DE4020164A1

DE4020164A1 - Elektromagnetisch betaetigtes ventil

Info

Publication number: DE4020164A1
Application number: DE19904020164
Authority: DE
Inventors: Dalibor Zaviska
Original assignee: Alfred Teves GmbH
Current assignee: ITT Automotive Europe GmbH
Priority date: 1990-06-25
Filing date: 1990-06-25
Publication date: 1992-01-02

Description

Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisches Ventil der aus dem Oberbegriff des Anspruches 1 hervorgehenden Gattung.

In bekannten elektromagnetisch betätigten Ventilen befindet sich im Kern einer Spule ein Magnetanker, welcher von einem durch einen Spulenstrom aufgebautes Magnetfeld axial verschoben werden kann. Axial im Magnetanker ist in der Regel ein Ventilkolben befestigt, welcher sich mit dem Magnetanker bewegt und so zumindest mittelbar die Ventilanschlüsse öffnet oder schließt. Solche Magnetventile haben bedeutende Nachteile. Der Magnetanker nimmt ein beträchtliches Volumen in Anspruch, was eine große radiale Ausdehnung des Ventils bewirkt. Auch spricht das Ventil erst verzögert auf Signaländerungen an. Die Abdichtung des Kolbens erweist sich als schwierig, weil die geringen Verstellkräfte nur minimale Reibung erlauben. Schließlich sind aufgrund der schlechten Dosierbarkeit des Ventilhubes oftmals aufwendige Schieberventile nötig.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, mit einem sehr einfachen Ventilaufbau hohe Funktionalität zu erreichen unter Umgehung aller vorher beschriebenen Nachteile herkömmlicher Magnetventile.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 aufgeführten Merkmale erfüllt.

Das Prinzip der vorliegenden Erfindung beruht also auf der Ausnutzung des magnetostriktiven Effekts für die Ventilbetätigung. Ein Stab aus magnetostriktivem Material, z. B. Tb_0,3 Dy_0,7 Fe_1,93 (bekannt als Terfenol D), an den in axialer Richtung ein Magnetfeld angelegt wird, nimmt an Länge zu und an Dicke ab, so daß sein Volumen in erster Näherung konstant bleibt. Das Material reagiert sofort auf Änderungen des Magnetfeldes, wobei das Ausmaß der Formänderung von der Stärke des Magnetfelds abhängt und von einer stromdurchflossenen Spule gesteuert werden kann. Da dieser Effekt unter axialem mechanischen Druck größer ausfällt, empfiehlt sich die Beaufschlagung mit einer Vorspannfeder.

Besonders einfach gestaltet sich ein Zwei-Wege-Ventil. Ein vorzugsweise stabförmiger Aktor aus magnetostriktivem Werkstoff befindet sich in einer Bohrung eines Ventilgehäuses. Er ist zumindest teilweise von mindestens einer elektrischen Spule radial umgeben. Diese liegt in einem Ringraum der Ventilbohrung und kann in nichtmagnetisches Material eingebettet sein. Eine der Stirnseiten des Aktors liegt an der Rückwand der Bohrung im Anschlag. Die andere Stirnseite wird von einer Druckfeder beaufschlagt, die sich an der vorderen Wand der Bohrung abstützt. Als Druckfeder bietet sich eine Tellerfeder oder eine Tellerfedersäule aufgrund ihrer kleinen axialen Ausdehnung. Mindestens einer der Anschlußkanäle des Ventils befindet sich in der vorderen Wand der Bohrung. Der andere Anschlußkanal mündet in radialer oder auch in axialer Richtung in den axialen Bereich der Bohrung, der von der Druckfeder bei stromloser Spule aufgespannt wird. Als Ventilschließglied dient vorzugsweise eine Kugel oder Halbkugel, die unmittelbar oder mittels eines axial ausgerichteten Stößels an der Feder beaufschlagten Stirnseite des Aktors befestigt ist und bei stromdurchflossener Spule auf der Öffnung eines axial mündenden Anschlußkanals druckdicht aufliegt. Bei stromloser Spule ist der Aktor kürzer, so daß die Kugel von der Öffnung abgehoben und das Ventil geöffnet ist. Ein solches Ventil kann in pneumatischen und hydraulischen Systemen Anwendung finden. Die Bohrungsabschnitte der Spule und der Druckfeder werden zweckmäßigerweise voneinander abgedichtet. Als Abdichtung können bedenkenlos gebräuchliche reibungsbehaftete Dichtringe verwendet werden, da die Verstellkräfte des Aktors sehr groß sind und die Formänderung so klein, daß in jeder Phase Dichtheit gewährleistet ist. Unter Umständen kann auf die Abdichtung des Aktors im Gehäuse verzichtet werden. Dann ist jedoch die Zuführung der Anschlußkabel der elektrischen Spule dicht auszuführen.

Das Ventil ist aufgrund der geringen Formänderung des Aktors und des daraus resultierenden kleinen Öffnungsquerschnittes nur für kleine Volumenströme und bzw. oder hohe Drücke, wie z. B. in Bremsanlagen geeignet. Niedrige Fluidviskosität ist von Vorteil.

Da der magnetostriktive Aktor gleichzeitig die Funktion des Magnetankers und des Ventilkolbens ausübt, kann die radiale Ausdehnung des Ventils vergleichsweise klein bemessen sein. Außerdem spricht es auf Signaländerungen der elektrischen Spule schneller an als ein herkömmliches Magnetventil. Da die Kennlinie der Längenänderung über einen großen Bereich linear zum Magnetfeld verläuft, ist der Ventilhub gut dosierbar, so daß auch eine Verwendung als Proportionalventil in Frage kommt.

Die Schaltlogik des Ventils kann umgekehrt werden, indem mindestens ein Dauermagnet zusätzlich in das Gehäuse eingebaut wird, welcher das für die Schließung notwendige axiale Magnetfeld erzeugt. Die Ventilöffnung erfolgt dann durch ein entgegengesetztes etwa gleichgroßes Magnetfeld, das über den Spulenstrom aufgebaut wird.

Befinden sich beide Anschlußkanäle des Zwei-Wege-Ventils in der vorderen Wand der Gehäusebohrung, können sie gleichzeitig geöffnet bzw. geschlossen werden, wenn als Ventilschließglied eine elastische Scheibe verwendet wird. Zur mechanischen Vorspannung kann sich in einem Hohlraum des Aktors eine Druckfeder befinden, welche den Aktor gegen die Rückwand der Bohrung drückt und von einem Stempel abgestützt wird. der an einem Bolzen befestigt ist, welche durch eine Axialbohrung des Aktors verlaufend an der Rückwand der Bohrung befestigt ist, beispielsweise durch Einschrauben.

Mit wenigen zusätzlichen Mitteln gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel läßt sich ein Drei-Wege-Ventil realisieren. Mindestens zwei der drei Anschlüsse befinden sich dann in der vorderen Wand der Ventilbohrung. Ihre Öffnungen sind als Sitzventile ausgebildet. Die genaue Ausgestaltung des Drei-Wege-Ventils ist im Unteranspruch 8 angegeben. Es ist mit den gleichen Vorteilen verbunden, wie die vorher beschriebenen Zwei-Wege-Ventile. Auch hierbei kann die Schaltlogik durch einen eingebauten Dauermagneten umgekehrt werden.

Einige Beispiele der verschiedenen Ausführungsformen geben die anhängenden Zeichnungen. Es zeigt:

Fig. 1 erfindungsgemäßes magnetostriktives Zwei-Wege-Ventil

Fig. 2 erfindungsgemäßes magnetostriktives Zwei-Wege-Ventil mit umgekehrter Schaltlogik,

Fig. 3 erfindungsgemäßes Zwei-Wege-Ventil in anderer Ausführung

Fig. 4 erfindungsgemäßes magnetostriktives Drei-Wege-Ventil.

Die Fig. 1 und 2 zeigen jeweils die Ventilposition bei stromloser Spule.

Zunächst sei auf Fig. 1 Bezug genommen. Der magnetostriktive Aktor 1 ist zylinderförmig ausgebildet und befindet sich in einer Bohrung seines Gehäuses 3. Mit einer Stirnseite liegt er an der Rückwand 5 der Bohrungen im Anschlag. Über einen weiten Bereich des axialen Bohrungsabschnittes y ist er von einer elektrischen Spule 2 umgeben, welche sich im Ringraum 9 der Bohrung befindet und in nichtmagnetischem Werkstoff eingebettet sein kann. Die Spule 2 wird von der Steuer- oder Regeleinheit R mit Spannung versorgt. An der der Rückwand 5 gegenüberliegenden Stirnseite weist der magnetostriktive Aktor 1 einen axialen Stößel 8 mit daran befestigter Ventilkugel 7 als Ventilschließglied auf. Diese sind von einer Druckfeder 4 umgeben, welche sich an der vorderen Wand 6 der Bohrung abstützt und den magnetostriktiven Aktor gegen seinen Anschlag drückt. Obwohl als Spiralfeder gezeichnet, wird sie sinnvoller als Tellerfeder oder Tellerfedersäule realisiert. Am von der Druckfeder 4 aufgespannten Ventilraum 10 befinden sich zwei Anschlußkanäle A und B. Anschlußkanal B führt radial vom Ventilraum 10 weg und Anschlußkanal A axial, wobei seine Mündung zum Ventilraum 10 als Ventilsitz für die Ventilkugel 7 fungiert. Der vordere axiale Bohrungsabschnitt x ist gegen den hinteren axialen Bohrungsabschnitt y durch einen Dichtring 11 im Ringraum 12 abgedichtet. Wird die elektrische Spule 2 von der Steuer- oder Regeleinheit R nun mit Spannung beschaltet und von Strom durchflossen, baut sich ein axiales Magnetfeld auf, so daß die Länge des magnetostriktiven Aktors 1 gegen die Druckfeder 4 um den Ventilhub h zunimmt und die Ventilkugel 7 den Anschlußkanal A verschließt. Die Positionen im axialen Bohrungsabschnitt x entsprechen dann denen in Fig. 2. Das Ventil in Fig. 1 wird durch Abschalten des Spulenstroms wieder geöffnet, wobei die Druckfeder 4 den magnetostriktiven Aktor 1 im Anschlag an der Rückwand 5 hält.

Das Zwei-Wege-Ventil gemäß Fig. 2 ist weitgehend identisch mit dem unter Fig. 1 beschriebenen, wobei entsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Deshalb wird an dieser Stelle nur auf die Unterschiede eingegangen.

Im Ringraum 9 befindet sich außer der elektrischen Spule 2 ein Dauermagnet 13, der ein permanentes axiales Magnetfeld erzeugt, so daß das Ventil bei stromloser Spule geschlossen ist. Wird die elektrische Spule 2 nun von einem Strom durchflossen, welcher ein dem Dauermagneten entgegengesetztes und am Ort des Aktors betragsmäßig etwa gleichgroßes Magnetfeld erzeugt, heben sich die beiden Felder gegenseitig auf, so daß die Länge des magnetostriktiven Aktors 1 um den Ventilhub h abninmmt und das Ventil geöffnet wird, gemäß dem axialen Bohrungsabschnitt x in Fig. 1.

Fig. 3 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform eines magnetostriktiven Zwei-Wege-Ventils bei stromlsoer Spule. Hier befinden sich beide Anschlußkanäle A′ und B′ in der vorderen Wand 106 der Gehäusebohrung. Als Schließglied ist eine Ventilschließscheibe 107 vorgesehen. Sie ist an der Stirnseite des Aktor 101 befestigt, welche den Anschlußkanälen A′ und B′ zugewandt ist. Die Ventilschließscheibe 107 bedeckt einen Hohlraum 112 im Aktor 101, in welchem sich eine Tellerfedersäule 104 befindet, die als Druckfeder den Aktor 101 gegen die Rückwand 105 der Gehäusebohrung drückt, in dem sie sich an einem im Aktorhohlraum 112 befindlichen Stempel 109 abstützt, welcher an einem Bolzen 108 befestigt ist, der - durch eine Axialbohrung 113 im Aktor 101 verlaufend - mit einem Gewinde 110 in die Rückwand 105 der Gehäusebohrung eingeschraubt ist. In der abgebildeten Ausführung ist die elektrische Spule 102 an allen Seiten vom Gehäuse 103 umgeben, so daß keine Verbindung zwischen Ventilraum 111 und elektrischer Spule 102 besteht. So kann auf eine axiale Abdichtung des Ventilraums 111 und auf eine dichte Ausführung der Zuleitungen für den Spulenstrom verzichtet werden. Im dargestellten stromlosen Zustand der Spule 102 sind die beiden Anschlußkanäle A′ und B′ geöffnet. Wird die Spule von einem stromgeeigenter Stärke durchflossen, nimmt die Länge des Aktors 101 um den Ventilhub h zu, so daß die Ventilschließscheibe 107 die Anschlußkanäle A′ und B′ verschließt.

Ein Drei-Wege-Ventil auf magnetostriktiver Basis läßt sich mit einigen Modifikationen gemäß Fig. 4 realisieren. Die Abbildung zeigt das Ventil bei stromdurchflossener Spule 2. Bezüglich des Zwei-Wege-Ventils nach Fig. 1 unterscheidet sich das in Fig. 3 dargestelltes Drei-Wege-Ventil durch folgendes: In der vorderen Wand 6 der Bohrung befinden sich zwei Anschlußkanäle A und C. Die Ventilkugel 7 mit ihrem Stößel 8 wird von einer Druckfeder 14, welche sich in einem Hohlraum 18 des magnetostriktiven Aktors 1 befindet, mittels eines am Stößel 8 befestigten Stempels 15 auf ihren Sitz am Anschlußkanal A gedrückt, wobei der Stößel 8 durch eine axiale Öffnung 20 des Hohlraums 18 geführt wird. Ein zweiter, an derselben Stirnseite des magnetostriktiven Aktors 1 befestigter Stößels 21 verläuft axial durch den Anschlußkanal C in einen Hohlraum 19, wo er an einer Ventilkugel anliegt, die von einer Druckfeder 17 in Richtung zu ihrem Ventilsitz an der Verbindung von Anschlußkanal C und Hohlraum 19 gedrückt wird, so daß die Ventilkugel 16 vom Stößel 21 von ihrem Sitz auf Distanz gehalten wird. Bei Abschaltung des Spulenstroms nimmt die Länge des magnetostriktiven Aktors um den Ventilhub h ab, so daß sich der bisher an der Ventilkugel 16 anliegende Stößel 21 durch den Anschlußkanal C um den gleichen Weg zurückgezogen wird und die Ventilkugel 16 auf ihrem Ventilsitz am Anschlußkanal C zu liegen kommt. Die Ventilkugel 7 verschließt so lange den Anschlußkanal A, bis der Stempel 15 an der mit der axialen Bohrung 20 versehenen Wand des Hohlraums 18 in Anschlag kommt. Danach bewegt die Ventilkugel 7 sich von ihrem Ventilsitz weg. Dabei ist der Gangweg des Stempels 15 so bemessen, daß Anschlußkanal A erst geöffnet wird, wenn Anschlußkanal C schon verschlossen ist.

Bezugszeichenliste

1 magnetostriktive Aktor
2 elektrische Spule
3 Gehäuse
4 Druckfeder
5 Rückwand
6 vordere Wand
7 Ventilkugel
8 Stößel
9 Ringraum
10 Ventilraum
11 Dichtring
12 Ringraum
13 Dauermagnet
14 Druckfeder
15 Stempel
16 Ventilkugel
17 Druckfeder
18 Hohlraum
19 Hohlraum
20 axiale Öffnung
21 Stößel
101 Aktor
102 elektrische Spule
103 Gehäuse
104 Tellfedersäule
105 Rückwand
106 vordere Wand
107 Ventilschließscheibe
108 Bolzen
109 Stempel
110 Gewinde
111 Ventilraum
112 Hohlraum
113 Bohrung
A Anschlußkabel
A′ Anschlußkabel
B Anschlußkabel
B′ Anschlußkabel
C Anschlußkabel
R elektrische Steuer- oder Regeleinheit
h Ventilhub
x axialer Bohrungsabschnitt
y axialer Bohrungsabschnitt

Claims

1. Elektromagnetisch betätigtes Ventil, welches in einer Gehäusebohrung einen durch den Kern mindestens einer elektrischen Spule verlaufenden Aktor aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor (1) aus magnetostriktivem Werkstoff, z. B. Tb_0,3 Dy_0,7 Fe_1,93 (bekannt als Terfenol D), besteht und im wesentlichen stabförmig ausgebildet ist.

2. Elektromagnetisch betätigtes Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäusebohrung eine vordere Wand (6) und eine Rückwand (5) aufweist und daß der magnetostriktive Aktor (1) von einer an der vorderen Wand (6) der Gehäusebohrung abgestützten ersten Druckfeder (4) gegen die Rückwand (5) der Gehäusebohrung gedrückt wird.

3. Elektromagnetisch betätigtes Ventil nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der von der dem Ventilraum (10) zugewandten Stirnseite des Aktors (1) zumindest indirekt ein Ventilschließglied (7) befestigt ist, welches im wesentlichen kugel- oder halbkugelförmig ausgebildet ist und daß ein erster Anschlußkanal (A) axial in den von der Druckfeder aufgespannten Ventilraum mündet, welcher von dem Ventilschließglied (7) geschlossen werden kann und daß außerdem ein zweiter Anschlußkanal (B) in den Ventilraum (10) mündet.

4. Elektromagnetisch betätigtes Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Anschlußkanal (A) bei stromloser Spule (2) geöffnet und bei einem Spulenstrom geeigneter Stärke durch die magnetostriktive axiale Ausdehnung des Aktors geschlossen ist.

5. Elektromagnetisch betätigtes Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zur elektrischen Spule (2) ein ein axiales Magnetfeld erzeugender Dauermagnet in das Gehäuse (3) eingebaut ist, so daß der erste Anschlußkanal (A) bei stromloser Spule geschlossen ist und durch einen Spulenstrom, welcher ein dem des Dauermagneten entgegengesetztes, betragsmäßig etwa gleichgroßes Magnetfeld erzeugt, geöffnet wird.

6. Elektromagnetisch betätigtes Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Spule (2) in einem nicht magnetischem Werkstoff in ihrem Ringraum (9) eingebettet ist.

7. Elektromagnetisch betätigtes Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der axiale Bohrungsabschnitt (x) des Ventilraumes (10) vom axialen Bohrungsabschnitt (y) der elektrischen Spule (2) mittels eines den magnetostriktiven Aktor umspannenden Dichtrings abgedichtet ist, welcher durch seine elastischen Kräfte in jeder Phase der Ventilbetätigung Dichtheit gewährleistet.

8. Elektromagnetisch betätigtes Ventil nach einem der Ansprüche 1 oder 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in die vordere Wand (106) der Gehäusebohrung mindestens zwei Anschlußkanäle (A′, B′) münden, welche durch eine Ventilschließscheibe (107) gemeinsam geöffnet oder geschlossen werden, wobei die Ventilschließscheibe (107) an der den Anschlußkanälen (A′, B′) zugewandten Stirnseite des Aktors (101) befestigt ist und der Aktor (101) eine axiale Bohrung (113) aufweist, durch welche ein Bolzen (108) führt, der an der Rückwand (105) der Bohrung befestigt ist, beispielsweise über ein Gewinde (110) und welcher an seinem anderen Ende in einem Hohlraum des Aktors einen Stempel (109) aufweist, an den sich eine Druckfeder (104) abstützt, welche den Aktor (101) in Richtung auf die Rückwand (105) der Bohrung beaufschlagt.

9. Elektromagnetisch betätigtes Ventil nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes Ventilschließglied an einem mit einem Stempel (15) versehenen ersten Stößel (8) befestigt ist, welcher von einer zweiten Druckfeder (14) zum ersten Anschlußkanal (A) hin gerückt wird, wobei die zweite Druckfeder und der Stempel (15) sich in einem Hohlraum (18) des Aktors befinden, welcher eine axiale Öffnung (20) aufweist, deren Durchmesser kleiner ist als der des Stempels (15) und durch welche der erste Stößel verläuft, wobei in den Ventilraum (10) ein dritter Anschlußkanal (C) mündet, welcher sich axial verlaufend in der vorderen Wand (6) der Bohrung befindet und in seiner Fortführung einen Hohlraum (19) aufweist, an dessen dem Ventilraum (10) abgewandter Seite sich eine dritte Druckfeder (17) abstützt, welche ein im wesentlichen kugelförmiges zweites Ventilschließglied (16) so beaufschlagt, daß dieses zweite Ventilschließglied (16) den dritten Anschlußkanal (C) zu schließen vermag, durch welchen ein an der Feder beaufschlagten Stirnseite des magnetostriktiven Aktors (1) befestigter, axial verlaufender zweiter Stößel (21) führt, welcher nur bei magnetostriktiver axialer Ausdehnung des Aktors (1) das zweite Ventilschließglied (16) gegen seine Druckfeder (17) vom dritten Anschlußkanal (C) fernhält, so daß dieser geöffnet ist, während der Gangweg des Stempels (15) im Aktor (1) befindlichen Hohlraum (18) so bemessen ist, daß der erste Anschlußkanal (A) zumindest immer dann verschlossen ist, wenn der dritte Anschlußkanal (C) geöffnet ist.