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Die Erfindung betrifft ein elektrisch betätigbares Ventil mit zumindest einer elektrischen Spule mittels welcher ein Schließelement betätigbar ist, so dass mehrere Ventilöffnungen des Ventils geschlossen und geöffnet werden können.
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Aus der
DE 601 22 162 T2 ist ein derartiges Ventil bekannt. Hierbei ist eine Federzunge (linearer Anker aus flachem Federstahl) vorgesehen. Die Federzunge ist zwischen zwei Schaltstellungen mittels einer elektrischen Spule hin und her bewegbar. In jeder der beiden Schaltstellungen verschließt die Federzunge eine erste Ventilöffnung und öffnet gleichzeitig eine zweite Ventilöffnung.
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Nachteilig an dieser Lösung ist, dass lediglich ein sehr geringer Querschnitt mittels der Federzunge geöffnet oder verschlossen werden kann, durch welchen ein Fluid das Ventil durchströmen kann. Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Ventil zur Verfügung zu stellen, welches einen größeren Strömungsquerschnitt für Fluid freigeben und verschließen kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein elektrisch betätigbares Ventil gemäß dem Hauptanspruch erreicht. Bevorzugte Ausführungsformen sind den Unteransprüchen entnehmbar.
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Demnach wird ein elektrisch betätigbares Ventil vorgeschlagen. Dieses verfügt über eine elektrische Spule sowie mehrere Federzungen, welche jeweils mittels eines von der Spule erzeugten Magnetfeldes zwischen einer ersten Schaltstellung (insbesondere Offenstellung) und einer zweiten Schaltstellung (insbesondere Schließstellung) bewegbar sind. Des Weiteren sind mehrere erste Ventilöffnungen vorgesehen, welche offen sind, wenn sich die Federzungen in der ersten Schaltstellung befinden und welche mittels der Federzungen geschlossen sind, wenn sich die Federzungen in der zweiten Schaltstellung befinden.
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Durch die mehreren Federzungen und die mehreren ersten Ventilöffnungen kann somit ein vergrößerter Strömungsquerschnitt für ein Fluid (beispielsweise eine Flüssigkeit oder ein Gas) bereitgestellt werden, welches das Ventil durchfließt bzw. dessen Durchfluss durch das Ventil blockiert werden soll. Hierbei kann ein Teil der Federzunge selbst als Verschluss dienen, beispielsweise indem sich der Teil zum Schließen an die Ventilöffnung dichtend anlegt, oder es kann ein separater Verschluss vorgesehen sein, welcher mit jeweils einer Federzunge verbunden ist bzw. welcher an der Federzunge ausgebildet ist und der sich zum Schließen des Ventils an die jeweilige Ventilöffnung dichtend anlegt.
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Dadurch, dass mehrere Ventilöffnungen vorgesehen sind, ist der fluidische Teil des Ventils inhärent redundant in dem Sinne, dass beispielsweise die Verstopfung einer Ventilöffnung durch eingeschwemmten Schmutz nicht zum Ausfall des gesamten Ventils führt. Die Schaffung einer Redundanz auch des elektrischen Kreises des Ventils kann dadurch erreicht werden, dass die Spule mit zwei unabhängigen Wicklungen mit separaten elektrischen Anschlüssen ausgeführt wird.
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Vorzugsweise ist jeder der ersten Ventilöffnungen eine der Federzungen zugeordnet. Somit kann für jede Ventilöffnung entweder genau eine Federzunge vorgesehen sein oder mehrere Ventilöffnungen teilen sich eine gemeinsame Federzunge. Dabei verschließt ein an der Federzunge angeordneter Verschluss die jeweils zugeordnete Ventilöffnung, wenn sich die Federzunge in der zweiten Schaltstellung befindet. Auch hier kann der Verschluss entweder durch die Federzunge selbst gebildet werden, beispielsweise durch ein Teil der Federzunge, oder der Verschluss ist als separates Bauteil ausgebildet, welches mit der Federzunge fest verbunden ist.
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Vorzugsweise sind zumindest zwei der Federzungen so ausgeführt, dass sie die jeweilige Ventilöffnung bei unterschiedlichen Magnetfeldstärken öffnen oder schließen. Dies bedeutet beispielsweise, dass bei einer ersten Magnetfeldstärke des von der Spule erzeugten Magnetfeldes lediglich eine der ersten Ventilöffnungen durch die jeweilige Federzunge geöffnet bzw. geschlossen ist und das bei einer hiervon unterschiedlichen zweiten Magnetfeldstärke dann auch zumindest eine weitere der ersten Ventilöffnungen geöffnet bzw. geschlossen ist. Insbesondere können die Federzungen so ausgeführt sein, dass sie alle bei unterschiedlichen Magnetfeldstärken die jeweils zugehörige erste Ventilöffnung öffnen oder schließen. So kann beispielsweise in Abhängigkeit des der Spule zugeführten elektrischen Stromes und damit in Abhängigkeit der durch die Spule erzeugten Magnetfeldstärke eingestellt werden, wie viele der ersten Ventilöffnungen geöffnet oder geschlossen sind. Somit kann der vom Ventil geöffnete Strömungsquerschnitt quasi proportional zu dem der Spule zugeführten elektrischen Strom (= stromproportional) eingestellt werden.
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Das Öffnen oder Schließen zumindest zwei der Federzungen bei unterschiedlichen Magnetfeldstärken wird vorzugsweise dadurch erzielt, dass
- • die zumindest zwei der Federzungen unterschiedliche Federkonstanten aufweisen,
- • die zumindest zwei der Federzungen in ihrer Ausgangsstellung, wenn die Spule kein Magnetfeld erzeugt (insbesondere in der ersten oder zweiten Schaltstellung), unterschiedlich stark gegen die jeweilige erste Ventilöffnung vorgespannt sind,
- • die zumindest zwei der Federzungen in ihrer Ausgangsstellung, wenn die Spule kein Magnetfeld erzeugt (insbesondere in der ersten oder zweiten Schaltstellung), unterschiedlich weit von der jeweiligen ersten Ventilöffnung beabstandet sind,
- • die zumindest zwei der Federzungen unterschiedlich geometrisch geformt sind,
- • die zumindest zwei der Federzungen aus unterschiedlich magnetisch wirksamen Werkstoffen bestehen,
- • Polschuhe, an welche sich die zumindest zwei der Federzungen im betätigten Zustand, wenn die Spule ein zur Betätigung des Ventils ausreichend starkes Magnetfeld erzeugt, jeweils anlegen, unterschiedlich geometrisch geformt sind.
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Somit können die Federzungen aus unterschiedlichen Materialien bestehen oder unterschiedliche Dimensionen aufweisen, um unterschiedlich stark auf das von der Spule erzeugte Magnetfeld zu reagieren. Beispielsweise können die Federzungen aus einer Kunststoffmatrix bestehen, in welche eine unterschiedliche Anzahl von Eisenpartikeln oder anderer magnetisch wirksamer Materialien eingebettet ist. Diese genannten Maßnahmen können entweder einzeln oder (alle oder einzelne) in Kombination miteinander eingesetzt werden.
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Vorzugsweise ist auch zumindest eine zweite Ventilöffnung vorgesehen, welche zu einer der Federzungen sowie zu einer der ersten Ventilöffnungen derart angeordnet ist, dass in der ersten Schaltstellung die erste Ventilöffnung geöffnet ist und die zweite Ventilöffnung mittels der Federzunge geschlossen ist und dass in der zweiten Schaltstellung die zweite Ventilöffnung geöffnet ist und die erste Ventilöffnung mittels der Federzunge geschlossen ist. Hierdurch kann ein 3/2-Ventil geschaffen werden. Insbesondere ist für jede der ersten Ventilöffnungen eine dazu korrespondierende zweite Ventilöffnung vorgesehen. Die Federzunge einer der ersten und zweiten Ventilöffnung zugeordnete Federzunge ist insbesondere räumlich zwischen dieser ersten und zweiten Ventilöffnung angeordnet. Je nachdem, ob die Spule elektrisch bestromt oder unbestromt ist, d.h. damit ein Magnetfeld ausgebildet oder nicht ausgebildet ist, wird dann mittels der Federzunge eine der beiden gegenüberliegenden Ventilöffnungen verschlossen und die jeweils andere geöffnet. Somit kann beispielsweise auf einfache Art ein 3/2-Druckregelventil geschaffen werden.
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Vorzugsweise sind die Federzungen an einem gemeinsamen Trägerelement befestigt bzw. angeordnet. Dies beinhaltet, dass die Federzungen mit dem gemeinsamen Trägerelement einstückig ausgebildet sind. Beispielsweise können die Federzungen durch Schlitze in dem Trägerelement ausgebildet sein.
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Vorzugsweise ist auch vorgesehen, dass die Federzungen in Längsrichtung der Spule angeordnet sind. Dies bedeutet, dass die Federzungen im Wesentlichen entlang der Längsrichtung der Spule verlaufen. Insbesondere sind hierbei die Federzungen ringförmig angeordnet, wobei eine Längsachse dieses Federzungenrings koaxial oder parallel zu der Längsachse der Spule verläuft.
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Vorzugsweise bilden die Ventilöffnungen radial zu der Längsachse der Spule verlaufende Öffnungen wie beispielsweise Bohrungen. Mit anderen Worten verlaufen die Ventilöffnungen dementsprechend rechtwinklig zu der Längsachse der Spule sowie zu der Längsachse der Federzungen. Die Federzungen können dadurch besonders einfach die Ventilöffnungen verschließen.
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Darüber hinaus ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Federzungen radial außerhalb oder innerhalb der Spule angeordnet sind. Beispielsweise bilden die Federzungen einen Federzungenring, welcher radial außerhalb oder innerhalb der Spule angeordnet ist und welcher koaxial oder parallel zu der Längsachse der Spule verläuft. Die Ventilöffnungen sind hierbei insbesondere im Bereich eines axialen Endes der Spule (Stirnseite) angeordnet.
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Die Federzungen können beispielsweise aus ferromagnetischem Metall bestehen bzw. hergestellt werden oder aus Kunststoff mit ferromagnetischen Einschlüssen oder aus einem anderen magnetisch wirksamen Material, auf welches mittels eines Magnetfeldes eine Kraft ausgeübt werden kann. Insbesondere wenn die Federzungen als Federzungenring ausgebildet sind, können diese kostengünstig in Stanz-Biegetechnik hergestellt werden.
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Die Ventilsitze der Ventilöffnungen können beliebig geeignet geformt sein, beispielsweise kreisförmig oder geschlitzt, mit oder ohne kugel- oder kegelförmiger Vertiefung. Der einer Federzunge zugeordnete Verschluss kann zur Verbesserung der Dichtheit zusätzlich mit einer zu dem Ventilsitz korrespondierenden Geometrie versehen sein. Insbesondere kann der Verschluss halbkugelförmig oder kegelförmig ausgeführt sein.
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Das vorgeschlagene Ventil zeichnet sich durch eine hohe Dynamik aus, welche dadurch bedingt wird, dass es lediglich über geringe bewegte Massen und Reibungsfreiheit und eine geringe Ausbildung von Wirbelströme durch die dünnwandigen elastischen Federzungen verfügt. Darüber hinaus ist es kostengünstig und mit wenigen Teilen realisierbar. Infolge der hohen Dynamik ist es robust gegen eingeprägte Schwingungen. Darüber hinaus neigt es nicht zum Sitzprellen. Es ist verschleißarm, da die Federzungen keine aufwändige mechanische Lagerung erfordern. Durch die geringe Masse der Federzungen ist auch der Verschleiß der Ventilsitze an den Ventilöffnungen lediglich gering. Dadurch, dass die Ventilöffnungen mit der jeweiligen Federzunge als Sitzventil wirken, tritt auch eine Verschmutzungsunempfindlichkeit auf. Die Federzunge vereint vorliegend die in herkömmlichen Ventilen vorhandenen Elemente Magnetanker, Rückstellfeder sowie Ventilkolben. Es kann darüber hinaus ein Permanentmagnet in dem Ventil vorgesehen sein, um die Endlagen der Federzungen ohne Zufuhr elektrischer Energie zu der Spule zu halten. Beispielsweise kann vorgesehen sein, die Federzungen permanent zu magnetisieren, um je nach Stromflussrichtung durch die Spule (und eine entsprechende Ausrichtung des Magnetfeldes) das Ventil entweder zu öffnen oder zu schließen.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert, aus welchen weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung entnehmbar sind. Die Figuren zeigen in schematischer Darstellung:
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1 eine erste Ausführungsform eines Ventils in einer Schließstellung,
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2 die erste Ausführung des Ventils in einer Offenstellung,
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3 eine zweite Ausführungsform eines Ventils in einer Offenstellung,
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4 die zweite Ausführungsform des Ventils in einer Schließstellung,
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5a bis 5c eine dritte Ausführungsform eines Ventils in unterschiedlichen Öffnungs- und Schließstellungen,
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6a bis 6c eine vierte Ausführungsform eines Ventils in unterschiedlichen Öffnungs- und Schließstellungen,
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7 ein Federzungenring,
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8a und 8b Verschlüsse und Ventilöffnungen eines Ventils,
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9a und 9b eine fünfte Ausführungsform eines Ventils in unterschiedlichen Öffnungs- und Schließstellungen
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10a und 10b eine sechste Ausführungsform eines Ventils in unterschiedlichen Öffnungs- und Schließstellungen.
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In den Figuren sind gleiche oder zumindest funktionsgleiche Bauteile/Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein elektrisch betätigbares Ventil, mittels dessen ein Fluiddurchfluss durch das Ventil ermöglicht (Ventil geöffnet) und verhindert (Ventil geschlossen) werden kann. Hierzu verfügt das Ventil über mehrere erste Ventilöffnungen 1, durch welche das Fluid das Ventil im geöffneten Zustand strömen kann. Das Ventil verfügt darüber hinaus über eine elektrische Spule 2, welche mit einem elektrischen Strom (Spannung U, Strom I) bestromt werden kann. In Abhängigkeit der zugeführten Stromstärke bildet sich im Bereich der Spule 2 in bekannter Weise ein Magnetfeld aus.
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Die Spule 2 ist in ein Magnetjoch 3 eingebettet. Im Bereich einer axialen Stirnseite der Spule 2 verfügt das Magnetjoch 3 über einen bzw. mehrere Polschuhe 4. Das Magnetjoch 3 dient zum Leiten des Magnetfeldes sowie zur magnetischen Abschirmung der Umgebung von der Spule 2. Darüber hinaus verfügt das Ventil über elastische Ventilkolbensegmente 5, im Folgenden „Federzungen“ genannt. Die Federzungen 5 sind mittels des von der Spule 2 erzeugten Magnetfeldes zwischen einer ersten Schaltstellung (hier beispielshaft: Offenstellung) und einer zweiten Schaltstellung (hier beispielhaft: Schließstellung) bewegbar. Dabei verbiegen sich die Federzungen 5. Eine dieser beiden Schaltstellungen entspricht vorzugsweise einer Ausgangsstellung der Federzungen 5, wenn die Spule 2 nicht bestromt ist. In diese Ausgangsstellung bewegt sich die Federzunge 5 vorzugsweise selbstständig zurück, sobald kein Magnetfeld mehr vorliegt.
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Jeder der ersten Ventilöffnungen 1 ist eine der Federzungen 5 zugeordnet. Die erste Ventilöffnung 1 ist vorliegend offen (fluidleitend), wenn sich die jeweilige Federzunge 5 in der ersten Schaltstellung befindet. Demgegenüber ist die erste Ventilöffnung 1 mittels der jeweiligen Federzunge 5 geschlossen (fluiddicht), wenn sich diese Federzunge 5 in der zweiten Schaltstellung befindet. Diese Schließstellung ist in 1 dargestellt. In der in 1 dargestellten Ausführungsform liegen die Federzungen 5 in ihrer Ausgangsstellung (d.h. Spule 2 unbestromt) an den jeweils zugeordneten ersten Ventilöffnungen 1 an, so dass diese geschlossen sind. Hierbei können sie insbesondere gegen die Ventilöffnung 1 vorgespannt sein. In einem Innenbereich des Ventils liegt dadurch ein erster Druck pB an, während in einem Außenbereich des Ventils ein zweiter Druck pA, welcher unterschiedlich zum ersten Druck pB ist, anliegt.
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Zum Öffnen des Ventils wird die Spule 2 elektrisch bestromt. Wie erläutert, bildet sich hierdurch im Bereich der Spule 2 ein Magnetfeld aus, welches auf die Federzungen 5 wirkt. Bei einem ausreichend hohen elektrischen Strom durch die Spule 2 hebt die dabei sich in den Federzungen 5 ausbildende Magnetkraft diese von den Ventilöffnungen 1 ab. Die Federzungen 5 legen sich dann an den bzw. die jeweiligen Polschuhe 4 an. Dies ist in 2 dargestellt. Dementsprechend werden die Ventilöffnungen 1 freigegeben, so dass Fluid das Ventil durchströmen kann, was in 2 durch entsprechende Pfeile dargestellt ist. Somit kommt es zu einem Angleichen der Drücke pA und pB.
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Wie in 1 und 2 ersichtlich ist, sind die Federzungen 5 vorzugsweise in Längsrichtung L der Spule 2 angeordnet. Bei der Ausführungsform gemäß 1 und 2 umgibt die Spule 2 einen Ventilkern 6, in welchem die ersten Ventilöffnungen 1 vorgesehen sind. Der Ventilkern 6 ist vorzugsweise zylinderförmig ausgeführt, insbesondere hohlzylinderförmig. Der Ventilkern 6 ist vorzugsweise koaxial zu der Spule 2 angeordnet. Die Federzungen 5 sind vorzugsweise radial zwischen der Spule 2 und dem Ventilkern 6 angeordnet. Die Ventilöffnungen 1 sind bevorzugt rechtwinklig zu der Längsachse L der Spule 2 angeordnet und als zylinderförmige Öffnung, wie beispielsweise Bohrungen, ausgeführt. Die Federzungen 5 sind vorzugsweise an einem gemeinsamen Trägerelement befestigt bzw. angeordnet. Eine Baueinheit bestehend aus Trägerelement und Federzungen 5 ist beispielhaft in 7 dargestellt.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, ist das vorgeschlagene Ventil einfach und mit wenigen Bauteilen ausgeführt. Im Vergleich zu konventionellen Schließelementen eines Ventils, wie beispielsweise einem Ventilschieber, sind die Federzungen 5 sehr leicht ausgeführt. Hierdurch kann eine hohe Ventildynamik (schnelle Schließ- und Öffnungszeiten) erreicht werden. Das Ventil ist sehr schmutzunempfindlich, da die Federzungen 5 mit den jeweils zugeordneten ersten Ventilöffnungen 1 als Sitzventile wirken. Somit tritt auch nahezu keine mechanische Reibung immer Inneren des Ventils bei einer Betätigung des Ventils auf. Das Ventil kann daher besonders energieeffizient betrieben werden. Darüber hinaus ist es dadurch verschleißarm. Üblicherweise in Ventilen vorhandene Elemente, wie Magnetanker, Rückstellfeder und Ventilkolben, sind hier nicht erforderlich. Somit ist das Ventil auch besonders leicht. Es wird angemerkt, dass die Federzungen 5 jeweils über einen Verschluss, wie beispielsweise in den 8a und 8b gezeigt, verfügen können, um die jeweils zugeordnete Ventilöffnung 1 zu verschließen.
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Die 3 und 4 zeigen eine zweite bevorzugte Ausführungsform des Ventils. Auch hier wird die Spule 2 durch das Magnetjoch 3 getragen. Allerdings sind die Federzungen 5 radial außerhalb der Spule 2 angeordnet. Das Magnetjoch 3 bildet gleichzeitig den Ventilkern 6, in welchem die ersten Ventilöffnungen 1 angeordnet sind. Die Federzungen 5 sind so vorgespannt, dass diese in ihrer Ausgangsstellung, wenn die Spule nicht bestromt ist, von den Ventilöffnungen 1 abstehen. Ein Fluidfluss durch die ersten Ventilöffnungen 1 und damit das Ventil ist dadurch möglich, das Ventil ist offen.
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Im Gegensatz zu der Ausführung des Ventils gemäß 1 und 2 ist die Variante gemäß 3 und 4 somit normally-opened ausgeführt. Die Variante gemäß 1 und 2 ist dem gegenüber normally-closed ausgeführt. Wie in 3 und 4 gezeigt ist, können das Magnetjoch 3 zusammen mit der Spule 2 und den Federzungen 5 in einem Ventilgehäuse 7 angeordnet sein. Auch bei der Ausführung gemäß 3 und 4 verlaufen die Federzungen 5 in Längsrichtung L der Spule 2. Auch hier sind die Federzungen 5 vorzugsweise an einem gemeinsamen Trägerelement befestigt.
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4 zeigt das Ventil aus 3 in einem betätigten Zustand, also wenn die Spule 2 ausreichend stark bestromt ist. Dann legen sich die Federzungen 5 jeweils an den zugehörigen Polschuh 4 an und verschließen dabei die jeweilige erste Ventilöffnung 1. Ein Fluidfluss durch die ersten Ventilöffnungen 1 und damit das Ventil ist dadurch unterbrochen, das Ventil ist geschlossen.
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Vorzugsweise ist das Ventil so ausgeführt, dass sich der Fluiddurchfluss bzw. der Strömungsquerschnitt des Ventils in Abhängigkeit der der Spule 2 zugeführten elektrischen Stromstärke einstellt. Hierdurch kann mittels des Ventils einfach ein bestimmter Druck oder ein bestimmter Volumenstrom des durchströmenden Fluids eingestellt werden. Die 5a bis 5c zeigen eine leichte Abwandlung des Ventils gemäß 1 und 2, bei dem dies möglich ist. Die 6a bis 6c zeigen demgegenüber eine leichte Abwandlung des Ventils gemäß 3 und 4, bei dem dies möglich ist.
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Bei der Ausführungsform gemäß 5a bis 5c ist die Längsachse des Ventilkerns 6 gegenüber der Längsachse der Spule 2 leicht versetzt. Hierdurch ergeben sich unterschiedliche Vorspannungen der Federzungen 5 auf die jeweils zugeordneten ersten Ventilöffnungen 1. Statt durch Versetzen des Ventilkerns 6 innerhalb des Ventils kann dies auch durch eine unterschiedliche Federsteifigkeiten der Federzungen 5 bewirkt werden. Ebenso ist es möglich, dass die Federzungen 5 über unterschiedliche Federkonstanten verfügen oder dass die zumindest zwei der Federzungen 5 unterschiedlich geometrisch geformt sind oder dass die zumindest zwei der Federzungen 5 aus unterschiedlich magnetisch wirksamen Werkstoffen bestehen, oder dass die Polschuhe 4 unterschiedlich geometrisch geformt sind. Eine Kombination dieser Möglichkeiten ist jedoch ebenso vorstellbar.
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5a zeigt das Ventil in einem unbestromten Zustand. Die Federzungen 5 befinden sich dort in ihrer Ausgangsstellung, in welcher sie an der jeweiligen ersten Ventilöffnung 1 anliegen und diese dadurch verschließen.
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In 5b ist das Ventil dargestellt, wenn es mit einem ersten (niedrigen) elektrischen Strom bestromt wird. Das in der Spule 2 dadurch erzeugte Magnetfeld ist ausreichend stark, um zumindest eine der Federzungen 5 (in 5b die linke Federzunge 5) von der jeweiligen ersten Ventilöffnung 1 abzuheben und an den jeweiligen Polschuh 4 anzulegen. Allerdings ist das Magnetfeld nicht stark genug, um zumindest eine andere der Federzungen 5 (in 5b die rechte Federzunge 5) von der dazugehörigen ersten Ventilöffnung 1 abzuheben. Somit verbleibt bei der in 5b gezeigten Bestromung des Ventils ein Teil der Ventilöffnungen 1 geschlossen, während ein anderer Teil der Ventilöffnungen 1 bereits geöffnet ist.
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In 5c wird das Ventil mit einem zweiten (verhältnismäßig starken) elektrischen Strom bestromt. Somit hat sich ein entsprechend starkes Magnetfeld in der Spule 2 ausgebildet. Dieses ist ausreichend, um sämtliche Federzungen 5 von den jeweils zugeordneten ersten Ventilöffnungen 1 abzuheben und an den jeweiligen Polschuh 4 anzulegen. Die ersten Ventilöffnungen 1 sind somit allesamt voll geöffnet. Das Ventil befindet sich insgesamt also in der maximal geöffneten Stellung.
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Durch Verwendung einer Vielzahl von Federelementen 5 und entsprechend zugeordneter erster Ventilöffnungen 1 kann somit ein nahezu stromproportionales Öffnen bzw. Schließen des Ventils erreicht werden.
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Gemäß der Ausführungsform nach 6a bis 6c wird ein stromproportionales Öffnen bzw. Schließen des Ventils dadurch erreicht, dass die Federzungen 5 in ihrer Ausgangsstellung, wenn die Spule 2 kein Magnetfeld erzeugt, unterschiedlich weit von der jeweiligen ersten Ventilöffnung 1 beabstandet sind. Dies kann natürlich auch mit den oben beschriebenen Maßnahmen kombiniert werden oder die oben beschriebenen Maßnahmen können auch hier einzeln oder in Kombination eingesetzt werden.
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Wie aus 6a ersichtlich ist, befindet sich im unbestromten Zustand des Ventils zumindest ein Federelement 5 (in 6a das linke Federelement 5) näher an der jeweiligen Ventilöffnung 1, als ein zweites der Federelemente 5 (in 6a das rechte Federelement 5). Beide der Ventilöffnungen 1 befinden sich in dieser Ventilstellung also im geöffneten Zustand.
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Gemäß 6b ist die Spule 2 mit einem ersten (relativ schwachen) elektrischen Strom bestromt. Das hierdurch mittels der Spule 2 erzeugte Magnetfeld ist stark genug, die näher an der jeweiligen Ventilöffnung 1 befindliche Ventilzunge 5 an den zugehörigen Polschuh 4 und die Ventilöffnung 1 anzulegen. Zumindest eine der Ventilöffnungen 1 ist somit verschlossen. Demgegenüber ist das Magnetfeld nicht stark genug, um das weiter von der jeweiligen Ventilöffnung 1 beabstandete Federelement 5 anzuziehen und dadurch an diese Ventilöffnung 1 anzulegen. Diese Ventilöffnung ist dementsprechend immer noch geöffnet. Das Ventil ist hierdurch teilweise geschlossen/geöffnet.
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Gemäß 6c ist das Ventil mit einem zweiten (relativ starken) elektrischen Strom bestromt. Das mittels der Spule 2 erzeugte Magnetfeld ist dadurch stark genug, um sämtliche Federzungen 5 an die jeweils zugehörigen ersten Ventilöffnungen 1 und den/die Polschuhe 4 anzulegen. Das Ventil ist hierdurch vollständig geschlossen. Dementsprechend ist auch bei dieser Ausführungsform ersichtlich eine nahezu stromproportionale Betätigung des Ventils möglich.
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7 zeigt eine besonders bevorzugte Ausführungsform von Federzungen 5 für das vorgeschlagene Ventil. Die Federzungen 5 sind hierbei einstückig mit einem gemeinsamen Trägerelement 8 ausgeführt. Die Federzungen 5 sind hierbei ring- bzw. hülsenförmig angeordnet. Auch das Trägerelement 8 bildet einen geschlossenen Ring. Derart ausgeführte Federelemente 5 können beispielsweise radial innerhalb oder außerhalb einer Spule 2 zur Betätigung eines Ventils (beispielsweise in den Ausführungen nach 1/2 oder 3/4) angeordnet sein. Derartige Federzungen 5 sind beispielsweise dadurch herstellbar, dass ein geschlossener Ring mit mehreren, an einer Stirnseite des Ringes beginnenden Längsschlitzen versehen wird. Der Ring kann beispielsweise aus Federstahl oder aus einem anderen magnetisch wirksamen und ausreichend elastischen Material bestehen. Ein solcher Ring aus Federelementen 5 ist daher besonders einfach herzustellen.
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Die 8a und 8b zeigen beispielhaft jeweils ein Federelement 5 mit einem daran befestigten oder ausgeführten oder eingeprägten Verschluss 9, sowie die zu der Federzunge 5 zugehörige und mit dem Verschluss 9 korrespondierende Ventilöffnung 1. Wie in 8a dargestellt ist, kann der Verschluss 9 beispielsweise konusförmig ausgeführt sein, insbesondere konusstumpfförmig. Ebenso kann der Verschluss 9 auch halbkugelförmig oder in Art einer Halbkugel oder gerundet ausgeführt sein, wie in 8b dargestellt. Die Ventilsitze in den Ventilöffnungen 1 sind dementsprechend dazu korrespondierend konusförmig oder halbkugelförmig etc. ausgeführt. Durch einen solchen Verschluss 9 kann die die Dichtwirkung deutlich erhöht werden. Der Verschluss 9 kann beispielsweise ein auf die jeweilige Federzunge 5 aufgebrachtes extra Bauteil sein. Alternativ kann der Verschluss 9 auch durch die jeweilige Federzunge 5 selbst gebildet werden, beispielsweise in dem eine entsprechende Form in die Federzunge 5 eingestanzt bzw. anderweitig aus ihr extrudiert wird.
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9a und 9b zeigen eine Variante des Ventils aus 1 und 2 in unterschiedlichen Schaltstellungen, wobei das Ventil als 3/2-Ventil ausgeführt ist. Wie in 9a ersichtlich ist, verfügt das Ventil neben den ersten Ventilöffnungen 1 dazu auch über zweite Ventilöffnungen 1‘. Dabei ist jeder ersten Ventilöffnung 1 eine Federzunge 5 sowie eine zweite Ventilöffnung 1‘ zugeordnet. Die Federzungen 5 verschließen wechselseitig entweder die jeweilige erste oder zweite Ventilöffnung 1, 1‘.
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In der in 9a gezeigten Ausgangsstellung des Ventils verschließen die Federzunge 5 die ersten Ventilöffnungen 1. Entsprechend sind die zweiten Ventilöffnungen 1‘ geöffnet. Bei einer ausreichend starken Bestromung der Spule 2 heben sich die Federzungen 5 von den ersten Ventilöffnungen 1 ab und öffnen diese dadurch und legen sich an die Polschuhe 4 sowie die jeweils zugeordneten zweiten Ventilöffnungen 1‘ an. Die zweiten Ventilöffnungen 1‘ werde hierdurch verschlossen. Diese Ventilstellung ist in 9b gezeigt. Eine Fluidströmung kann hierdurch wahlweise je nach Bestromung des Ventils durch die ersten oder die zweiten Ventilöffnungen 1, 1‘ geleitet werden. Es sind auch Zwischenstellungen möglich, bei denen je nach Position der Federzungen 5 die Ventilöffnungen 1, 1‘ zugleich (teilweise) geöffnet sind.
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Die 10a und 10b zeigen eine Variante des in 3 und 4 dargestellten Ventils in einer 3/2-Ventil-Ausführung. Analog zu 9a und 9b verfügt auch dieses Ventil über zweite Ventilöffnungen 1‘. Diese sind auch hier jeweils einer der Federzungen 5 und einer der ersten Ventilöffnungen 1 zugeordnet. Somit verschließt die jeweilige Federzunge 5 wechselseitig die jeweils zugeordnete erste und zweite Ventilöffnung 1, 1‘. In der Ausgangsstellung gemäß 10a sind die zweiten Ventilöffnungen 1‘ durch die Federelemente 5 verschlossen. Im bestromten Zustand des Ventils legen sich die Federzungen 5 an die Polschuhe 4 und die ersten Ventilöffnungen 1 an, wodurch diese geschlossen werden. Demgegenüber werden die zweiten Ventilöffnungen 1‘ geöffnet. Dies ist in 10b gezeigt. Auch hierdurch kann wahlweise eine Fluidströmung durch die ersten oder die zweiten Ventilöffnungen 1, 1‘ geführt werden. Auch hier sind Zwischenstellungen möglich, bei denen je nach Position der Federzungen 5 die Ventilöffnungen 1, 1‘ zugleich (teilweise) geöffnet sind.
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Die so geschaffenen 3/2-Ventile weisen die gleichen Vorteile auf, wie die oben erläuterten Ventile (1 bis 6c). Auch bei den Ventilen gemäß 9a, 9b und 10a, 10b könnte durch die oben erläuterten Maßnahmen (siehe beispielsweise 5a bis 5c und 6a bis 6c) ein stromproportionales Öffnen bzw. Schließen der Ventilöffnungen 1, 1‘ erzielt werden.
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Die vorgeschlagenen Ventile lassen sich insbesondere zur Regulierung oder Steuerung eines Druckes oder eines Volumenstromes einsetzen, beispielsweise in der Hydraulik oder in der Pneumatik.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 1‘
- Ventilöffnung
- 2
- Spule
- 3
- Magnetjoch
- 4
- Polschuh
- 5
- elastisches Ventilkolbensegment, Federzunge
- 6
- Ventilkern
- 7
- Ventilgehäuse
- 8
- Trägerelement
- 9
- Verschluss
- L
- Längsachse
- pA
- Druck
- pB
- Druck
- pC
- Druck
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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