DE102011113361B4

DE102011113361B4 - Fluidventilanordnung mit einem bistabilen Fluidventil

Info

Publication number: DE102011113361B4
Application number: DE201110113361
Authority: DE
Inventors: Stefan Storm; Raphael Rammer
Original assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2011-09-15
Filing date: 2011-09-15
Publication date: 2015-02-26
Anticipated expiration: 2031-09-16
Also published as: CN103827511A; DE102011113361A1; US9488196B2; CN103827511B; WO2013037356A1; ES2572106T3; EP2756197B1; US20140345267A1; EP2756197A1

Abstract

Fluidventilanordnung mit einem bistabilen Fluidventil (10a) für zwei Fluidleitungen (18, 20) mit einem in zwei Stellungen für zwei Schaltzustände bringbaren Ventilkörper (12), dadurch gekennzeichnet, dass zur Umschaltung einer Fluid-Vorlaufleitung (18) und einer Fluid-Rücklaufleitung (20) zwischen zwei Strömungsleitungen (22a, 22b) in der Vorlaufleitung (18) ein Druckimpulserzeuger (32) zu Ventilumschaltung vorgesehen ist und das Fluidventil (10a) eine Umsteuereinheit (24) umfasst, welche zwei durch ein bistabiles Flächenelement (26) voneinander getrennte Kammern (28a, 28b) aufweist, wobei die beiden Kammern (28a, 28b) mit den zwei Strömungsleitungen (22a, 22b) verbunden sind und das bistabile Flächenelement (26) mit dem Ventilkörper (12) zu dessen Betätigung wirkgekoppelt ist, wobei eine Umschaltung des Ventilkörpers (12) durch das Umschlagen des Flächenelements (26) erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fluidventilanordnung mit einem bistabilen Fluidventil für mindestens eine Fluidleitung mit einem in zwei Stellungen für zwei Schaltzustände bringbaren Ventilkörper.
In den meisten hydraulischen Systemen werden Wege- oder Sperrventile eingesetzt, um den Fluidvolumenstrom umzukehren oder zu unterbrechen. Zur Steuerung des Ventils sind eine eigene Aktorik, Leistungsversorgung und Steuerelektronik notwendig. Werden schnell schaltende Ventile für hohe Ansteuerfrequenzen benötigt, fallen zwangsläufig hohe elektrische Verluste zur Steuerung der Ventile an.
Aus der DE 16 00 815 A ist ein pneumatischer Schalter zur Ansteuerung einer mittels eines Druckimpulses zu steuernden Einrichtung, bei dem der pneumatische Schalter von zwei Steuerschaltern beaufschlagt wird, die wiederum mittels zweier Impulsgeber beaufschlagt werden.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Fluidventilanordnung mit einem stabilen Fluidventil, das sich durch Druckimpulse bzw. Druckflanken umschalten lässt und ansonsten keinen Energiebedarf aufweist sowie eine Verwendung einer solchen Fluidventilanordnung bereitzustellen.
Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Einzelheiten, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, sowie der Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind.
Die Aufgabe wird durch eine Fluidventilanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Dabei ist zur Umschaltung einer Fluid-Vorlaufleitung und einer Fluid-Rücklaufleitung zwischen zwei Strömungsleitungen in der Vorlaufleitung ein Druckimpulserzeuger zur Ventilumschaltung vorgesehen und das Fluidventil umfasst eine Umsteuereinheit, welche zwei durch ein bistabiles Flächenelement voneinander getrennte Kammern aufweist, wobei die beiden Kammern mit den zwei Strömungsleitungen verbunden sind und das bistabile Flächenelement mit dem Ventilkörper zu dessen Betätigung wirkgekoppelt ist. Das bistabile Flächenelement hat die Eigenschaft, zwei voneinander verschiedene Formen einnehmen zu können. Zum Wechsel von der einen in die andere Form ist eine Kraft notwendig. Vorliegend wird das bistabile Flächenelement von einer oder von beiden Seiten mit Druck beaufschlagt. Die Druckdifferenz zwischen den beiden Seiten bewirkt bei ausreichender Größe den Wechsel von der einen in die andere Form.
Durch den Druckimpulserzeuger in der Fluid-Vorlaufleitung wird unabhängig von der Ventilstellung über diejenige der beiden Strömungsleitungen, die mit der Vorlaufleitung verbunden ist, der Druckimpuls auf eine erste der beiden Kammern in der Umsteuereinheit übertragen. Der Druckimpulserzeuger kann entweder als separater Druckimpulsgeber ausgebildet oder durch eine angeschlossene Kolbenpumpe verwirklicht sein. Da die zweite Kammer mit der drucklosen Rücklaufleitung kommuniziert, führt der Druckstoß dazu, dass das bistabile Flächenelement aus der ersten in eine zweite Stellung umschnappt und damit den Ventilkörper in die zweite Stellung bewegt, bei der nunmehr die beiden Strömungsleitungen gegenüber der Vorlaufleitung und Rücklaufleitung umgeschaltet sind, also die bisher mit der Rücklaufleitung verbundene Strömungsleitung nunmehr mit der Vorlaufleitung kommuniziert und umgekehrt. Beispielsweise ein an die Strömungsleitungen angeschlossener Hydraulikmotor kann auf diese Weise umgeschaltet werden. Um eine Zurückschaltung des Ventils in die Ausgangslage zu bewirken wird mittels des Druckimpulsgebers ein weiterer Druckimpuls erzeugt, der nunmehr aufgrund des umgeschalteten Ventils über die zweite Strömungsleitung die zweite Kammer in der Umsteuereinheit beaufschlagt, wobei gleichzeitig die erste Kammer mit der drucklosen Strömungsleitung kommuniziert und dadurch das bistabile Flächenelement in die ursprüngliche Stellung zurückschnappt.
Wesentlich dabei ist, dass das bistabile Flächenelement durch einen Druckstoß in der aktuellen Auslassleitung in die andere stabile Lage geschoben wird. Dabei muss das bistabile Element in den stabilen Lagen die maximal aufbaubare Druckdifferenz aushalten, ohne umzuschalten. Der Druckstoß zum Umschalten muss die maximale im Betrieb auftretende Druckdifferenz zwischen Aus- und Einlassleitung überschreiten.
Die Aufgabe wird ferner durch eine Fluidventilanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 2 gelöst. Dabei ist in der Fluidleitung ein Druckimpulsgeber zur Ventilumschaltung vorgesehen und das Fluidventil umfasst eine Umsteuereinheit, welche zwei durch ein bistabiles Flächenelement voneinander getrennte Kammern aufweist, wobei eine der Kammern direkt mit der Fluidleitung kommuniziert, während die andere Kammer über ein Druckänderungsglied mit der Fluidleitung verbunden ist und das bistabile Flächenelement mit dem Ventilkörper zu dessen Betätigung wirkgekoppelt ist. Bei dieser Ausführung stehen also beide Kammern mit der gleichen Fluidleitung in Verbindung und die Umschaltung des Ventils erfolgt aufgrund der in der Fluidleitung auftretenden Druckflanken. Daher ist diese Ausführung insbesondere zur Kopplung mit Kolben- oder Piezopumpen geeignet. Durch eine steigende Druckflanke, die unmittelbar auf die eine Kammer wirkt während diese über das Druckänderungsglied nicht in gleicher Weise auf die zweite Kammer bewirkt, entsteht eine Druckdifferenz zwischen den beiden Kammern, die ein Umschalten des Ventils bewirken.
Gemäß einer ersten bevorzugten Weiterbildung ist das Druckänderungsglied eine Drossel, die eine zeitverzögerte Einwirkung des Drucks auf die zugehörige Kammer bewirkt. Somit wird also durch eine steigende Druckflanke eine Umschaltung bewirkt und durch eine abfallende Druckflanke eine Rückschaltung in die Ausgangslage weil der Druckabfall genauso wie der Druckanstieg auf eine Kammer unmittelbar und auf die zweite Kammer nur verzögert wirkt. Das Druckänderungsglied kann auch so abgestimmt werden, dass die Umschaltung durch einen modifizierten Druckflankenverlauf direkt durch die Fluidpumpe gesteuert wird. Bei Kopplung mit einer Kolbenpumpe entsteht ein pulsierender Druckverlauf an der Pumpenauslassseite. Das bistabile Flächenelement wird durch steile Druckanstiegs- oder Abfallsflanken des Pumpenauslassdrucks hin und hergeschaltet, wobei die Drossel die dafür notwendige Druckdifferenz erzeugt.
Gemäß einer zweiten bevorzugten Weiterbildung ist das Fluidventil mit einer pulsierend arbeitenden Fluidpumpe gekoppelt und eine Kammer der Umsteuereinheit ist direkt mit der Fluidleitung und die andere Kammer über ein Resonanzrohr mit der Fluidleitung verbunden, wobei das Resonanzrohr auf die Frequenz der Fluidpumpe abgestimmt ist. Bei dieser Ausführungsform bleibt bei Kopplung mit der Fluidpumpe (Kolben- oder Piezopumpe) das Fluidventil zunächst in der Ausgangsstellung. Sofern die Pumpe kurzzeitig gestoppt wird, schwingt die Fluidsäule im Resonanzrohr weiter und beaufschlagt die damit gekoppelte Kammer und damit das bistabile Flächenelement und schaltet damit das Fluidventil in die zweite Stellung.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das bistabile Flächenelement kugelkalottenartig ausgebildet. Damit ist eine baulich einfache und leicht abzudichtende runde Anordnung möglich, die ein Umschnappen mit Hysterese ermöglicht.
Die Aufgabe wird des Weiteren durch eine Verwendung der Fluidventilanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 sowie einer Verwendung der Fluidventilanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst.
Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der – gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung – zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:
1: eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Fluidventils;
2: eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Fluidventils;
3: ein Druckverlaufsdiagramm zur Ausführung gemäß 2;
4: eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines Fluidventils;
5: ein Druckverlaufsdiagramm zur Ausführung gemäß 4.
Die in 1 schematisch dargestellte erste Ausführungsform eines Fluidventils 10a umfasst im wesentlichen einen Ventilkörper 12, der zwei Ventilkörperabschnitte 14a, 14b aufweist, die eine Umschaltung des Fluidstromes bewirken, der aus einer Fluidpumpe 16 über ein Rückschlagventil 17 und eine Fluid-Vorlaufleitung 18 und über eine Fluid-Rücklaufleitung 20 und ein weiteres Rückschlagventil 21 wieder dahin zurück strömt. Dementsprechend wird der Fluidstrom durch die beiden Strömungsleitungen 22a, 22b entweder in der einen oder der dazu entgegen gesetzten anderen Richtung erfolgen.
Das Fluidventil 10a umfasst eine Umsteuereinheit 24, die im Wesentlichen aus zwei über ein bistabiles Flächenelement 26, vorzugsweise mit kugelkalottenartiger Form, von einander druckdicht getrennten Kammern 28a, 28b besteht. Die beiden Kammern 28a, 28b stehen über Verbindungsleitungen 30a, 30b mit den Strömungsleitungen 22a, 22b in Verbindung.
In der Fluid-Vorlaufleitung 18 ist ein Druckimpulsgeber 32 angeordnet, der einen Druckimpuls auf die Fluid-Vorlaufleitung 18 gibt. Der Druckimpuls kann alternativ dazu auch direkt über die Fluidpumpe erzeugt werden, wenn deren Bauart dies zulässt. Wenn man von der in 1 gezeigten Stellung ausgeht, wird der durch den Druckimpulsgeber 32 erzeugte Druckimpuls über die Fluid-Vorlaufleitung 18, den Ventilkörper 12, die Strömungsleitung 22b, die Verbindungsleitungen 30b an die Kammer 28b übertragen. Da die andere Kammer 28a den Druckimpuls nicht erfährt, steigt die Druckdifferenz über dem Flächenelement 26, was dazu führt, dass dieses aus der in 1 gezeigten in eine zweite stabile Stellung umschnappt, bei der das Flächenelement 26 nach rechts umgeklappt ist. Über eine Verbindungsstange 34, die sowohl am Flächenelement 26 als auch am Ventilkörper 12 befestigt ist, wird dieser in eine zweite Stellung verschoben, bei der dann die Strömungswege umgedreht sind, also die Fluid-Vorlaufleitung 18 nunmehr mit der Strömungsleitung 22a verbunden ist und die Fluid-Rücklaufleitung 20 mit der Strömungsleitung 22b. Um ein Zurückschalten des Fluidventils 12 zu erreichen, wird erneut ein Druckimpuls vom Druckimpulsgeber 32 über die Fluid-Vorlaufleitung 18, den Ventilkörper 12, die Strömungsleitung 22a, die Verbindungsleitungen 30a an die Kammer 28a übertragen. Da die Kammer 28b den Druckimpuls nicht erfährt, erfolgt ein Zurückschnappen des Ventilkörpers 12 in die in 1 gezeigte Stellung.
In 2 ist eine zweite Ausführungsform eines Fluidventils 10b schematisch dargestellt. Gleiche Bauteile haben die gleichen Bezugszeichen wie in 1. Das Fluidventil 10b unterscheidet sich vom vorbeschriebenen dadurch, dass beide Kammern 28a, 28b mit der Fluid-Vorlaufleitung 18 verbunden sind, und zwar die eine Kammer 28a direkt über die Verbindungsleitung 30, so dass Druckänderungen in der Vorlaufleitung 18 unmittelbar in der Kammer 28a wirken und die andere Kammer 28b über eine Drossel 36, so dass Druckstöße in der Vorlaufleitung 18 nur zeitverzögert in der Kammer 28b ankommen. Bei dieser Ausführungsform erfolgt eine Umschaltung des Ventilkörpers 12 bei jeder Druckflanke in der Vorlaufleitung 18. Durch eine geeignete Abstimmung des Druckänderungselements kann die Umschaltung auch aufgrund modifizierter Druckflanken durch die Fluidpumpe erfolgen. Dies ist in 3 als ein beispielhafter Druckverlauf in der Vorlaufleitung 18 bei Verwendung einer Hubkolbenpumpe 16 dargestellt. Sofern ausgehend von der in 2 gezeigten Stellung die in 3 mit 40 bezeichnete abfallende Druckflanke auf der Vorlaufleitung 18 auftritt, wirkt der absinkende Druck unmittelbar in der damit direkt verbundenen Kammer 28a. Demgegenüber sinkt der Druck in der über die Drossel 36 verbundenen Kammer 28b zeitverzögert, so dass es zum Aufbau einer Druckdifferenz kommt, die irgendwann ein Umschlagen des Flächenelements 26 bewirkt. Dadurch wird wiederum über die Verbindungsstange der Ventilkörper 12 in die zweite Stellung verschoben. Umgekehrt führt eine in 3 mit 42 bezeichnete ansteigende Druckflanke zu einem unmittelbaren Druckanstieg in der Kammer 28a und zu einem zeitverzögerten Druckanstieg in der Kammer 28b, so dass das Flächenelement zurückschlägt und den Ventilkörper 12 wieder in die in 2 gezeigte Stellung zurückbewegt.
In 4 ist eine dritte Ausführungsform eines Fluidventils 10c schematisch dargestellt. Gleiche Bauteile haben die gleichen Bezugszeichen wie in 1 und 2. Wie bei der Ausführungsform von 2 ist bei dem Fluidventil 10c die eine Kammer 28b über die Verbindungsleitung 30 mit der Vorlaufleitung 18 verbunden, während die andere Kammer 28b über ein Resonanzrohr 44 mit der Vorlaufleitung 18 verbunden ist, wobei das Resonanzrohr auf eine Resonanzfrequenz eingestellt ist, die der Pulsierungsfrequenz der Fluidpumpe 16 entspricht. Im Betrieb mit der Pulsierungsfrequenz bleibt das Fluidventil zunächst in der gezeigten Stellung. Wenn nun die Fluidpumpe 16 kurzzeitig gestoppt wird, bleibt der in 5 mittels Linie 46 dargestellte Druck hoch, während das Resonanzrohr 44 weiter schwingt mit der Folge, dass der Druck in der angeschlossenen Kammer 28a weiter oszilliert, wie durch die gestrichelte Linie 48 gezeigt wird. Da in der direkt angeschlossenen Kammer 28b der Druck ebenfalls hoch bleibt, ergibt sich eine Druckdifferenz in den beiden Kammern 28a, 28b, die zum Umschlagen des Flächenelements 26 führt.
Wenn im Zusammenhang mit der Erfindung von Fluid die Rede ist, so ist damit jedes weitgehend inkompressible Fluid gemeint, vorzugsweise Hydraulikflüssigkeit.
Bezugszeichenliste

10a, b, c: Fluidventil
12: Ventilkörper
14a, b: Ventilkörperabschnitt
16: Hubkolbenpumpe
18: Fluid-Vorlaufleitung
20: Fluid-Rücklaufleitung
22a, b: Strömungsleitung
24: Umsteuereinheit
26: Flächenelement
28a, b: Kammer
30, 30a, b: Verbindungsleitung
32: Druckimpulsgeber
34: Verbindungsstange
36: Drossel
40: abfallende Druckflanke
42: ansteigende Druckflanke
44: Resonanzrohr
46: Druckverlauf Pumpe
48: Druckverlauf Resonanzrohr

Claims

Fluidventilanordnung mit einem bistabilen Fluidventil (10a) für zwei Fluidleitungen (18, 20) mit einem in zwei Stellungen für zwei Schaltzustände bringbaren Ventilkörper (12), dadurch gekennzeichnet, dass zur Umschaltung einer Fluid-Vorlaufleitung (18) und einer Fluid-Rücklaufleitung (20) zwischen zwei Strömungsleitungen (22a, 22b) in der Vorlaufleitung (18) ein Druckimpulserzeuger (32) zu Ventilumschaltung vorgesehen ist und das Fluidventil (10a) eine Umsteuereinheit (24) umfasst, welche zwei durch ein bistabiles Flächenelement (26) voneinander getrennte Kammern (28a, 28b) aufweist, wobei die beiden Kammern (28a, 28b) mit den zwei Strömungsleitungen (22a, 22b) verbunden sind und das bistabile Flächenelement (26) mit dem Ventilkörper (12) zu dessen Betätigung wirkgekoppelt ist, wobei eine Umschaltung des Ventilkörpers (12) durch das Umschlagen des Flächenelements (26) erfolgt.
Fluidventilanordnung mit einem bistabilen Fluidventil (10b) für mindestens eine Fluidleitung (18) mit einem in zwei Stellungen für zwei Schaltzustände bringbaren Ventilkörper (12), dadurch gekennzeichnet, dass das Fluidventil (10b) eine Umsteuereinheit (24) umfasst, welche zwei durch ein bistabiles Flächenelement (26) voneinander getrennte Kammern (28a, 28b) aufweist, wobei eine der Kammern (28a) direkt mit der Fluidleitung (18) kommuniziert, während die andere Kammer (28b) über ein Druckänderungsglied (36) mit der Fluidleitung (18) verbunden ist und das bistabile Flächenelement (26) mit dem Ventilkörper (12) zu dessen Betätigung wirkgekoppelt ist, wobei eine Umschaltung des Ventilkörpers (12) durch das Umschlagen des Flächenelements (26) erfolgt.
Fluidventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckimpulserzeuger durch eine mit der Fluidventilanordnung verbundene Hubkolbenpumpe (16) gebildet ist.
Fluidventilanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das bistabile Flächenelement (26) kugelkalottenartig ausgebildet ist.
Fluidventilanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckänderungsverzögerungsglied eine Drosselstelle (36) ist.
Fluidventilanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass diese mit einer pulsierend arbeitenden Fluidpumpe (16) gekoppelt ist und eine Kammer (28b) direkt mit der Fluidleitung und die andere Kammer (28a) über ein Resonanzrohr (44) mit der Fluidleitung (18) verbunden ist, wobei das Resonanzrohr (44) auf die Frequenz der Fluidpumpe (16) abgestimmt ist.
Verwendung der Fluidventilanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche zwischen einer Kolbenpumpe (16) und einem Hydraulikmotor zur Umschaltung der Bewegungsrichtung.
Verwendung der Fluidventilanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche in Verbindung mit einer Piezopumpe.