DE102014117656A1

DE102014117656A1 - Ventilvorrichtung mit einem auf einem elektrodynamischen Aktor basierenden Ventil sowie Verfahren zum Steuern eines Ventils mit einem elektrodynamischen Aktor

Info

Publication number: DE102014117656A1
Application number: DE102014117656.1A
Authority: DE
Inventors: Maik Fuchs; Ralf Scheibe; Sebastian Kahl
Original assignee: Buerkert Werke GmbH and Co KG
Current assignee: Buerkert Werke GmbH and Co KG
Priority date: 2014-12-02
Filing date: 2014-12-02
Publication date: 2016-06-02
Also published as: CN105655088B; CN105655088A; US9856993B2; US20160153577A1

Abstract

Eine Ventilvorrichtung umfasst ein Ventil (10) mit einem elektrodynamischen Aktor, der ein beweglich gelagertes Stellglied mit einer Spule (22) und eine relativ zur Spule (22) unbewegliche Magnetanordnung aufweist, wobei eine durch Bestromung der Spule (22) hervorgerufene und auf das Stellglied übertragene Antriebskraft im Wesentlichen linear abhängig von der Stromstärke ist. Eine mit der Spule (22) verbundene Vorschaltelektronik (38) weist einen parallel zur Spule (22) geschalteten Kondensator (40) auf. Ein Verfahren zum Steuern eines Ventils (10) der genannte Art sieht vor, dass im Rahmen der Ansteuerung des elektrodynamischen Aktors bei der Bestromung der Spule (22) mittels einer Spannungsquelle ein parallel zur Spule (22) geschalteter Kondensator (40) aufgeladen wird und dass der Kondensator (40) nach Beendigung der Bestromung mittels der Spannungsquelle durch eine Entladung des Kondensators (40) weiter bestromt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ventilvorrichtung, die ein Ventil mit einem elektrodynamischen Aktor umfasst. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Steuern eines Ventils mit einem elektrodynamischen Aktor.
Mit den steigenden Anforderungen im Apparatebau steigen auch die Anforderungen an die darin verwendeten Ventile. So gewinnt beispielsweise in modernen Laboren und insbesondere im klinischen Bereich direkt im Patientenumfeld die Vermeidung bzw. Verringerung von Geräuschbelästigung immer mehr an Bedeutung. Gerade für den Bereich „mediengetrennte“ Ventile, wie sie z. B. in der Lebensmittel-, Analyse-, Labor-, und Medizintechnik eingesetzt werden, gibt es am Markt aber nur wenige geräuscharme Lösungen.
Für viele der oben genannten Anwendungen sind in technischer Hinsicht Magnetventile die erste Wahl. Sie sind für schnelle Schaltwechsel ausgelegt und eignen sich bei entsprechender Auslegung für aggressive oder neutrale flüssige und gasförmige Medien in verschiedenen Temperatur- und Druckbereichen. Ein Magnetventil umfasst üblicherweise einen magnetischen Anker (Kern), der in einer Bewegungsrichtung durch die Kraft eines Elektromagneten und in der Gegenrichtung durch die Kraft einer Rückführfeder beweglich ist. Bei Bestromung des Elektromagnets wird der Anker durch das erzeugte Magnetfeld aus dem Ausgangszustand beschleunigt, bis er eine durch einen Endanschlag, üblicherweise ein Metallstopfen, vorgegebene Endlage erreicht. Im Verlauf des Schaltwegs nimmt die Geschwindigkeit des Ankers stetig zu. Die Magnetkraft wird umso größer, je näher der Anker dem Stopfen kommt. Am Ende des Schaltweges, wenn der Anker auf den Stopfen trifft, kommt es zu einem deutlich vernehmbaren Klick-Geräusch, das meist als störend empfunden wird, insbesondere wenn die Schaltfrequenz hoch ist. Eine Geräuschdämpfung kann zwar durch ein am Stopfen oder Anker angebrachtes Elastomerelement erreicht werden. Diese Maßnahme führt aber zu einem verringerten Hub des Ankers und zu einer verringerten Antriebskraft am Ende des Hubwegs.
Im oben angesprochenen Bereich der mediengetrennten Ventile etabliert sich neuerdings ein Ventiltyp, der hier kurz als „Lorentzventil“ bezeichnet wird. Bei diesem Ventiltyp, der beispielsweise aus der WO 2010/066459 A1 bekannt ist, kommt ein elektrodynamischer Aktor zum Einsatz. Eine feststehende Magnetanordnung übt bei Bestromung einer Spule eine Lorentzkraft auf die Spule aus, die zur Auslenkung eines mechanisch vorgespannten Stellglieds genutzt wird. Voraussetzung hierfür ist, dass die Spule Teil des beweglichen Stellglieds ist. Im Gegensatz zu einem Magnetventil ist bei einem Lorentzventil die Antriebskraft linear abhängig von der Stromstärke, d. h. bei gleichbleibender Stromstärke bleibt die Antriebskraft konstant. Ein solches Ventil ist meist schon deshalb leiser, weil es nicht zu einem Aufprallen des Stellglieds auf einen metallischen Endanschlag kommt. Beim Schalten kann aber dennoch ein Geräusch zu hören sein, wenn das Stellglied bzw. ein Fortsatz des Stellglieds auf einen Ventilsitz trifft.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein direktwirkendes Ventil mit einer verbesserten Schaltcharakteristik zu schaffen. Insbesondere solle eine effektive Endlagendämpfung und/oder ein beschleunigtes Schalten erreicht werden.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Ventilvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Ventilsteuerungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den zugehörigen Unteransprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Ventilvorrichtung umfasst ein Ventil mit einem elektrodynamischen Aktor, der ein beweglich gelagertes Stellglied mit einer Spule und eine relativ zur Spule unbewegliche Magnetanordnung aufweist, wobei eine durch Bestromung der Spule hervorgerufene und auf das Stellglied übertragene Antriebskraft im Wesentlichen linear abhängig von der Stromstärke ist. Gemäß der Erfindung weist eine mit der Spule verbundene Vorschaltelektronik einen parallel zur Spule geschalteten Kondensator auf.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass der besondere Aufbau eines Lorentzventils eine stetige, über den elektrischen Strom steuerbare Schaltbewegung ermöglicht. Der parallel zur Spule geschaltete Kondensator wird bei der Bestromung der Spule aufgeladen und dient nach dem Abschalten des Stroms als Puffer, der verhindert, dass die Spule abrupt stromlos wird und das Stellglied ungebremst in den Ausgangszustand zurückgeführt wird. Nach dem Abschalten des Stroms versorgt der Kondensator nämlich die Spule weiterhin mit Strom, bis er vollständig entladen ist. Die exponentielle Entladungskurve von Kondensatoren erweist sich bei der so erreichten Dämpfung als besonders vorteilhaft, da sich die Entladung des Kondensators gerade am Ende des Schaltwegs in den Ausgangszustand verlangsamt. Bei geeigneter Auslegung des verwendeten Kondensators, insbesondere im Hinblick auf dessen Kapazität, ist das Schaltgeräusch nicht mehr wahrnehmbar. Damit eignet sich die erfindungsgemäße Ventilvorrichtung für geräuschempfindliche Umgebungen, z. B. beim Umgang mit Patienten.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung besteht darin, dass ein mithilfe des Kondensators gedämpftes Ventil bei der Rückkehr in den Ausgangszustand praktisch keinen Druckstoß im Medium („Schließschlag“) erzeugt. Gerade im Mikrofluidikbereich kann nämlich eine hohe Anzahl von aufeinanderfolgenden Schließschlägen von herkömmlichen Ventilen zu störenden Pulsen im Fluidstrom in der angeschlossenen fluidischen Leitung führen. Diese Pulse zeichnen sich durch eine kurze, aber deutliche Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit bzw. des auf das Fluid wirkenden Drucks aus. Das mithilfe der Erfindung erreichte Ausbleiben dieser Druckstörungen erlaubt eine bessere Kontrolle der Strömungsvorgänge. In bestimmten Mikrofluidiksystemen sind derart gedämpfte Ventile sogar eine notwendige Voraussetzung, nämlich dann, wenn stabile Tropfen bzw. Mehrphasensysteme erzeugt werden sollen. Auch in diesem Zusammenhang lässt sich die Dämpfung des Ventils durch die geeignete Auslegung der Kapazität des Kondensators gezielt auf die Anforderungen der Anwendung einstellen.
Die Erfindung eignet sich insbesondere für Ventile, bei denen das Stellglied des elektrodynamischen Aktors mithilfe eines Rückstellelements mechanisch in einen Ausgangszustand vorgespannt ist. Solche Ventile werden, je nachdem welche Schaltstellung dem Ausgangszustand entspricht, als „normally closed“ (NC) oder „normally open“ (NO) Ventile bezeichnet. Das Rückstellelement ist in der Regel ein zwischen Gehäuse und Stellglied eingespanntes Federelement
Die erfindungsgemäß vorgesehene Vorschaltelektronik ist gemäß einer ersten Ausführungsform der Ventilvorrichtung eine baulich vom Ventil getrennte Einheit. Eine separate Vorschaltelektronik hat den Vorteil, dass sie als Option zum eigentlichen Ventil angeboten werden kann. Außerdem sind Anpassung sowie Wartung bzw. Austausch der Vorschaltelektronik vereinfacht.
Die Vorschaltelektronik kann aber auch in den elektrodynamischen Aktor des Ventils integriert sein. Dadurch wird die Vorrichtung deutlich kompakter und einfacher zu handhaben. Die Integration der Vorschaltelektronik ist in der Regel unproblematisch, da nur wenige elektrische Bauteile – im einfachsten Fall nur ein geeignet ausgelegter Kondensator – im Gehäuse des Aktors untergebracht werden müssen.
Gemäß einem ersten besonderen Aspekt der Erfindung weist die Vorschaltelektronik eine Umschalteinrichtung auf, mit der die an der Spule angelegte Spannung umgepolt werden kann. Die Umschalteinrichtung ermöglicht eine beschleunigte Rückkehr des Stellglieds in den Ausgangszustand. Eine Umpolung der Spannung führt nämlich dazu, dass die Richtung des durch die Spule fließenden Stroms, während sich das Stellglied im Schaltzustand befindet, abrupt umkehrt, sodass plötzlich eine das Rückstellelement unterstützende Kraft auf das Stellglied wirkt. Die zusätzlich zur mechanischen Rückstellkraft bereitgestellte Lorentzkraft ist insbesondere bei nicht druckausgeglichenen Ventilmechanismen vorteilhaft, da beim Schließen des Ventils (Ausgangszustand) gegen den Mediumdruck gearbeitet werden muss. Dies führt insbesondere bei mediengetrennten Membranventilen zu einer vergrößerten Schaltzeit im Vergleich zur kurzen Schaltzeit beim Öffnen des Ventils (Schaltzustand), bei dem der Mediumdruck unterstützend wirkt.
Die Vorschaltelektronik weist vorzugsweise wenigstens einen Signaleingang auf. Dies ermöglicht die Verbindung der Vorschaltelektronik mit einer Steuereinrichtung, die über die Signalleitung die Vorgänge in der Vorschaltelektronik bestimmen kann.
Gemäß der Erfindung kann in der Vorschaltelektronik der Ventilvorrichtung anstelle des Kondensators auch eine Diode vorgesehen sein.
In diesem Fall können die Schaltzeiten durch wenigstens einen Widerstand, der in Reihe mit der Diode geschaltet ist, gezielt beeinflusst werden..
Die Erfindung schafft auch ein Verfahren zum Steuern eines Ventils mit einem elektrodynamischen Aktor, der ein beweglich gelagertes Stellglied mit einer Spule und eine relativ zur Spule unbewegliche Magnetanordnung aufweist, wobei eine durch Bestromung der Spule hervorgerufene und auf das Stellglied übertragene Antriebskraft im Wesentlichen linear abhängig von der Stromstärke ist. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass im Rahmen der Ansteuerung des elektrodynamischen Aktors bei der Bestromung der Spule mittels einer Spannungsquelle ein parallel zur Spule geschalteter Kondensator aufgeladen wird und dass der Kondensator nach Beendigung der Bestromung mittels der Spannungsquelle durch eine Entladung des Kondensators weiter bestromt wird.
Zur Dämpfungswirkung und zu den weiteren Vorteilen des erfindungsgemäßen Ventilsteuerungsverfahrens wird auf die obigen Ausführungen zur erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung verwiesen.
Wie bereits angedeutet eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere für Ventile, bei denen das Stellglied in einen Ausgangszustand vorgespannt ist und die Antriebskraft gegen die Vorspannung wirkt (NC- bzw. NO-Ventile).
Gemäß dem ersten besonderen Aspekt der Erfindung sieht das Ventilsteuerungsverfahren vor, dass für eine beschleunigte Rückkehr des Stellglieds aus einem Schaltzustand in den Ausgangszustand die an der Spule anliegende Spannung umgepolt wird. Wie bereits erläutert wird dadurch der Stromfluss durch die Spule umgekehrt, sodass die Lorentzkraft in die entgegengesetzte Richtung, also in Richtung des Ausgangszustands wirkt und sich zur mechanischen Vorspannung des Rückstellelements hinzuaddiert.
Da für die Umpolung der Spannung der parallel zur Spule geschaltete Kondensator hinderlich ist, sollte er beim beschleunigten Rückstellen des Stellglieds aus der Ansteuerung des elektrodynamischen Aktors beseitigt werden. Das bedeutet, dass der Kondensator zumindest für die Zeitspanne, in der die umgepolte Spannung an der Spule anliegt, durch einen Schalter oder dergleichen deaktiviert wird.
Gemäß einem ersten besonderen Aspekt der Erfindung sieht das Ventilsteuerungsverfahren vor, dass für ein beschleunigtes Schalten des Stellglieds aus dem Ausgangszustand in einen Schaltzustand die an der Spule anliegende Spannung kurzzeitig über eine Nennspannung der Spule angehoben wird. (Die Nennspannung der Spule ist dabei der vom Hersteller oder Lieferanten spezifizierte Wert der elektrischen Spannung im Normalbetrieb. Entsprechendes gilt für den Nennstrom) Eine solche Übererregung ist für die Spule unschädlich, wenn sie nicht dauerhaft der erhöhten Spannung ausgesetzt wird. Für den Schaltvorgang reicht es aber aus, nur einen kurzen Spannungspuls auf die Spule auszugeben.
Allgemein sind das beschleunigte Schalten in den Schaltzustand (durch Übererregung) bzw. das zuvor beschriebene beschleunigte Zurückkehren in den Ausgangszustand (durch Umpolen) besonders bei Anwendungen von Vorteil, bei denen hohe Schaltgeschwindigkeiten gefragt sind, z. B. beim industriellen Drucken oder Dosieren.
Für die kurzfristige Anhebung der Spannung kann der parallel zur Spule geschaltete Kondensator genutzt werden.
Grundsätzlich können der erste und der zweite besondere Aspekt der Erfindung (beschleunigtes Schalten in den Schaltzustand bzw. Zurückkehren in den Ausgangszustand) aber auch unabhängig vom Vorhandensein eines parallel zur Spule geschalteten Kondensators realisiert werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung nach einer ersten Ausführungsform.
2 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung nach einer zweiten Ausführungsform;
3 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung nach der ersten Ausführungsform;
4 zwei Schaltwechsel eines Ventils einer erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung und einer Ventilvorrichtung nach dem Stand der Technik in einem Strom-Zeit-Diagramm; und
5 zwei unterstützte Schaltwechsel eines Ventils einer erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung in einem Spannung-Zeit-Diagramm.
In 1 ist beispielhaft eine Ausführungsform eines mediengetrennten Ventils 10, hier ein Mikroventil, mit einem elektrodynamischen Aktor dargestellt. Der elektrodynamische Aktor ist auf ein zweiteiliges Fluidgehäuse 12a, 12b aufgesetzt, in dem zwei nebeneinanderliegende Ventilsitze 14a, 14b gebildet sind. Die Ventilsitze 14a, 14b können von einer zwischen den Gehäusehälften 12a, 12b eingespannten Membran 16 bzw. darin eingefügten Stempeln oder anderen Dichtelementen wechselseitig geöffnet oder verschlossen werden.
Der elektrodynamische Aktor umfasst ein Aktorgehäuse 18, in dem ein bewegliches Stellglied und eine unbewegliche Magnetanordnung aufgenommen sind. Das Stellglied ist im Wesentlichen aus einem Spulenträger 20 aus einem nicht-magnetischen Material und einer auf den Spulenträger 20 gewickelten oder in sonstiger Weise fest mit diesem verbundenen Spule 22 aus einem Kupferdraht gebildet, d. h. der Spulenträger 20 und die Spule 22 bewegen sich immer gemeinsam.
Die Spule 22 umfasst eine Vielzahl von Wicklungen um einen nicht-weichmagnetischen Kern 24 (Luft oder ein anderes nicht-magnetisches Material) mit einer in Richtung z verlaufenden Mittelachse. Es handelt sich bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel also um eine Luftspule.
Die Längsachse der in Form zweier beabstandeter komplementärer Halbkreise mit einem die Halbkreise verbindenden linearen Mittelstück vorliegenden Spule 22 erstreckt sich in einer zur z-Richtung senkrechten Richtung y. Die Wicklungsenden 26a, 26b der Spule 22 sind durch den Spulenträger 20 hindurch geführt und über elektrische Leiter mit zwei als Pins ausgeführten elektrischen Anschlüsse 28a, 28b an der oberen Stirnseite des Aktorgehäuses 18 verbunden. Die elektrischen Anschlüsse 28a, 28b sind bei dieser Ausführungsform direkt mit einer Steuereinrichtung zur Betätigung des elektrodynamischen Aktors verbunden, auf die später noch genauer eingegangen wird.
Der Spulenträger 20 ist wiederum fest mit einer Wippe 30 verbunden oder geht einstückig in eine Wippe 30 über, die um eine Drehachse D drehbar gelagert ist, welche parallel zur z-Richtung orientiert ist. Die Wippe 30 ist als zweiarmiger Betätigungshebel ausgebildet, der mit der Membran 16 bzw. den Stempeln zusammenwirkt.
Die Magnetanordnung ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel aus vier quaderförmigen Permanentmagneten gebildet, von denen in der Schnittdarstellung der 1 nur zwei Permanentmagnete 32, 34 zu sehen sind. Die beiden Permanentmagnete 32 sind auf der einen Seite eines Längsspalts, in dem sich das Stellglied befindet, in einer zu den Richtungen y und z senkrechten Richtung x nebeneinander angeordnet. Auf der in 1 nicht sichtbaren gegenüberliegenden Seite des Längsspalts sind zwei weitere Permanentmagnete in gleicher Anordnung vorgesehen. Die Permanentmagnete sind dabei so orientiert, dass ihre Längsachsen parallel zu der Längsachsenrichtung y der Spule 22 verlaufen und dass sich in den Richtungen x und z immer entgegengesetzte Pole (Nord, Süd) gegenüberliegen.
Bezüglich der Richtung x bilden sich so zwei nebeneinander angeordnete Magnetfelder mit entgegengesetzter Ausrichtung (entgegengesetzte Hauptrichtungen) aus, deren Feldlinien den Längsspalt jeweils größtenteils in der zur Drehachse D parallelen Richtung z durchqueren. Der Einfachheit halber wird bei den nachfolgend verwendeten Richtungsangaben (links, rechts etc.) auf die Darstellung der 1 Bezug genommen. Demnach durchdringt das linke Magnetfeld der auf der linken Seite gegenüberliegenden Permanentmagnete die linke Hälfte 22a der Spule 22, während das rechte Magnetfeld der auf der rechten Seite gegenüberliegenden Permanentmagnete die rechte Hälfte 22b der Spule 22 durchdringt.
Im stromlosen Ausgangszustand des elektrodynamischen Aktors spannt ein Rückstellelement 36 in Form einer zwischen dem Aktorgehäuse 18 und dem Spulenträger 20 eingespannten Schraubenfeder die Wippe 30 mechanisch in eine Ventilstellung vor, in der gemäß 1 der rechte Ventilsitz 14b geschlossen ist, während gleichzeitig der linke Ventilsitz 14a freigegeben ist. Diese Ventilstellung stellt hier den Ausgangszustand des Ventils 10 dar.
Bei einer Beaufschlagung der Spule 22 über die elektrischen Anschlüsse 28a, 28b mit Gleichstrom sind die Stromflussrichtungen in der linken und rechten Hälfte 22a, 22b der Spule 22 genauso entgegengesetzt wie die Richtungen des linken und des rechten Magnetfelds. Bei „richtiger“ Polung der angelegten Spannung wirkt auf beide Spulenhälften 22a, 22b eine nach links gerichtete Lorentzkraft. Dadurch wird das Stellglied gegen die mechanische Vorspannung des Rückstellelements 36 gegen den Uhrzeigersinn um die Drehachse D in einen Schaltzustand verschwenkt. In diesem Schaltzustand ist hier der rechte Ventilsitz 14b geöffnet und der linke Ventilsitz 14a geschlossen. Sobald der Strom abgeschaltet wird, entfällt die Lorentzkraft, und das Rückstellelement 36 drückt das Stellglied wieder zurück in den Ausgangszustand.
Die insgesamt auf das Stellglied wirkende Kraft ist abhängig von der Stärke der Magnetfelder, von der Gesamtlänge der zur Krafterzeugung nutzbaren stromdurchflossenen Wicklungen der Spule 22 in den Magnetfeldern, von der Stromstärke und von der Größe des Längsspalts zwischen den gegenüberliegenden Permanentmagneten.
Nachfolgend wird die elektrische Ansteuerung des Ventils 10 beschrieben, wobei diese nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform des Ventils 10 beschränkt ist, sondern allgemein auf Ventile mit einem elektrodynamischen Antrieb anwendbar ist. Insbesondere eignet sich die Ventilansteuerung auch für Ventile mit nur einem Ventilsitz, der wahlweise freigegeben oder geschlossen wird.
2 zeigt ein Schaltbild mit einem Ventil 10, das einen elektrodynamischen Aktor aufweist, und einer Vorschaltelektronik 38, die wesentlicher Bestandteil der Ventilansteuerung ist. Die Vorschaltelektronik 38 hat drei Eingänge, von denen zwei zur Spannungsversorgung dienen, die von einer externen Spannungsquelle (nicht gezeigt) bereitgestellt wird. Der dritte Eingang ist ein mit einer Steuereinrichtung (nicht gezeigt) verbundener Signaleingang zur Steuerung der Vorgänge in der Vorschaltelektronik 38.
Die Vorschaltelektronik 38 ist mit dem elektrodynamischen Aktor, genauer gesagt mit den elektrischen Anschlüssen 28a, 28b bzw. den Wicklungsenden 26a, 26b der Spule 22 verbunden. Die Vorschaltelektronik 38 ermöglicht unter anderem die folgenden drei Schaltvarianten, die sich von üblichen Schaltvorgängen ohne Vorschaltelektronik 38 unterscheiden: 1) Gedämpfte Schaltvorgänge, 2) Beschleunigtes Zurückkehren in den Ausgangszustand und 3) Beschleunigtes Schalten aus dem Ausgangszustand.
Im Hinblick auf die Dämpfung der Schaltvorgänge ist in der Vorschaltelektronik 38 ein parallel zur Spule 22 geschalteter Kondensator 40 vorgesehen. Im einfachsten Fall ergibt sich dadurch eine Schaltung, wie sie in 3 dargestellt ist.
Die Vorschaltelektronik 38 kann, wie in 2 angedeutet, eine separate Einheit sein. Alternativ kann die Vorschaltelektronik 38 aber auch in den elektrodynamischen Aktor des Ventils 10 integriert sein. 1 zeigt beispielhaft eine einfache Ausgestaltung, bei der die integrierte Vorschaltelektronik 38 im Wesentlichen nur aus dem Kondensator 40 besteht, welcher hier mit den beiden elektrischen Anschlüssen 28a, 28b verbunden ist.
Auf etwaige weitere Bestandteile der Vorschaltelektronik 38 wird an dieser Stelle nicht näher eingegangen.
Die gestrichelte Kurve in 4 zeigt zwei typische, aufeinanderfolgende Schaltvorgänge des Ventils 10 in einem Diagramm, in dem der Stromfluss I durch die Spule 22 über der Zeit aufgetragen ist. Zum Zeitpunkt t₁ wird mittels der externen Spannungsquelle eine für die Spule 22 vorgegebene Nennspannung U_nenn an den Aktor, genauer gesagt an die mit den Wicklungsenden 26a, 26b der Spule 22 verbundenen elektrischen Anschlüsse 28a, 28b angelegt. Das Ventil 10 wechselt daraufhin, wie oben beschrieben, unter Überwindung der mechanischen Vorspannung des Rückstellelements 36 vom Ausgangszustand in den Schaltzustand.
Wie dem Diagramm der 4 zu entnehmen ist, steigt nach dem Anlegen der Nennspannung U_nenn der Strom nicht unmittelbar auf den Nennwert I_Nenn an. Dies liegt daran, dass der parallel zur Spule 22 geschaltete Kondensator 40 aufgeladen wird, was zu einer kurzen Verzögerung führt. Solange die Nennspannung U_nenn anliegt, bleibt das Ventil 10 im Schaltzustand.
Wird die Spannung der externen Spannungsquelle dann zu einem Zeitpunkt t₂ abgeschaltet, wechselt das Ventil 10 zurück in den Ausgangszustand. Allerdings bewirkt der aufgeladene Kondensator 40, dass die Spannung U an der Spule 22 und der Stromfluss I nicht abrupt auf Null abfallen. Vielmehr versorgt der Kondensator 40 die Spule 22 auch nach dem Abschalten weiter mit Strom, bis der Kondensator 40 vollständig entladen ist. Beim Entladen des Kondensators 40 nimmt die Spannung U – und damit auch die Stromstärke I – exponentiell ab. Die exponentielle Entladung ist in 4 mit der durchgezogenen Linie dargestellt, während die gestrichelte Linie bei t₂ zum Vergleich einen abrupten Abschaltvorgang ohne Kondensator repräsentiert.
Die kontrollierte, „sanfte“ Abnahme der Stromstärke führt zu einem gedämpften Schaltvorgang, d. h. die Bewegung des Stellglieds wird kurz vor Erreichen des Ausgangszustands gezielt verlangsamt. Dank der Dämpfung ist praktisch kein Schaltgeräusch mehr zu hören. In der Praxis wird die Schaltzeit durch die Dämpfung auf z. B. 15 Millisekunden verzögert, wenn die übliche Schaltzeit ohne Dämpfung etwa 1 bis 5 Millisekunden beträgt. Eine ähnliche Schaltcharakteristik in umgekehrter Form und eine vergleichbare Verzögerung ergeben sich vorher beim Schalten in den Schaltzustand.
Wenn keine gedämpfte, sondern eine beschleunigte Rückkehr in den Ausgangszustand des Ventils 10 gewünscht ist, kann die Vorschaltelektronik 38 eine andere Maßnahme durchführen. Die Nennspannung U_nenn, die an der Spule 22 anliegt, um das Stellglied gegen die Vorspannkraft des Rückstellelements 36 in der Schaltposition zu halten, wird für kurze Zeit umgepolt. Zum gewünschten Rückschaltzeitpunkt t₂ wird also derjenige elektrische Anschluss 28a bzw. 28b, der mit dem Pluspol der Spannungsquelle verbunden war, an den Minuspol bzw. Masse gelegt und umgekehrt. Dieses Szenario ist im rechten Teil des Diagramms der 5 dargestellt.
Durch das Umpolen wird der Stromfluss durch die Spule 22 umgekehrt. Auf diese Weise wird eine Lorentzkraft erzeugt, die in entgegengesetzter Richtung wirkt und somit das Rückstellelement 36 unterstützt. Durch die verstärkte Rückstellkraft wird die Rückkehr des Stellglieds in den Ausgangszustand beschleunigt. Für eine optimale Ausnutzung dieses Effekts sollte die umgekehrte Nennspannung –U_nenn wenigstens solange an der Spule 22 anliegen, bis das Stellglied sicher wieder in seinen Ausgangszustand zurückgekehrt ist.
Für das Umpolen ist in der Vorschaltelektronik 38 eine Umschalteinrichtung vorgesehen, beispielsweise in Form einer Brückenschaltung. Die Umschalteinrichtung funktioniert nur ohne den Kondensator 40, d. h. dieser wird durch geeignete Maßnahmen solange aus der Ansteuerschaltung für die Spule 22 eliminiert („abgeschaltet“). Dies ist bei der Variante gemäß der 1 mit dem im elektrodynamischen Aktor festverdrahteten Kondensator 40 allerdings nicht möglich.
Ein beschleunigtes Schalten des Ventils 10 aus dem Ausgangszustand in den Schaltzustand kann ebenfalls mithilfe der Vorschaltelektronik 38 erreicht werden. Dazu wird zum Schaltzeitpunkt t₁ eine deutlich über die Nennspannung U_nenn hinausgehende Spannung an die Spule 22 angelegt (Übererregung). Dieser Vorgang ist in der linken Hälfte des Diagramms der 5 dargestellt. Die erhöhte Spannung sorgt für einen höheren Stromfluss durch die Spule 22 und damit für eine erhöhte Antriebskraft auf das Stellglied. Die Spule 22 sollte aber nur kurzzeitig mit der höheren Spannung beaufschlagt werden (impulsartig), um eine Überlastung bzw. Beschädigung der Spule 22 („Durchbrennen“) zu vermeiden.
Für die Bereitstellung der zusätzlichen Spannung kann der Kondensator 40 genutzt werden. Ebenso ist es aber möglich, die Spannung der externen Spannungsquelle hochzuregeln oder auf sonstige Weise die Spannung an der Spule 22 kurzzeitig zu erhöhen.
Für die beiden zuletzt beschriebenen Schaltvorgänge 2) Beschleunigtes Zurückkehren in den Ausgangszustand und 3) Beschleunigtes Schalten aus dem Ausgangszustand ist der Kondensator 40 nicht (zwingend) erforderlich. Die Vorschaltelektronik 38 beschränkt sich für diese beiden Funktionen im einfachsten Fall auf eine Umschalteinrichtung bzw. eine regelbare Spannungsquelle.
Grundsätzlich kann anstelle des Kondensators 40 kann auch eine Diode verwendet werden, um die oben beschriebenen Schaltcharakteristika zu erreichen. Die jeweiligen Schaltzeiten können in diesem Fall eingestellt werden, indem zusätzlich zu der Diode noch ein oder mehrere Widerstände in Reihe geschaltet werden.
Allgemein eignet sich die Ventilansteuerung mit der Vorschaltelektronik 38 besonders für mediengetrennte Ventile, insbesondere Schaltventile, mit elektrodynamischem Antrieb, wie sie z. B. in der Lebensmittel-, Analyse-, Labor-, oder Medizintechnik eingesetzt werden. Die Erfindung kann aber auch bei Ventilen ohne Trennmembran Anwendung finden.
Bezugszeichenliste

10: Ventil
12a, 12b: Fluidgehäusehälften
14a, 14b: Ventilsitze
16: Membran
18: Aktorgehäuse
20: Spulenträger
22: Spule
22a, 22b: Spulenhälften
24: Kern
26a, 26b: Wicklungsenden
28a, 28b: elektrische Anschlüsse
30: Wippe
32: Permanentmagnet
34: Permanentmagnet
36: Rückstellelement
38: Vorschaltelektronik
40: Kondensator

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2010/066459 A1 [0004]

Claims

Ventilvorrichtung, umfassend ein Ventil (10) mit einem elektrodynamischen Aktor, der ein beweglich gelagertes Stellglied mit einer Spule (22) und eine relativ zur Spule (22) unbewegliche Magnetanordnung aufweist, wobei eine durch Bestromung der Spule (22) hervorgerufene und auf das Stellglied übertragene Antriebskraft im Wesentlichen linear abhängig von der Stromstärke ist, gekennzeichnet durch eine mit der Spule (22) verbundene Vorschaltelektronik (38), welche einen parallel zur Spule (22) geschalteten Kondensator (40) aufweist.
Ventilvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied des elektrodynamischen Aktors mithilfe eines Rückstellelements (36) mechanisch in einen Ausgangszustand vorgespannt ist.
Ventilvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschaltelektronik (38) eine baulich vom Ventil (10) getrennte Einheit ist.
Ventilvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschaltelektronik (38) in den elektrodynamischen Aktor des Ventils (10) integriert ist.
Ventilvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass die Vorschaltelektronik (38) eine Umschalteinrichtung aufweist, mit der die an der Spule (22) angelegte Spannung umgepolt werden kann.
Ventilvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschaltelektronik (38) wenigstens einen Signaleingang aufweist.
Ventilvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle des Kondensators (40) eine Diode vorgesehen ist.
Ventilvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Widerstand in Reihe mit der Diode geschaltet ist.
Verfahren zum Steuern eines Ventils (10) mit einem elektrodynamischen Aktor, der ein beweglich gelagertes Stellglied mit einer Spule (22) und eine relativ zur Spule (22) unbewegliche Magnetanordnung aufweist, wobei eine durch Bestromung der Spule (22) hervorgerufene und auf das Stellglied übertragene Antriebskraft im Wesentlichen linear abhängig von der Stromstärke ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der Ansteuerung des elektrodynamischen Aktors bei der Bestromung der Spule (22) mittels einer Spannungsquelle ein parallel zur Spule (22) geschalteter Kondensator (40) aufgeladen wird und dass der Kondensator (40) nach Beendigung der Bestromung mittels der Spannungsquelle durch eine Entladung des Kondensators (40) weiter bestromt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied in einen Ausgangszustand vorgespannt ist und die Antriebskraft gegen die Vorspannung wirkt.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass für eine beschleunigte Rückkehr des Stellglieds aus einem Schaltzustand in den Ausgangszustand die an der Spule (22) anliegende Spannung umgepolt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass für die Umpolung der Spannung der parallel zur Spule (22) geschalteter Kondensator (40) aus der Ansteuerung des elektrodynamischen Aktors beseitigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass für ein beschleunigtes Schalten des Stellglieds aus dem Ausgangszustand in einen Schaltzustand die an der Spule (22) anliegende Spannung kurzzeitig über eine Nennspannung der Spule (22) angehoben wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass für die Anhebung der Spannung der parallel zur Spule (22) geschaltete Kondensator (40) genutzt wird.