Elektropneumatischer Druckwandler

Die Erfindung betrifft einen elektropneumatischen Druckwandler mit einem elektromagnetischen Aktor, einem Anker, der mittels des Aktors bewegbar ist, einem Ankerkopf, der mit dem Anker verbunden ist, einem Gehäuse mit einem Unterdruckraum, einem Steuerdruckraum und einem Atmosphärendruckraum, einem ersten Ventilsitz, der am Ankerkopf zwischen dem Steuerdruckraum und dem Unterdruckraum angeordnet ist, einem zweiten Ventilsitz, der am Gehäuse zwischen dem Atmosphärendruckraum und dem Steuerdruckraum angeordnet ist, einer Membran, welche den Steuerdruckraum vom Atmosphärendruckraum trennt und welche am Ankerkopf befestigt ist, einem Ventilschließglied, welches auf den ersten Ventilsitz und den zweiten Ventilsitz absenkbar ist und axial zwischen dem Anker und dem ersten Ventilsitz und in Richtung des ersten Ventilsitzes vorgespannt angeordnet ist.

Ein solcher elektropneumatischer Druckwandler wird zur Regelung pneumatischer Drücke verwendet, die beispielsweise als Regeldrücke für pneumatische Steller für verschiedene Ventile in Verbrennungskraftmaschinen verwendet werden können. Diese Druckwandler weisen ein Doppelsitzventil auf, wobei zur Erzeugung eines Mischdruckes im Steuerdruckraum je nach Stellung des Ankers wahlweise eine Verbindung des Steuerdruckraumes zum Atmosphärendruckraum oder zum Unterdruckraum hergestellt wird. Die Stellung des Ankers ist dabei abhängig von einer auf den Anker wirkenden elektromagnetischen Kraft des elektromagnetischen Aktors und einer auf den Anker über die mit ihm gekoppelte Membran wirkende pneumatische Kraft. Der als Steuerdruck dienende Mischdruck stellt sich dabei aufgrund der sich ändernden Druckverhältnisse durch wechselndes Öffnen und Schließen der möglichen Verbindungen ein.

Ein derartiger Druckwandler ist beispielsweise aus der DE 197 55 956 AI bekannt. Das Doppelsitzventil des hierin beschriebenen Druckwandlers besteht aus einer, durch eine Federkraft eines Faltenbalgs gegen die Ventilsitze belastete Ventilplatte, welche somit als Ventilschließglied dient. Der üblicherweise mittels Pulsweitenmodulation angesteuerte Elektromagnet sorgt bei Bestromung dafür, dass der Tauchanker mit dem ersten Ventilsitz zwischen dem Atmosphärendruckanschluss und dem Steuerdruckraum in Richtung des Elektromagneten gezogen wird, wodurch sich die Ventilplatte vom zweiten Ventilsitz zwischen dem Steuerdruckraum und dem Unterdruckanschluss abhebt und der Unterdruck in den Steuerdruckraum gelangen kann. Hierdurch sinkt der Druck im Steuerdruckraum, so dass die Membrane in entgegengesetzter Richtung zur elektromagnetischen Kraft belastet wird. Je nach Größe des im Steuerdruckraum vorliegenden Unterdruckes wird die resultierende Kraft aus dieser pneumatischen Kraft und der elektromagnetischen Kraft so groß, dass der Tauchanker und somit die Ventilplatte gegen den zweiten Ventilsitz anliegt, während der erste Ventilsitz weiter in Richtung vom Elektromagnet weg geschoben wird, wodurch eine Verbindung zum Atmosphärendruckanschluss hergestellt wird. Durch dieses getaktete Herauf- und Herunterschieben des Tauchankers stellt sich im Steuerdruckraum ein Mischdruck ein, welcher von der Größe des effektiven Stroms im elektromagnetischen Kreis abhängig ist. Die Membran wird bei dieser Ausführung in einer Nut des Ankerkopfes montiert. Bei dieser Montage wird keine vollständige Dichtheit zwischen dem Ankerkopf und der Membran erreicht, wodurch der Luftverbrauch steigt.

Daher wird in der DE 103 21 731 AI vorgeschlagen, eine Membran zwischen zwei Hartkunststoffteile eines Ankerkoppfes zu klemmen, und in diesem Zustand die beiden Teile miteinander stoffschlüssig zu verbinden. Durch das Zusammenpressen der Membran wirkt diese als Dichtung zwischen den Auflageflächen der beiden Hartkunststoffteile, wodurch ein unerwünschter Luftstrom zwischen dem Atmosphärendruckraum und dem Steuerdruckraum weitestgehend vermieden wird. Allerdings steigen die Herstell- und Montagekosten durch den aufwendigen Zusammenbau.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen elektropneumatischen Druckwandler der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem der Luftverbrauch und die Montage- und Herstellkosten gesenkt werden.

Diese Aufgabe wird durch einen elektropneumatischen Druckwandler mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst.

Dadurch, dass die Membran an den Ankerkopf angespritzt ist, besteht eine dichte Verbindung zwischen diesen Bauteilen, die kostengünstig herstellbar ist und eine lange Haltbarkeit aufweist. Es entfällt ein zusätzlicher Montageschritt.

Vorzugsweise wird diese Verbindung zwischen dem Ankerkopf und der Membran durch Zwei-Komponenten Spritzgießen hergestellt. Dabei wird der in einer ersten Form hergestellte Ankerkopf in eine zweite Form eingelegt, in der die Membran an den Ankerkopf gespritzt wird. Mit diesem Verfahren können Kunststoffe unterschiedlicher Härten und Elastizitäten zuverlässig miteinander verbunden werden.

In einer weiterführenden vorteilhaften Ausgestaltung weist der Ankerkopf eine umlaufende Radialnut auf, in der ein radial innerer Rand der Membran angeordnet ist. Durch das Einspritzen des Membranrandes in die Nut wird die Haltbarkeit und Dichtheit der Verbindung erhöht. Die Membran weist dabei im Bereich der Nut eine breitere Dichtfläche in Form eines Wulstes auf, während die übrige Membran dünn ausgeführt werden kann. Vorzugsweise weist das Gehäuse ein Aktorgehäuse und Anschlussgehäuse auf, zwischen denen ein radial äußerer Rand der Membran eingeklemmt ist. Die Verbindung zwischen Aktorgehäuse und Anschlussgehäuse wird beispielsweise durch Laserschweißen hergestellt. Dabei werden die beiden Gehäuseteile unter Zwischenlage des äußeren Membranrandes, der ebenfalls als Wulst ausgebildet wird, aufeinander gepresst, so dass der Wulst der Membran elastisch verformt wird und so auch als Dichtung wirkt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind der zweite Ventilsitz, ein zum Unterdruckraum führender Unterdruckanschluss und ein zum Steuerdruckraum führender Steuerdruckanschluss am Anschlussgehäuse ausgebildet sind. Durch diese Ausbildung kann auf eine zusätzliche Montage des zweiten Ventilsitzes verzichtet werden.

Eine deutliche Vereinfachung der Herstellung ergibt sich, wenn sich der Unterdruckanschluss axial vom Anschlussgehäuse erstreckt, so dass eine axiale Entformung in diesem Bereich möglich ist. Hierdurch wird es vorteilhafterweise auch möglich, zwischen dem Unterdruckanschluss und dem zweiten Ventilsitz eine Einschnürung im Unterdruckraum auszubilden, so dass eine Düsenwirkung erzielt wird und das Ventil kleiner gebaut werden kann, da der Durchmesser des zweiten Ventilsitzes im Vergleich zum Unterdruckanschlussstutzen deutlich reduziert ausgeführt werden kann.

Entsprechend ist es vorteilhaft, wenn das Anschlussgehäuse mit dem Unterdruckanschluss, der Einschnürung und dem zweiten Ventilsitz einstückig ausgebildet ist. Ein solches Anschlussgehäuse ist kostengünstig durch Spritzgießen herzustellen, da eine Entformung ohne die Verwendung von Kernen möglich ist. Dies senkt Herstell- und Montagekosten. Ein derartig ausgeführter elektropneumatischer Druckwandler ist somit kostengünstig herstellbar und in wenigen Schritten montierbar. Der Ventildeckel kann in einem Herstellschritt hergestellt werden. Ebenso kann der Ankerkopf mit der Membran als einstückiges Teil montiert werden. Gleichzeitig wird eine hohe Dichtigkeit zwischen dem Ankerkopf und der Membran erreicht, wodurch Leckagen minimiert und damit der Luftverbrauch reduziert wird.

Ein erfindungsgemäßer elektropneumatischer Druckwandler ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.

Figur 1 zeigt eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen elektropneumatischen Druckwandlers in geschnittener Darstellung.

Figur 2 zeigt den Ankerkopf mit der Membran des erfindungsgemäßen elektropneumatischen Druckwandlers aus Figur 1 in geschnittener Darstellung.

Der in Fig. 1 dargestellte elektropneumatische Druckwandler besteht aus einem Gehäuse 10, in dem ein elektromagnetischer Aktor 12 angeordnet ist, der aus einer auf einen Spulenhalter 14 gewickelten Spule 16, einem zweiteiligen Kern 18, mit einem ersten äußeren Kernstück 20 und einem zweiten koaxial zum ersten Kernstück 20 innen liegenden zweiten Kernstück 22 sowie einem Rückschlussblech 26 und einem Joch 24 besteht. Der elektromagnetische Kreis des Aktors 12 wird durch einen Anker 28 geschlossen, der in bekannter Weise bei Bestromung der Spule 16 durch die entstehende elektromagnetische Kraft in Richtung des Kerns 18 gezogen wird.

Am Gehäuse 10 ist ein Anschlussstecker 30 zur Stromversorgung ausgebildet, über den die elektrische Kontaktierung zur Spule 16 erfolgt. Der Anker 28 ist in einer Gleitlagerbuchse 32 gelagert, welche im Inneren des Spulenträgers 14 beziehungswesie in einem axial im Innern des Spulenträgers 14 verlaufenden Abschnitt des Rückschlussblechs 26 angeordnet ist. Das radial äußere Kernstück 20 ist über ein Gewinde in den Spulenhalter 14 gedreht und weist eine innere Durchgangsbohrung 34 mit einem Innengewinde auf, in welches ein Außengewinde des inneren Kernstücks 22 gedreht wird. Das innere Kernstück erstreckt sich in Richtung eines am Anker 28 ausgebildeten inneren Sacklochs 36, in welches das innere Kernstück 22 bei Bestromung der Spule 16 eintaucht. Zur Bündelung der magnetischen Feldlinien weist das äußere Kernstück 20 einen sich in Richtung des Ankers 28 erstreckenden ringförmigen Vorsprung 38 auf, der spitz zuläuft und in dessen Inneres der Anker 28 bei Bestromung der Spule 16 eintaucht. Diese Gewinde an den Kernstücken 20, 22 dienen zur Verstellung des Luftspaltes zwischen dem Anker 28 und dem Kern 18 und somit zur Verstellung der magnetischen Kenngröße, wodurch sich die auf den Anker 28 wirkende magnetische Kraft einstellen lässt. Dabei bewirkt eine Verdrehung des ersten äußeren Kernstücks 20 eine relativ hohe Änderung der entstehenden Kraft, während das Eindrehen des zweiten Kernstücks 22 der Feinjustierung dient.

Um die Justierung der Kernstücke 20, 22 vornehmen zu können, ist das axiale Ende des Gehäuses 10, in dem der Kern 18 angeordnet ist, offen ausgeführt. Nach Einstellung des gewünschten Spaltes wird das Gehäuse 10 an diesem axialen Ende über einen Deckel 40 verschlossen.

Das Gehäuse 10 ist zweiteilig ausgeführt und weist ein Aktorgehäuse 42, welches den Aktor 12 umgibt, sowie ein Anschlussgehäuse 44 auf. Am zum Anschlussgehäuse 44 weisenden Ende weist das Aktorgehäuse 42 einen radialen Atmosphärendruckanschluss 46 auf, der in einen Atmosphärendruckraum 48 mündet. Das Anschlussgehäuse 44 weist einen Unterdruckanschluss 50 auf, der sich in Richtung der Mittelachse des Aktors 12 erstreckt und einen radial verlaufenden Steuerdruckanschluss 52 auf, der in einen Steuerdruckraum 54 mündet, der vom Atmosphärendruckraum 48 durch eine Membran 56 fluidisch getrennt ist, deren äußerer radialer Rand 58 wulstförmig ausgebildet ist und zwischen dem Aktorgehäuse 42 und dem Anschlussgehäuse 44 umlaufend eingeklemmt ist. Hierzu ist am zum Aktorgehäuse 42 weisenden Ende des Anschlussgehäuses 44 eine umlaufende Axialnut 60 ausgebildet, in die ein entsprechend geformter Vorsprung 62 des Aktorgehäuses 42 ragt. Radial innerhalb dieses Vorsprungs 62 wird der äußere Rand 58 der Membran 56 axial zwischen dem Anschlussgehäuse 44 und dem Aktorgehäuse 42 unter elastischer Verformung eingeklemmt und anschließend das Aktorgehäuse 44 am Anschlussgehäuse 42 mittels Laserschweißen befestigt. Entsprechend wirkt die Membran 56 als Dichtung sowohl außen und verhindert im radial äußeren Bereich auch eine Leckage zwischen dem Steuerdruckraum 54 und dem Atmosphärendruckraum 48.

Ein radial innerer Rand 64 der Membran 56 ist in einer Radialnut 66 eines Ankerkopfes 68 aus einem Hartkunststoff angeordnet. Dieser Ankerkopf 68 ist fest mit dem Anker 28 des elektromagnetischen Aktors 12 verbunden. Zur Verbindung umgreift das zum Anker 28 weisende Ende des Ankerkopfes 68 einen ringförmigen Vorsprung 70 des Ankers 28 und liegt axial gegen einen Absatz 72 des Ankers 28 an, der in diesem Abschnitt im radial Inneren eine Aufnahmeöffnung 74 aufweist, die zum Ankerkopf 68 hin offen ausgebildet ist und in der ein Ventilschließglied 76 platziert ist, welches eine Ventilplatte 78 sowie einen elastischen Faltenbalg 80 aufweist, der sich am axialen Ende der Aufnahmeöffnung 74 abstützt und die Ventilplatte 78 in Richtung eines im radial inneren des Ankerkopfes 68 ausgebildeten ersten Ventilsitzes 82 belastet.

Zwischen diesem Ventilsitz 82 und dem äußeren Bereich des Ankerkopfes 68 ist am Ankerkopf 68 eine axial verlaufende sehr kleine Bypassbohrung 84 ausgebildet, über die zur Verringerung der Schalthysterese in den Umkehrpunkten des Ankers 28 der Steuerdruckraum 54 mit dem Atmosphärendruckraum 48 fluidisch verbunden ist.

Koaxial zum ersten Ventilsitz 82 ist im Innern des ersten Ventilsitzes 82, der mit dem Anker 28 bewegt wird, ein zweiter Ventilsitz 86 in Verlängerung des Unterdruckanschlusses 50 ausgebildet, über den ein über den Unterdruckanschluss 50 mit Unterdruck aus einer Vakuumquelle versorgter Unterdruckraum 88 vom Steuerdruckraum 54 bei Aufliegen der Ventilplatte 78 auf dem zweiten Ventilsitz 86 absperrbar ist. Der Unterdruckraum 88 ist rohrförmig ausgebildet, erstreckt sich axial vom Unterdruckanschluss zum zweiten Ventilsitz und weist vor dem zweiten Ventilsitz eine Einschnürung 90 seines Durchströmungsquerschnitts in Form eines inneren Absatzes auf. Zusätzlich ist dieser rohrförmige Bereich in Richtung des zweiten Ventilsitzes außen konisch zulaufend ausgebildet, wodurch trotz der üblichen großen Anschlussquerschnitte für die Schläuche der zweite Ventilsitz 86 mit kleinem Querschnitt ausgebildet werden kann, wodurch auch der umliegende Querschnitt des ersten Ventilsitzes 82 und damit der gesamte elektropneumatische Wandler kleiner ausgeführt werden kann.

Erfindungsgemäß besteht der Ankerkopf 68 aus einem Hartkunststoff und wird durch Spritzgießen hergestellt. Der Ankerkopf 68 wird anschließend in eine weitere Form gelegt, in der die Membran 56 aus Weichkunststoff angespritzt wird. Es handelt sich dabei um ein Zwei- Komponentenspritzgießverfahren. Dieses hat den Vorteil, dass eine feste Verbindung zwischen dem Ankerkopf 68 und der Membran 56 besteht, welche eine hohe Dichtigkeit aufweist, wodurch ein Leckagestrom, zwischen dem Steuerdruckraum 54 und dem Atmosphärendruckraum 48 vermieden wird. Diese Dichtheit und auch Festigkeit der Verbindung wird auch durch die Ausführung des Ankerkopfes 68 mit der Radialnut 66 verstärkt, durch die die Belastung der Verbindungsfläche reduziert wird. Auch das Anschlussgehäuse 44 ist ein Spritzgussteil aus Kunststoff. Es wird vollständig einstückig hergestellt, ohne dass Kerne verwendet werden müssen. Durch die Ausbildung des axial verlaufenden Unterdruckanschlusses 50 ist eine axiale Entformung trotz der vorhandenen Einschnürung 90 möglich, so dass sowohl im Inneren als auch im äußeren Bereich des Anschlussgehäuses die notwendigen Entformungsschrägen ausgebildet werden können. Entsprechend entfallen sowohl im Bereich der Membran und des Ankerkopfes als auch am Anschlussgehäuse zusätzliche Montageschritte.

Der elektropneumatische Druckwandler funktioniert nun in der Weise, dass im Steuerdruckraum 54 ein Mischdruck erzeugt wird, der sich aus dem Unterdruck aus dem Unterdruckraum 88 sowie dem Atmosphärendruck aus dem Atmosphärendruckraum 48 zusammensetzt. Die Zuströmung dieses Unterdruckes oder Atmosphärendrucks in den Steuerdruckraum 54 wird über die beiden Ventilsitze 82, 86 in Abhängigkeit der Stellung des Ankers 28 reguliert.

Die jeweilige Verbindung des Steuerdruckraums 54 ist abhängig von der Stellung der Ventilplatte 78 und somit von der Position des Ankers 28. Entsprechend wird eine Bewegung der Ventilplatte 78 nur durch eine Aktivierung des Elektromagneten, also durch eine Versorgung der Spule 16 mit Strom, eingeleitet. In der dargestellten Ausgangsstellung liegt die Ventilplatte 78 auf dem zweiten Ventilsitz 86 auf und es besteht eine Verbindung zwischen dem Atmosphärendruckraum 48 und dem Steuerdruckraum 54. Durch Aktivierung des Elektromagneten wird der Anker 28 in Richtung zum Kern 18 gezogen, wodurch sich die Ventilplatte 78 vom zweiten Ventilsitz 86 abhebt und auf den ersten Ventilsitz 82 am Ankerkopf 68 absenkt, so dass Unterdruck in den Steuerdruckraum 54 strömen kann. Hierdurch entsteht eine auf die Membran 56 und somit den Anker 28 wirkende Kraft in Schließrichtung, da an der entgegengesetzten Seite der Membran 56 Atmosphärendruck anliegt. Durch die resultierende Bewegung des Ankers 28 in entgegengesetzter Richtung wird die Verbindung des Unterdruckraumes 88 zum Steuerdruckraum 54 wiederum unterbrochen und gegebenenfalls der erste Ventilsitz 82 wieder geöffnet, so dass eine Verbindung zum Atmosphärendruckraum 48 entsteht und die Kraft auf die Membran 54 wieder fällt. Dieser Vorgang wiederholt sich bis sich im Steuerdruckraum 54 entsprechend der elektromagnetischen Kraft ein Mischdruck einstellt. Es entsteht ein Gleichgewichtszustand, bei welchem die Summe aller am Anker 28 angreifenden Kräfte zu Null werden. Diese Kräfte sind somit die Zugkraft des elektromagnetischen Aktors 12 sowie die an der Membran 56 angreifenden pneumatischen Kräfte.

Der Aktor 12 wird dabei mit einer getakteten Gleichspannung in Form eines pulsweitenmodulierten Signals versorgt. Es wird deutlich, dass zu jedem Taktverhältnis des pulsweitenmodulierten Signals ein anderer effektiver Strom erzeugt wird, der in einer Magnetkraft resultiert. Zu jeder auf diese Weise erzeugten Magnetkraft regelt sich wiederum der elektropneumatische Druckwandler auf einen neuen Mischdruck im Steuerdruckraum 54 und damit einen neuen Gleichgewichtszustand ein.

Es wird somit ein elektropneumatischer Wandler geschaffen, der im Vergleich zu bekannten Ausführungsformen keine Leckagen zwischen dem Atmosphärendruckraum und dem Steuerdruckraum aufweist, wodurch der Luftverbrauch sinkt. Die Montage des Anschlussgehäuses und der Membran mit dem Anker ist in einem Montageschritt durchzuführen. Vorherige Montageschritte entfallen. Die Herstellung sowohl des Anschlussgehäuses als auch der Membran mit dem Ankerkopf ist kostengünstig durchführbar. Auch wird eine lange Haltbarkeit erzielt.

Es wird deutlich, dass der Aufbau eines derartigen elektropneumatischen Wandlers unterschiedlich ausgeführt werden kann, so kann beispielsweise die Ventilplatte mit dem Faltenbalg durch eine andere auf ein Ventilschließglied wirkende elastische Kraft ersetzt werden. Auch ist der Aufbau des elektromagnetischen Aktors sicherlich zu verändern, ohne den Schutzbereich des Hauptanspruchs zu verlassen.