CN105655088B - 具有基于电动致动器的阀的阀设备及用于控制该阀的方法 - Google Patents

Abstract

阀设备包括具有电动致动器的阀(10)，此电动致动器包括具有线圈(22)的可移动地安装的控制元件与相对于线圈(22)不动的磁体布置。由线圈(22)的通电造成的并且传送到控制元件的驱动力基本上线性地取决于电流强度。前端电子单元(38)与线圈(22)连接并且包括并联连接到线圈(22)的电容器(40)。一种用于控制如上所述的阀(10)的方法，使得当致动电动致动器时，在通过电压源给线圈(22)通电期间，给并联连接到线圈(22)的电容器(40)充电。在通过电压源的通电终止以后，通过电容器(40)的放电使线圈(22)进一步通电。

Description

具有基于电动致动器的阀的阀设备及用于控制该阀的方法

技术领域

本发明涉及阀设备，此阀设备包括具有电动致动器的阀。本发明还涉及用于控制具有电动致动器阀的方法。

背景技术

随着机械制造中的增加的要求，对其中使用的阀的要求也增加。在现代实验室中，例如以及尤其在直接在患者环境中的临床领域中，避免或降低噪音污染获得越来越多的重要性。尤其对于“介质分离”阀的领域来说，由于它们例如仅在食物、分析、实验室与医疗技术中使用，因此在市场上仅存在很少的低噪音解决方案。

对于上述应用中的多个来说，从技术的视角来说，电磁阀是首选。它们设计为用于快速能率循环并且相应的设计适于在不同温度与压力范围中的腐蚀性或中性液体与气体介质。电磁阀通常地包括磁性电枢(铁芯)，此磁性电枢通过电磁体的力沿着一个方向并且通过回复弹簧的力沿着相反方向可移动。在给电磁体通电后，电枢通过产生的磁场从起始状态加速，直到其达到由通常是金属柱塞的限定止动件规定的端部位置。在切换路径的过程中，电枢的速度稳定地增加。电枢离柱塞越近，磁力就变得越大。在切换路径的端部，当电枢撞击柱塞时，听到明显可察觉到的敲击噪音，尤其当切换频率高时，这通常被视为干扰。可以通过安装在柱塞或电枢上的弹性体元件实现噪音衰减。然而，此措施导致电枢的减小的冲程并且导致在冲程路径的端部处的减小的驱动力。

在介质分离阀的上述领域中，这里简略地称作为“洛伦兹阀”的阀类型最近在自建立。在例如通过WO2010/066459A1已知的此阀类型中，利用了电动致动器。在给线圈通电后，不动磁体布置在线圈上施加洛伦兹力，其用于使机械预张紧控制元件偏转。为此的先决条件是线圈是可移动控制元件的一部分。与电磁阀相比，在洛伦兹阀中的驱动力线性地取决于电流强度，即驱动力随着恒定电流强度保持恒定。因为不存在控制元件对金属限定止动件的冲击，因此此阀通常不那么嘈杂。然而，在切换后，当控制元件或控制元件的凸片撞击阀座时仍将听到噪音。

发明内容

本发明的目的是形成具有改进切换特征的直接作用阀。特别地，将实现有效的端部位置衰减和/或加速的切换。

通过具有权利要求1的特征的阀设备以及通过具有权利要求9的特征的阀控制方法解决了此目的。在相关的子权利要求中指出了根据本发明的设备与根据本发明的方法的有利且方便的方面。

根据本发明的阀设备包括具有电动致动器的阀，此电动致动器包括具有线圈的可移动地安装的控制元件与相对于线圈不动的磁体布置。由线圈的通电造成并且传送到控制元件的驱动力基本上线性地取决于电流强度。根据本发明，与线圈连接的前端电子单元包括并联连接到线圈的电容器。

本发明基于洛伦兹阀的特定构造提供经由电流可控制的稳定切换运动的发现。在给线圈通电后，并联连接到线圈的电容器被充电并且在切断电流以后用作缓冲器，其防止此线圈突然地变得无电流并且控制元件未制动地返回到起始状态。在切断电流以后，电容器仍给线圈供给电流，直到其完全地放电。通过由此实现的阻尼，电容器的指数放电曲线结果是尤其有利的，由于尤其在切换路径的端部处的电容器的放电减慢到起始状态中。通过使用的电容器的适当设计，尤其关于其电容，切换噪音不再是可察觉的。根据本发明的阀设备由此适于噪音敏感环境，例如治疗患者。

根据本发明的阀设备的另一个优点在于，当返回到起始状态中时，由电容器阻尼的阀实际上不在介质中产生压力冲击(“水锤现象”)。特别是在微流体的领域中，传统阀的高数量连续水锤可以导致在连接的流体线路中的流体流中的干扰脉冲。这些脉冲的特征在于流速或者作用在流体上的压力的不足但是显著的增加。通过本发明实现的这些压力扰动的缺乏允许更好地控制流量处理。在一些微流体系统中，即当将要形成稳定液滴或多阶段系统时，此消声阀甚至是必要的先决条件。同样在此连接中，可以通过电容器的电容的适当设计，为了应用的要求选择性地调节阀的阻尼。

对于其中电动致动器的控制元件通过回复元件机械地预张紧到起始状态中的阀来说，本发明是尤其有用的。根据与起始状态相应的此切换位置，此阀称作为“常闭”(NC)或“常开”(NO)阀。回复元件通常是夹紧在壳体与控制元件之间的弹簧元件。

根据阀设备的第一实施方式，根据本发明提供的前端电子单元是与阀结构性地分离的单元。单独的前端电子单元具有其可以作为对实际阀的选择而被提供。此外，简化了前端电子单元的调节以及维护与更换。

然而，前端电子单元还可以集成在阀的电动致动器中。此设备由此显著地变得更加紧凑并且可以更易于操作。前端电子单元的集成通常地是没有问题的，因为仅很少的电部件，在最简单情形中仅适当设计的电容器必须容纳在致动器的壳体中。

根据本发明的第一特定方面，前端电子单元包括切换设备，通过其可以将施加到线圈的电压反向。切换设备提供了控制元件加速回复到起始状态中。电压的反向导致流动通过线圈的电流的方向突然地反向的事实，同时控制元件在切换状态中，使得支撑回复元件的力突然地作用在控制元件上。除了机械回复力以外，提供的洛伦兹力尤其在没有压力补偿的阀机构中是有利的，因为在闭合阀(起始状态)时，必须抵抗介质压力施加力。尤其在介质分离隔膜阀中，在打开阀后，与短的切换时间相比，这导致增加的切换时间(切换状态)，其中介质压力具有支撑作用。

前端电子单元优选地包括至少一个信号输入。这提供用于将前端电子单元与控制设备连接，其经由信号线可以确定前端电子单元中的处理。

根据本发明，还可以替代电容器在阀设备的前端电子单元中设置二极管。

在此情形中，可以通过与二极管串联连接的至少一个电阻器选择性地影响切换次数。

本发明还提供了用于控制具有电动致动器的阀的方法，此电动致动器包括具有线圈的可移动地安装的控制元件与相对于线圈不动的磁体布置。由线圈的通电造成的并且传送到控制元件的驱动力基本上线性地取决于电流强度。根据本发明的方法提供了，当致动(控制)电动致动器时，在通过电压源使线圈通电的过程中，给并联连接到线圈的电容器充电。在通过电压源通电终止以后，通过电容器的放电使线圈进一步通电。

关于根据本发明的阀控制方法的阻尼作用以及其它优点，参考关于根据本发明的阀设备的上述言论。

如已经指出的，根据本发明的方法尤其适于其中控制元件预张紧到起始状态中并且驱动力抵抗预张紧力作用的阀(NC和NO阀)。

根据本发明的第一特定方面，阀控制方法提供为了控制元件从切换状态加速回复到起始状态中，施加在线圈处的电压反向。如已经说明地，通过线圈的电流由此反向，使得洛伦兹力沿着相反方向作用，即沿着起始状态的方向，并且增加到回复元件的机械预张紧力。

由于并联连接到线圈的电容器对电压的反向是障碍，因此，应该在控制元件的加速回复过程中，通过电动致动器的致动移除该电容器。这意味着至少对于其中反向电压施加到线圈的期间来说，通过切换件等使电容器去致动。

根据本发明的第二特定方面，阀控制方法提供了为了将控制元件从起始状态加速切换到切换状态中，施加在线圈的电压短暂地升高到线圈的额定电压以上。(线圈的额定电压是如通过制造商或供货商规定的在正常操作中的电压值。同样适用于额定电流)。此过激励对于线圈是无害的，除非其永久地受到增加的电压。然而，对于切换操作来说，仅将短电压脉冲输出到线圈是足够的。

通常来说，加速切换到起始状态中(通过过激励)以及上述加速回复到起始状态中(通过极性反向)尤其在其中要求高切换速度，例如在工业印刷或给剂量的过程中的应用中是有利的。

对于短暂地增加电压来说，可以利用并联地连接到线圈的电容器。

原则上，然而，还可以独立于并联连接到线圈的电容器的存在实现本发明的第一特定方面与第二特定方面(加速回复到起始状态中以及加速切换到切换状态)。

附图说明

通过下面的描述及其所参照的附图可以获得本发明的其它特征与优点。在附图中：

图1示出了根据第一实施方式的本发明的阀设备的剖面图；

图2示出了根据第二实施方式的本发明的阀设备的电路图；

图3示出了根据第一实施方式的本发明的阀设备的电路图；

图4以电流-时间图表示出了根据本发明的阀设备与根据现有技术阀设备的阀的两个能率循环；以及

图5以电压-时间图表示出了根据本发明的阀设备的阀的两个支持的能率循环。

具体实施方式

图1通过实例的方式示出了介质分离阀10的实施方式，这里是具有电动致动器的微型阀。电动致动器放置在两部分的流体壳体12a、12b上，其中形成一个定位在另一个旁边的两个阀座14a、14b。可以通过夹紧在半壳体部12a、12b之间的隔膜16或者通过插入其中的阻隔件或者其它密封元件交替地打开或闭合阀座14a、14b。

电动致动器包括致动器壳体18，可移动控制元件与不动的磁体布置容纳在此壳体中。控制元件基本上由非磁性材料的线圈载体20以及缠绕在线圈载体20上或者另外牢固地与线圈载体20连接的铜线的线圈22形成，即线圈载体20与线圈22通常一起移动。

线圈22包括围绕具有沿着z方向延伸的中轴线的非软磁铁芯24(空气或者另一个非磁性材料)的多个绕组。由此在这里描述的示例性实施方式是空气线圈。

线圈22的纵轴线以两个隔开的互补半圆的形式呈现，与半圆连接的直线状中间件沿着垂直于z方向的y方向延伸。线圈22的绕组端部26a、26b通过线圈载体20并且经由与致动器壳体18的上端面上的设计为插脚的两个电端子28a、28b连接的电导体被引导。在此实施方式中，电端子28a、28b与用于致动电动致动器的控制设备直接地连接，这将在下面更加详细地描述。

线圈载体20继而与摇杆30牢固地连接或者一体地并入到摇杆30中，此摇杆能够旋转地围绕平行于z方向定向的旋转轴线D安装。摇杆30形成为与隔膜16或阻隔件配合的双臂致动杆。

在示出的示例性实施方式中，磁体布置由四个立方体永磁体形成，其中在图1的剖面图示中仅示出了两个永磁体32、34。两个永磁体32沿着垂直于方向y和z的x方向在纵向间隙的一侧上一个布置在另一个旁边，其中控制元件设置在该纵向间隙中。在图1中不可见的纵向间隙的相对侧上，以相同布置提供两个其它永磁体。永磁体定向为使得它们的纵轴线平行于线圈22的纵轴线方向y延伸并且沿着方向x和z通常相反的极(北、南)面向彼此。

相对于方向x，由此形成具有相反的取向(相反的主方向)一个布置在另一个旁边的两个磁场，其每一个的场线大部分沿着平行于旋转轴线D的方向z横穿纵向间隙。为了简化起见，下面使用的指示的方向(左、右等)参照图1的图示。相应地，在左侧上面向彼此的永磁体的左磁场穿过线圈22的左半部22a，同时在右侧上面向彼此的永磁体的右磁场穿过线圈22的右半部22b。

在电动致动器的无电流的起始状态中，以夹紧在致动壳体18与线圈载体20之间的线圈弹簧形式的回复元件36机械地使摇杆30预张紧到阀位置中，根据图1，右阀座14b在该位置中闭合，而与此同时左阀座14a敞开。在此，该阀位置表示阀10的起始状态。

当经由电端子28a、28b给线圈22充以直流电时，在线圈22的右半部22a与左半部22b中的电流流动方向就如左磁场与右磁场的方向一样是相反的。通过施加的电压的“正确”极性，向左的洛伦兹力作用在两个线圈半部22a、22b上。控制元件由此围绕旋转轴线D沿着逆时针方向抵抗回复元件36的机械预张紧力枢转到切换状态中。在此切换状态中，右阀座14b打开并且左阀座14a闭合。只要切断电流，洛伦兹力就消除并且回复元件36再次将控制元件向回推到起始状态中。

作用在控制元件上的总力都取决于磁场的强度、可用于磁场中的生成力的线圈22的载流绕组的总长度、电流强度以及在相对的永磁体之间的纵向间隙的尺寸。

随后，将描述阀10的电致动，其中它不限于阀10的上述实施方式，而是通常地可适用于具有电动驱动的阀。特别地，阀致动还适于仅具有选择性地敞开或闭合的一个阀座的阀。

图2示出了阀10的电路图，其包括电动致动器以及作为阀致动的重要部分的前端电子单元38。前端电子单元38具有三个输入，其中两个用于供给由外部电压源(未示出)提供的电压。第三输入是与用于控制前端电子单元38中的处理的的控制设备(未示出)连接的信号输入。

前端电子单元38与电动致动器，更精确地与电端子28a、28b或者线圈22的绕组端26a、26b连接。除了其它方面，前端电子单元38提供了下面三个切换变量，其与在没有前端电子单元38的情况下的通常的切换操作不同：1)阻尼的切换操作；2)加速回复到起始状态中；以及3)从起始状态加速切换。

关于切换操作的阻尼，并联连接到线圈22的电容器40设置在前端电子单元38。在最简单的情形中，这形成如图3中所示的回路。

如图2中所示，前端电子单元38可以是单独的单元。另选地，然而，前端电子单元38还可以集成在阀10的电动致动器中。图1通过实例的方式示出了其中集成的前端电子单元38基本上仅包括在这里与两个电端子28a、28b连接的电容器40的简单的构造。

此时，将不再详细说明前端电子单元38的可能的其它部件。

图4中的虚线曲线示出了在图表中的阀10的两个通常的、连续的切换操作，其中通过线圈22的电流I随时间绘制。在时间t₁处，规定用于线圈22的额定电压U_额定通过外部电压源施加到致动器，更精确地说施加到与线圈22的线圈端部26a、26b连接的电端子28a、28b。如上所述，通过克服回复元件36的机械预张紧力，阀10随即从开始起始状态切换到切换状态中。

如可以通过图4的图表获得的，在施加额定电压U_额定以后，电流未直接地升高到额定值I_额定。这是由于并联连接到线圈22的电容器40被充电的事实，这导致短的延迟。只要施加额定电压U_额定，阀10就保持在切换状态中。

当外部电压源的电压然后在时间t₂切断时，阀10向回切换到起始状态中。然而，充电的电容器40实现了在线圈22处产生的电压U和电流流量I不是突然地下降到零。更确切地说，电容器40在切断以后还继续给线圈22供给电流，直到电容器40完全地放电。在给电容器40放电后，电压U以及由此电流强度I指数式地减小。在图4中以实线示出了指数式放电，同时为了比较，虚线表示在t₂处在没有电容器情况下的突然切断。

电流强度的受控的“软”降低导致阻尼的切换操作，即在达到起始状态前不久，控制元件的移动选择性地变慢。由于阻尼，实际上将不再听到切换噪音。实践中，当在没有阻尼的情况下的通常的切换时间总计为约1-5毫秒，切换时间由于阻尼延迟到例如15毫秒。当切换到切换状态中时，预先地获得以反向形式的类似切换特征与相当的延迟。

当没有阻尼，但是期望加速回复到阀10的起始状态中时，前端电子单元38可以执行另一测量。为了抵抗回复元件36的预张紧力将控制元件保持在切换位置中，施加在线圈22处的额定电压U_额定在短时间反向。在期望的向回切换时间t₂处，已经与电压源的正极连接的电端子28a、28b连接到负极或接地，并且反之亦然。在图5的图表的右部中示出了此方案。

通过反转极性，流动通过线圈22的电流反向。通过此种方式，产生洛伦兹力，其沿着相反方向作用并且由此支撑回复元件36。由于该增加的回复力，加速了控制元件回复到开始状态。为了最佳利用此作用，应该至少在线圈22处施加反向额定电压U_额定，直到控制元件安全地再次回复到其起始状态中。

为了反转极性，切换设备例如以桥接电路的形式设置在前端电子单元38中。切换设备仅在没有电容器40的情况下起作用，即，此时通过适当的措施将它从用于线圈22的致动电路去除(“切断”)。然而，这在根据具硬接线在电动致动器中的电容器40的图1的变型中是不可能的，。

同样地可以通过前端电子单元38实现阀10从起始状态加速切换到切换状态中。在切换时间t₁处，显著地超过额定电压U_额定的电压由此施加到线圈22(过激励)。在图5的图表的左半部中示出了此过程。增加的电压提供了流动通过线圈22的较高电流以及由此在控制元件上的增加的驱动力。然而，线圈22仅应该短暂地通过较高电压(以脉冲)充电，以便避免线圈22的过载或损坏(烧坏)。

为了提供额外电压，可以利用电容器40。然而，还能够实现外部电压源的电压的向上调节或者以一些其它方式短暂地增加在线圈22处的电压。

对于两个最后描述的切换操作2)加速回复到起始状态中与3)从起始状态加速切换来说，电容器40是(绝对)非必要的。在最简单的情形中，用于此两个功能的前端电子单元38限于切换设备或者可控制的电压源。

原则上，还可以使用二极管替代电容器40，以便实现上述切换特性。在此情形中可以调节相应的切换次数，由于除了二极管以外一个或多个电阻器被串联连接。

通常来说，通过前端电子单元38的阀致动尤其适于具有电动力驱动的介质分离阀，尤其是切换阀，因为它们被用于例如食品、分析、实验室或医疗技术中。然而，本发明还可以用于没有分离隔膜的阀中。

附图标记列表

10 阀

12a、12b 流体半壳体部

14a、14b 阀座

16 隔膜

18 致动器壳体

20 线圈载体

22 线圈

22a、22b 线圈半部

24 铁芯

26a、26b 绕组端部

28a、28b 电端子

30 摇杆

32 永磁体

34 永磁体

36 回复元件

38 前端电子单元

40 电容器

Claims (13)

1.一种阀设备，其包括阀(10)和前端电子单元(38)，其中所述阀包括电动致动器和一个或多个阀座，其中所述电动致动器包括可转动地安装的控制元件与不动的磁体布置，其中所述可转动地安装的控制元件包括线圈(22)和线圈载体(20)，所述线圈(22)和所述线圈载体(20)一起转动，并且其中线圈载体(20)继而与摇杆(30)牢固地连接或者一体地并入到摇杆(30)中，此摇杆能够旋转地围绕旋转轴线D安装，所述控制元件围绕旋转轴线D旋转以打开或关闭所述阀座，其中所述线圈(22)经由电流而通电产生并且传送到所述控制元件的驱动力线性地取决于电流强度，并且

前端电子单元(38)与所述线圈(22)连接，并且该前端电子单元包括并联连接到所述线圈(22)的电容器(40)。

2.根据权利要求1所述的阀设备，其特征在于，所述电动致动器的所述控制元件通过回复元件(36)机械地预张紧到起始状态中。

3.根据权利要求1所述的阀设备，其特征在于，所述前端电子单元(38)是与所述阀(10)结构性地分离的单元。

4.根据权利要求1所述的阀设备，其特征在于，所述前端电子单元(38)集成在所述阀(10)的电动致动器中。

5.根据权利要求1所述的阀设备，其特征在于，所述前端电子单元(38)包括切换设备，通过所述切换设备能将施加在所述线圈(22)处的电压反向。

6.根据权利要求1所述的阀设备，其特征在于，所述前端电子单元(38)包括至少一个信号输入。

7.根据权利要求1所述的阀设备，其特征在于，二极管被设置用于替代所述电容器(40)。

8.根据权利要求7所述的阀设备，其特征在于，至少一个电阻器与所述二极管串联连接。

9.一种用于控制具有电动致动器和一个或多个阀座的阀(10)的方法，其中所述电动致动器包括可转动地安装的控制元件与不动的磁体布置，其中，所述可转动地安装的控制元件包括线圈(22)和线圈载体(20)，所述线圈(22)和所述线圈载体(20)一起转动，并且其中线圈载体(20)继而与摇杆(30)牢固地连接或者一体地并入到摇杆(30)中，此摇杆能够旋转地围绕旋转轴线D安装，所述控制元件围绕旋转轴线D旋转以打开或关闭所述阀座，其中所述线圈(22)经由电流而通电产生并且传送到所述控制元件的驱动力线性地取决于电流强度，其特征在于，当致动所述电动致动器时，在通过电压源给所述线圈(22)通电的过程中，给并联连接到所述线圈(22)的电容器(40)充电，并且其中，在通过所述电压源的通电终止以后，所述线圈(22)通过所述电容器(40)的放电被进一步通电。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述控制元件预张紧到起始状态中并且所述驱动力抵抗预张紧力作用。

11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，为了所述控制元件从切换状态加速回复到起始状态，使施加在所述线圈(22)处的电压反向。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，为了使所述电压反向，通过电动致动器的致动移除该电容器，即至少对于其中反向电压施加到线圈的期间来说，通过切换件使电容器去致动。

13.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，为了使所述控制元件从起始状态加速切换到切换状态，施加在所述线圈(22)处的电压短暂地升高到所述线圈(22)的额定电压以上。