Magnetventile - Mengenregelung in der Pneumatik

Was vom Wasserhahn her vertraut ist – das langsame oder schnelle Öffnen und Schließen auf die gewünschte Wassermenge – ist für elektromagnetische Ventile noch keine Selbstverständlichkeit. Hier wird unterschieden zwischen dem On/Off- sowie dem Proportionalventil. Während die On/Off- Funktion verhältnismäßig einfach zu realisieren ist, stellt die proportionale Ansteuerung eines Ventiles weitaus höhere Anforderungen an den elektromagnetischen Antrieb.

Die Proportionaltechnik ist in der Hydraulik schon seit Jahrzehnten üblich. Mit dem Wunsch nach Effizienzsteigerungen wird der Ruf nach geregeltem Ventilbetrieb auch in der Pneumatik immer stärker. Dabei fordert die Pneumatik den Entwickler in besonderem Maße, denn im Gegensatz zur Hydraulik bietet das Medium weder Schmiereigenschaft noch Korrosionsschutz und stellt damit die übliche Gleitlagerung bewegter Teile in Frage.

Auf der anderen Seite verlangen die geringen Betätigungskräfte eine sehr geringe und über eine lange Lebensdauer gleichbleibende Hysterese des Ventils. Neben einer geringen elektrischen Leistung und einer maximalen Linearität zwischen Steuerstrom und Durchfluss ist eine weitere Herausforderung die Vielzahl der gasförmigen Medien. Nicht zuletzt spielt das Verhalten des Ventils im Fehlerfall, beispielsweise bei einem Spannungsausfall oder einem ungeplanten Druckanstieg, eine wichtige Rolle.

Einsatzbereiche von Mengenregelventilen finden sich in vielen anspruchsvollen Branchen. Zur Anwendung kommen die Bauteile im medizinischen Bereich in der Beatmung, Narkose und Endoskopie sowie in der Analyse- und Prozesstechnik und überall dort, wo Gasmengen wiederholbar per Steuerung fein dosiert werden sollen.

Das Entwicklungsteam der Magnet-Schultz GmbH & Co. KG, Memmingen, hat eine Ventilbaureihe mit der Funktion 2/2 NC entwickelt, die den Anforderungen für pneumatische Mengenregelung gewachsen ist. Die optimierte Mäanderlagerung verhindert Reibung zwischen bewegten Teilen innerhalb des Ventils und führt zu besonders niedrigen Hysteresewerten.

Mit Hilfe CAD-gestützter Finite-Elemente-Methoden und der CFD-Strömungsberechnung wurden Magnetkreis und Ventilgeometrie soweit optimiert, dass mit der eingesetzten elektrischen Leistung der maximale Gasdurchfluss erreicht wird, und dies bei bester Linearität über den gesamten Regelbereich. Der Regelbereich des Gasdurchflusses kann bei kundenspezifischen Geräten auf die jeweiligen Erfordernisse angepasst werden.

Die unterschiedlichen Sicherheitsanforderungen münden in zwei unterschiedlichen Funktionsausführungen. Je nach Baugröße, Ausführung und Nennweite sind mit direkt gesteuerten Geräten Druckbereiche zwischen 0 bis 8 bar bei Nennweite 1,0 mm und Durchflüsse bis 180 l/min zu erreichen. Eine weitere Funktionsvariante, die druckausgeglichene Version des Ventils in der Baugröße 20 mm, ermöglicht bei einer Nennweite von 4,3 mm und dem Druckbereich von 0 bis 6 bar einen maximalen Durchfluss von 300 l/min. Die druckausgeglichene Variante zeichnet sich darüber hinaus dadurch aus, dass der Druckanstieg unabhängig vom Eingangsdruck mit demselben Ansteuerstrom erfolgt.

Materialien mit Medienkontakt sind Messing, Edelstahl und PPS. Die Dichtungswerkstoffe wurden so gewählt, dass FDA-Konformität erreicht wird. Derzeit sind als Medium alle neutralen Gase zugelassen, unter anderem ist auch der Einsatz für Sauerstoff möglich. Die Eignung für weitere Gase und Gasmischungen kann im Bedarfsfall unter Angabe von Mischungsverhältnis und Temperaturbereiche geprüft werden. Das Gehäuse des Gerätes ist aus korrosionsbeständigem Edelstahl gefertigt, der elektrische Anschluss über freie Litzen verfügt über eine integrierte Zugentlastung. In Labortests wurde für beide Ventilbaugrößen eine Lebensdauer von über 50 Millionen Schaltungen nachgewiesen. (su)