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In Verkehrsmitteln und insbesondere in Kraftfahrzeugen werden in zunehmendem Umfang pneumatisch befüllbare elastische Kissen bzw. Blasen zur Formung von Sitzkonturen oder für weitere Funktionalitäten, wie z. B. zur Massage, verwendet.
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Zur Steuerung der Druckluftströme zum Befüllen bzw. Entleeren der Blasen werden einzelne oder zu Gruppen verbundene Ventile verwendet. Die Herstellung der Einzelkomponenten und die Montage entsprechender Ventilbaugruppen sollte kostengünstig, in hoher Stückzahl und skalierbar (d. h. unterschiedliche Anzahl von Ventilen) möglich sein. Ferner ist in Folge der zunehmenden Funktionalität in Verkehrsmitteln der benötigte Bauraum und das Gewicht möglichst gering zu halten. Aus Gründen der Energieeffizienz und der Verfügbarkeit ist die Leistungsaufnahme möglichst gering zu halten.
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Aus dem Stand der Technik sind zur Befüllung von Blasen Ventile in der Form von elektromechanischen Stellelementen, wie z. B. elektromagnetischen oder piezokeramischen Stellelementen, bekannt. Diese Stellelemente, die in der Regel als 3/2-Ventile bzw. 3/3-Ventile aufgebaut sind, werden auf Leiterplatten verbaut und über Druckverteiler mit Drucksensoren und pneumatischen Außenanschlüssen verbunden.
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Die bekannten elektromagnetischen Stellelemente zum Befüllen bzw. Entleeren von Blasen weisen den Nachteil auf, dass sie vergleichsweise hohe Verlustleistungen und daraus resultierend einen großen Bauraum sowie ein hohes Materialgewicht der Wicklung und der Bauteile des magnetischen Kreises aufweisen.
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Die Druckschrift
DE 10 2011 078 104 A1 offenbart eine elektromagnetische Ventileinrichtung für pneumatische Systeme mit einem Permanentmagnet.
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Aus der
DE 689 11 004 T2 ist ein bistabiles Ventil bekannt, das einen Permanentmagnet im Stator oder Anker eines elektromagnetischen Stellelements nutzt, durch den das Ventil in jeder der beiden Schließstellungen ohne Energiezufuhr durch den Permanentmagneten gehalten wird. Die Umschaltung erfordert einen aufwändigen Spulenaufbau mit zwei Spulen pro Stellelement.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine bistabile Ventilanordnung für eine Vorrichtung zum pneumatischen Befüllen und Entleeren von Blasen in einem Sitz eines Verkehrsmittels und eine solche Vorrichtung zu schaffen, welche baulich und/oder funktional verbessert ist, und insbesondere bei einfachem Aufbau und kompakten Abmaßen eine geringe Verlustleistung aufweist. Es ist weiter Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, mit dem der Betrieb einer elektromagnetischen Ventilanordnung auf einfache und energieeffiziente Weise durchführbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch die Ventilanordnung gemäß Patentanspruch 1, die Vorrichtung gemäß Anspruch 12 und das Verfahren gemäß Anspruch 13 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind jeweils in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die erfindungsgemäße Ventilanordnung wird in einer Vorrichtung zum pneumatischen Befüllen bzw. Entleeren von Blasen in einem Sitz eines Verkehrsmittels, wie z. B. in einem Kraftfahrzeug, einem Schienenfahrzeug, einem Flugzeug, einem Schiff und dergleichen, eingesetzt. Vorzugsweise wird die Vorrichtung zum Befüllen bzw. Entleeren von Blasen eines Kraftfahrzeugsitzes eingesetzt. Die Anzahl der Blasen im Sitz kann je nach Ausgestaltung der Vorrichtung unterschiedlich sein. Es können z. B. zwischen zwei und 20 Blasen oder mehr vorgesehen sein, die durch eine oder mehrere der nachfolgend beschriebenen Ventilanordnungen befüllt oder entleert werden.
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Die Ventilanordnung umfasst eine Anzahl an Ventil-Stellelementeinheiten. Jede der Ventil-Stellelementeinheiten umfasst ein elektromagnetisches Stellelement und ein dem Stellelement zugeordnetes Ventil. Das Stellelement weist jeweils einen Anker, ein Joch und eine Spulenanordnung auf. Das Ventil umfasst eine Düsenöffnung, ein Dichtelement, das mit dem Anker gekoppelt ist, und einen Dichtsitz. Das Ventil umfasst eine erste Schaltstellung und eine zweite Schaltstellung. Der Anker ist in der ersten Schaltstellung angezogen und in der zweiten Schaltstellung abgeworfen. Wenn der Anker angezogen ist, so bedeutet dies in der vorliegenden Beschreibung, dass zwischen dem Anker und dem Joch im Idealfall kein oder ein nur minimaler Luftspalt ist. Wenn der Anker abgeworfen ist, so bedeutet dies in der vorliegenden Beschreibung, dass zwischen dem Anker und dem Joch ein Luftspalt gegebener Länge vorliegt.
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In der ersten Schaltstellung ist das Dichtelement zum Beispiel von dem Dichtsitz beanstandet, d. h. das Ventil ist geöffnet. Dies bedeutet, es verbindet einen Kanal mit einer Ventilkammer. In der zweiten Schaltstellung ist das Dichtelement dann durch ein Federelement gegen den Dichtsitz gepresst, d. h. das Ventil ist geschlossen. Dies bedeutet, das Ventil trennt den Kanal von der Ventilkammer. Der Kanal kann an einen Druckspeicher angeschlossen sein. Der Kanal kann auch an eine der genannten Blasen angeschlossen sein. Ebenso kann der Kanal mit der Umgebung verbunden sein.
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Alternativ sind in der ersten und der zweiten Schaltstellung auch umgekehrte Ventilstellungen möglich, d. h. in der ersten Schaltstellung ist das Ventil geschlossen und in der zweiten Schaltstellung geöffnet.
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Jede Ventil-Stellelementeinheit umfasst weiter einen Permanentmagnet, der in einer der beiden Schaltstellungen das Schaltelement in seiner, der Schaltstellung zugeordneten Endlage hält. Sodann ist ein Federelement vorgesehen, das in der anderen der beiden Schaltstellungen das Schaltelement in seiner, der Schaltstellung zugeordneten Endlage hält.
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Erfindungsgemäß umfasst jede Spulenanordnung eine einzige Spule, welche für eine Änderung der Schaltstellung unabhängig davon, welche der beiden Schaltstellungen ausgehend von der aktuellen Schaltstellung erreicht werden soll, im Betrieb nur in einer Richtung von Strom durchflossen ist. Dies bedeutet, die Spulenanordnung weist keine Spulenanzapfung auf. Die Spulenanordnung weist ferner keine zweiteilige Wicklung auf.
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Die Ventilanordnung zeichnet sich ferner dadurch aus, dass eine Steuereinheit dazu ausgebildet ist, für eine Veränderung der Schaltstellung eines Ventil eine oder mehrere der Spulen, deren zugeordnete Anker sich im angezogenen Zustand befinden, in Anzugsrichtung des Ankers zu bestromen.
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Die Erfindung stellt eine elektromagnetische Ventilanordnung mit einer Anzahl an bistabilen Ventil-Stellelementeinheiten bereit. Die bistabile Funktion ist durch den zusätzlich zu den elektromagnetischen Stellelementen vorgesehenen Permanentmagnet realisiert. Hierdurch tritt Verlustleistung nur bei der Umschaltung von dem ersten in den zweiten Schaltzustand, oder umgekehrt, nicht jedoch dauerhaft (d. h. während der erste Schaltzustand oder während der zweite Schaltzustand beibehalten wird) auf. Hierzu hält in einer der Schaltstellungen der Permanentmagnet das Stellelement in seiner Endlage, in der anderen Schaltstellung übernimmt diese Aufgabe das Federelement.
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Dadurch, dass ein Wechsel der Schaltstellungen auch ohne Umpolung der Spule vorgesehen ist, ergibt sich ein vereinfachter konstruktiver Aufbau der Ventilanordnung. Der Verzicht auf eine zweiteilige Wicklung oder eine Spulenanzapfung ermöglicht eine vereinfachte Steuereinheit mit nur einem elektrischen Schalter pro Stellelement. Hieraus ergeben sich Kostenvorteile.
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Aufgrund der stark verringerten Verlustleistung durch die bistabile Funktion der Ventilanordnung kann die Spule (Wicklung) des Stellelements kompakt ausgelegt werden, insbesondere wenn sich innerhalb des Wickelkörpers nur ein Kern mit vergleichsweise geringem Querschnitt befindet und der Luftspalt im angezogenen Zustand minimiert ist.
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Die jeweiligen Ventil-Stellelementeinheiten können wahlweise als „normal offen” (normally open, NO) oder als „normal geschlossen” (normaly closed, NC)-Ventile betrieben werden, da je nach Ansteuerung durch die Steuereinheit ein wahlweiser Betrieb der Ventil-Stellelementeinheiten möglich ist.
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Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Ventilanordnung ist für eine Mehrzahl an Ventil-Stellelementeinheiten ein gemeinsamer Permanentmagnet vorgesehen. Hierdurch ergibt sich ein vereinfachter Aufbau der Ventilanordnung. Bei dieser Ausgestaltung ist es zweckmäßig, wenn das Stellelement jeder Ventil-Stellelementeinheit ein eigenes Joch und/oder eine eigene Spule umfasst. Hierdurch kann eine gegenseitige Beeinflussung der Magnetkräfte minimiert werden.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist bzw. bleibt der Anker eines Stellelements zumindest eines der Ventil-Stellelementeinheiten angezogen, unabhängig davon, welche der beiden Schaltstellungen die Stellelemente der anderen Ventil-Stellelementeinheiten annehmen. Damit kann in der zugehörigen Spule eine vergleichsweise hohe Durchflutung eingestellt werden, ohne dass ein anderer Anker ungewollt anzieht. Ferner bleibt der magnetische Kreis stets geschlossen, was einer Entmagnetisierung des Permanentmagneten vorbeugt. Diese Ausgestaltung kann beispielsweise dazu genutzt werden, eine Druckmessung durchzuführen.
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Es ist zweckmäßig, wenn der magnetische Kreis der Ventilanordnung derart ausgelegt ist und die Spulen der anderen Ventil-Stellelementeinheiten so bestromt werden, dass der magnetische Fluss des Permanentmagneten gleichmäßig auf die Anker verteilt ist, so dass deren Anker nicht angezogen werden. Diese Ausgestaltung ist insbesondere bei minimalen Luftspalten der Stellelemente im angezogenen Zustand zweckmäßig.
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In einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist der Permanentmagnet ein Flachmagnet, bei dem die Anzugskraft bei zunehmendem Luftspalt am Anker abnimmt. Beispielsweise kann ein Permanentmagnet aus Ferrit eingesetzt werden.
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Der Anker kann wahlweise als Hubanker oder als Klappanker ausgebildet sein.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung der Ventilanordnung können eine Längsachse der Spule des zugeordneten Stellelements und eine Längsachse des zugeordneten Ventils im Wesentlichen parallel oder in einem im Wesentlichen senkrechten Winkel zueinander angeordnet sein.
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Der Anker kann aus einem weichmagnetischen Federstahl mit dem darauf angeordneten Dichtelement gebildet sein, wobei das Dichtelement insbesondere beidseitig zur Anschlagdämpfung auf das Joch und zur Abdichtung an dem Dichtsitz vorgesehen ist.
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Eine weitere Vereinfachung des konstruktiven Aufbaus ergibt sich, wenn die Anker zweier nebeneinander angeordneter Stellelemente durch einen Verbindungssteg miteinander verbunden sind, welcher gleichzeitig das Federelement ausbildet. Ein gesondertes Federelement kann dadurch entfallen. In diesem Fall kann die hierdurch gebildete Ankeranordnung mäanderförmig ausgebildet sein. Es ist zweckmäßig, wenn die Anker und der Verbindungssteg einstückig ausgebildet sind. Durch die Positionierung von entsprechenden Haltern für die Ankeranordnung kann die Anpresskraft und damit die Dichtkraft bzw. der maximal zulässige Druck der Ventile eingestellt werden. Durch unterschiedliche Ausgestaltung eines jeweiligen Verbindungsstegs zwischen den zwei Ankern kann dies auch für jedes Stellelement unterschiedlich gestaltet werden.
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Die Ventilanordnung umfasst ein erstes Gehäusebauteil (einen sog. Ventilträger) und ein zweites Gehäusebauteil zur Ausbildung eines Gehäuses. Das erste Gehäusebauteil umfasst eine Anzahl an Düsenöffnungen für ein zugeordnetes Ventil einer Ventil-Stellelementeinheit und zumindest einen Kanal für den Anschluss einer Blase oder eines Druckspeichers. Das zweite Gehäusebauteil ist luftdicht mit dem ersten Gehäusebauteil verbunden.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Stellantrieb und das Ventil der Anzahl an Ventil-Stellelementeinheiten in einem druckbeaufschlagten Bereich des Gehäuses angeordnet sind, wobei Spulenanschlüsse das erste oder das zweite Gehäusebauteil an zugeordneten Aussparungen durchdringen und gegenüber den Aussparungen abgedichtet sind. In dieser Ausgestaltungsvariante sind sämtliche die Ventilfunktion realisierende Komponenten der Anzahl an Ventil-Stellelementeinheiten im druckbeaufschlagten Bereich angeordnet. Eine Ansteuerelektronik kann hier wahlweise innerhalb oder außerhalb des Gehäuses angeordnet sein.
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Diese Vorgehensweise weist den Vorteil auf, dass sich im angezogenen Zustand des Ankers durch Schließen des magnetischen Kreises innerhalb des unter Druck stehenden Bereichs des Ventils eine Minimierung der Luftspalte erzielen lässt. Dies hat den Vorteil, dass eine üblicherweise aus nicht leitendem und nicht ferromagnetischem Material ausgeführte Trennschicht entfallen kann. Dies ist nicht nur aus funktionalen Gründen vorteilhaft, sondern ermöglicht auch einen vereinfachten Aufbau der Ventilanordnung und damit geringere Fertigungskosten.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist ein Drucksensor vorgesehen, der in einem Hohlraum des Ventilträgers angeordnet ist, der mit dem Kanal oder der Ventilkammer verbunden ist.
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In einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung umfasst die Ventilanordnung zumindest drei Ventil-Stellelementeinheiten. Die Ventilkammer kann an eine gemeinsame Blase oder einen gemeinsamen Druckspeicher oder die Umgebung angebunden sein.
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Die Ventilanordnung kann als 3/3-Ventil mit jeweils zwei Stellelementen in einer Kammer und gemeinsamem Vordruckkanal im Deckel realisiert werden. Ebenso ist ein 3/2-Ventil durch eine zusätzliche Entlüftöffnung, z. B. im Deckel, möglich.
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Es können Varianten für unterschiedlichen Vordruck durch Modifikation des Ventilträgers bereitgestellt werden. Bei einem höheren Druck werden z. B. Düsenöffnungen mit geringerem Durchmesser verwendet. Der Ventilsitz kann mit vergleichbaren Kräften bereitgestellt werden.
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Die Erfindung schlägt weiter eine Vorrichtung zum pneumatischen Befüllen und Entleeren von Blasen in einem Sitz eines Verkehrsmittels, insbesondere in einem Kraftfahrzeugsitz, vor, welche zumindest eine Ventilanordnung mit den oben beschriebenen Merkmalen aufweist. Diese weist die gleichen Vorteile auf, wie diese vorstehend in Verbindung mit der Ventilanordnung beschrieben wurden.
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Die Erfindung schlägt weiter ein Verfahren zum Betreiben einer elektromagnetischen Ventilanordnung, welche gemäß dieser Beschreibung ausgebildet ist, vor, bei dem für eine Veränderung der Schaltstellung zumindest eines Ventils eine oder mehrere der Spulen, deren zugeordnete Anker sich im angezogenen Zustand befinden, in Anzugsrichtung des Ankers bestromt wird oder werden.
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In einer zweckmäßigen Ausgestaltung des Verfahrens werden zum Abwerfen des Ankers eines der Stellelemente die Spulen der Ventil-Stellelementeinheiten, deren Anker angezogen ist, weiterhin mit einem ansteigenden Strom bestromt. Es ist zweckmäßig, wenn der Strom insbesondere rampenförmig ansteigt. Der Anstieg kann linearer sein. Der Anstieg kann auch nicht-linearer sein. Dadurch wird der magnetische Fluss in dem wenigstens einen abzuwerfenden Anker zu einem Zeitpunkt nahezu Null, so dass der Anker abfallen kann. Auf diese Weise können auch mehrere Anker gleichzeitig abgeworfen werden. Der Zeitpunkt des Nulldurchgangs des magnetischen Feldes kann durch die Anordnung der magnetischen Widerstände leicht variieren.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung wird zum Anziehen des Ankers eines der Stellelemente die diesem Stellelement zugeordnete Spule mit einem Strom eines vorgegebenen ersten Betrags bestromt.
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In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens werden zur Aufrechterhaltung der Haltekraft anderer Ventile, deren Anker des zugeordneten Stellelements abgeworfen sind, die Spulen dieser Stellelemente mit einem Strom eines vorgegebenen zweiten Betrags bestromt, wobei der zweite Betrag kleiner als der erste Betrag ist. Hierdurch kann die geänderte Aufteilung des magnetischen Flusses in dem Magnetkreis der Ventilanordnung kompensiert werden. Es besteht die Möglichkeit, auch mehrere Anker gleichzeitig anzuziehen.
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Die Vorteile der genannten Ausführungen einer erfindungsgemäßen Ventilanordnung im Vergleich zu herkömmlichen Ventilanordnungen werden nachfolgend zusammengefasst:
Die Steuereinheit zum Steuern der Ventil-Stellelementeinheiten kann einfach aufgebaut werden, da nur ein elektrisches Schaltelement pro Stellelement erforderlich ist.
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Es ergibt sich keine Abschwächung der Feldstärke im Permanentmagnet durch umgepolte Bestromung von Spulen beim Abwerfen eines oder mehrerer Anker. Damit können Permanentmagnete mit geringer Koerzitivfeldstärke eingesetzt werden, wie zum Beispiel Magnete aus Ferrit, die kostengünstig sind und zudem auch bei hohen Temperaturen von mehr als 85°C eingesetzt werden können. Für die erforderlichen Haltekräfte sind keine Seltenerde-Magnete erforderlich.
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Bei einer begrenzten Anzahl von gleichzeitig geöffneten Ventilen braucht der Permanentmagnet nur auf die in Summe benötigte Haltekraft ausgelegt zu werden. Damit wird für die Ventilanordnung weniger Permanentmagnetmaterial benötigt, im Gegensatz zu einer Verwendung von Einzelmagneten pro Stellelement.
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Die Ventilanordnung minimiert die Verlustleistung der Ventil-Stellelementeinheiten durch das Halten im unbestromten Zustand ohne Energieaufwand. Da kein elektrischer Dauerbetrieb erforderlich ist, kann die in einer jeweiligen Ventil-Stellelementeinheit eingesetzte Spule minimiert werden.
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Die Ventilanordnung kann wahlweise mit Ventil-Stellelementeinheiten in NO- oder NC-Konfiguration bereitgestellt werden. Damit kann die Ventilanordnung zum pneumatischen Befüllen und Entleeren von Blasen sowohl für statische Funktionen als auch für Massagefunktion eingesetzt werden.
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Die Ventilanordnung ermöglicht einen einfachen Zusammenbau durch Integration der Ventil-Stellelementeinheiten in ein gemeinsames Gehäusebauteil, das als Druckverteiler, pneumatischer Anschlussblock und als Teilgehäuse fungiert.
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Die geringe Anzahl an Einzelteilen und die Möglichkeit Gleichbauteile zu verwenden, ermöglicht eine kostengünstige Fertigung. Insbesondere können Ventilgruppen aus mehr als einer Ventilanordnung mit gleichem Aufbau miteinander kombiniert werden.
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Es ist eine beliebig lange Druckmessung über einen gemeinsamen Druckmesser in der Ventilkammer der Ventilanordnung möglich. Ebenso sind beliebig lange Halte- und Entlüftzeiten für Blasen realisierbar. Dies ist auch ohne Stromversorgung möglich.
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Kontaktdurchführungen brauchen nicht dauerhaft unter Druck zu stehen. Daher besteht eine geringere Kritikalität hinsichtlich einer Fein-Leckage.
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Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung der Ansteuerung einer erfindungsgemäßen Ventilanordnung ohne Umpolung der Spule, wobei ein Halten der Schaltstellungen von insgesamt vier Ventilen gezeigt ist;
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2 eine schematische Darstellung der Ansteuerung einer erfindungsgemäßen Ventilanordnung ohne Umpolung der Spule, wobei ein Öffnen eines der vier Ventile aus 1 gezeigt ist;
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3 eine schematische Darstellung der Ansteuerung einer erfindungsgemäßen Ventilanordnung ohne Umpolung der Spule, wobei ein Schließen eines der vier Ventile aus 1 gezeigt ist;
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4 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Ventilanordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
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5 eine Draufsicht auf eine Ventilanordnung in 4;
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6 eine schematische Darstellung einer Ankeranordnung; und
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7 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Ventilanordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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In den nachfolgenden Figuren sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Weiterhin ist zu beachten, dass die Darstellungen nicht maßstabsgerecht sind und die tatsächlichen Größenverhältnisse von der gezeigten Darstellung abweichen können.
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Die 1 bis 3 zeigen eine lediglich schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ventilanordnung, wobei diese zur Erläuterung der Ansteuerung stark vereinfacht ausgeführt ist. Konkrete Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Ventilanordnung werden in den 4 bis 6 beschrieben.
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Die in den 1 bis 3 gezeigte Ventilanordnung 1 umfasst beispielhaft vier Ventil-Stellelementeinheiten 110, 120, 130, 140. Die Anzahl der Ventil-Stellelementeinheiten sollte zumindest drei sein. In jedem Fall kann sie größer als vier sein.
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Jede Ventil-Stellelementeinheit 110, 120, 130, 140 besteht allgemein aus einem Stellelement und einem dem Stellelement zugeordneten Ventil 112, 122, 132, 142. Jedes Stellelement besteht wiederum aus einem Anker 113, 123, 133, 143, einem Joch und einer Spulenanordnung 111, 121, 131, 141. Das Joch ist in den 1 bis 3 durch zwei gegenüberliegende, kammartige Jochelemente 101, 102 gebildet. Jedes der Jochelemente 101, 102 umfasst vier Jochschenkel 116, 126, 136, 146 bzw. 117, 127, 137, 147. Um die Jochschenkel 116, 126, 136, 146 sind jeweils die Spulen 111, 121, 131, 141 gewickelt. Die Jochschenkel 116, 126, 136, 146 bzw. 117, 127, 137, 147 sind vorzugsweise jeweils getrennt von dem in der Zeichenebene von Links nach Rechts verlaufenden Verbindungsschenkel ausgebildet. Dies ist jedoch nicht zwingend.
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Die Ventilanordnung 1 umfasst ferner einen Permanentmagnet 103. Vorzugsweise ist der Permanentmagnet für die Ventil-Stellelementeinheiten 110, 120, 31, 140 ein gemeinsamer, durchgehender Permanentmagnet, was jedoch ebenfalls nicht zwingend ist. In Verbindung mit den getrennten Jochschenkeln 116, 126, 136, 146 und 117, 127, 137, 147 kann eine gegenseitige Beeinflussung der Magnetkräfte minimiert werden. Der Permanentmagnet 103 ist starr, d. h. unbeweglich, bezüglich der Stellelemente angeordnet.
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In dem in 1 dargestellten Ausgangszustand sind die Ventile 122, 142 der Ventil-Stellelementeinheiten 120, 140 stromlos geschaltet. Dabei sind die Ventile 122, 142, wie aus der 1 ersichtlich, geschlossen bzw. die Anker 123, 143 sind angezogen. Mit den Bezugszeichen 125 und 145 sind die durch die Ventile 122, 142 verlaufenden Magnetflüsse dargestellt. Der Magnetfluss über die Ventile/Stellelemente wird durch den Permanentmagnet 103 aufgrund der angezogenen Anker 123, 143 erzeugt. Die Ventile 112, 132 der Ventil-Stellelementeinheiten 110, 130 sind beispielhaft geöffnet, d. h. die Anker 113, 133 sind abgeworfen. Der geöffnete Zustand kann beispielsweise durch eine Federkraft hervorgerufen sein. In dem in 1 dargestellten Ausgangszustand ist keine der Spulen 111, 121, 131, 141 bestromt. Damit wird zur Beibehaltung dieses beispielhaften Zustands keinerlei Energie benötigt.
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In der 2 ist beispielhaft das Schließen des Ventils 112 der Ventil-Stellelementeinheit 110 dargestellt. Das Schließen des Ventils 112 bedeutet, dass der Anker 113 des zugeordneten Stellelements angezogen werden muss. Zu diesem Zweck wird die Spule 111 bestromt, was durch die in die Zeichenebene hineingehenden Pfeile in der Spule 111 symbolisiert ist. Der hieraus resultierende Magnetfluss ist mit dem Bezugszeichen 115 gekennzeichnet. Dieser ist etwas größer als der durch den Permanentmagnet 103 durch die Ventile 122, 142 hervorgerufene Magnetfluss 125, 145. Dies ist auch durch die etwas dickere Linie des magnetischen Flusses 115 im Vergleich zu den Magnetflusslinien 125, 145 gekennzeichnet.
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Zur Aufrechterhaltung der Haltekraft der weiterhin geschlossenen Ventile 122, 142 ist es gegebenenfalls erforderlich, auch die Spulen 121, 141 zu bestromen, um die geänderte Aufteilung des magnetischen Flusses zu kompensieren. Auf diese Weise ist es grundsätzlich möglich, mehrere Ventile gleichzeitig zu öffnen.
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In 3 ist beispielhaft das Öffnen des Ventils 111 der Ventil-Stellelementeinheit 110 dargestellt. Das Öffnen des Ventils 111 bedeutet, dass der Anker 113 des zugeordneten Stellelements abgeworfen werden muss. Zu diesem Zweck werden die Spulen der weiterhin geschlossenen Ventile 122, 142 bestromt, was durch die in die Zeichenebene hineingehenden Pfeile in den Spulen 121, 141 symbolisiert ist. Die hieraus resultierenden, im Vergleich zum immer geringer werdenden Magnetfluss 115, Magnetflüsse 125, 145 sind durch die dickeren Linien gekennzeichnet.
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Vorzugsweise wird die Bestromung gleichmäßig auf die Spulen 121, 141 aufgeteilt. Es zweckmäßig, wenn der Strom in der Form einer Rampe ansteigt. Dadurch wird der magnetische Fluss in dem abzuwerfenden Anker 113 des Ventils 112 zu einem Zeitpunkt nahezu Null, so dass der Anker 113 abfallen kann.
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Auf diese Weise können mehrere Ventile gleichzeitig geschlossen bzw. der Anker abgeworfen werden. Der Zeitpunkt des Nulldurchgangs des magnetischen Feldes kann durch die Anordnung der magnetischen Widerstände leicht variieren.
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Vorzugsweise bleibt stets ein Stellelement, d. h. dessen Anker, in angezogener Position. Damit kann in der zugehörigen Spule eine vergleichsweise hohe Durchflutung eingestellt werden, ohne dass ein anderer Anker ungewollt anzieht. Auch bleibt so der magnetische Kreis stets geschlossen, was einer Entmagnetisierung des Permanentmagneten 103 vorbeugt.
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Bei minimalen Luftspalten im angezogenen Zustand kann vorzugsweise bei einer größeren Anzahl an Ventilen (mehr als 3) auch der letzte Anker abgeworfen werden. Dazu werden der magnetische Kreis so ausgelegt und die Spulen derart bestromt, dass der magnetische Fluss des Permanentmagneten gleichmäßig auf die restlichen Anker verteilt wird, so dass es gerade noch nicht zu deren Anziehen führt.
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Es ist zweckmäßig, wenn ein flacher Permanentmagnet 103 eingesetzt wird, bei dem die Anzugskraft bei zunehmendem Luftspalt am Anker rasch abnimmt. Beispielsweise kann ein Permanentmagnet aus Ferrit eingesetzt werden, dessen Maximaltemperatur > 120°C ist. Die Abmessungen pro gleichzeitig zu haltendem Stellelement betragen z. B. ca. 3 × 3 × 10 mm, die Haltekraft ca. 0,7 N und das Gewicht ca. 0,5 g.
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Diese Ansteuerung ermöglicht ein bistabiles Stellelement, das ohne Umpolung geschaltet werden kann.
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Die Ventil-Stellelementeinheiten der Ventilanordnung 1 können im Rahmen einer Initialisierung in einen NC- oder einen NO-Startzustand versetzt werden. Diese Initialisierung kann bei Bedarf auch in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen wiederholt werden.
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4 zeigt einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Ventilanordnung 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. 5 zeigt eine Draufsicht auf die Ventilanordnung 1 in 4. Diese umfasst lediglich beispielhaft drei Ventil-Stellelementeinheiten 6A, 6B, 6C. Die Anzahl kann in der Praxis auch höher sein. In 5 sind die zu einer Ventil-Stellelementeinheit 6A, 6B, 6C gehörigen Komponenten mit den im weiteren verwendeten Bezugszeichen mit dem Annex „A”, „B” bzw. „C” ergänzt.
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Die Ventilanordnung 1 umfasst ein erstes Gehäusebauteil 2, welcher als Ventilträger bezeichnet wird, und ein zweites Gehäusebauteil 3, welche zusammen das Gehäuse der Ventilanordnung 1 bilden.
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Der Ventilträger 2 dient als Druckverteiler. Er umfasst zu diesem Zweck drei Stutzen 4 bzw. 4A, 4B, 4C, in welchen ein zugeordneter Düsenkanal 5 bzw. 5A, 5B, 5C verläuft. An den Stutzen 4 bzw. 4A, 4B, 4C kann eine gemeinsame oder jeweilige Blase, ein gemeinsamer oder jeweiliger Druckspeicher oder eine Verbindung zur Umgebung angeschlossen sein. Der Düsenkanal 5 bzw. 5A, 5B, 5C ist mit einer Düsenöffnung 28 (der Übersicht halber nur in 4 gekennzeichnet) eines Ventils 27 bzw. 27A, 27B, 27C gekoppelt. Die Düsenöffnung 28 bzw. sämtliche der Düsenöffnungen der Ventil-Stellelementeinheiten 6A, 6B, 6C sind wiederum mit einer Ventilkammer 37, welche zwischen dem Ventilträger 2 und dem Gehäusebauteil 3 gebildet ist, verbunden.
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In der weiteren Beschreibung wird zunächst auf den Querschnitt der 4 Bezug genommen.
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Der Ventilträger 2 und das Gehäusebauteil 3 sind luftdicht miteinander verbunden. Der Spulenträger 2 weist zwei Gehäusebauteilanlagen 7, 8 auf, an die zwei gegenüberliegende Wandabschnitte 9, 10 des zweiten Gehäusebauteils 3 grenzen. Die luftdichte Verbindung in diesem Bereich kann durch Kleben oder Laserschweißen realisiert sein. Ein Boden 11 verbindet die Wandabschnitte 9, 10. Das zweite Gehäusebauteil 3 weist eine im Wesentlichen becherförmige Gestalt auf. Der Boden 11 ist formschlüssig mit Rasthaken 14 des Ventilträgers 2 verbunden. In diesem Bereich kann eine zusätzliche Dichtung vorgesehen sein. Hierzu kann z. B. ein O-Ring oder ein Einlegeteil vorgesehen werden.
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Unterhalb des Bodens 11 und in diesem Beispiel außerhalb der Ventilkammer 37 ist an dem Ventilträger 2 eine Leiterplatte 13 befestigt. Die lagerichtige Fixierung erfolgt mittels eines Formschlusses durch Rasthaken 15. Zudem kann die Leiterplatte 13 auf einem oder mehreren Vorsprüngen (nicht dargestellt) definiert aufliegen.
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In dem zwischen dem Boden 11 von der Leiterplatte 13 gebildeten Hohlraum 48 ist ein Drucksensor 47 angeordnet. Der Hohlraum 48 steht über eine Aussparung 12 im Boden 11 mit der Ventilkammer in Verbindung. Dadurch kann der im Inneren der Ventilkammer 37 herrschende Druck gemessen werden.
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Durch eine Aussparung im Boden 11 des Gehäusebauteils 3 und eine korrespondierende Aussparung 26 in der Leiterplatte tritt ein Spulenanschluss 24 hindurch und in die Ventilkammer 37 hinein, der mit einer Spule 22 des elektromagnetischen Stellelements 16 der Ventilanordnung 1 verbunden ist. Im Bereich des Durchtritts durch das Gehäusebauteil 3 und/oder der Leiterplatte 13 ist eine Dichtung 25 vorgesehen. Diese kann beispielsweise ein Elastomer sein.
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Der zwischen dem Ventilträger 2 und dem zweiten Gehäusebauteil 3 gebildete Innenraum bildet die bereits erwähnte Ventilkammer 37. Die Ventilkammer 37 bildet einen druckbeaufschlagten Bereich. In der Ventilkammer 37 sind sämtliche Komponenten der drei Ventil-Stellelementeinheiten 6 bzw. 6A, 6B, 6C angeordnet.
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Jede der Ventil-Stellelementeinheiten 6 umfasst ein Stellelement 16 und ein Ventil 22. Das Stellelement 16 umfasst einen Anker 17, ein Joch 18 und eine Spule 22. Die Spule 22 ist auf einem Spulenträger 23 angeordnet. Ein Spulenanschluss 24 ist elektrisch mit der Spule 22 verbunden.
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Das Joch 18 besteht aus zwei parallel verlaufenden Schenkeln (bzw. Schenkelelementen wie in den 1 bis 3 gezeigt) 19 und 20 sowie einem die Schenkel verbindenden Permanentmagnet 21. Die Schenkel 19, 20 bestehen aus einem weichmagnetischen Material. Der Permanentmagnet kann aus Ferrit gebildet sein. Denkbar, aber nicht notwendig, ist auch ein Seltenerde-Magnet. Die Spule 22 ist um den ersten Schenkel 19 (bzw. dessen Jochschenkel) gewickelt. Das Joch 18 ist bezüglich des Gehäuses ortsfest, d. h. unbeweglich in dem Gehäuse, angeordnet.
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Grundsätzlich kann für jede Ventil-Stellelementeinheit ein eigener Permanentmagnet 21 bereitgestellt werden. Bevorzugt ist es, wenn für sämtliche Ventil-Stellelementeinheiten 6A, 6B, 6C der Ventilanordnung 1 ein gemeinsamer Permanentmagnet 21 vorgesehen ist. Dieser verläuft dann, wie dies in 5 ersichtlich ist, quer zu den Spulenachsen der Spule(n) 22 bzw. 22A, 22B, 22C. Bei dieser Ausgestaltung ist es sinnvoll, wenn getrennte Jochschenkel für die jeweiligen Ventil-Stellelementeinheiten bzw. deren Stellelemente vorgesehen werden.
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Der Anker 17 ist in diesem Beispiel als Klappanker ausgebildet. In der in 4 gezeigten Darstellung, in der das Ventil 27 geschlossen ist (das heißt der Anker 17 abgeworfen ist), in der das Ventil den Düsenkanal 5 von der Ventilkammer 37 trennt, weist der Anker 17 nur bezüglich des Schenkels 19 des Jochs 18 einen Luftspalt 39 auf, der in 1 nicht erkennbar ist. Durch das nur einseitige Abheben des Ankers 17 von dem Joch 18 wird bei gleichem Hub an dem von dem Ventil 27 entfernten Ende des Ankers 17 die Summe der Luftspalte gegenüber einem Hubanker reduziert.
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Der Anker 17 kann als Inlay in einem Kipphebel aus Kunststoff angeordnet sein. Der Anker kann auch aus einem weichmagnetischen Federstahl bestehen. Wie besser aus der Draufsicht aus 5 hervorgeht, kann eine gemeinsame Ankeranordnung 35 für alle Ventile 22 vorgesehen sein.
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In einer solchen Ankeranordnung 35, wie diese schematisch in 6 dargestellt ist, sind zwei nebeneinander liegende Anker 17A, 17B bzw. 17B, 17C durch diese miteinander verbindende Verbindungsstege 33 miteinander verbunden. Die beiden äußeren Anker 17A und 17B weisen auf ihren freien Seiten Befestigungsstege 34 auf. Durch die Gestalt der Verbindungsstege 33 und der Befestigungsstege 34 werden Rückstellkräfte erzeugende Federelemente 36 bereitgestellt. Durch die Gestalt der Verbindungsstege 33 und der Befestigungsstege 34 kann die Höhe der jeweiligen Rückstellkäfte eingestellt werden. An den mit 31 und 32 gekennzeichneten Stellen werden die Verbindungsstege 33 und die Befestigungsstege 34 in dem Gehäuse eingespannt. Die Rückstellkräfte können pro Stellelement unterschiedlich ausgebildet sein. Die Rückstellkräfte der können für alle Stellelemente gleich ausgelegt sein.
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Wie ebenfalls am besten aus 6 hervorgeht, weisen die Anker 17A, 17B, 17C im Bereich der Düsenöffnungen 28 ein jeweiliges Dichtelement 29A, 29B, 29C auf. Auf der nicht dargestellten Rückseite und unmittelbar gegenüberliegend weisen die Anker 17 ein jeweiliges Dämpfungselement 38 auf, um auf dem Weg zum angezogenen Zustand den Anschlag auf den Schenkel 19 des Jochs zu dämpfen.
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Der Ventilträger 2 kann mit unterschiedlicher Düsengeometrie, insbesondere unterschiedlichen Querschnitten, aber auch unterschiedlichen Ventilöffnungshüben, hergestellt werden. Hierdurch lassen sich Varianten für verschiedene Drücke und Durchflussbereiche einfacher realisieren. Beispielsweise werden für einen hohen Vordruck Düsenöffnungen mit geringem Querschnitt verwendet (und umgekehrt), wodurch die erforderlichen Kräfte und folglich die Auslegung der restlichen Geometrie des Stellantriebs und des magnetischen Kreises nahezu identisch bleiben.
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7 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer elektromagnetischen Ventilanordnung 1. Bei dieser sind zwei, wie in 4 gezeigte, Ventilanordnungen als Module 45, 46 „Rücken an Rücken” angeordnet, so dass deren Leiterplatten 13 und 13' einander gegenüber liegen. Der Einfachheit halber sind nur die wichtigsten Komponenten mit Bezugszeichen versehen, wobei die Komponenten des Moduls 46 mit einem „'” ergänzt sind. Die Leiterplatte 13 des Moduls 45 ist ein erster Leiterplattenabschnitt 43 einer flexiblen Leiterplatte (sog. Flexleiterplatte). Die Leiterplatte 13' des Moduls 45 ist ein erster Leiterplattenabschnitt 44 derselben flexiblen Leiterplatte. Die Leiterplattenabschnitte 43 und 44 sind über einen flexiblen Leiterplattenabschnitt der flexiblen Leiterplatte verbunden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ventilanordnung
- 2
- (Ventil-(träger/erstes Gehäusebauteil
- 3
- zweites Gehäusebauteil
- 4
- Stutzen
- 5
- Düsenkanal
- 6
- Ventil-Stellelementeinheit
- 7
- Gehäusebauteilanlage
- 8
- Gehäusebauteilanlage
- 9
- Wandabschnitt des zweiten Gehäusebauteils
- 10
- Wandabschnitt des zweiten Gehäusebauteils
- 11
- Boden des zweiten Gehäusebauteils
- 12
- Aussparung im Boden des zweiten Gehäusebauteils
- 13
- Leiterplatte
- 14
- Rasthaken
- 15
- Rasthaken
- 16
- Stellelement
- 17
- Anker
- 18
- Joch
- 19
- erste Schenkel des Jochs 18
- 20
- zweiter Schenkel des Jochs 18
- 21
- Permanentmagnet und Verbindungsteil des Jochs 18
- 22
- Spule
- 23
- Spulenträger
- 24
- Spulenanschluss
- 25
- Dichtung
- 26
- Aussparung in Leiterplatte 13
- 27
- Ventil
- 28
- Düsenöffnung
- 29
- Dichtelement
- 30
- Dichtsitz
- 31
- Befestigungspunkt des Ankers 17
- 32
- Befestigungspunkt des Ankers 17
- 33
- Verbindungssteg
- 34
- Befestigungssteg
- 35
- Ankerverbund, mäanderförmig
- 36
- Feder
- 37
- Ventilkammer
- 38
- Dämpfungselement
- 39
- Luftspalt
- 40
- Anschlusselement
- 41
- Kontaktstift
- 42
- flexibler Leiterplattenabschnitt
- 43
- erster Leiterplattenabschnitt
- 44
- zweiter Leiterplattenabschnitt
- 45
- Modul
- 46
- Modul
- 47
- Drucksensor
- 48
- Hohlraum
- 101
- Jochelement
- 102
- Jochelement
- 103
- Permanentmagnet
- 110
- Ventil-Stellelementeinheit
- 111
- Spule
- 112
- Ventil
- 113
- Anker
- 114
- Luftspalt
- 115
- magnetischer Fluss durch die erste Ventil-Stellelementeinheit
- 116
- Jochschenkel des Jochelements 101
- 117
- Jochschenkel des Jochelements 102
- 120
- Ventil-Stellelementeinheit
- 121
- Spule
- 122
- Ventil
- 123
- Anker
- 124
- Luftspalt
- 125
- magnetischer Fluss durch die erste Ventil-Stellelementeinheit
- 126
- Jochschenkel des Jochelements 101
- 127
- Jochschenkel des Jochelements 102
- 130
- Ventil-Stellelementeinheit
- 131
- Spule
- 132
- Ventil
- 133
- Anker
- 134
- Luftspalt
- 136
- Jochschenkel des Jochelements 101
- 137
- Jochschenkel des Jochelements 102
- 140
- Ventil-Stellelementeinheit
- 141
- Spule
- 142
- Ventil
- 143
- Anker
- 144
- Luftspalt
- 145
- magnetischer Fluss durch die erste Ventil-Stellelementeinheit
- 146
- Jochschenkel des Jochelements 101
- 147
- Jochschenkel des Jochelements 102
