 18 und der Ausgang der Impulsquelle 15 mit der Steuerelektrode G₂ eines Thyristors 19 verbunden, wobei' diese beiden Thyristoren gegenpolig parallelgeschaltet sind. Die Anode des Thyristors 18 ist also mit der Kathode des Thyristors 19 und mit Masse verbunden, während die Anode des Thyristors 19 und die Kathode des Thyristors 18 mit einer Wechselspannung V verbunden und davon gespeist sind, die z.B. über einen Transformator 15 aus dem Netz S gewonnen wird. Die beiden Thyristoren sind durch die Spule 13 belastet.

Die Aussendung eines Impulses C durch die Quelle 15 bringt den Thyristor 19 in den leitenden Zustand, und zwar während der positiven Halbwelle des Signals S, und ermöglicht den Stromfluß in der Spule 13. Die Aussendung eines Impulses C_p aus der Quelle 14 bringt den Thyristor 18 in den leitenden Zustand, und zwar während der negativen Halbwelle des Signals S, und ermöglicht einen Stromfluß in der Spule 13 mit entgegengesetzter Polarität zu dem zuvor erwähnten Stromfluß. Von der Wahl der Spannungshöhe V, der Dauer der Impulse C_Q C_p und von den Thyristoren 18 und 19 hängen die Charakteristika der Stromimpulse ab, die der Spule zugeführt werden (Anzahl, Intensität, Dauer). Bei einer solchen Schaltung sind die öffnungs- und Schließzeiten wesentlich größer als die zuvor erwähnten 30 ms, da mehrere Impulse erforderlich sind.

Eine möglich Anwendung des beschriebenen Ventils ist die Steuerung der Verteilung eines Kühlmittels in einem Kühlschrank mit zwei Abteilen, die auf zwei unterschiedlichen Temperaturen gehalten werden sollen. Diese Anwendung ist schematisch in Fig. 4 dargestellt. Die beiden Abteile 17 und 25 enthalten jeweils eine Leitung 19 bzw. 20, die über ein

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Ventil 21 der beschriebenen Art angeschlossen sind. Diese beiden Leitungen sind mit einem Kompressor 22 verbunden, der die Abkühlung des in den beiden Leitungen strömenden Fluids ermöglicht und intermittierend arbeitet, und zwar unter Steuerung eines Thermostats, das z.B. im Abteil 25 angeordnet ist. Wenn das Ventil 21 geöffnet ist, so strömt das Fluid in den beiden Kanälen 19 und 20 und gelangt über Leitung 23 zum Kompressor zurück. Wenn das Ventil 21 geschlossen ist, so wird das Fluid nicht mehr in die Leitung 20 eingeleitet, sondern nur in die Leitung 19 und wird über eine Leitung zurückgeführt. Das Abteil 17 kann also auf eine niedrigere Temperatur als das Abteil 25 gebracht werden. Je nach Anwendungsfall kann ein weiteres Thermostat in dem Abteil 17 angeordnet werden, um das Schließen des Ventils zu steuern, während die Öffnung desselben bei jeder Einschaltung des Kompressors ausgelöst wird; auf diese Weise kann vorab die Dauer bestimmt werden, während der das Ventil für jede Arbeitsphase des Kompressors geöffnet bleibt. Die Steuerschaltung des Ventils wird in Abhängigkeit von der gewünschten Arbeitsweise gewählt.

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Claims (5)

1. PATENTANSPRÜCHE

   f 1./Elektromagnetisches Ventil zum Öffnen und Schließen einer Leitung mit Steuerung durch einen elektrischen Strom, mit einer vo η einer magnetischen Abschirmung umgebenen Spule, in deren Innerem ein Magnetfeld erzeugt wird, wenn dieser elektrische Strom darin fließt, und mit einem beweglichen Teil, das einen Permanentmagneten enthält und zwei Stellungen einnehmen kann, wovon die eine die öffnung und die andere das Verschließen der Leitung gewährleistet, wobei die beiden Stellungen in Abwesenheit der elektrischen Erregung beibehalten werden und wobei der übergang von einer Stellung in die andere und umgekehrt durch elektrische Impulse gesteuert wird, die an die Spule angelegt werden und deren Polarität jeweils verschieden ist, dadurch gekennzeichnet, daß

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   der Permanentmagnet (13) zylindrisch ausgebildet und von einem axialen Loch durchbohrt ist, durch das eine nicht magnetische Stange (11) verläuft, deren Länge größer als diejenige des Magneten ist und längs welcher der Magnet zwischen zwei Anschlägen gleiten kann, und daß die Bewegung des Magnets unter der Einwirkung der elektrischen Stromimpulse die Bewegung der Stange verursacht.
2. 2. Elektromagnetisches Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Anschläge ein spitzer Verschlußkörper (4) ist, der eine Dichtung bildet, die das Verschließen der Leitung ermöglicht, wenn das bewegliche Teil sich in der einen Stellung befindet.
3. 3. Elektromagnetisches Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Weicheisenteil (9) vorgesehen ist, gegen das eine den anderen Anschlag des beweglichen Teils bildende Scheibe (12) anstößt, wenn das bewegliche Teil in der anderen Stellung ist.
4. 4. Elektromagnetisches Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (13) sich in einer ersten Stellung im Inneren der Spule (7) befindet und das erzeugte Magnetfeld das Festhalten der Gesamtheit des beweglichen Teils bewirkt, und daß das bewegliche Teil durch sein Eigengewicht in der zweiten Stellung gehalten wird.
5. 5. Elektromagnetisches Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung des beweglichen Teils aus der zweiten Stellung in die erste folgende Schritte enthält:

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   - Verschiebung des Magnets auf der Stange von dem einen Anschlag, gegen den diese gehalten wird, bis zum anderen Anschlag;

   - gleichzeitige Verschiebung der Stange und des Magnets unter der Einwirkung der angesammelten Energie der magnetischen Anziehung und der kinetischen Energie aufgrund des Stoßes des Magnets gegen den anderen Anschlag.

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