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Proportionalventile

Erfahren Sie alles Wissenswerte zum Thema Proportionalventile.

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Proportionalventile finden vor allem in der Hydraulik und in der Pneumatik Verwendung. Sie sind besonders für Anwendungen mit wechselhaften Fluidmengen (Volumenstrom) geeignet. Denn Proportionalventile ermöglichen eine dynamische Veränderung der Fluidmenge, die das Ventil passiert.

Im Vergleich zu Absperrventilen (Auf/Zu), die nur geöffnet oder geschlossen werden können, kann bei Proportionalventilen mit zunehmender Stromstärke die Öffnungsrate gesteuert werden.

Somit führt eine höhere Stromstärke am Eingang zu einer höheren Durchflussmenge am Ausgang. Dabei wird das Ergebnis am Ausgang proportional zum Wert am Eingang verändert. In der verfahrenstechnischen Praxis werden Proportionalventile daher auch als Regelventil, Regelarmatur, Stellventil oder Stetigventile bezeichnet.

Aufbau und Funktionsweise

Bei Proportionalventilen können vier verschiedene Ansteuerungsarten differenziert werden:

  • elektromagnetisch
  • elektromotorisch
  • piezoelektrisch
  • pneumatisch

Die elektromagnetische Ansteuerung erfolgt über einen Proportionalmagneten. Elektromagnetische Proportionalventile decken im Wesentlichen den Nennweitenbereich kleiner als 12 mm (direktwirkende Ventile) ab.

Proportionalventile mit elektromotorischer Ansteuerung verfügen hingegen über einen Schrittmotor, der die Ventilstellung regelt. Die Motorventile unterscheiden den Nennweitenbereich 2-6 mm (Sitzventil) und 8-25 mm (Scheibenventil).

Bei der pneumatischen Variante regelt das Ventil die Druckluftmenge. Die verschiedenen Antriebsprinzipien unterscheiden sich demnach im Wesentlichen durch Preis, Baugröße, Art der Medientrennung sowie Dynamik- und Krafteigenschaften.

Elektromagnetischer Antrieb

Die Basis der elektromagnetischen Proportionalventile sind die schaltenden Magnetventile (Absperrventile). Dabei drückt im stromlosen Zustand der mit einer Feder verbundene Hubanker direkt auf den Ventilsitz. Das Ventil bleibt dann geschlossen.

Fließt Strom durch die Spule, entsteht ein Magnetismus, der den Hubanker gegen die Federkraft anhebt. Das Ventil öffnet sich.

Mit konstruktiven Veränderungen der schaltenden Magnetventile kann für jeden beliebigen Spulenstrom ein Gleichgewicht von Feder- zu Magnetkraft hergestellt werden. Direktwirkende Proportionalventile werden unter Sitz angeströmt. Das von unten einströmende Fluid drückt zusammen mit der erzeugten Magnetkraft gegen die Spannkraft der Rückstellfeder. Die Rückstellfeder wiederum drückt von oben dagegen. Schon deshalb ist es sinnvoll, den minimalen und den maximalen Durchflusswert des Arbeitsbereiches (Spulenstrom) unter Betriebsbedingungen einzustellen.

Bei ebener Geometrie von Anker und Ankergegenstück (Flachstopfengeometrie) sinkt die Magnetkraft mit größer werdendem Arbeitsluftspalt zu stark, um ein stetiges Stellverhalten herstellen zu können. Gleichgewichtszustände zwischen Feder- und Magnetkraft lassen sich nur mit einer spezifischen Formgebung beider Komponenten erreichen. Beispielsweise mit dem Design eines konisch ausgebildeten Übergangsbereichs im äußeren Teil des Ankergegenstücks und einer quasi spiegelbildlichen Abschrägung im oberen Teil des Ankers.

Im stromlosen Zustand schließt das Ventil allein durch Federkraft. Eine Dichtung am Fuß des Ventils stellt sicher, dass kein Fluid aus dem geschlossenen Ventil entweicht.

Je geschmeidiger der Anker durch die Spule gleitet, umso ausgeprägter die Ansprechempfindlichkeit und umso reproduzierbarer die Stellpositionen. Reibung beeinflusst dementsprechend das Stellverhalten. Sie lässt sich aber durch eine exakte Führung des Ankers und spezielle elektronische Ansteuerung deutlich reduzieren.

Anwendungsbereiche

Proportionalventile eignen sich vor allem für Anwendungen, in denen veränderliche Volumenströme notwendig sind. Sie sind daher vor allem in elektronischen Geräten der Analyse- oder Medizintechnik, in Brennersteuerungen, in Kühlkreisläufen, in Kraftstoffdosierungen, in der Brennstoffzellentechnik und in kompakten Prozessregelgeräten zu finden.

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