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Die
vorliegende Erfindung betrifft elektrische, motorgetriebene Ventile,
und insbesondere mit einer Hülse
umgebene Motoren, die bevorzugterweise eine mit einem Gewinde versehene
Läuferverlängerung
aufweisen, um den Ventilkern innerhalb eines Ventilgehäuses anzutreiben,
und bei denen die Stromumkehr über
Hall-Effekt-Vorrichtungen
initiiert wird, wobei die Wicklungen und die Hall-Effekt-Vorrichtungen gewöhnlich in
einer zweiten, atmosphärendichten
Umhüllung
eingeschlossen sind. Das Ventilgehäuse kann ein Ventil mit zwei
Kanälen,
mit drei Kanälen,
ein Ventil mit Druckausgleich oder eines mit vielen Kanälen umfassen,
wie sie beispielsweise zum Wärmeaustausch
oder für
industrielle Kühlung
verwendet werden.
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Die
Erfindung betrifft außerdem
die Art und Weise, die Feldwicklungen mit Strom zu versorgen, die
in einer einzigartigen Läuferbewegung
resultiert, die nicht nur darauf ausgerichtet ist, ein maximales Drehmoment
im Motor zu erreichen, sondern auch darauf, dabei keine thermische Überlastung
an den Feldwicklungen und den Lagern hervorzurufen, wodurch der
Motor über
einen unbestimmten Zeitraum ohne Ausfall laufen kann.
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Desweiteren
betrifft die Erfindung in einem anderen Aspekt die Verwendung einer
derartigen Kombination von Kugellagern oder ähnlichen Lagern, bei der die
Lager von einer PTFE(Polytetraflourethylen)-Verbindung umgeben sind,
die dazu fähig
ist, praktisch permanent Schmiermittel zu bilden und an die Lager
abzugeben, wodurch sie den Lagern eine relative Immunität von den
Bedingungen gibt, die ansonsten schädigend auf deren Lebenszeit
wirken würden.
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Elektrische
motorgetriebene Ventile wurden hierzu in vielen Ausführungsformen
verwendet, wobei einige von ihnen eine Drehstangen- und Stopfbuchsendichtung
in Verbindung mit einem Getriebe-Spaltpolmotor oder einem ähnlichen
Motor verwendeten. Diese Art Ventil hatte ihren Antriebsmotor extern
am Ventil befestigt und war mit dem Ventilkern über eine Stange verbunden,
die verschiedene Stopfbuchsen-Dichtungsanordnungen verkörperte, um
die Flüssigkeiten
innerhalb der Ventilumhüllung zu
halten. Oftmals waren diese Dichtungsanordnungen die ersten Elemente,
die aufgrund von Abnutzung, Schmutz oder Korrosion Fehler aufwiesen
und leckten. In einigen Fällen
leckten diese Umhüllungen sogar
bei neuwertigen Exemplaren. Das Endergebnis war ein Austreten von
Flüssigkeit
aus dem Ventil in die Umgebung, oder Eintreten von Luft in die Flüssigkeit,
die vom Ventil gesteuert wird.
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Viele
Ventilanordnungen, insbesondere in der chemischen, der Erdöl-, der
biologischen, der pharmazeutischen Industrie, in gewerblichen Kühlanlagen
oder in geschützter
Umgebung dürfen
keine meßbaren
Lecks oder entweichende Emissionen aus Ventilen in der Prozesschleife
tolerieren. Flüssigkeitsemissionen
können
gefährlich
oder toxisch sein, Flüssigkeiten
können
beispielsweise auch einfach wertvoll sein oder sensibel auf Kontamination
reagieren.
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In
einigen Ventilanwendungen mit lediglich der Forderung nach einem
geringen Drehmoment wurde eine Verbesserung in Bezug auf die Leckage erreicht,
indem Schrittmotoren verwendet wurden, die komplett innerhalb der
Ventilumhüllung
befestigt waren, wodurch die Stange, die Dichtung sowie das damit
verbundene Leckpotential wegfiel. Das jedoch setzte den Läufer, die
Wicklungen und die damit zusammenhängenden Kabel den Flüssigkeiten
aus. Die nötige
Kompatibilität
zwischen Flüssigkeiten
und Motor begrenzte die Anzahl der Flüssigkeiten, die in Ventilen
dieses Typs akzeptierbar waren. In diesen begrenzten Anwendungen,
in denen ein Schrittmotor kompatibel mit den Flüssigkeiten und für diese
auch sicher war, wurden bedeutende Vorteile realisiert: keine Stange
oder Umhüllung
wurde benötigt;
eine erhöhte
Positionierungspräzision
wurde erreicht; bei geringen Kosten und geringer Größe wurde
eine hohe Motorverläßlichkeit
erreicht; und ein einfaches Steuerungsschema konnte verwendet werden.
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Der
Eingang der Steuerungs- und Versorgungskabel in unter Ventildruck
befindliche Flüssigkeitsumgebung
schaffte Schwierigkeiten hinsichtlich Verläßlichkeit und Kosten. Schrittmotoren
konnten nicht an Steueranschlüsse
angeschlossen werden, die größer als
ungefähr
ein ¼'' im Durchmesser waren, ohne internes
Getriebe oder zusätzliche
Schwierigkeiten bei der Stromumkehr, hauptsächlich wegen der Unfähigkeit
von Schrittmotoren, unter Belastung im angehaltenen Zustand zu bleiben,
und ihrer Tendenz, Drehmomentstärke
zu verlieren, wenn die Synchronisation aufgrund von Leistungsverlusten
oder Systemkräften
verlorengeht.
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Außerdem verhinderten
die engen radialen Abstände
zwischen Ständer
und Läufer,
die für Schrittmotoren
mit kleinem Schrittwinkel notwendig sind, die Verwendung einer hermetischen,
Druck beinhaltenden und magnetisch transparenten Metallhülse in der
magnetischen Lücke.
Als praktische Folge verlangt dies, daß die Wicklungen in die Flüssigkeit
eingetaucht sind. Dies wiederum beschränkte die Anwendung auf die
Fälle,
in denen die Flüssigkeit kompatibel
zu den Motorwicklungen und Strömen
ist.
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Daher
hat sich der Bedarf nach einem kleinen, kompakten, aber mit hohem
Drehmoment ausgestatteten Motor entwickelt, der in der Lage ist,
relativ große
Ventilmechanismen anzutreiben, um Ventilkanäle auf einmal oder schrittweise
zu öffnen
und zu schließen
und den Ventilmechanismus als Reaktion auf ein externes Steuerungssignal
in einer gewünschten
Position zu halten.
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Zusätzlich wurde
der Bedarf nach einem Motor deutlich, der in der Lage ist, in einer
hermetisch abgedichteten Umgebung zu arbeiten, um das Austreten
von Flüssigkeiten
aus dem Flüssigkeitensystem
zu verhindern, in dem das Ventil arbeitet, insbesondere an der Schnittstelle
zwischen Motor und Ventil. Des weiteren hat sich der Bedarf nach
einem motorgetriebenen Ventil für
die Verwendung in einem Flüssigkeitensystem
entwickelt, das in der Lage ist, für längere Zeiträume ohne Ausfall zu arbeiten,
auch wenn die Flüssigkeit
im System korrodierend ist oder als Lösemittel zum Entfernen von
Materialien oder Schmiermitteln von Metall, Plastik, Keramik oder
anderen Oberflächen
fungiert, die mit der Flüssigkeit oder
miteinander innerhalb des Ventilmechanismusses in Kontakt kommen.
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Die
nachveröffentlichte
WO 00/31449 A1 offenbart
ein motorbetriebenes Treibstoffventil für eine Treibstoffmengen-Einspritzanlage
eines Turbotriebwerks oder allgemeiner eines Flugzeugmotors, das dazu
bestimmt ist, in einen Versorgungskreis für eine Treibstoffmenge eingebaut
zu werden, die zu den Einspritzdüsen
eines Flugzeugmotors hingeführt wird.
Dabei besteht an der Schnittstelle zwischen Motor und Ventil, insbesondere
zwischen der Verteilanordnung mit Buchse und Kegel und der den Motor aufnehmenden
Anordnung, keine Dichtigkeit.
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Eine
dazu ähnliche
Anordnung offenbart die
EP
0 257 906 A1 , bei der ein motorgetriebenes Ventil beschrieben
ist, bei dem das durchzuleitende Fluid vollständig alle Bestandteile des
Motors umfließt. Deshalb
liegt auch hier an der Schnittstelle zwischen Motor und Ventil keine
Dichtigkeit vor, weshalb auch hier ein im Vergleich zur vorliegenden
Erfindung anderer Gegenstand beschrieben ist.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein neues
und verbessertes motorgetriebenes Ventil zu schaffen, das einen
Motor aufweist, der ein besseres Verhältnis zwischen höherem Drehmoment
und geringerer Hitzeentwicklung liefert als bisher bekannt, sowie
eine weitaus längere Lebensdauer
aufweist als bisher bekannt. Zusätzlich sollte
das Ventil eine logische und vereinfachte Anordnung der Komponenten
aufweisen, um Reparaturen oder Wartungsarbeiten zu vereinfachen.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Demgemäß wird ein
motorgetriebenes Ventil geschaffen, mit einem Ventilgehäuse, das
wenigstens einen Eingang und wenigstens einen Ausgang, wenigstens
einen Eingangskanal und wenigstens einen Ausgangskanal sowie wenigstens
ein zwischen Eingangs- und Ausgangskanal angeordnetes Ventilelement
aufweist, wobei das wenigstens eine Ventilelement zur Bewegung zwischen
verschiedenen Positionen befestigt ist, mit einem Läufer und
einem Antriebselement zur Bewegung des Ventilelementes, wobei das
Antriebselement und das Ventilelement derart verbunden sind, daß eine Drehung
des Läufers
und des Antriebselementes eine Bewegung des Ventilelementes verursacht,
wobei der Läufer
eine Vielzahl von räumlich
getrennt zueinander angeordneten Permanentmagneten in sich aufweist,
mit wenigstens einer Lageranordnung, die mit dem Antriebselement
und/oder dem Läufer
in Verbindung steht, wobei der Läufer
am einen Ende durch eine magnetisch transparente Umhüllung eingeschlossen
ist, und am anderen Ende hermetisch dichtend mit dem Ventilgehäuse verbunden
ist, und mit einem Antriebsständer,
der nahe außerhalb
dieser Umhüllung liegt
und Antriebswicklungen und eine Vielzahl von Hall-Effekt-Vorrichtungen
zur Stromumkehr in den Wicklungen aufweist.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Motor geschaffen, der innerhalb einer magnetisch transparenten
Hülse einen
Läufer
aufweist, der Permanentmagneten enthält, wobei der Motor Wicklungen
und Hall-Effekt-Vorrichtungen außerhalb der Hülse aufweist,
die innerhalb einer zweiten Hülse
oder einer Schutzabdeckung eingeschlossen sind, welche dichtend
mit dem Ventilgehäuse
verbunden ist.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein geschlossener Motor geschaffen, der nur vier
elektrische Leitungen aufweist, die in abgedichteter Art und Weise
durch die äußerste wasserdichte
Schale hindurchgehen, um ein Schaltkreis-Board zu versorgen, das
zwischen den Schalen angeordnet ist, in denen die Motorsteuerung
enthalten ist.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Ventilkern geschaffen, der mit einem Sitz im
Ventilgehäuse
in Eingriff gelangt, wobei der Ventilkern aus einem PTFE-Verbundmaterial oder
dergleichen besteht und eine dem Ventilsitz zugewandte Oberfläche aus
einem harten, abnutzungsresistenten Material aufweist.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Ventilkern geschaffen, der dazu geeignet ist,
sich hin- und herzubewegen und somit in Kontakt mit einem ringförmigen Sitz
zu kommen und sich wieder von ihm zu lösen, dessen Axialbewegung durch
eine Anordnung einer Rille und eines Stiftes sichergestellt ist und
dessen Kern axial mittels eines Gewindekolbens bewegt wird, welcher
am Läufer
festgelegt ist und sich mit diesem dreht.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Vierteldrehungsventil geschaffen, bei dem der
Antrieb ein mit einer Hülse
umgebener Motor ist, und das Ventil über eine Kombination eines
Gewindekolbens und eines Rades, eines Kulissenantriebs oder eines
anderen Mechanismus, von dem ein Abschnitt am Ventil befestigt ist,
gedreht wird.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Motor geschaffen, der einen geschlossenen oder
umhüllten
Läufer
aufweist und innerhalb des Elementes liegt, das die Dichtung, eine
Lageranordnung mit einem inneren und äußeren Laufring, eine Vielzahl
von Wälzkörpern und
einen Lagerkäfig
aufweist, welcher die Lagerelemente in ihrer Position sichert, wobei
der Lagerkäfig
aus einem PTFE-Verbundmaterial oder einem ähnlichen abnutzungsresistenten,
selbstschmierenden Material besteht, wobei die Lager eine weitaus
größere Lebensdauer
als andere Lagern mit derselben Umgebung besitzen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein ein Ventil betätigender Motor geschaffen,
der innere und äußere wasserdichte
Behälter
aufweist, die ebenso wie andere Elemente, die den Ventilkern einschließen, leicht
gewartet oder ausgetauscht werden können, ohne das Ventilgehäuse in Unordnung
zu bringen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein geschlossener Motor und eine Positionierungssteuerungseinheit
für den
Ventilkern geschaffen, wobei der Läufer und das Ventilgehäuse wie
auch das Positionsmeßelement
teilweise vom Läufer
umgeben sind, und wobei der Läufer,
der angetriebene drehbare Kolben und das Positionsgeberelement innerhalb
eines ersten abgedichteten Gehäuses
liegen, und der Positionssensor, der Antrieb und das Feld für den Motor
außerhalb
des ersten Gehäuses
liegen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine motorgetriebene Anordnung geschaffen, die eine drehbare
Schraube und einen mit einem Gewinde versehenen Ventilkern aufweisen,
der sich innerhalb eines Ventilgehäuses bewegt, wobei die Anordnung der
Ventilkomponenten derart ist, daß die Einheit an eine Vielzahl
von Ventilanordnungen angepaßt
werden kann, einschließlich
derer, die einen einzelnen Eingang und Ausgang bzw. mehrere Eingänge und Ausgänge verwenden.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine abgeschlossene Motor- und Ventilanordnung geschaffen,
bei der der Läufer
durch ein graphithaltiges Lager am einen Ende und durch das neuartige
Kugellager oder ähnliche
Lager am anderen Ende umschlossen wird.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine motorgetriebene Ventilanordnung geschaffen,
bei der der bewegliche Abschnitt ein Mischventil oder Umleitventil
darstellt, mit einem Ventilkern in einer Zwischenstellung, der das
Vermischen oder Umleiten von Flüssigkeiten
ermöglicht.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein abgeschlossener Motor geschaffen, der eine magnetisch
transparente Umhüllung
für den
Läufer
aufweist, wobei der Läufer
einen mit einem Gewinde versehenen inneren Stababschnitt aufweist,
mit einem Positionssensor am einen Ende des Stabes und einem Ventilkern
am anderen Ende des Stabes.
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Weitere
Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die
Zeichnungen, in denen gleiche Bezugsziffern gleiche Teile kennzeichnen.
Darin zeigt:
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1 eine
Schnittansicht eines geschlossenen, motorgetriebenen Ventils mit
zwei Kanälen
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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1a eine
vergrößerte Schnittansicht
des Ventilkerns und der damit verbundenen Elemente aus 1;
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2 eine
Schnittansicht eines geschlossenen motorgetriebenen Ventils mit
drei Kanälen
gemäß einer
alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wobei Abschnitte weggebrochen sind;
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3 eine
Schnittansicht eines geschlossenen motorgetriebenen Schieberventils
mit vier Kanälen
gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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4 eine
Schnittansicht eines geschlossenen motorgetriebenen Schieberventils
mit vielen Kanälen
gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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5 eine
Schnittansicht eines geschlossenen motorgetriebenen steuerdruckunterstützten Ventils
gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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5a eine
vergrößerte Schnittansicht
des Ventils aus 5, welches dasselbe in einer
Betriebsstellung zeigt;
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5b eine
Ansicht ähnlich
zur Ansicht der 5a, wobei aber das Ventil in
einer anderen Betriebsstellung gezeigt wird;
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6 eine
Draufsicht auf eine verbesserte Lageranordnung, die gestaltet wurde,
um ohne Beschädigung
für längere Zeiträume zu halten,
egal ob im nassen oder trockenen Zustand;
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7 eine
Perspektivansicht eines Lagerkäfigs
für das
verbesserte Lager;
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8 eine
Schnittansicht eines geschlossenen motorgetriebenen Ventils, das
eine integrierte Positions-Feedback-Steuerung des Ventilelementes gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung aufweist;
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9 einen
Graphen, der das Verhältnis zwischen
Motorgeschwindigkeit und Motordrehmoment für einen bürstenlosen Gleichstrom-Permanentmagnet-Motor
zeigt;
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10 einen
Graphen, der das Verhältnis zwischen
Motorstrom und Motorerhitzung für
einen bürstenlosen
Gleichstrom-Permanentmagnet-Motor zeigt,
wenn konventionelle Motorantriebsmethoden verwendet werden, und
der die thermische Grenze eines konventionell angetriebenen Motors
zeigt, die bei einem Strom deutlich unter dem Maximalstrom auftritt;
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11 einen
Graphen, der das Verhältnis zwischen
Motorstrom bei voller Spannung und Zeit zeigt, wobei ein bürstenloser
Gleichstrom-Permanentmagnet-Motor
mit konventionellen Motorantriebsmethoden unter verschiedenen Widerständen angetrieben
wird und aus dem Stillstand auf Nenndrehzahl hochläuft;
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12 einen
Graphen, der das Verhältnis zwischen
Motorgeschwindigkeit und Zeit zeigt, wenn ein bürstenloser Gleichstrom-Permanentmagnet-Motor
mit konventionellen Motorantriebsmethoden unter verschiedenen Widerständen angetrieben
wird und von einer angehaltenen Position zur Laufgeschwindigkeit
beschleunigt;
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13 einen
Graphen, der das Verhältnis zwischen
Motorstrom und Zeit zeigt, wenn ein bürstenloser Gleichstrom-Permanentmagnet-Motor
unter verschiedenen Widerständen
für zeitlich
optimal gesetzte Pulse gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung an volle Spannung gelegt wird;
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14 einen
Graphen, der das Verhältnis zwischen
Motorgeschwindigkeit und Zeit zeigt, wenn ein bürstenloser Gleichstrom-Permanentmagnet-Motor
unter verschiedenen Widerständen
für zeitlich
optimal gesetzte Pulse gemäß einer
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung an volle Spannung gelegt wird;
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15 einen
Graphen, der das Verhältnis zwischen
Motorerhitzung und Zeit für
einen angehaltenen bürstenlosen
Gleichstrom-Permanentmagnet-Motor
mit konventionellen Motorantriebsmethoden und mit den zeitlich optimal
gesetzten Pulsen gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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16 eine
Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines motorgetriebenen
Ventils gemäß der vorliegenden
Erfindung, wobei die Antriebseinheit daran angepaßt ist,
ein sogenanntes Vierteldrehungsventil von einer offenen in eine
geschlossene Stellung zu drehen;
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17 eine
Schnittansicht der Vorrichtung aus 16, wobei
eine Ansicht des Betätigungsmechanismusses
im Endabschnitt und eine andere Ansicht davon gezeigt wird, wie
sich das Ventil öffnet und
schließt;
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18 eine
Schnittansicht eines Schneckengetriebes, das verwendet wird, um
eine andere Form eines Vierteldrehungsventils zu betätigen;
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19 ein
Blockdiagramm einer typischen Motorsteuerung, die bei der vorliegenden
Erfindung verwendet wird; und
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20 ein
Blockdiagramm eines Schaltkreises, der eine Ausfallsicherungsbatterie
zur Betätigung
eines Ventils gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet.
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Bezugnehmend
auf 1 ist eine erste Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung einer umschlossenen bzw. abgedichteten motorgetriebenen Ventilanordnung 10 gezeigt,
die eine direkt angetriebene, druckentlastete Ventilanordnung 10 darstellt, welche
verwendet wird, um den Durchfluß von
Flüssigkeiten
zu steuern. Die Ventilanordnung 10 weist ein Ventilgehäuse 11 mit
einer Durchflußkonstruktion auf,
der einen ringförmigen
Eingangsflansch 12 aufweist, welcher einen Eingangskanal 13 definiert,
der sich zentral zum Eingangsflansch und teilweise über den
Bereich des Ventilgehäuses 11 erstreckt.
Auf der gegenüberliegenden
Seite des Ventilgehäuses 11 befindet
sich ein ringförmiger
Ausgangsflansch 14, welcher einen Ausgangskanal 15 definiert,
der sich innenseitig teilweise durch den Bereich des Ventilgehäuses erstreckt.
Das Ventilgehäuse 11 weist
desweiteren einen ringförmigen
Flansch 16 zur Befestigung des elektrischen Motors auf,
der zentral oben auf dem Ventilgehäuse 11 angeordnet
ist.
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Im
zentralen Abschnitt des Ventilgehäuses 11 befindet sich
eine Trennwand 20, die den Eingangskanal 13 vom
Ausgangskanal 15 trennt. In der Mitte der Trennwand 20 existiert
eine sich ringsum erstreckende Oberfläche, die einen abgewinkelten Ventilsitz 22 definiert,
der sich um die Durchtrittspassage 21 erstreckt.
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Wie
insbesondere aus 1a ersichtlich, weist der ringförmige Befestigungsflansch 16 für den elektrischen
Motor, der mittig oben auf dem Ventilgehäuse 11 angeordnet
ist, eine zentrale Hauptbohrung 23 auf, die sich senkrecht
nach unten erstreckt, und einen eingesenkten Abschnitt 22a mit
vergrößertem Durchmesser,
der durch die ringförmige
Oberfläche 16a an
der Spitze des Flansches 16 begrenzt wird. Die Senkung 23a erstreckt
sich von der Oberfläche 16a des
Motorbefestigungsflansches nach unten und endet an einer Schulter 16b.
Eine im wesentlichen hohlförmige
zylindrische Patrone 24 wird in der Senkung 23a durch
einen Schulterabschnitt 24a vergrößerten Durchmessers gehalten,
der eine Rille 28 zur Aufnahme einer O-Ring-Dichtung 29 aufweist.
Die Patrone 24 weist desweiteren eine einen Zentralkolben
oder -schaft aufnehmende Bohrung 25, eine erste Senkung 26 zur
Aufnahme eines Lagers und darunter eine noch weiter vergrößerte zweite
Senkung 27 auf.
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Ein
im wesentlichen zylindrischer Ventilkern 30 ist so ausgestaltet,
daß er
sich axial bewegt, aber nicht in der zweiten Senkung 27 dreht.
Der Ventilkern 30 weist einen hohlen, ringförmigen unteren
Abschnitt 31 auf, der eine vorbestimmte Geometrie aufweist,
die, in diesem Fall, eine kontrollierte Zunahme der effektiven Durchgangsfläche zwischen
Eingangskanal 13 und Ausgangskanal 15 liefert,
wenn der Ventilkern 30 sich axial in der Senkung 27 nach
oben bewegt. Ein Ventilsitzring 33 ist an der Außenseite des
Ventilkerns 30 angeordnet, um den Eingangskanal 13 vom
Ausgangskanal 15 abdichtend zu trennen, wenn der Ventilsitzring 33 mit
dem abgewinkelten Ventilsitz 22 in Eingriff gelangt.
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Der
Innendurchmesser-Abschnitt 30a des Ventilkerns 30 steht über ein
Gewinde in Eingriff mit einem mit einem Gewinde versehenen Kolben
bzw. Gewindekolben 43, der zudem bevorzugterweise aus einem
abnutzungsresistenten, selbstschmierenden Material 34 wie
dem PTFE-Verbundmaterial oder einem ähnlichen, chemisch trägen Material
mit geringem Reibungskoeffizienten. Ein Stift 36 ist in
der Patrone 24 aufgenommen und steht mit einem axialen Schlitz 36a am
Ventilkern 30 in Eingriff, um die Rotation des Kerns zu
verhindern, wenn das Antriebsgewinde 43 betätigt wird.
Der Ventilkern 30 besitzt eine obere ringförmige Oberfläche 35,
die mit der Schulter 26a zwischen der die Lager aufnehmenden
Senkung 26 und der größten Senkung 27 der
Patrone 24 zum Eingriff kommt, um die nach oben gerichtete
Bewegung des Ventilkerns 30 zu stoppen. Die Druckausgleichskammer
ist bezüglich
des Eingangskanals 13 durch Dichtungen 17 abgedichtet
und steht mit dem Ausgangskanal 15 über einen Strömungskanal 18 in Verbindung,
der den ausgehöhlten
ringförmigen
unteren Abschnitt 31 des Ventilkerns 30 mit der
Druckausgleichskammer verbindet.
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Wieder
bezugnehmend auf 1 ist ein bürstenloser Gleichstrom-Permanentmagnet-Servomotor 40 ausgestaltet,
um mit dem Ventil 10 zusammenzuarbeiten. Der Motor 40 weist
von innen nach außen
zunächst
einen zylindrischen Läufer
oder Rotor 41 auf, der in dieser Ausführungsform polare Segmente
aufweist, die Permanentmagnete 42 beinhalten, welche sich
entlang der vertikalen Seiten des Läufers erstrecken. Der Läufer 41 ist
drehbar zwischen abnutzungsresistenten, selbstschmierenden Lageranordnungen 59 und 60 befestigt,
die so gestaltet sind, daß sie über längere Zeitperioden
naß oder trocken
sein können,
ohne Schaden zu nehmen. Bezugnehmend auf 1 und 1a weist
der Läufer 41 eine
mit einem Gewinde versehene Verlängerung in
Form eines Kolbens 43 auf, der sich von der Nähe des unteren
Endes des Läufers 41 durch
die Bohrungen 25, 26 in die Patrone 24 erstreckt
und über
das Gewinde mit dem Ventilkern 30 wie oben beschrieben
in Eingriff kommt. Die Hülse 59 besteht
bevorzugterweise aus einem selbstschmierenden Material, wie beispielsweise
armiertes oder gefülltes
Graphit oder Kohlenstoff-Graphit-Material, das eine selbstschmierende
Oberfläche
und eine erhöhte
Abnutzungsresistenz besitzt. Die Permanentmagneten 42 sind
im Läufer 41 über tiefgezogene
Stirnkappen 61 gesichert.
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Erfindungsgemäß wird eine
Pulsgebung verwendet, um den Läufer
drehbar anzuordnen. Diese Pulse werden von den Permanentmagneten 42 erzeugt,
die im Läufer 41 eingebettet
sind, und von den Hall-Effekt-Sensoren 54 detektiert. Die
Hall-Effekt-Sensoren
detektieren das magnetische Feld, das die Permanentmagneten umgibt
und drehen das Feld an oder aus, wenn das magnetische Feld sich verändert. Die
vorliegende Erfindung verwendet die Permanentmagneten sowohl als
Erzeuger der magnetischen Kraft als auch als Teil des Positionierungs-Steuerungssystems.
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Der
Läufer 41 ist
hermetisch zum Ventilgehäuse 11 und
dessen internen Komponenten über eine
magnetisch transparente rostfreie Stahlhülse 44 abgedichtet,
die an ihrem oberen Ende an eine Lagerhalterung 45 und
an ihrem unteren Ende an einen ringförmigen Hülsenflansch 47 geschweißt ist,
der mittels eines Aufpressflansches 46 und Schrauben 46a auf
dem ringförmigen
Motorbefestigungsflansch 16 des Ventilgehäuses 11 angeordnet
ist. Die Dicke der rostfreien Stahlhülse ist wichtig für den Betrieb des
bürstenlosen
Servomotors 40. Da eine dicke Hülse einen längeren Weg (und daher ein resultierendes schwächeres Magnetfeld)
für die
Durchquerung derselben verlangt, und eine dünne Hülse nicht die Stabilität liefern
kann, die benötigt
wird, um den Läufer 41 drehbar
darin zu befestigen, muß ein
Kompromiß gefunden
werden. Eine Hülse
mit einer Dicke von ungefähr
0,4 mm (0,015'') stellte sich in
wenigstens einem Fall als akzeptabel heraus; 0,25 mm (0,010'') bis 0,9 mm (0,035'')
scheinen ein typischer Bereich zu sein.
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Außerhalb
der rostfreien Stahlhülse 44 ist eine
zylindrische Gehäuseanordnung 50 aus
Blech auf dem Aufpressflansch 46 montiert, die eine daran angeschweißte sphärische Kappe 51 aufweist
und außerdem
mit einem entfernbaren Gehäuseflansch 52 zusammengeschweißt ist.
Die Gehäuseanordnung 50 ist
mittels Befestigungsschrauben 52a am Aufpressflansch 46 befestigt
und über
Dichtungen abgedichtet. Zwischen der Gehäuseanordnung 50 und
der rostfreien Stahlhülse 44 ist
ein ringförmiger Ständer bzw.
Stator 48 befestigt.
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Der
elektronische Antriebsschaltkreis des Motors, der in 1 nur
schematisch gezeigt ist, ist auf einem Schaltkreis-Board 53 aufgebracht
und zwischen der Lagerhalterung 45, der hermetisch abgedichteten
Kammer und der Endkappe 51 des Gehäuses untergebracht. Der elektronische
Schaltkreis auf dem Board 53 beinhaltet Sensorenkabel,
die sich hinunter zu den Hall-Effekt-Sensoren 54 erstrecken, die
sich in der Nähe
der Magnetpole 42 befinden, aber durch die Dicke der Hülse 44 räumlich von
diesen getrennt sind, sowie Antriebskabel 55, die sich vom
Board 53 zu den Wicklungen 58 des Ständers erstrecken.
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Indem
man den Antrieb in die Motorumgebung integriert, reduziert man die
Anzahl an Kabeln, die durch den Benutzer des Ventils angeschlossen werden
müssen.
Anstelle von drei Stromkabeln gibt es nur zwei, und alle fünf Sensorkabel
sind innerhalb der Ventilanordnung beinhaltet und somit von der Verantwortlichkeit
des Benutzers ausgeschlossen. Für
den Anschluß des
Motors sind nur zwei Kontrollkabel und zwei Stromkabel vonnöten, anstelle
von acht, die normalerweise benötigt
werden. Kontroll- und Stromkabel vom Board erstrecken sich durch
die Endkappe 51 über
einen zylindrischen Kanal 57 nach außen, der besonders ausgestaltet
ist, um die Kabel hermetisch abzudichten, wobei PTFE-Druckdichtungen 70 und
ein Epoxidharz 71 verwendet werden. Das Gehäuse ist
innen mit Epoxidharz 72 ausgegossen.
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Bezugnehmend
auf 1 arbeiten alle der oben aufgezählten Motorkomponenten,
um den Läufer 41 innerhalb
seiner hermetisch abgedichteten Hülse 44 zu drehen,
wodurch der Gewindekolben 43 im Ventilkern 30 gedreht
wird, und somit das Ventilelement zwischen geschlossener und offener
Stellung hin- und herbewegt wird. Der Ventilkern 30 kann
irgendwo zwischen den beiden Extremstellungen in jeder beliebigen
Zwischenposition angeordnet werden, wie durch die Kontrollanweisungen
der verschiedenen Sensoren bestimmt.
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Bezugnehmend
auf 1, aber ebenso auf 6 und 7,
gibt es einen Bereich innerhalb des Abschnitts des Läufergehäuses 44 und
des Ventilgehäuses 11,
der sich als äußerst wichtig
für die
Langlebigkeit des geschlossenen bzw. abgedichteten, motorgetriebenen
Ventils herausgestellt hat, nämlich ein
Kugellager oder eine andere Art von Wälzlager 60, das zwischen
der zylindrischen Patrone 24 und dem Läuferantriebskolben 43 untergebracht
ist.
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Im
besonderen bezugnehmend auf 6 und 7 ist
eine Lageranordnung 60 gezeigt, die einen äußeren Laufring 61,
einen inneren Laufring 62 und eine Vielzahl von Wälzkörpern 63 aufweist,
die dazwischen angeordnet sind und durch einen Lagerkäfig 64 an
ihrem Platz gehalten werden. Die meisten solcher Lagerkäfige wurden
bisher aus Metall hergestellt. Es sind auch solche aus Plastik bekannt,
wie beispielsweise aus Polyamiden, die bekannterweise keinen großen chemischen
Widerstand aufweisen. In der rauhen Umgebung des Ventilgehäuses 11 wirken die
meisten zur Anwendung kommenden Flüssigkeiten als entfettende
Mittel, insbesondere in Verbindung mit langsamer oder teilweise
unterbrochener Rotation. Dies minimiert den Effekt des Schmiermittels
zwischen den Lagerelementen, beispielsweise dem äußeren Laufring und den Wälzkörpern, sowie dem
inneren Laufring und dem Lagerkäfig,
oder hebt ihn sogar auf. Der Lagerkäfig 64 der vorliegenden
Erfindung besteht aus modifiziertem Polytetraflourethylen (PTFE)
oder einem ähnlichen
abnutzungsresistenten, chemisch widerstandsfähigen Material mit geringem
Reibungskoeffizienten. Der Lagerkäfig 64 weist eine
ringförmige
Basis 65 und eine Vielzahl annähernd sphärischer Ausnehmungen 66 auf,
die von einer oberen unterbrochenen ringförmigen Oberfläche 67 ausgehen,
welche dadurch in eine diskrete Vielzahl von unregelmäßig viereckigen
Oberflächen unterteilt
wird. Jeder der Wälzkörper 63 paßt in eine der
Ausnehmungen 66 und dreht sich darin, da der äußere Laufring 61 bevorzugterweise
an einem Ort fest bleibt, und der innere Laufring 62 mit
dem Antriebskolben 43 rotiert.
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Es
hat sich herausgestellt, daß bei
Verwendung eines PTFE-Ummantelungselements dieses selbst als Schmiermittel
auf mikroskopischem oder molekularem Niveau dient. Wenn die Wälzkörper 63 in
den Ausnehmungen 66 rotieren, wird eine mikroskopische
Menge PTFE durch Abtragung zur äußeren Oberfläche der
Wälzkörper transferiert
und dient zum Schmieren der gesamten Kugellageranordnung 60 in der
rauhen Umgebung, die im Ventilgehäuse 11 normalerweise
vorgefunden wird, nämlich
eine von Fett- und Ölschmiermitteln
freie Umgebung. Tests haben gezeigt, daß die Verwendung des PTFE-Lagerkäfigs 64 in
der Kugellageranordnung 60 eine Lebenszeit des Lagers liefert,
die die bisherige Lebenserwartung bei Verwendung eines traditionellen
Stahl-Lagerkäfigs
um das 50-fache oder mehr erhöht.
Dies trägt wiederum
stark zur langen Lebensdauer der geschlossenen, mit einem bürstenlosen
Gleichstrom-Servomotor angetriebenen und im Druckgleichgewicht befindlichen
Ventilanordnung der vorliegenden Erfindung bei. Es ist desweiteren
angedacht, daß das
PTFE-Material besonders effektiv im Hinblick auf die Stop- und Startzyklen
ist, denen der Läufer
unterzogen wird, wenn er als Reaktion auf die Strompulse, die durch
die Antriebswicklungen zugeführt
werden, Stück
für Stück vorwärts rückt. Öl- und Fettschmiermittel
neigen dazu, in dieser Umgebung nicht so effektiv zu sein wie erwartet.
Das andere Ende des Läufers
ist in einer Hülse
gelagert, die typischerweise aus Graphit oder einem armierten Graphitmaterial
besteht.
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Der magnetische Schaltkreis
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Bezugnehmend
auf 1 sind Ständerwicklungen 58 mit
einer Drahtlänge
und einem Durchmesser konstruiert, die für eine vorgegebene Spitzenspannung
und einen Spitzenstrom optimiert sind, um ein optimales elektromagnetisches
Feld an das Ständereisen 48 zu
liefern. Das Ständereisen 48 befindet
sich in enger radialer Nachbarschaft zu einem Läufersystem mit Permanentmagneten 42,
ist davon aber durch eine magnetisch transparente, hermetisch abgedichtete
Hülse 44 getrennt.
Das Ständereisen 48 ist
in Dicke und Geometrie daraufhin optimiert, das elektromagnetische
Feld an die Permanentmagneten 42 weiterzuleiten, und zwar über die durch
die hermetische Hülse
erzeugte Lücke,
die größer ist
als bei einem konventionellen Motor. Die Permanentmagneten 42 sind
im Hinblick Feldstärke
und Dicke darauf optimiert, das elektromagnetische Feld mit den
resultierenden Spitzendrehkräften
umzusetzen, um schließlich
eine Bewegung des Gewindekolbens 43 und des Ventilelements 30 hervorzurufen. Die
Permanentmagneten 42 sind am Läufer 41 mittels magnetisch
transparenter Stirnkappen 51 angebracht.
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Der elektronische Schaltkreis
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Idealerweise
soll ein Betätigungsmotor
für ein
Steuerungsventil starke lineare Antriebskräfte bei einer relativ geringen
Geschwindigkeit und geringem Stromverbrauch liefern, und das ganze
mit großer Verläßlichkeit
bei einem kompakten Äußeren und
geringen Kosten. Die geringe Geschwindigkeit wird benötigt, damit
sich das Ventil von der ganz geschlossenen zur ganz offenen Stellung
innerhalb von sechs bis dreißig
Sekunden bewegt, wobei fünfzehn
Sekunden typisch sind, obwohl auch andere Geschwindigkeiten möglich sind,
abhängig
von der Größe des Ventils
und anderen Parametern. Bei einer Anwendung mit einem Gewindeantrieb
ohne zusätzliches Getriebe
würde der
Motor etwa fünfzig
Umdrehungen pro Minute machen.
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In
der vorliegenden Erfindung wurden Nachteile des Standes der Technik überwunden,
indem niederfrequent zerhackte Strompulse voller Spannung zum Antrieb
des Motors verwendet werden. Die Frequenz des gepulsten Stromes
beträgt
ungefähr acht
Hertz, so daß Hystereseverluste
gering gehalten werden. Der Pulsantrieb treibt den Motor mit einem kurzen
Arbeitszyklus, um den durchschnittlichen Strom zu minimieren, der
zum Motor geleitet wird, wobei höhere
Ströme
und Drehmomente während der
Versorgungsperiode möglich
sind. Geringere Durchschnittsströme
reduzieren die Leistung, die durch den Motor verteilt wird, was
zu einer geringeren Temperaturerhöhung im Servomotor führt. An
die Wicklungen wird unabhängig
vom Widerstand maximale Spannung angelegt, und Veränderungen
im Widerstand haben nur sehr geringe Auswirkung auf den Leistungseingang
und die Wärmezunahme.
Ein maximales Drehmoment ist für
den Motor verfügbar,
und die Motorgeschwindigkeit bleibt gering. Es werden keine Feedback-Kontrollen
benötigt,
wodurch eine effektive Drehmoments- und Geschwindigkeitskontrolle
bei sehr geringen zusätzlichen
Kosten erreicht wird.
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Bei
der verbesserten Antriebsmethode sind die Trägheiten und Reibungseffekte
des motorisierten Systems typisch für Anwendungen von motorgetriebenen
Ventilen. Bezugnehmend auf 1 sind Versorgungs-
und Steuerungskabel 73 an das Board 53 angeschlossen,
um alle Versorgungs- und Kontrollanweisungen an das geschlossene
motorgetriebene Ventil zu verabreichen. Hall-Effekt-Sensoren 54sind
außerhalb
der Hülse 44 in
enger radialer Nachbarschaft zu den Permanentmagneten 42 angeordnet,
um die Position des Läufersystems 41 zu
messen. Die Signale der Sensoren werden zum Board 53 gesendet
und dazu verwendet, die geeigneten Wicklungen zu bestimmen, die
mit Energie versorgt werden sollen, um den Läufer zu drehen. Das Schaltkreis-Board 53 weist
einen Motorantriebsschaltkreis auf, der auf Kommando kontinuierlich
periodische Pulse von Spitzenströmen über kurze
Leitungen 55 an die geeigneten Ständerwicklungen 58 sendet,
um ein Spitzendrehmoment des Motors zu bewirken. Diese Spitzenstrompulse
sind in ihrer Stärke,
Frequenz und Länge
darauf optimiert, eine einfache und verbesserte Vorrichtung zu schaffen,
die ein höheres Drehmoment
bewirkt und die Geschwindigkeit des Motorantriebs sowie die Hitzebildung
unter stark variierenden Widerstandsbedingungen kontrolliert.
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9 zeigt
den Zusammenhang zwischen Motorstrom oder Drehmoment und der Geschwindigkeit
eines konventionellen Gleichstrom-Permanentmagnet-Motors, wenn der
Motor bei konstanter Spannung angetrieben wird. Es zeigt, daß der höchste Strom
und das größte Drehmoment
bei einer gegebenen Spannung möglich
ist, wenn der Motor angehalten bzw. festgelegt ist.
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10 zeigt
den Zusammenhang zwischen Durchschnittsstrom und Hitzeanstieg für einen
komplett umschlossenen Motor. Der Graph zeigt, daß erhöhte Motorströme eine
erhöhte
Hitzesteigerung zur Folge haben, und daß der Motor eine thermische Grenze
besitzt, über
der ein thermischer Zusammenbruch erfolgt und der Motor ausfällt.
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11 zeigt
das Verhältnis
zwischen Strom und Zeit für
einen konventionellen Gleichstrom-Permanentmagnet-Motor, der bei
konstanter Spannung angetrieben wird, wenn der Motor von einer angehaltenen
Stellung (Stillstand) unter verschiedenen Widerständen beschleunigt
wird. Der größte Widerstand
tritt bei einem angehaltenen Motor auf, wo der Strom in bestimmter
Zeit (ein typischer Wert liegt bei 15 Millisekunden, abhängig von
Spannung, Induktivität
und anderen Faktoren) ein maximales Niveau erreicht und bei diesem
Maximalwert bleibt. Der maximale Strom für den Motor bei geringeren
Widerständen
liegt irgendwo darunter und tritt früher auf. Wenn der Motor bei
diesem geringeren Widerstand beschleunigt, tritt der Trägheitswiderstand
zurück
und elektromagnetische Gegenkräfte
steigen, was beides dazu führt,
daß der
Strom und das Drehmoment sinken. Wenn der Motor bei einem vorgegebenen
Widerstand volle Geschwindigkeit erreicht, wirkt die von der Motorgeschwindigkeit
produzierte elektromagnetische Gegenspannung dagegen und reduziert
den Stromeingang als eine Funktion der Motorgeschwindigkeit.
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12 zeigt
das Verhältnis
zwischen Geschwindigkeit und Zeit für einen konventionellen Gleichspannungs-Permanentmagnet-Motor,
der bei konstanter Spannung angetrieben wird, wenn der Motor von
einer angehaltenen Position unter verschiedenen Widerständen beschleunigt.
Die Endgeschwindigkeit des Motors ist eine Funktion des Motorwiderstands. 11 und 12 zeigen,
daß es Widerstandsbedingungen
gibt, bei denen ein Motor Bewegung unter schweren Widerständen liefern kann,
aber die Bewegung nicht für
ausgedehnte Zeiträume
ohne thermischen Zusammenbruch aufrechterhalten kann. Sie zeigen,
daß die
Hitzeerzeugung, nicht das Drehmoment, ein begrenzender Faktor beim
Betrieb eines konventionellen Motors ist. Motoren, die nur auf ein
ausreichendes Drehmoment ausgerichtet sind, sind normalerweise für eine Anwendung
untauglich, da es wahrscheinlich ist, daß der Motor überhitzt
und ausfällt.
Ein größerer Motor
würde benötigt, wenn
er konventionell angetrieben wird. Im Extremfall wird ein Motor,
der für
ausgedehntere Zeiträume
angehalten wird, bei Verwendung konventioneller Antriebsmethoden
typischerweise innerhalb einiger Stunden ausfallen, wie in 15 gezeigt
ist.
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Aus
diesem Grund wurden bürstenlose Gleichstrommotoren
nicht für
geschlossene motorisierte Ventile verwendet, zumindest teilweise
wegen der Schwierigkeiten, gleichzeitig die geringe Geschwindigkeit
zu steuern und ein hohes Drehmoment zu liefern, ohne daß ein thermischer
Zusammenbruch oder hohe Temperaturen auftreten. Üblicherweise liefert ein bürstenloser
Servomotorantrieb Geschwindigkeitskontrolle über die Verwendung des Feedbacks
einer geschlossenen Schleife von Hall-Effekt-Sensoren und durch Zerhacken
hoher Frequenzen der Ausgangsspannung zum Motor. Wenn der Motor
gestartet wird und auf die eingestellte Geschwindigkeit beschleunigt,
hackt der Antrieb die volle Spannung bei hoher Frequenz effektiv
ab, um die auf den Motor wirkende Leistung zu reduzieren. Diese
Methode erhöht
die Kosten für
den Antrieb und hat mehrere Nachteile. Zunächst ist die Frequenz des Zerhackens
der Spannung typischerweise 1.500 Hz, was Hystereseverluste zur Folge
hat und den Motor erhitzt. Zum zweiten würde bei Bedingungen mit schwerem
Widerstand oder im angehaltenen Zustand der Motor überhitzen,
wenn der Antrieb volle Spannung und Strom liefern würde. Es
ist wünschenswert,
daß der
Motor in angehaltenem Zustand am Laufen gehalten wird (beispielsweise
wenn das Ventil in einer geschlossenen Position ist), und die Hitzeerzeugung
des Motors in einem solchen Zustand wäre bei Verwendung eines konventionellen Antriebs
nicht tolerierbar.
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Eine
neue und verbesserte Antriebsmethode wurde entwickelt, um ein maximales
Motordrehmoment ohne schädigende
Hitzeerzeugung zu verwenden, wobei drei Faktoren in Betracht gezogen
wurden; bei einer vorgegebenen Spannung sind das die Stromanstiegszeit
der Ständerwicklungen,
die Drehträgheit
des Motors und der angetriebenen Komponenten sowie die elektromagnetische
Gegenspannung, die durch die Motorgeschwindigkeit produziert wird.
Eine Zeitspanne wird basierend auf diesen Faktoren ausgewählt, innerhalb
der für
eine vorgegebene Spannung wenigstens der maximale Stillstandsstrom
erreicht würde,
wenn der Motor angehalten würde,
und die nicht länger
sein soll, als nötig
ist, um den Trägheitswiderstand
auf einen Bruchteil seines anfänglichen
Wertes zurückfallen
zu lassen und die elektromagnetische Gegenkraft gerade bedeutend werden
zu lassen, wenn die Widerstände
gering wären.
Es ist wichtig, daß der
Läufer
zwischen den Zyklen deutlich langsamer wird oder zum Halten kommt.
Der Läufer
kann einen oder zwei Pole passieren, wenn nur ein leichter Widerstand
vorhanden ist, oder weniger als einen Pol, wenn ein großer Widerstand
vorhanden ist, aber der Läufer
sollte zwischen jedem Puls zu einem scheinbaren (virtuellen) Halt kommen.
Wenn ein Motor in dieser Zeitspanne periodisch angetrieben wird,
werden individuelle Bewegungssteigerungen durch den Motor übertragen,
indem er starke, langsame Antriebskräfte erzeugt, die relativ unsensibel
gegenüber
Veränderungen
im Widerstand sind. Wenn dem Motor die volle Spannung zugeführt wird,
während
der Läufer
gestoppt ist, wird ein beträchtlicher
Strom induziert, und die Dauer der Spannung und des Stroms ist derart,
daß ein
Impuls erzeugt wird, der ein maximales Drehmoment liefert, aber
nur ein geringer Strom während
einer Periode verschwendet wird, wenn das Motordrehmoment den Widerstand
(bei geringem Widerstand) auf eine ungewünschte Geschwindigkeit beschleunigen
würde. Zusätzlich sind
die periodischen Drehmomentimpulse stark genug, um schwere Widerstände mit
einem akzeptablen Tempo zu drehen, ohne daß sich ungewünschte Hitze
aufstaut.
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Unter
Verwendung von allgemeinen elektronischen Steuerungsmethoden wird
der Motor auf Kommando nur für
eine kurze Zeitdauer periodisch in Betrieb gesetzt, und er darf
für eine
große
Zeitspanne leerlaufen, wobei sich die Perioden wiederholen, solange
die Anforderung besteht. Die Durchschnittsgeschwindigkeit und der
Erhitzungsfaktor des Motors wird durch die Länge der Leerlaufzeit vorbestimmt. Ein
typisches Verhältnis
zwischen in Betrieb gesetzter Zeit zu gesamter Zeitdauer einer Periode
liegt zwischen 5 und 25%.
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13 zeigt
das Verhältnis
zwischen Motorstrom unter verschiedenen Widerständen und Zeit für die verbesserte
Antriebsmethode. Die Wicklungen werden bei vorgegebener voller Spannung
für die vorher
erwähnte
Antriebszeit mit Strom versorgt, dann wird der Strom für den Rest
einer solchen Periode entfernt, und die Periode wird unbestimmt
oft wiederholt, bis die Bewegungskräfte nicht länger angefordert werden. 14 zeigt
das Verhältnis
zwischen der Geschwindigkeit des Motors unter verschiedenen Widerständen und
Zeit für
die verbesserte Antriebsmethode. Wenn man nur den ersten Abschnitt
der Geschwindigkeits-/Zeit-Charakteristik
des Motors verwendet, wo er von einer angehaltenen Position beschleunigt,
erreicht man einen Abschwächungseffekt
im Verhältnis
Geschwindigkeit zu Widerstand des Motorantriebs. Während der
ersten wenigen Millisekunden ist der Trägheitswiderstand ein signifikanter
Bruchteil des gesamten Widerstands des Systems (Trägheitswiderstand
plus variabler Widerstand). Nach sechs oder sieben Millisekunden
ist der Trägheitswiderstand überwunden,
und die Widerstände
werden beträchtlich.
Nach ungefähr
15 Millisekunden ist die elektromagnetische Gegenkraft gestiegen,
der Strom abgeschnitten, und die Rotation des Läufers nimmt als praktische
Folge davon ab. Obwohl die Wicklungen mit einem sehr kleinen oder einem „tropfenweisen” Strom
zwischen den Pulsen versorgt werden könnten, und obwohl der Läufer scheinbar,
wenn auch nicht buchstäblich,
zum Halten kommen könnte,
zeigt die praktische Anwendung der Erfindung, daß die stromübertragenden Pulse völlig oder
zumindest in ihrer Mehrzahl abgeschnitten werden müssen, und
daß der
Läufer
zwischen Pulsen gestoppt oder zumindest scheinbar (virtuell) angehalten
werden muß.
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15 zeigt,
daß ein
thermischer Zusammenbruch auftritt, wenn ein Motor des Standes der Technik
für längere Zeiträume gegen
einen schweren Widerstand läuft,
obwohl er fähig
sein kann, ein ausreichendes Drehmoment zu liefern, um einen solchen
Widerstand zu bewegen. Wenn man die verbesserte Antriebsmethode
verwendet, kann der Motor auch unter schwerem Widerstand laufen,
ohne daß thermische
Probleme auftreten; der Durchschnittsstrom und die Hitzeerzeugung
sind deutlich unter den Grenzwerten. Die untere Kurve in 15 zeigt
den geringen Durchschnittsstrom des Motors bei Verwendung der verbesserten
Antriebsmethode. 13 zeigt, daß die dem Motor zugeführte Leistung weitaus
konstanter ist als bei Verwendung konventioneller Antriebsmethoden,
und daß die
Wärmesteigerung
klein, nahezu konstant und im wesentlichen unabhängig vom Widerstand ist. Die
von Natur aus geringe und beschränkte
Leistung, die hier benötigt wird,
macht es möglich,
daß auch
andere für
geringe Leistung geeignete, alternative Energiequellen verwendet
werden können.
Beispiele für
solche Energiequellen sind Batterien, Solarkraft, windgetriebene Generatoren
usw. Die Funktionsleistung wird unter allen Widerstandsbedingungen
verbessert, und Schutz vor Überhitzung
ist in der Ausgestaltung gegeben. Zusammengefaßt wurde eine neue und verbesserte
Methode erzielt, mit der man starke, langsame Bewegung von Ventilelementen
erzielt.
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Bezugnehmend
auf 2 ist eine weitere Ausführungsform einer geschlossenen
motorgetriebenen Ventilanordnung 210 gemäß der vorliegenden Erfindung
gezeigt. Wenn, wie in den Zeichnungen gezeigt, von rechts Durchfluß auftritt,
ist das Ventil ein Umleitventil. Wenn der Durchfluß nach rechts geht,
ist es ein Mischventil. Das Ventil 210 weist ein Ventilgehäuse 211 auf,
das ein Durchflußdesign
aufweist und in den meisten Punkten ähnlich zu dem in 1 gezeigten
Ventil ist, außer
daß anstelle
des Gehäusekörpers mit
zwei Kanälen
einer mit drei Kanälen
vorgesehen ist. Desweiteren besitzt der Ventilkern 230 ein
Paar von Ventilsitzringen 233 und 233a, die den
Kern 230 umgeben, und der Kern besitzt zwei Segmente 230 und 249.
Folglich erstreckt sich der Gewindekolben 243 nach unten
in das obere Segment 249 des Ventilkerns hinein.
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Wieder
bezugnehmend auf 2 weist das Gehäuse 211 eine
Eingangsöffnung 213 und
zwei Ausgangsöffnungen,
Bohrungen 215 und 218, auf. Das Gehäuse 211 weist
desweiteren zusätzlich
zu dem weiter unten angeordneten abgewinkelten Ventilsitz 222 einen
ringförmigen
Ventilsitz 229 auf, der am unteren Rand der zylindrischen
Patrone 228 ausgebildet ist. Der Motorbefestigungsflansch 216 des Ventilgehäuses, der
Motor 240 mit dem Läufer 241, die
Permanentmagneten 242 und die Hall-Effekt-Sensoren 254 sind
dieselben wie ihre Entsprechungen in 1.
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Während des
Betriebs bewegt sich der Ventilkern zwischen den Ventilsitzen 229 und 222 und
erlaubt so einer wechselnden Menge an Flüssigkeit über Kanal 215 auszutreten.
Wenn im Kanal 215 kein Durchfluß ist, strömt der gesamte Inhalt von Kanal 213 in
den Kanal 218. Wenn sich der Ventilkern in der anderen
Extremposition befindet, fließt
die Flüssigkeit
durch Kanal 215. In jeder anderen Position des Ventilkerns 230 kommen
beide Ventilsitzringe 233, 233a nicht mit den
Ventilsitzen 230, 222 in Eingriff, und der Anteil
des Flüssigkeitsdurchflusses,
der in jeden Ausgangskanal strömt,
ist durch ein kontrolliertes Verhältnis gesteuert, das von der
genauen Stellung des Ventilkerns 230 abhängt.
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Bezugnehmend
auf 3 ist ein geschlossenes, motorgetriebenes Ventil 310 mit
vier Kanälen gezeigt,
welches typischerweise für
jahreszeitliche Veränderungen
in einer Klimatisierungsvorrichtung mit Verdichter(Kompressor)/Verdampfer(Evaporator)
verwendet wird. Das Ventilgehäuse 311 ist
ein typisches Vier-Kanal-Ventilgehäuse, das
ein Durchflußdesign
mit einer ringförmigen
Kompressor-Entladungsverbindung 312 und
einem Kompressor-Entladungskanal 313 aufweist, der sich
zentral in eine rechteckige gewöhnliche
Schieberkammer 322 erstreckt. Auf der gegenüberliegenden
Seite des Ventilgehäuses 311 ist
eine ringförmige
Verdampferverbindung 318, die zu einem Verdampferkanal 315 führt, eine
ringförmige
Ansaugverbindung 316, die zu einem Ansaugkanal 317 führt, und
eine ringförmige Kondensorverbindung 318,
die zu einem Kondensorkanal 319 führt, angeordnet. Jeder der
Kanäle 315, 317, 319 erstreckt
sich nach innen durch das Ventilgehäuse 311 in die rechteckige
gewöhnliche
Schieberkammer 322.
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An
der unteren Seite des Ventilgehäuses 311 befindet
sich ein zylindrischer Stopfen 320, der über ein
Gewinde mit dem Ventilgehäuse 311 in
Eingriff steht und über
eine geeignete Dichtung, die schematisch unter 321 dargestellt
ist, abgedichtet ist. An der sich nach oben erstreckenden Seite
des Ventilgehäuses 311 befindet
sich eine ringförmige
Befestigungsfläche 316a für den elektrischen
Motor, mit einer Senkung 323, die sich von dort aus nach
unten erstreckt und durch eine Schulter 316b begrenzt wird.
Neben der Schulter 316b befindet sich die Schieberkammer 322.
Die Endfläche
der Senkung nimmt eine Patrone 324 auf, welche Lager 325 trägt, die
wiederum den Endabschnitt eines rotierenden Gewindekolbens 335 führend umgibt.
Der Gewinde- oder Schraubenkolben wird durch einen Läufer 341 angetrieben,
und die anderen Komponenten des Läufers 340 sind genauso
ausgestaltet wie beispielsweise ihre Entsprechungen in den 1 und 2.
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Der
Gewindekolben 335 erstreckt sich nach unten in den Ventilkern 342,
der aus einem harten, selbstschmierenden Material wie beispielsweise
gefülltem
PTFE-Material oder
dergleichen gemacht ist. Der Ventilkern 342 weist eine
Gewindebohrung 343 auf, um den Gewindekolben 335 aufzunehmen.
Der Ventilkern 342 bewegt sich somit senkrecht in der Schieberkammer 322 zwischen
verschiedenen Stellungen, um die Durchgangspassage 328 im
Gehäuse mit
den Kanälen 315, 317, 319 passend
zu verbinden. Wenn der Kolben 335 rotiert und der Ventilkern 342 sich
nach oben bewegt, hält
er letztlich in einer Stellung an, wo seine obere Fläche 329 mit
der oberen Fläche 331 des
Kanals 315 eben ausgerichtet aneinander liegt, und die
untere Oberfläche 330 mit
der unteren Oberfläche 332 des
Kanals 317 eben abschließt.
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In
dieser Stellung sind die Kanäle 315 und 317 miteinander
verbunden, und die Kanäle 319 und 313 ebenfalls.
Der Ventilkern 343 ist flüssigkeitsdicht innerhalb des
Gehäuses 311 an
seinen Seiten abgedichtet (nicht gezeigt), und die Endflächen 351, 353 des
Ventilkerns (in 3 nach links ausgerichtet) sind
so gestaltet, daß selbst
ein sehr leichter Druck in Kanal 313 sie in flüssigkeits-
oder gasdichte Verbindung gegen die Sitze drückt, die durch die Eingänge/Ausgänge der
Kanäle 315, 317, 319 gebildet
werden. Da der Ventilkern sich pro Jahr nur selten bewegt, vielleicht
zweimal oder maximal vier-, sechs- oder achtmal pro Jahr, ist der
auftretende Querfluß der
Flüssigkeiten
während
der Zeit, in der sich der Ventilkern bewegt, nicht von besonderer
Wichtigkeit.
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Bezugnehmend
auf 4 ist ein motorgetriebenes Ventil 410 gezeigt,
welches sehr ähnlich zum
Ventil 310 aus 3 ist. Der Hauptunterschied zwischen
diesen Ventilen besteht darin, daß es zwei gemeinsame Durchgangspassagen 428 im Ventilkern 442 gibt,
und eine entsprechend größere Anzahl an
Eingangs- und Ausgangskanälen.
So enthält
das Ventilgehäuse 411 beispielsweise
einen Kompressor-Ausströmungskanal 412,
der in einem Kanal 413 endet, welcher in das Innere der
Schieberkammer 422 führt.
Die Kammer 422 wird an ihrem unteren Ende durch einen Stopfen 420 und
eine geeignete Dichtung 421 begrenzt, die gemeinsam mit
der hermetischen Dichtung um das den Läufer umgebenden Gehäuse 444 den
gesamten Mechanismus innerhalb der Hülse und des Ventils hermetisch
abgedichtet hält.
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Die
Schieberkammer 422 im Ventilgehäuse 411 ist so ausgestaltet,
daß der
Ventilkern 442, der bevorzugterweise aus einem PTFE-Material
oder dergleichen besteht, leicht darin auf- und abgleitet und trotzdem
gut an seinen Endoberflächen
abdichtet. In dieser Stellung ist der Kompressor-Ausströmungskanal 413 zusammenpassend
mit dem untersten Kanal 415n angeordnet. Es sind auch die
zwei Kanäle 415j und 415o miteinander
in Verbindung, ebenso die Kanäle 415a und 415b.
Der Gewindekolben 435 ist am Läufer 441 befestigt
und wird durch diesen angetrieben. Wenn der Ventilkern 442 durch Rotation
des Gewindekolbens 435 bewegt wird, in diesem Fall nach
unten, wird der Kompressor-Ausströmungskanal 413 mit
dem Kanal 415a verbunden, Kanal 415b und Kanal 415j treten
in Verbindung, und Kanal 415o mit Kanal 415n.
Die Endflächen 455 des Gehäuses 411,
die die Kanäle
umgeben, und die Endflächen 457 an
den Kanälen
selbst sind so angeordnet, daß selbst
ein leichter Kompressor-Ausströmungsdruck
aus Kanal 413 den Kern genügend anpressen wird, um sicherzustellen,
daß eine
druckdichte Abdichtung gegenüber
den Kanälen
erfolgt, mit denen die Endflächen 457 verbunden
werden.
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Der
Motor arbeitet ebenso wie in den anderen Ausführungsformen, und er bewegt
den Ventilkern 442 üblicherweise
zu einer von zwei Positionen wie in der Ausführungsform von 3.
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Im
allgemeinen bezugnehmend auf 5, 5a und 5b wird
ein druckunterstütztes,
abgeschlossenes, motorgetriebenes Ventil zur Steuerung des Durchflusses
bei größeren Durchflußflächen oder
höheren
Flüssigkeitsdrücken verwendet, wobei
verhältnismäßig kleine
Motoren verwendet werden. Ein Ventil 510 ist gezeigt, das in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung konstruiert ist. Es beinhaltet ein
Ventilgehäuse 511,
das ein Durchflußdesign
aufweist, mit einem ringförmigen Eingangsflansch 512,
mit einem Eingangskanal 513, der sich mittig davon in das
Ventilgehäuse 511 hinein und
teilweise schräg
darin erstreckt. Auf der gegenüberliegenden
Seite des Ventilgehäuses 511 sind
ein ringförmiger
Ausgangsflansch 511 und ein Ausgangskanal 515 angeordnet,
der sich nach innen teilweise durch das Ventilgehäuse erstreckt.
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Im
zentralen Abschnitt des Ventilgehäuses 511 befindet
sich eine S-förmige
Trennwand 520, die den Eingangskanal 513 vom Ausgangskanal 515 trennt.
In der Mitte der Trennwand 520 befindet sich eine ringförmige Ventilsitzbohrung 521,
die sich durch die Trennwand 520 erstreckt und entlang
ihrer oberen Kante einen schrägen
Ventilsitz 522 aufweist. Ein ringförmiger Befestigungsflansch
für den
elektrischen Motor, der oben auf dem Ventilgehäuse 511 befestigt
ist, weist eine kurze zentrale Senkung 523a, die sich senkrecht
an der Innenseite des Flansches erstreckt und in einer Schulter 523b endet,
und eine Hauptbohrung 523 auf, die darunter zur Aufnahme
einer Patrone 524 liegt. Insbesondere unter Bezugnahme
auf 5a ist die Patrone 524 hohlförmig ausgebildet
und an der Schulter 523b befestigt. Die Patrone weist einen
die Drehbewegung verhindernden Stift 536 auf, der sich
durch sie hindurch erstreckt, und einen Schulterabschnitt 523c,
der auf einer Dichtung in der Senkung 523a sitzt. Eine
Dichtung 549 liegt in einer Rille 550 in der Patrone
und bildet eine hermetische Druckabdichtung für die Hülse, die oben auf der Patrone 524 angeordnet
ist.
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Der
Ventilkern 530 weist in diesem Fall zwei Hauptelemente
auf, eine obere Steuereinheit 531 und einen unteren Ventilkern 504.
Der untere Ventilkern 504 weist einen Ventilsitzring 533 auf,
eine äußere Schulter 534,
eine Dichtungsrille 535 mit einer Dichtung 535a und
einen Druckkanal 509 in der Schulter 534.
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Das
Innere des Ventilkerns 509 beinhaltet eine zweite Schulter 540,
unter der eine Innenwand 537 und über der eine mit einem Gewinde
versehene Senkung 538 und eine Sitzfläche 539 für den eigentlichen
Ventilsitzring 566 angeordnet ist.
-
Besonders
bezugnehmend auf 5b weist die Steuereinheit 531 eine
teilweise gewindete Bohrung 560, eine Rille 561,
in der ein Stift 536 gleitet, und eine kegelförmige Verjüngung 563 auf,
die zwischen dem unteren Abschnitt 564 (der locker in die zweite
Schulter 540 paßt)
und der oberen Schulter 564 liegt. Die Verjüngung 563 tritt
in Verbindung mit einem PTFE-Dichtungsring 566, wenn sich
der Schieber in seiner untersten Stellung befindet. Es gibt nur
einen geringen Bewegungsverlust zwischen den zwei Einheiten 531, 504,
da der Gewindering 570 den Ventilkern und die Steuereinheit
aneinanderschließt,
aber eine leichte Gleitbewegung zwischen Steuereinheit 531 und
Ventilkern 504 erlaubt.
-
Ein
Durchflußkanal 507 erstreckt
sich durch den Ventilkern 504 und verbindet die Druckausgleichskammer 508 mit
dem hohlen, ringförmigen
unteren Abschnitt des Ventilkerns 504. Die geringe axiale
Verschiebung des Ventilkerns 504 relativ zum Führungselement 530 erlaubt
es, daß die
konische Sitzoberfläche 563 eng
mit dem Ventilsitzring 566 in Eingriff kommt. Diese Verschiebung öffnet oder schließt den Durchflußkanal 507.
Die Druckausgleichskammer 508 ist mit dem Eingangskanal 513 über einen
Ausströmungskanal 509 und
mit dem Ausgangskanal 515 über den Durchflußkanal 507 und
den unteren, hohlförmigen
Abschnitt des Ventilelements 504 verbunden. Das Öffnen oder
Schließen des
Durchflußkanals 507 bewirkt
deshalb Druckveränderungen
in der Druckausgleichskammer 508, was Kräfte auf
das Ventilelement 504 in derselben Wirkungsrichtung zur
Folge hat, die das Führungselement 531 als
Resultat der motorgetriebenen Bewegung verwendet, wodurch weitaus
größere Ventile und
Flüssigkeitsdrücke effektiv
durch vergleichsweise kleine Motoren gesteuert werden können. Bei
normaler Benutzung, bei hohem Druck im Eingang 513, schweben
die Steuereinheit 531 und der Ventilkern 504 relativ
zueinander, und es existiert keine reine Kraft, die den Kern 504 bewegen
will. Wenn jedoch die Steuereinheit bewegt wird, folgt der Kern 504 dem
Schieber unter dem Einfluß des
Flüssigkeitsdruckes.
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Bezugnehmend
auf 8 ist ein motorgetriebenes Ventil gezeigt, das
ein Feedback hinsichtlich der Position verwendet, um die exakte
Einstellung des Ventils zu steuern. Die Messung der Position des
Ventilelements 630 und, wenn nötig, daran angepaßte Handlungen,
werden durch ein einziges Kontrollsystem vorgenommen, das nicht
beschrieben wird. Das Ventil 610 selbst, mit dem Ventilkern 630, ist ähnlich zu
seiner Entsprechung in den anderen Beispielen. Der Ventilkern 630 und
der Gewindekolben 643, der ein Teil des Kerns ist, bewegen
sich hinauf und hinunter als Folge der Drehung des Läufers 641.
Eine Gewindemutter 634 aus PTFE oder einem ähnlichen
Material mit geringem Reibungskoeffizienten ist in dieser Ausführungsform
durch wenigstens einen Stift am Läuferantrieb befestigt. Demgemäß treibt
die Rotation des Läufers
den Kolben nach oben und unten. Die Ausführungsform aus 8 ist
im Detail auch in mehreren anderen Aspekten unterschiedlich. Oben
auf dem Gewindekolben 643 befindet sich eine Verlängerung 622,
und in dieser Ausführungsform
ist die Verlängerung
an einem Eisenläufer 621 befestigt.
Der Läufer 621 befindet
sich innerhalb eines oberen zylindrischen Abschnitts 623 der
Hülse 644 und
wird dort durch eine Kappe 645 gehalten, die eine hohlförmige Mitte
aufweist und als Befestigung für
eine Hülse 646 dient.
Das oberste Ende der Hülsenverlängerung 623 ist
durch eine Kappe 648 verschlossen. Demgemäß weist
die Hülse
einen vergrößerten Seitenwandabschnitt 644,
eine Kappe 645 mit einer offenen Mitte, eine Kappenerweiterung 623 und eine über allem
angeordnete Kappe 648 auf. Diese schließen den Eisenläufer ebenso
wie die Verlängerung
und den Kolben 643 ein. Der Eisenläufer 621 bewegt sich
innerhalb der magnetisch transparenten Hülsenverlängerung 623 nach oben
und unten, wobei seine Position durch einen LVDT (linear verstellbarer
Differentialwandler) 649 oder eine andere Vorrichtung gemessen
wird. Eine Einlage 650 besitzt einen hohlen Zentralabschnitt
und wird in den Läufer 641 hineingedrückt, nachdem
die Gewindemutter 634 an ihren Platz geschraubt wurde und über die Stifte 651 festgesetzt
ist. Der obere Teil der Einlage 650 wird durch die Hülse 646 umgeben,
die bevorzugterweise aus einem imprägnierten Karbonmaterial besteht,
das in die Kappe 645 mit der offenen Mitte gedrückt wird.
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Der
elektronische Schaltkreis, der verwendet wird, um den Motor anzutreiben,
während
die Position des Ventilelements 630 gemessen wird, ist ähnlich zu
dem grundlegenden Motorantrieb, weist aber auch einen Schaltkreis
zur Versorgung der Sensoren, zur Aufnahme des Feedback-Signals hinsichtlich der
Position und zum Beantworten der Positionsinformation auf. Während der
grundlegende Antriebsschaltkreis ohne das Feedback der Stellung
des Ventilelements Eingangskabel aufweist, die aus zwei Versorgungseingängen und
zwei Bewegungssteuerungseingängen
(floating control) bestehen, weist der verbesserte Steuerungsantrieb
mit Feedback-Positionierung
Eingangskabel auf, die typischerweise aus zwei Versorgungseingängen und
einem zweikabeligen 4 bis 20 mA-Eingang bestehen. Der Schaltkreis ist
so gestaltet, daß er
das Ventil in die geschlossene Stellung treibt, bis das Feedback über ein
4 mA-Eingangssignal bestätigt,
daß das
Ventil geschlossen ist. Er treibt das Ventil zum Öffnen an,
bis das Feedback bestätigt,
daß das
Ventil für
ein 20 mA-Signal offen ist, und hält das Ventil bei jeder Stellung
dazwischen, entsprechend dem mA-Signal, das zum Antrieb gesendet
wird. Unter einigen Bedingungen kann eine verbesserte Steuerung
der Flüssigkeiten
mit diesem Typ von Positionierungs-Feedback realisiert werden. Andere
Verschiebungssensoren können
anstelle des LVDT verwendet werden, aber auch sie senden Positionsinformation
direkt an den Antriebsschaltkreis. Die Signale dieser Vorrichtungen
sind nicht flüchtig
und verlangen keine Neueinstellung nach einem Stromausfall.
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Wenn
Annäherungssensoren
verwendet werden, dienen sie als vielfache Referenzpunkte für den zwischendurch
stattfindenden Abgleich eines Zählschaltkreises,
wobei die vorhandenen Stromumkehr-Hall-Effekt-Vorrichtungen 654 verwendet
werden. Die Hall-Effekt-Vorrichtungen sind neben der magnetischen
Lücke zwischen
Läufer 641 und
Ständer
angeordnet und liefern dort eine Positionsmessung des Ventilelements
von hoher Auflösung.
Das wird bewerkstelligt, indem die Pulse in der Reihenfolge gezählt werden,
in der sie von den Sensoren 654 ausgesendet werden, um
die Entfernung und die Richtung der Bewegung zu bestimmen.
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Die
mehrfachen Grundstellungen der Grenztaster liefern eine nicht flüchtige Positionsinformation an
das Zählregister
im Antriebsschaltkreis 653, so daß im Fall eines Stromausfalls
die Register genau abgeglichen werden können, während nur ein kleiner und kurzlebiger
Fehler zugelassen wird, bis einer der Referenzpunkte passiert wurde.
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Bezugnehmend
auf 16 und 17 sind zwei
Ansichten eines verwandten, aber doch unterschiedlichen motorgetriebenen
Ventils gezeigt, das die vorliegende Erfindung verkörpert. In 16 und 17 sind
die Aspekte des motorgetriebenen Ventils 710 ähnlich zu
seiner Entsprechung (beispielsweise in 1 bis 5),
und besonders der Abschnitt mit dem Motor ist mit der Entsprechung
in den vorherigen Figuren identisch (oder kann zumindest identisch
sein).
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Allerdings
ist in der Ausführungsform
der 16 und 17 das
Ventilgehäuse 710 beträchtlich
unterschiedlich gestaltet. Beispielsweise weist das Ventilgehäuse 711 einen
sich horizontal erstreckenden Flansch 712 auf, der den
obersten Abschnitt 713 der Patrone beinhaltet, die die
Lager 715 in sich trägt.
Der untere Abschnitt des Gehäuses 711 weist einen
sich vertikal erstreckenden Abschnitt 716, einen unteren
Wandabschnitt 717 und einen Ausschnitt 718 für die Lager,
der in einem Einschnitt 719 in der unteren Wand des Gehäuses 711 gebildet
ist, auf. Ein drehbarer Kolben 743, der wiederum bevorzugterweise
aus gefülltem
PTFE-Material zur Selbstschmierung hergestellt ist, kommt mit einer
gleitenden abgeflachten Mutter 720 mit einem mit einem Gewinde
versehenen Inneren 721 in Eingriff. Die Mutter 720 weist
in sich einen Stift 722 auf, der mit einem verlängerten
Schlitz 723 in Eingriff kommt, der in jedem Arm 724a des
Bügels 724 ausgebildet
ist. Ein vergrößerter Kopfabschnitt 725 des
Bügels
umgibt den Stiel 726 eines segmentierten Kugelventilkerns 736.
Die Öffnung 727 für den Kolben 726 ist
so groß ausgestaltet,
daß keine
relative Rotation zwischen den beiden existiert. Dies kann mit Hilfe
eines Stiftes, eines Nutkeils oder auf andere zweckmäßige Weise erreicht
werden.
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Besonders
bezugnehmend auf 17 wird der Stab 726 durch
Lager 728 und das Ende der drehbaren Stabhalterung 731,
die in einem Einschnitt 732 des Ventilgehäuses 733 ausgebildet
ist, unterstützt.
Das Gehäuse 733 kann
durch einen Flansch 734 und mehrere Schrauben 735 (mit
einer Ausnehmung im Schraubenkopf) an einer Wand 716 des
Gehäuses
befestigt werden. Das segmentierte Kugelventil 736 wird
derart angetrieben, daß eine
Rotation des Stabes 726 dazu dient, den Ventilkern zwischen einer
offenen und einer geschlossenen Stellung zu bewegen.
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Eine
weitere Anwendung des Motors zum Antrieb eines Vierteldrehungsventils
ist in 18 gezeigt. Hierbei sind die
motorgetriebene Anordnung 810 mit dem Motor 840 selbst,
der Schutzabdeckung 850 und die innere Hülse 844 identisch
zu ihren Entsprechungen, wie auch die restlichen Abschnitte des Ventils
am Aufpresselement 846 oder darüber.
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Der
untere Abschnitt des Ventilgehäuses weist
eine Öffnung 812 für Befestigungsmittel 813, ein
Gehäuse
mit Seitenwänden 816 und
einer unteren Wand 817 auf, in welcher sich ein Einschnitt 818 befindet,
der einen Satz Kugellager 819 zur Lagerung des unteren
Endes eines drehbaren Kolbens 843 beinhaltet. Der drehbare
Kolben 843 besitzt ein Gewinde 843a und kommt
mit den Zähnen 844 am
Rad 845 in Eingriff, welches, beispielsweise an seinem
Innendurchmesser 827, an die Stange 826 gesichert
ist. Gemäß dieser
Anordnung wird die Ventilstange 826 gedreht, und es tritt
ein beträchtlicher
mechanischer Vorteil zwischen dem Gewindekolben 843 und
der Stange 826 auf. Demgemäß ist diese Einheit darauf ausgerichtet,
in einigen Ausführungsformen
einen größeren mechanischen
Vorteil zu liefern, und so könnte
ein Ventil größeren Durchmessers
gedreht werden als in den Fällen
mit den entsprechenden Ventilen, die beispielsweise in den 1 und 2 gezeigt
sind.
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Bezugnehmend
auf 19 ist ein Blockdiagramm für einen Ventilantriebsschaltkreis
gezeigt. In 19 liefert eine Fernsteuerung
oder ein Computer 900 entweder „Auf”- oder „Zu”-Steuerungssignale an einen
angeschlossenen Puffer 901, 902. Der Pufferausgang
wird an die Impuls-Torschaltung (Puls-Gate) 903 geleitet.
Es gibt zwei Ausgänge
dieser Schaltung. Der erste Ausgang führt zum Pulsgenerator 904,
der die Vorderflanke des Ausgangssignals des Pulsgenerators mit
der Vorderflanke des zweiten Ausgangs der Impuls-Torschaltung synchronisiert. Der
zweite Ausgang der Impuls-Torschaltung 903 und der Ausgang
des Pulsgenerators 904 werden an die Treiberschaltung (Antriebs-Gate) 905 weitergeleitet.
Das Antriebs-Gate 905 sendet
einen Puls, der ein „Lauf”-Signal
an den Motorantrieb 906 weitergibt. Die Synchronisation
des Ausgangs des Pulsgenerators mit dem Ausgang des zweiten Puls-Gates
stellt sicher, daß die
Antriebspulse des Antriebs-Gates 905 nur bei entsprechend
geschalteten Kontrollsignalen initiiert werden.
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Die
Pulssignale des Antriebs-Gates sind periodisch unterbrochen und
sprechen den Ausgang des Motorantriebs in einem Verhältnis „an” zu „aus” von etwa
1/10 an. Die Rotation des Motors wird durch die drei Hall-Effekt-Vorrichtungen
H1, H2, H3 kommutiert, die ein Positions-Feedback
des Läufers
an den Motorantrieb 906 liefern, welcher wiederum die geeigneten
Wicklungen mit Spannung versorgt, um den Motor 907 anzutreiben.
Der Motor treibt dann das Ventil in Richtung einer offenen oder
geschlossenen Stellung an, abhängig
vom Richtungssignal, das vom Eingangspuffer 902 gesendet
wird.
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Bezugnehmend
auf 20 ist ein Schaltkreis gezeigt, der eine Batterie
als Ersatz zur Betätigung
des Ventils verwendet, falls ein Stromausfall auftritt. 20 zeigt,
daß das
Stromversorgungs-Gate 952 die Versorgungsspannung an den Motorantriebsschaltkreis 957 leitet,
wenn volle Spannung von einer externen Versorgung vorhanden ist. Das
Versorgungs-Gate 952 leitet auch den Ausgang des Batterieladers 950 zum
Laden an das Batteriepacks 951. Der Leistungsmonitor 954 signalisiert dem
Richtungs-Ausgangs-Gate 955, die „Auf”- und „Zu”-Signale von der externen
Steuerung zum Schaltkreis 957 des Motorantriebs zu leiten.
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Der
fehlersichere (Ausfallsicherungs-) Auswahlschalter 956 ist
ein manueller Hebelschalter mit drei Positionen: „auf”, „aus” und „zu”. Wenn
die Spannung der externen Versorgung verlorengeht oder unter ein
bestimmtes Niveau fällt,
signalisiert der Leistungsmonitor 954 dem Richtungs-Ausgangs-Gate 955,
die „Auf”- oder „Zu”-Signale vom fehlersicheren Auswahlschalter 956 zum
Schaltkreis 957 des Motorantriebs zu leiten. Wenn die externe
Versorgung verloren wird, oder wenn der fehlersichere Schalter 956 aktiviert
ist, signalisiert das Richtungs-Ausgangs-Gate 955 dem Verzögerungsgenerator 953, ein
Signal an das Versorgungs-Gate 952 zu initiieren, um Leistung
für eine
bestimmte Zeitperiode, typischerweise für 30 Sekunden, vom Batteriepack 951 zum
Schaltkreis 957 des Motorantriebs zu leiten. Diese begrenzte
Periode erlaubt es dem Ventil, sich im Falle eines Stromausfalls
völlig
zu öffnen
oder zu schließen.
Während
hier eine bevorzugte Methode der Betätigung des Ventils im Falle
eines Stromausfalls gezeigt ist, werden andere äquivalente Möglichkeiten
und Methoden einem Fachmann offensichtlich erscheinen.
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In
der vorangehenden Beschreibung und in den nachfolgenden Ansprüchen wurde
stark auf Hall-Effekt-Vorrichtungen Bezug genommen. Diese Vorrichtungen
arbeiten viel schneller als beispielsweise ein Reed-Relais. Verschiedene
optische Vorrichtungen wären
geeignet, wenn nicht die Umhüllung
des Motors die Verwendung dieser Vorrichtungen unmöglich machen
würde.
In anderen Worten, die Anordnung der Umhüllung zwischen Läufer und Ständer eliminiert
die Möglichkeit
der Verwendung solcher optischer Schaltvorrichtungen. Folglich soll der
Ausdruck „Hall-Effekt-Vorrichtungen” auch Magnetfeldvorrichtungen
beinhalten sowie alle anderen äquivalenten
Vorrichtungen, die in der Zukunft entwickelt werden können.
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Die
vorliegende Erfindung liefert also eine Vielzahl geschlossener Motoren
und motorgetriebener Ventile, einschließlich der Ventile mit axial
beweglichen Ventilkernen, mit einem gleitenden, blockartigen Ventilkern
oder einem aus der Vielzahl von Vierteldrehungsventilen, die durch
verschiedene Mechanismen angetrieben werden.
