CN112236610A - 电磁阀和空气分流阀 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电磁阀，特别是用于控制主阀的先导阀，诸如空气分流阀中的先导阀，电磁阀包括至少一个阀构件、至少一个线圈元件和至少一个感测元件，该至少一个阀构件与沿第一轴线可移动的柱塞可操作地连接；其中，借助于线圈元件的通电来实现柱塞和/或阀构件的移动；借助于该感测元件来检测线圈元件的至少一个参数，其中，可以借助于所述参数来确定柱塞和/或阀构件的位置。

Description

电磁阀和空气分流阀
技术领域
本发明涉及一种阀(电磁阀，特别是用于控制主阀的先导阀，诸如空气分流阀中的先导操作阀，电磁阀包括至少一个阀构件，该阀构件与至少一个柱塞可操作地连接，可以沿着第一轴线和至少一个线圈元件移动，其中柱塞和阀构件的移动可以通过线圈元件的通电来实现)以及包括这种阀的空气分流阀。
背景技术
空气分流阀在现有技术中是已知的。例如，示例性的空气分流阀在申请人的DE 202016 104 363 U1中公开。空气分流阀包括主阀，借助于主阀可以控制至少一种流体，特别是在机动交通工具内的流体沿流体路径的流动。主阀气动工作，其中，主阀的驱动经由电磁控制阀或先导阀执行。
这种空气分流阀已经成功地进行了试验和测试，因为它具有更低的能量需求，特别是与执行主阀的直接电磁驱动的空气分流阀相比。因此，特别地，存在于流体路径中的压力被用于支持先导阀或控制阀的移动，从而减少其能量消耗。
然而，在这种空气分流阀中，不利的是，需要附加的传感器单元来确定空气分流阀的操作位置，特别是先导阀的操作位置。特别地，需要在主阀或先导阀的阀构件上布置附加的传感器元件。这需要为传感器元件提供一定的安装空间，以至于增加总的组装体积，以便获得足够的结构刚度，从而实现阀构件的操作的安全性。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种电磁阀，该电磁阀尤其可以用作空气分流阀中的控制阀和/或先导阀，利用该电磁阀可以克服现有技术的已知缺点，特别是能够以简单的构造和可靠的方式监控空气分流阀或先导阀的开关位置。此外，期望进一步降低空气分流阀或先导阀的能量消耗。
该目的通过本发明得以解决，其中电磁阀的特征在于感测元件，利用该感测元件可检测线圈元件的至少一个参数，其中，可以借助于所述参数确定柱塞和/或阀构件的位置。
在此特别建议，线圈元件至少部分地、优选地至少部分地同轴地围绕第一轴线和/或柱塞。
在上述实施例中，特别优选的是，线圈元件包括至少两个单线圈，优选地恰好两个单线圈，其中，优选地，该单线圈沿第一轴线前后布置，和/或其中至少一个单线圈，特别是所有单线圈，优选地至少部分地，特别是部分地同轴地围绕第一轴线和/或柱塞。
在上述实施例中，特别优选的是，相对于第一轴线在两个单线圈之间布置至少一个永磁体，其中优选地，永磁体至少部分地形成为环形磁体，特别是至少部分地，优选地至少部分地同轴地围绕第一轴线和/或柱塞。
此外，根据本发明的建议，感测元件检测第一单线圈的至少一个第一参数和/或第二单线圈的至少一个第二参数，其中，优选地，永磁体布置在第一单线圈和第二单线圈之间。
此外，根据本发明的电磁阀的特征在于至少一个开环和/或闭环控制装置，其中，该开环和/或闭环控制装置与感测装置、线圈元件和/或单线圈特别是第一单线圈和/或第二单线圈可操作地耦接，和/或柱塞和/或阀构件优选地借助于开环和/或闭环控制装置沿第一轴线移动到至少两个不同的位置。
在上述实施例中，特别优选地，柱塞和/或阀构件的移动是通过根据目标值，优选地根据提供给开环和/或闭环控制装置的目标值输入的目标值，致动线圈元件，特别是单线圈，优选多个单线圈，优选所有单线圈来执行的。
对于该实施例还建议，借助于感测装置检测到的柱塞和/或阀构件的目标值和实际位置之间的比较可以借助于开环和/或闭环控制装置执行。
此外，本发明建议，柱塞和/或阀构件的第一位置对应于关闭位置，特别是用于关闭至少一个阀入口和至少一个阀出口之间的连接，其中，优选地，阀构件优选地密封地位于至少一个阀座上；和/或柱塞和/或阀构件的第二位置对应于打开位置，特别是用于打开阀入口和阀出口之间的连接，其中，优选地，阀构件至少部分地从阀座上抬起。
最后建议，电磁阀参数，特别是第一参数和/或第二参数，包括线圈元件和/或单线圈的至少电感率、至少欧姆电阻和/或至少阻抗，单线圈优选为第一单线圈和/或第二单线圈。
此外，本发明提供一种空气分流阀，该空气分流阀包括至少一个主阀以及至少一个用于控制该主阀的先导阀，该主阀优选地为气动和/或液压的主阀，其中，该先导阀根据本发明形成为电磁阀。
主阀可以优选地实现为二通阀或三通阀。优选地，可以将主阀置于操作位置。对于二通阀，在一个操作位置中，优选地将流体入口与流体出口密封，而在第二操作位置中，流体入口与流体出口连接。对于三通阀，优选设置所有三个导管，特别是流体入口和两个流体出口。优选地，在一个操作位置中，流体入口仅与两个流体出口之一连接，而另一个流体出口与流体入口密封。在第二操作位置中，优选的是，另一流体出口连接至流体入口，而第一流体出口与流体入口密封。为此，主阀的阀构件优选地包括相应的密封元件，密封元件在相应的操作位置上与主阀的一个相应的阀座配合，特别是相对于流体入口密封地关闭一个相应的流体出口。优选地，对于主阀为三通阀的实施例，流体出口与流体入口平行地布置，特别是相对于彼此呈音叉的形状布置。
优选地，主阀的阀构件被配置成空心体，该空心体具有面向流体入口的入口开口和具有面向先导阀的出口开口，经由该空心体，该先导阀可以通过该阀构件承受流体入口侧压力。
因此，本发明基于令人惊讶的认识，通过对阀的线圈元件的参数进行分析，通过采用感测单元可以显著地简化电磁阀的设计配置，该电磁阀的设计配置同时允许检测阀的阀构件的位置，该感测单元无需在阀构件或移动部件上进行任何附加的附接或固定。特别有利的是，例如通过检测所提供的电流的电压和/或相移来检测线圈元件的电感率，并且借助于感测单元来推断电磁阀的柱塞或阀构件的位置。与本领域已知的传感器单元相比，所涉及的必要的组装空间大大减少，因为不需要在移动部件上附加附接件(诸如传感器元件)，而仅必须为现有技术中已知的任何传感器单元也必须提供的电子器件。
在将先导阀实现为双稳态阀的情况下，对先导阀或主阀的操作位置进行了特别简单的监控。阀的这种双稳态实施例还提供了以下优点：可以进一步提高能量效率，特别是显著降低了能量消耗。对于阀的双稳态实施例，提供了线圈元件包括至少两个单线圈，在该至少两个单线圈之间设置有永磁体，尤其是环形永磁体。以这种方式可以实现介质流的节能控制。
同时，利用这种双稳态实施例，也可以实现高压的操作切换，特别是由于使用了受控流体的压力的操作切换，此外，还可以实现较低的累积重量。由于双稳态实施例，与现有技术中已知的系统相比，能量消耗大大降低，因为仅实际的操作开关移动，特别是阀构件从关闭位置到打开位置的移动才需要能量，反之亦然。然而，不需要能量来将阀保持在相应位置。一方面，这种保持是通过先导阀内的永磁体实现的，而另一方面，由于用于主阀的先导阀的相应的操作位置，保持主阀是通过将被控制的流体的压力所产生的力实现的。
特别地，通过使用至少两个单线圈的双稳态或双极设计配置简化了先导阀以及主阀的位置检测，并提高了整个空气分流阀的操作安全性。
因此，很容易发现先导阀以及主阀的错误位置，从而采取适当措施将空气分流阀转移到故障安全位置。由此，可以进行分析以检测整个线圈元件的参数以便执行位置检测，然而，替代地，也可以仅检测一个或所有单线圈的一个参数。
特别地，电磁线圈的电感率、欧姆电阻、阻抗或任何其他通常简单可检测的参数可以被考虑为记录的参数。仅需要(连接到感测装置或包括感测装置的)开环和/或闭环控制装置形式的电子器件作为位置控制的唯一附加元件。借助于由感测单元检测到的目标值和实际值之间的简单比较可以检测阀构件的位置，并借助于线圈元件或单线圈的相应控制信号将先导阀转移到所需位置。
由此，特别是在关闭位置和打开位置之间的位置执行先导阀的运动，在该关闭位置和打开位置之间的位置中，可以改变主阀的控制空间中的压力，以打开或关闭主阀的阀构件。
附图说明
在随后的描述中给出了本发明的其他特征和优点，在该描述中借助于示例描述了本发明的优选实施例。
在以下中示出了：
图1是根据本发明的具有用作先导阀的根据本发明的电磁阀的空气分流阀的局部横断面视图；
图2a和2b分别是处于不同操作位置的图1的空气分流阀的横断面视图；
图3是根据本发明的电磁阀的另一实施例的横断面视图，该电磁阀可以用在图1的空气分流阀中；
图4是根据本发明的具有用作先导阀的根据本发明的电磁阀的空气分流阀的另一实施例的局部横断面视图；以及
图5是图4的A部分的放大视图。
具体实施方式
在图1中，示出了根据本发明的空气分流阀1的局部剖视图。空气分流阀1包括主阀3以及实现三通阀的电磁控制阀或先导阀5。
主阀1包括用于使流体可操作地切换通过空气分流阀1的流体入口7和流体出口9。在流体出口处，流体以压力P1起作用，而在流体出口9的区域中流体具有压力P2。
作用在流体入口7上的压力P1经由实现先导阀5的阀入口的导管11被供应到先导阀5的阀座13。通过切换先导阀5，在导管11中占主导地位的流体压力P1可以经由实现先导阀5的阀出口的导管15选择性地被输送到主阀3的控制空间17，或者经由管线19(也可以称为旁通导管)被输送到流体出口9。
如下所述，借助于致动器21打开先导阀5使得在流体入口7处占主导地位的压力P1也被施加到控制空间17。由于相同的压力作用在控制空间17中(即作用在主阀的膜片23的有效表面的上侧上，作用在面对流体入口7的膜片23的有效表面的下侧上)的事实，主阀3的阀构件25在主阀3的阀座27的方向上移动，从而流体入口7与流体出口9之间的连接被关闭。由于作用在膜片23的有效区域的相应侧面上的力的绝对值相等，因此经由通过弹簧元件29作用在阀构件25上的力进行关闭。因此，需要相对较小的力，使得弹簧元件29的尺寸可以相对较小。
在图2a和2b中，示出了处于两个相应的操作位置的空气分流阀1。从图2a可以看出，处于主阀3的打开位置的空气分流阀1被示出。先导阀5处于先导阀5的阀构件31位于阀座33上的位置。这导致在控制空间17和流体出口9之间建立连接，以便压力P2在控制空间17中起作用。然而，该压力P2小于压力P1，以便阀构件25从阀座27上抬起，从而将流体入口7和流体出口9之间的连接释放。特别是，在膜片23的有效表面上存在力的不平衡，使得作用在膜片23的有效表面的下侧的压力大于作用在控制空间17中的上侧上的压力。该压力差允许阀构件25抵抗由弹簧元件29建立的力而移动。然后，阀构件31或柱塞37借助于致动器21沿第一轴线A移动，使阀构件31或柱塞37从阀座13抬起，得到图2b中所示的流体路线。作用在流体入口7上的压力P1通过导管15转移到控制空间17，使得压力平衡作用在膜片的有效表面上，并且阀构件25被转移到关闭位置，其中通过弹簧元件29，阀构件25位于阀座27上。
根据本发明，致动器21经由连接元件33电耦接至感测装置(未示出)。感测装置允许检测致动器21的线圈元件35的参数。
在图2a和2b中，示出了单稳态致动器21。当给线圈元件35通电时，可操作地耦接至阀构件31的柱塞37抵抗弹簧元件39的力而移动，使得先导阀5关闭。当线圈元件35的通电结束时，出现图2b中所示的情况，其中，借助于弹簧元件39沿着第一轴线A将柱塞37推到线圈的区域之外，从而将阀构件13同时抬起。由于柱塞37在线圈元件35内的位置不同，线圈元件35的电感率被改变，使得有可能检测到柱塞37的位置，并因此检测到阀构件31的位置。
在图3中，示出了先导阀5′的优选修改实施例的横断面视图。根据本发明的电磁阀的对应于先导阀5的那些元件的先导阀5'的形式的这些元件具有相同的附图标记，但带有单撇号。
与先导阀5相比，先导阀5′具有双稳态致动器21′。另外，线圈元件35'包括第一单线圈41'、第二单线圈43'以及永磁体45'。单线圈41′、43′以及永磁体45′相对于作为环形永磁体的柱塞37′的第一轴线A′同轴地形成。
这种设计提供的优点是，能量必须仅被花费在柱塞37'的运动上，并因此仅在阀构件31'的运动上。在相应的终端位置，例如图3所示的先导阀5′的关闭位置，其中阀构件31′位于阀座13′上，永磁体45′提供了必要的保持力。
通过检测单线圈41′、43′的参数，可通过感测单元可靠地检测柱塞37′的位置，从而检测阀构件31′的位置。这借助于开环和/或闭环控制装置(未示出)来执行，该开环和/或闭环控制装置一方面经由连接33'将相应的控制信号传递给线圈元件35'或单线圈41'和43'，同时允许用于单线圈41'和43'的参数的收集，特别是单线圈41'和43'的电感率，因此允许精确的位置控制或位置检测。
为了切换先导阀5'，即为了切换操作，仅需要将相应的单线圈41'、43'或线圈元件35脉冲通电大约200毫秒。
在图5中，示出了根据本发明的空气分流阀1的局部横断面视图。空气分流阀1包括形成为三通阀的主阀3以及形成为三通阀的电磁控制阀或先导阀5。在这种情况下，主阀3和先导阀5均为三通/二通阀。先导阀5与图1、图2a和图2b的先导阀5基本相同。然而，先导阀5也可以形成为图3的先导阀5′。前述和随后描述的元件的相似或相同的元件用相同或相似的附图标记表示。图4中所示的主阀3包括流体入口7以及两个流体出口9、9′。根据本发明的具有三通阀作为主阀3的空气分流阀1中，已经示出优选地形成彼此平行，特别是形成如图所示的音叉形状的流体入口7和流体出口9、9'。优选地，流体出口9、9'经由阀构件壳体47连接至流体入口7。在阀构件壳体47内，主阀3的阀构件25'可以处于两个操作位置，其中在一个操作位置，流体入口7连接至流体出口9'，而在另一个操作位置，流体入口7连接至流体出口9。为此，阀构件25'包括两个密封装置49、49′，其取决于操作位置，在抵抗流体入口9的阀构件壳体47的两个阀座27′、27″之一处密封流体出口9、9′之一。
在图4中，示出了操作位置，其中流体入口7连接至一个流体出口9'，并且其中另一流体出口9通过坐落在阀座27'上的密封装置49相对于流体入口7密封地关闭。通过将先导阀5设置在先导阀的阀构件31位于先导阀的阀座33上的位置来实现该操作状态。在先导阀5的这个位置，流体入口7处的压力P1作用在一个流体出口9'和控制空间17中。因此，控制空间17的压力P1经由实现先导阀5的阀入口的导管11”和实现先导阀5的阀出口的导管15”被供应。在图4所示的位置，先导阀5的第三导管19'作为旁通导管，通过坐落在抵抗控制空间17的阀座13'上的先导阀5的阀构件31'被密封。借助于控制空间17的一侧上的压力P1的较大有效面积，阀构件25′被推到所示的位置，在该位置，密封件49接合主阀3的阀座27′。
通过操作先导阀5，可将先导阀的阀构件31从先导阀的阀座13移开，从而通过导管19'和15”建立流体出口9和控制空间17'之间的连接，通过它可以释放压力P1。在释放压力之后，另一个流体出口9的较低压力P2在控制空间17中起作用。在这种状态下，由于弹簧元件29”和压力P1在阀25'上产生偏压力抵抗通过控制器17中的另一个压力P2作用的相反的作用力。因此，主阀3的阀构件25'移动到流体入口7连接至另一个流体出口9的位置(未示出)，其中第一流体出口9'与流体入口7密封。
因此，根据本发明的阀的实施例可以以有利的方式用于两通阀形式的主阀，以及用于三通阀形式的主阀。
该双稳态实施例对于能量效率是有利的，例如对于先导阀关闭5分钟并打开5分钟的10分钟的循环持续时间，低至40瓦秒的能量需求需要6个周期和12伏的供电电流。与此相比，对于图1至图2b中的致动器21，需要13000瓦秒的能量需求，然而，借助于具有22000瓦秒的需求的电磁致动器，该能量需求仍然小于用于主阀3的直接电磁致动的需求。
特别地，降低的能量消耗允许根据本发明的阀被用于电力驱动交通工具中，以便以与现有技术中已知的空气分流阀相比能量需求低10倍的能量来切换相应的流体流。
特别地，根据本发明的电磁阀可用作空气分流阀中的先导阀，产生较小的切换力，使得可以采用具有较小组装体积的致动器，从而导致更紧凑的设计。此外，由于驱动器配置为双稳态或双极致动器，因此实现了能量消耗的减少，这导致了重量的显着降低。然而，由于主阀的几何形状，可以用很少的能量同时切换高压力，并且该阀(尤其是空气分流阀)可以用于不同的应用，因为压力和流体的流量都不影响切换功率。同时，由于恒定的监控和先导阀的位置，实现了增强的操作安全性，并在发生功能故障的情况下，确保了空气分流阀可以转移到预定的故障安全位置。总而言之，由于通过检测线圈元件的参数对双极致动器进行了更简单的位置分析，因此也导致了更紧凑的设计。
在说明书、权利要求书和附图中公开的特征在本发明的不同实施例(无论是单独地还是以其任何组合)中是必不可少的。
参考数字列表
1：空气分流阀
3：主阀
5、5′：先导阀
7：流体入口
9、9'：流体出口
11、11′、11”：导管
13、13′：阀座
15、15′、15”：导管
17：控制空间
19、19′：导管
21、21′：致动器
23：膜片的有效区域
25、25'：阀构件
27、27′、27”：阀座
29、29′、29”：弹簧元件
31、31'：阀构件
33、33'：连接
35、35'：线圈元件
37、37'：柱塞
39：弹簧元件
41'：单线圈
43'：单线圈
45'：永磁体
47：阀构件壳体
49、49'：密封装置
A、A'：轴线

Claims (11)

1.一种电磁阀(5)，特别是用于控制主阀(3)的先导阀(5)，诸如空气分流阀中的先导操作阀，所述电磁阀(5)包括至少一个阀构件(31、31')和至少一个线圈元件(35、35'、41'、43')；所述至少一个阀构件(31、31')与沿第一轴线(A、A')可移动的至少一个柱塞(37、37')可操作地连接；其中，借助于所述线圈元件(35、35'、41'、43')的通电，来实现所述柱塞(37、37')的移动和/或所述阀构件(31、31')的移动，其特征在于，
至少一个感测元件，借助于所述感测元件来检测所述线圈元件(35、35'、41'、43')的至少一个参数，其中，借助于所述参数来确定所述柱塞(37、37')的位置和/或所述阀构件(31、31')的位置。
2.根据权利要求1所述的电磁阀，其特征在于，所述线圈元件(35、35'、41'、43')至少部分地、优选地至少部分地同轴地围绕所述第一轴线(A、A')和/或所述柱塞(37、37')。
3.根据权利要求1或2所述的电磁阀，其特征在于，所述线圈元件(35')包括至少两个单线圈(41'、43')，优选地恰好两个单线圈(41'、43')；其中，优选地所述单线圈(41'、43')沿所述第一轴线(A')前后布置，和/或其中至少一个单线圈(41'，43')，特别是所有单线圈(41'、43')至少部分地，特别是部分地同轴地围绕所述轴线(A')和/或所述柱塞(37')。
4.根据权利要求3所述的电磁阀，其特征在于，相对于所述第一轴线(A')在两个单线圈(41'，43')之间布置至少一个永磁体(45')，其中优选地，所述永磁体(45')至少部分地形成为环形磁体，特别是至少部分地，优选地至少部分地同轴地围绕所述第一轴线(A')和/或所述柱塞(37')。
5.根据权利要求3或4所述的电磁阀，其特征在于，所述感测元件检测单线圈(41')的至少一个第一参数和/或第二单线圈(43')的至少一个第二参数，其中，优选地，所述永磁体(45')布置在所述第一单线圈(41')和所述第二单线圈(43')之间。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电磁阀，其特征在于，至少一个开环和/或闭环控制装置，其中，所述开环和/或闭环控制装置与所述感测装置、所述线圈元件(35、35')和/或所述单线圈(41'、43')，特别是所述第一单线圈(41')或所述第二单线圈(43')可操作地连接，和/或其中所述柱塞(37、37')和/或所述阀构件(31、31')优选地借助于所述开环和/或闭环控制装置沿所述第一轴线(A、A')被移动到至少两个不同的位置。
7.根据权利要求6所述的电磁阀，其特征在于，所述柱塞(37、37')和/或所述阀构件(31、31')的移动是通过根据目标值，优选地根据经由目标值输入提供给所述开环和/或闭环控制装置的目标值，致动所述线圈元件(35、35')，特别是所述单线圈(41'、43')，优选多个单线圈(41'、43')，优选所有单线圈(41'、43')来执行的。
8.根据权利要求7所述的电磁阀，其特征在于，通过所述感测装置检测到的所述柱塞和/或所述阀构件的所述目标值与实际值之间的比较可以由所述开环和/或闭环控制装置执行。
9.根据权利要求6至8中的任意一项所述的电磁阀，其特征在于，
所述柱塞(37、37')和/或所述阀构件(31、31')的第一位置对应于关闭位置，特别是用于优选地密封关闭至少一个阀入口(11)和至少一个阀出口(15)之间的连接，其中，所述阀构件(31、31')优选地位于阀座(13、13')上，和/或
所述柱塞(37、37')和/或所述阀构件(31、31')的第二位置对应于打开位置，特别是用于打开所述阀入口(11)和所述阀出口(15)之间的连接，其中，优选地，所述阀构件(31、31')至少部分地从所述阀座(13、13')上抬起。
10.根据前述权利要求中任一项所述的电磁阀，其特征在于，
所述参数，特别是第一参数和/或第二参数，包括所述线圈元件(35、35')，或所述单线圈(41、43')的至少电感率、至少欧姆电阻和/或至少阻抗，所述单线圈(41、43')优选为所述第一单线圈(41')和/或所述第二单线圈(43')。
11.一种空气分流阀(1)，所述空气分流阀(1)包括至少一个主阀(3)和至少一个用于控制所述主阀(3)的先导阀(5、5')，所述主阀(3)优选为气动和/或液压的主阀(3)，其中，所述先导阀以根据前述权利要求中的一项所述的电磁阀(5、5')的形式实现。
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