DE102017119399A1

DE102017119399A1 - pressure valve

Info

Publication number: DE102017119399A1
Application number: DE102017119399.5A
Authority: DE
Inventors: Olivier Reinertz
Original assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Current assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority date: 2017-08-24
Filing date: 2017-08-24
Publication date: 2019-02-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ventil mit mindestens einem Ringmagneten (2,3), einem flexiblen Element (5) mit mindestens einer Spule (6) und einem Ventilsitz (8) zwischen Fluideingang (10) und Fluidausgang (11). Erfindungsgemäß ist ein zentraler, mittiger Ventilsitz (8) vorgesehen, wobei die eine oder die mehreren Spule(n) (6) in das flexible Element (5) integriert ist/sind und ein Dichtkörper in der Mitte des flexiblen Elements (5) angeordnet ist. Damit wird ein miniaturisiertes Druckventil bereitgestellt, das kostengünstig herzustellen ist und welches möglichst keine systemimmanenten Hysteresen durch Reibung und magnetische Nichtlinearitäten aufweist.The invention relates to a valve having at least one ring magnet (2, 3), a flexible element (5) having at least one coil (6) and a valve seat (8) between fluid inlet (10) and fluid outlet (11). According to the invention, a central, central valve seat (8) is provided, wherein the one or more coil (s) (6) is / are integrated in the flexible element (5) and a sealing body is arranged in the middle of the flexible element (5) , Thus, a miniaturized pressure valve is provided which is inexpensive to manufacture and which, if possible, has no system-inherent hysteresis due to friction and magnetic nonlinearities.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ventil mit mindestens einem Ringmagneten, einem flexiblen Element mit mindestens einer Spule und einem Ventilsitz zwischen Fluideingang und Fluidausgang.The invention relates to a valve with at least one ring magnet, a flexible element with at least one coil and a valve seat between fluid inlet and fluid outlet.

Ein Ventil ist ein Bauteil, das in einem Kreislauf durch Öffnen oder Schließen den Durchfluss eines Fluides hemmt oder erlaubt. Das Fluid kann ein Gas, eine Flüssigkeit oder ein Gemisch davon sein.A valve is a component that inhibits or permits the flow of a fluid in a closed or open circuit. The fluid may be a gas, a liquid or a mixture thereof.

Grundsätzlich wird zwischen Wege-, Strom- und Druckventilen unterschieden. Wegeventile werden als Schalt- oder Proportionalventile ausgeführt und weisen einen oder mehrere gekoppelt verstellbare Durchflusswiderstände auf, welche in Abhängigkeit des aktuellen Öffnungszustands einen druckabhängigen Durchfluss erlauben oder sperren. Ein derartiges Wegeventil ist beispielsweise aus der DE 44 22 972 A bekannt. Stromventile hingegen regeln systemimmanent den näherungsweise druckunabhängigen Durchfluss während Druckventile eine Druckbegrenzungs- oder Druckregelfunktion aufweisen, welche möglichst unabhängig vom Durchfluss ist.Basically, a distinction is made between directional, flow and pressure valves. Directional valves are designed as switching or proportional valves and have one or more coupled adjustable flow resistances, which allow or block a pressure-dependent flow depending on the current opening state. Such a directional control valve is for example from the DE 44 22 972 A known. Current valves, on the other hand, systemically regulate the approximately pressure-independent flow, while pressure valves have a pressure-limiting or pressure-regulating function which is as independent as possible of the flow.

Alle aufgeführten Ventilbauformen erhalten zumeist einen mechanischen oder elektrischen Stellwert, der ventilintern in einen Sollquerschnitt beim Wegeventil, einen Solldurchfluss beim Stromventil oder einen Solldruck beim Druckventil umgesetzt wird.All listed valve designs usually receive a mechanical or electrical control value, which is implemented valve-internally in a desired cross-section at the directional control valve, a desired flow at the flow valve or a target pressure at the pressure valve.

Ein elektroproportionales Druckventil begrenzt folglich in Abhängigkeit des angelegten elektrischen Stroms oder der elektrischen Spannung, den Druck in der Zuleitung bei sogenannten Druckbegrenzungsventilen auf den elektrisch vorgegebenen Maximalwert oder regelt den Druck an einem Arbeitsanschluss bei Druckminderventilen entsprechend der elektrischen Vorgabe. Hierbei sollte sich je nach Ausführungsform der geregelte Druck möglichst proportional zum Strom bzw. zur Spannung verhalten.Consequently, depending on the applied electrical current or voltage, an electro-proportional pressure valve limits the pressure in the supply line in the case of so-called pressure limiting valves to the electrically predetermined maximum value or regulates the pressure at a working connection in the case of pressure reducing valves in accordance with the electrical specification. Depending on the embodiment, the regulated pressure should behave as proportionally as possible to the current or to the voltage.

Häufig wird der Druckregelkreis in Druckventilen fluidmechanisch geschlossen, indem der Sollwert mit der herrschenden Druckkraft an einer Messfläche abgeglichen wird und der Druck folglich eingeregelt werden kann. Das elektronische Schließen eines Druckregelkreises innerhalb eines Fluidkreislaufes mittels eines Drucksensors und einer entsprechenden Regelelektronik ist heute ebenfalls Stand der Technik und weit verbreitet. Es reduziert zwar die Anforderungen an das Ventil derart, dass sogar Druckregelfunktionen mit schnellen Wegeventilen möglich werden, es führt jedoch auch zu einer Verlagerung des Aufwandes, sowohl kosten- als auch bauraumtechnisch, zur Elektronik. Dies führt insbesondere bei Ventilen kleiner Nennweite zu einem Ungleichgewicht in beiden zuvor genannten Aspekten zwischen Elektronik und Ventiltechnik, da die Elektronik nicht in gleichem Maße skaliert werden kann. Insbesondere bei Ventilen kleiner Nennweiten nimmt die Elektronik daher ein Vielfaches des Bauraums des eigentlichen Ventils ein. Deshalb sind hochintegrierte präzise und dennoch kostengünstige fluidmechanische Druckventile insbesondere im Bereich von kleinen Nennweiten technisch und wirtschaftlich hochinteressant.Often, the pressure control loop in pressure valves fluid-mechanically closed by the setpoint with the prevailing pressure force on a measuring surface is adjusted and the pressure can thus be adjusted. The electronic closing of a pressure control loop within a fluid circuit by means of a pressure sensor and a corresponding control electronics is also state of the art and widely used today. Although it reduces the requirements of the valve so that even pressure control functions with fast valves are possible, but it also leads to a shift of effort, both cost and space, to electronics. This results in an imbalance in both aforementioned aspects between electronics and valve technology, especially for valves of small nominal size, since the electronics can not be scaled to the same extent. In particular, for valves smaller nominal sizes, the electronics therefore takes a multiple of the space of the actual valve. Therefore, highly integrated precise, yet cost-effective fluid mechanical pressure valves, especially in the field of small diameters technically and economically highly interesting.

Aus der oben schon angesprochenen DE 44 22 972 A ist ein elektroproportionales Ventil in Sitzbauweise mit einem flexiblen Element, einer ortsfesten spiralförmigen Planarspule und einem Ventilsitz zwischen Fluideingang und Fluidausgang bekannt. Dieses Dokument bezieht sich ebenfalls auf ein Mikroventil, bei dem ein flexibles Element in einem Magnetfeld bewegt wird. Die Schicht, die die Spule beinhaltet, ist ferromagnetisch, um die Reluktanzkraft nutzen zu können.From the above already mentioned DE 44 22 972 A For example, a seat-type electro-proportional valve is known having a flexible member, a fixed spiral planar coil, and a valve seat between the fluid inlet and the fluid outlet. This document also relates to a microvalve in which a flexible element is moved in a magnetic field. The layer containing the coil is ferromagnetic in order to use the reluctance force.

Bei der Miniaturisierung von Druckventilen (Druckminder- oder Druckbegrenzungsventilen) insbesondere für den Bereich kleiner Drücke, wie sie in der Medizintechnik und in Analysegeräten benötigt werden, machen sich reibungsbedingte und systematische Nichtlinearitäten zunehmend bemerkbar. Überdies steigen die Anforderungen hinsichtlich Fertigungsgenauigkeiten extrem an, sodass in der Regel eine elektronische Druckregelung angewendet werden muss.In the miniaturization of pressure valves (pressure reducing or pressure relief valves), especially for the range of low pressures, as they are needed in medical technology and in analysis devices, frictional and systematic nonlinearities become increasingly noticeable. Moreover, the demands on manufacturing accuracies are extremely high, so that an electronic pressure control usually has to be applied.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein miniaturisiertes Druckventil bereitzustellen, welches kostengünstig herzustellen ist und welches möglichst keine systemimmanenten Hysteresen durch Reibung und magnetische Nichtlinearitäten aufweist.The object of the invention is to provide a miniaturized pressure valve, which is inexpensive to manufacture and which has as possible no system-immanent hysteresis due to friction and magnetic nonlinearities.

Die Aufgabe wird mittels eines Druckventils mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ausführungen der Erfindung sind Gegenstände von Unteransprüchen.The object is achieved by means of a pressure valve with the features of claim 1. Embodiments of the invention are subject matters of dependent claims.

Erfindungsgemäß ist ein Druckventil vorgesehen mit mindestens einem Ringmagneten, einem flexiblen Element mit mindestens einer Spule und einem Ventilsitz zwischen Fluideingang und Fluidausgang, dadurch gekennzeichnet, dass ein zentraler, mittiger Ventilsitz vorgesehen ist, dass die eine oder die mehreren Spule(n) in das flexible Element integriert ist/sind und dass ein Dichtkörper in der Mitte des flexiblen Elements angeordnet ist. Vorzugsweise handelt es sich um ein Druckventil in Sitzbauweise.According to the invention, a pressure valve is provided with at least one ring magnet, a flexible element with at least one coil and a valve seat between fluid inlet and fluid outlet, characterized in that a central, central valve seat is provided, that the one or more coil (s) in the flexible Element is / are integrated and that a sealing body is arranged in the middle of the flexible element. Preferably, it is a pressure valve in seat design.

Die erfindungsgemäße hohe Integration verringert die Baugröße, die bewegten Massen und die Herstellkosten. Die Integration und die Zentrierung des eigentlichen Dichtkörpers, bevorzugt einer Kugel, führt auf fluidtechnischer Seite zu einem membran- oder biegefederzentrierten direktgesteuerten Sitzventil, welches prinzipbedingt nahezu reibungsfrei agiert. Die Verwendung eines dem Ventilsitz angepassten Dichtkörpers führt zu einem sicheren Schließen und Öffnen des Ventils auch gegen Druck. Der Dichtkörper kann ebenfalls konisch, also sich verjüngend, ausgebildet sein. Er kann auch Kugelform, z.B. als Halbkugel, haben oder bevorzugt durch eine, vorzugsweise ganze, Kugel gebildet sein, die in der Mitte des flexiblen Elements befestigt ist oder sich durch die Sitzgeometrie, beispielsweise mittels eines Konus, selbst zentriert und folglich Fertigungstoleranzen ausgleicht. Eine weitere Variante, die insbesondere bei großen Nennweiten Verwendung findet, stellt ein ebener Dichtkörper dar, der gegen eine schmale ringförmige Erhebung dichtet. Hierbei kann sowohl der Dichtkörper durch die Membrane geführt sein während sich die Erhebung im Gehäuse befindet als auch die ringförmige Erhebung auf der Membrane angeordnet sein mit einem entsprechenden hohlzylindrischen Dichtkörper der ortsfest im Gehäuse angeordnet ist. Der Ventilsitz und/oder der Dichtkörper können aus Keramik, aus Kunststoff, aus Elastomer, aus Metall, wie Stahl, Edelstahl oder Messing, in üblicher Weise und mit üblichen Passgenauigkeiten hergestellt sein.The high integration of the invention reduces the size, the moving masses and the manufacturing costs. The integration and the centering of the actual sealing body, preferably a ball, leads to a fluidic side Diaphragm- or bending spring-centered direct-operated seat valve, which basically works almost friction-free. The use of a valve seat adapted to the sealing body leads to a safe closing and opening the valve against pressure. The sealing body may also be conical, that is tapered, be formed. It may also have a spherical shape, for example as a hemisphere, or preferably be formed by one, preferably a whole, ball which is fixed in the middle of the flexible element or centered by the seat geometry, for example by means of a cone, and thus compensates for manufacturing tolerances. Another variant, which is used in particular for large diameters, is a flat sealing body which seals against a narrow annular elevation. In this case, both the sealing body can be guided through the membrane while the survey is in the housing as well as the annular elevation to be arranged on the membrane with a corresponding hollow cylindrical sealing body which is arranged stationary in the housing. The valve seat and / or the sealing body may be made of ceramic, plastic, elastomer, metal, such as steel, stainless steel or brass, in a conventional manner and with customary fit.

Die erfindungsgemäße Integration der Spule auf dem aus einem Gehäuse ragenden flexiblen Spulenträger - also das Aufbringen der Spule und der sonstigen Leiterbahnen direkt auf dem flexiblen Element, dem Substratmaterial - kann durch diverse Technologien erfolgen. Etablierte Lösungen am Markt sehen beispielweise das Laserstrukturieren und anschließende galvanische Auftragen von Schichten vor (LPKF LDS Technologie), können aus dem Auftragen mittels eines Plasma- oder Laserstrahls bestehen oder können ähnlich zur Platinenherstellung einen flächigen Schichtauftrag mit anschließendem lasergestützten Abtrag des Negativs vorsehen. Möglich ist jedoch auch der Einsatz anderer Verfahren, um die Spule auf dem flexiblen Trägerelement dauerhaft zu integrieren/verankern. Die Spule ist bevorzugt eine Planarspule.The inventive integration of the coil on the projecting from a housing flexible bobbin - so the application of the coil and the other tracks directly on the flexible element, the substrate material - can be done by various technologies. Established solutions on the market provide, for example, laser structuring and subsequent electroplating of layers (LPKF LDS technology), can consist of application by means of a plasma or laser beam or, similar to the production of printed circuit boards, can provide a laminar coating followed by laser-assisted removal of the negative. However, it is also possible to use other methods to permanently integrate / anchor the coil on the flexible carrier element. The coil is preferably a planar coil.

Der ringförmige Aufbau des Druckventils, die Verwendung eines Ringmagneten mit radialer Magnetisierung und, in einer Ausführung, die bevorzugte Anordnung eines zweiten Magneten auf der gegenüberliegenden Seite des flexiblen Elements führen zu einem - in axialer Richtung - besonders homogenen Magnetfeld, woraus eine besonders gute proportionale Steuerbarkeit resultiert.The annular structure of the pressure valve, the use of a ring magnet with radial magnetization and, in one embodiment, the preferred arrangement of a second magnet on the opposite side of the flexible element lead to a - in the axial direction - particularly homogeneous magnetic field, resulting in a particularly good proportional controllability results.

Die geometrische Ausführung des Magnetkreises und der Spule - im elastischen Rückstellelement integriert - führt zu einem extrem kompakten, reibungsarmen und großserienfähigen Design dank geringer Teilezahl.The geometric design of the magnetic circuit and the coil - integrated in the elastic return element - results in an extremely compact, low-friction, high-volume design thanks to the small number of parts.

Die Verwendung möglichst wenig ferromagnetischer Materialien im bewegten Aktor führt dazu, dass der Antrieb im Gegensatz zum Stand der Technik praktisch rein lorenzkraftbasiert ist. Dadurch lassen sich auch die Hysteresen des Aktors weitgehend eliminieren. Das erfindungsgemäß wenig ferromagnetische flexible Element kann auch ein metallisches flexibles Element sein, das dann beispielsweise aus nicht oder nur sehr schwach ferromagnetischem Edelstahl oder aus Titan gebildet sein kann.The use of as few ferromagnetic materials in the moving actuator leads to the fact that the drive is virtually pure lorenzkraftbasiert in contrast to the prior art. As a result, the hysteresis of the actuator can be largely eliminated. The low-ferromagnetic flexible element according to the invention may also be a metallic flexible element, which may then be formed, for example, from non-ferrous or only very weak ferromagnetic stainless steel or from titanium.

Der oder die das „statische“ Magnetfeld erzeugenden Magnete sind vorzugsweise als Permanentmagnet(e) ausgebildet. Der Ringmagnet ist radial magnetisiert und kann in einer Ausführungsform innen einen ferromagnetischen Ring (Stahlring) umschließen und außen von einem ferromagnetischen Ring (Stahlring) umgeben sein. Diese ferromagnetischen Ringe ragen bevorzugt etwas Richtung Spule und bündeln die magnetischen Feldlinien, wie Polschuhe, im entscheidenden Bereich besser, so dass ein stärkeres und möglichst homogenes radial verlaufendes Magnetfeld erzeugt wird.The or the "static" magnetic field generating magnets are preferably designed as a permanent magnet (s). The ring magnet is radially magnetized and may in one embodiment enclose inside a ferromagnetic ring (steel ring) and be surrounded on the outside by a ferromagnetic ring (steel ring). These ferromagnetic rings preferably protrude slightly in the direction of the coil and concentrate the magnetic field lines, such as pole shoes, in the decisive region better, so that a stronger and as homogeneous as possible radially extending magnetic field is generated.

Die Stahlringe und Ringmagnete können ebenfalls direkt als permanentmagnetische, rotationssymmetrische Bauteile hergestellt und entsprechend magnetisiert worden sein. Dies ist im Fall einer Serienproduktion äußerst vorteilhaft, da weniger Teile und Montageschritte benötigt werden. Stahlringe und/oder Ringmagnete können zylindrisch oder konisch ausgebildet sein, aber liegen zueinander konzentrisch.The steel rings and ring magnets can also be made directly as permanent magnetic, rotationally symmetric components and magnetized accordingly. This is extremely advantageous in the case of series production since fewer parts and assembly steps are needed. Steel rings and / or ring magnets may be cylindrical or conical, but are concentric with each other.

Die Erfindung führt also zu einem fluidmechanisch geregelten, miniaturisierten elektroproportionalen Ventil, vorzugsweise in Sitzbauweise, auf der Basis der Lorenzkraft. Es kann in vielen Anwendungen, aber auch als Druckminder- (DMV) oder Druckbegrenzungsventil (DBV) eingesetzt werden.The invention thus leads to a fluid-mechanically controlled, miniaturized electro-proportional valve, preferably in seated construction, on the basis of the Lorentz force. It can be used in many applications, but also as a pressure reducer (DMV) or pressure relief valve (DBV).

Erfindungsgemäß wird ein neuartiges elastisches Element verwendet, auf das eine oder zwei oder mehrere Planarspulen aufgebracht ist/sind, wodurch eine Integration der Aktorspule in das flexible, elastische Element erfolgt ist. Das flexible Element kann eine druckdichte Membran oder mediendurchlässig sein und kann analog zu einer Formfeder ausgebildet sein. Das flexible Element übernimmt so die radiale Führung der integrierten Spule und deren Kontaktierung mittels aufgebrachter Leiterbahnen. Die Kontakte können durch randseitige Einspannung des flexiblen Elements nach außen geführt sein, wo sie bewegungslos abgegriffen werden können. Somit kann ein Steckkontakt direkt auf dem flexiblen Träger realisiert sein. Die Einbringung zusätzlicher Logik kann durch Nutzung des flexiblen Bauteils als Bauteilträger, ähnlich zu klassischen Platinen, ebenfalls erfolgen.According to the invention, a novel elastic element is used, on which one or two or more planar coils is or are applied, whereby an integration of the actuator coil into the flexible, elastic element has taken place. The flexible element may be a pressure-tight membrane or media-permeable and may be formed analogously to a shaped spring. The flexible element thus takes over the radial guidance of the integrated coil and its contacting by means of applied conductor tracks. The contacts can be guided by marginal clamping of the flexible element to the outside, where they can be tapped motionless. Thus, a plug contact can be realized directly on the flexible support. The introduction of additional logic can also be done by using the flexible component as a component carrier, similar to conventional circuit boards.

Das flexible Element kann in sich elastisch wie eine Gummihaut sein. Es ist dann aber darauf zu achten, dass auch die eine oder die mehreren Spulen ebenfalls dauerelastisch sind und durch die Hübe nicht beschädigt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform ähnelt es einer üblichen Lautsprechermembran, die im Innenbereich in sich mehr oder weniger starr ist, außen aber eine biegeweiche Aufhängung hat, die zum Beispiel durch elastische Einsätze oder durch Durchbrechungen erreicht wird und eine Auf- und Abbewegung (Hub) des Zentrums mit dem Dichtkörper erlaubt. The flexible element can be as elastic as a rubber skin. It is then important to ensure that the one or more coils are also permanently elastic and are not damaged by the strokes. In a preferred embodiment, it is similar to a conventional loudspeaker membrane which is more or less rigid inside, but has a flexible suspension on the outside, which is achieved for example by elastic inserts or perforations, and an up and down movement (stroke) of the center allowed with the sealing body.

Zur Realisierung des elektrodynamischen Antriebs mittels des so ausgestalteten flexiblen Bauteils wird bevorzugt ein radial magnetisiertes Magnetfeld vorgeschlagen. Das Linienintegral der radialen Komponente des magnetischen Flusses entlang des Leiters der Planarspule soll über den gesamten Hub des flexiblen Elements - der Membran - möglichst konstant sein. Ein einfacher Fall, in dem diese Bedingung erfüllt ist, stellt das Aufbringen eines axial invarianten radial polarisierten Magnetfelds dar. Hieraus resultiert eine hubunabhängige, nahezu stromproportionale Magnetkraft. Eine bevorzugte Ausführungsform enthält zwei baugleiche radial magnetisierte Ringmagnete, welche in einem gewissen Abstand koaxial angeordnet sind und jeweils von einem inneren und einem äußeren ferromagnetischen Ring umschlossen sind. Das flexible Element ist bevorzugt mittig zwischen den koaxialen Magneten angeordnet.To realize the electrodynamic drive by means of the flexible component designed in this way, a radially magnetized magnetic field is preferably proposed. The line integral of the radial component of the magnetic flux along the conductor of the planar coil should be as constant as possible over the entire stroke of the flexible element - the membrane. A simple case in which this condition is met, represents the application of an axially invariant radially polarized magnetic field. This results in a hub-independent, almost current-proportional magnetic force. A preferred embodiment includes two identical radially magnetized ring magnets, which are arranged coaxially at a certain distance and are each enclosed by an inner and an outer ferromagnetic ring. The flexible element is preferably arranged centrally between the coaxial magnets.

In einer Ausführungsform kann die Leistung durch einen oder zwei weitere Magnete (Kaskadierungsmagnete) gesteigert sein. Die zusätzlichen Kaskadierungsmagnete umschließen ringförmig die ersten Magneten und bilden dann ein zweites, äußeres Magnetfeld. Selbstverständlich sollte dann das flexible Element - und die Spule - entsprechend größer sein. In einer weiteren Ausführung kann die Spule innen und außen in unterschiedlichen Drehrichtungen verlaufen. Dies zum Beispiel dann, wenn das zweite (äußere) Magnetfeld in seiner Richtung dem ersten (inneren) entgegengesetzt verläuft.In one embodiment, the power may be increased by one or two additional magnets (cascading magnets). The additional cascading magnets encircle the first magnets and then form a second, external magnetic field. Of course, then the flexible element - and the coil - should be correspondingly larger. In a further embodiment, the coil can run inside and outside in different directions of rotation. This is the case, for example, when the second (external) magnetic field in its direction runs counter to the first (inner) one.

Die Erfindung führt zu einem kompakteren und kostengünstigeren Druckventil, insbesondere für kleine Nennweiten, wie sie bereits heute in diversen medizinischen Geräten (Beatmungsgeräte, Kompressionssysteme, Dialysemaschinen, aktive Patientenlagerung, druckluftbasierte Operationssysteme, Vorsteuerung von Druckluft in Pneumatikventilen), Analysegeräten (Steuern flüssiger Medien) und Vorsteuerungen in großer Zahl eingesetzt werden. Die Kompaktheit des erfindungsgemäßen Ventils ermöglicht neue Anwendungsfelder, insbesondere in tragbaren Geräten für den medizinischen Bereich, wie beispielsweise portable Dialysegeräte, künstliche Lungen oder pneumatisch betätigte Exoskelette zur Rehabilitation und zur Patientenunterstützung, oder für Laboranwendungen.The invention leads to a more compact and cost-effective pressure valve, especially for small nominal sizes, as they are already in various medical devices (ventilators, compression systems, dialysis machines, active patient support, compressed air-based operating systems, pilot control of compressed air in pneumatic valves), analyzers (control liquid media) and Pilot controls are used in large numbers. The compactness of the valve according to the invention enables new fields of application, in particular in portable devices for the medical sector, such as portable dialysis machines, artificial lungs or pneumatically operated exoskeletons for rehabilitation and patient support, or for laboratory applications.

Weitere Vorteile, Merkmale oder Anwendungen ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung, wobei alle gezeigten und erwähnten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination als erfindungswesentlich angesehen werden.Further advantages, features or applications will become apparent from the following description of the figures, wherein all features shown and mentioned are considered to be essential to the invention or in any combination as essential to the invention.

Es zeigen:

1 eine aufgeschnitten dargestellte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Druckventils,
2 einen Schnitt durch das Druckventil der 1,
3 ein flexibles Element, wie es in 1 verwendet wird,
4 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Druckventils,
5 ein flexibles Element des Druckventils der 4.

Show it:

1 a cutaway embodiment of a pressure valve according to the invention,
2 a section through the pressure valve of 1 .
3 a flexible element, as in 1 is used,
4 a section through a further embodiment of a pressure valve according to the invention,
5 a flexible element of the pressure valve the 4 ,

1 zeigt in einem Gehäuse 1 den Ringmagneten 2, der hier als Permanentmagnet ausgebildet ist. Er umschließt einen ferromagnetischen Ring 4 und ist von einem weiteren ferromagnetischen Ring 4 umgeben. Beide können Stahlringe sein. Diese ferromagnetischen Elemente ragen bevorzugt weiter nach unten als der eigentliche Magnet 2, so dass sie für ein möglichst homogenes Magnetfeld im Bereich unterhalb des Ringmagneten 2 sorgen. Im Gehäuse 1 befinden sich zentral mittig der Fluideingang 10, der Ventilsitz 8 und der Fluidausgang 11. Unterhalb des Ventilsitzes 8 und des Ringmagneten 2 befindet sich das flexible Element 5, welches an seinem Rand fest im Gehäuse 1 eingespannt ist. Auf dem flexiblen Element ist oben die Spule 6 integriert, die über eine Kontaktierung 7 von außen mit Strom beaufschlagt werden kann. In dieser Ausführung ist zusätzlich eine zweite Spule 6 unten - also auf der gegenüberliegenden Seite des flexiblen Elements 5 - vorgesehen. Die beiden Spulen 6 sind in der Nähe der Mitte des flexiblen Elements durchkontaktiert. Auf der Oberseite des flexiblen Elements 5 ist mittig und direkt dem Ventilsitz 8 gegenüber die als Dichtkörper dienende Kugel 9 angeordnet. Im flexiblen Element sind randseitig die Durchbrechungen 13 zu erkennen, die dem Element die Flexibilität geben. Unterhalb des flexiblen Elements 5 befindet sich in dieser Ausführung ein zweiter Ringmagnet 3 mit ferromagnetischen Ringen 4. 1 shows in a housing 1 the ring magnet 2 , which is designed here as a permanent magnet. It encloses a ferromagnetic ring 4 and is from another ferromagnetic ring 4 surround. Both can be steel rings. These ferromagnetic elements preferably protrude further down than the actual magnet 2 , allowing for a homogeneous magnetic field in the area below the ring magnet 2 to care. In the case 1 are located centrally in the middle of the fluid inlet 10 , the valve seat 8th and the fluid outlet 11 , Below the valve seat 8th and the ring magnet 2 is the flexible element 5 , which at its edge firmly in the housing 1 is clamped. On top of the flexible element is the coil 6 integrated, via a contact 7 Can be energized from the outside. In this embodiment, in addition, a second coil 6 below - on the opposite side of the flexible element 5 - intended. The two coils 6 are plated through near the middle of the flexible element. On top of the flexible element 5 is centered and directly to the valve seat 8th opposite the ball serving as a sealing body 9 arranged. In the flexible element are the edges of the openings 13 to recognize that give the element the flexibility. Below the flexible element 5 is located in this embodiment, a second ring magnet 3 with ferromagnetic rings 4 ,

Der Ringmagnet 2 - und falls vorhanden der gegenüberliegende Ringmagnet 3 - erzeugen ein möglichst homogenes Magnetfeld im Bereich des flexiblen Elements 5, das die Spule 6 trägt. Die magnetischen Feldlinien verlaufen radial zwischen dem Inneren und dem äußeren ferromagnetischen Ring 4. Die Kugel 9 liegt am Ventilsitz 8 an und schließt diesen, ob durch Eigensteifigkeit des Materials, Formfederkraft und/oder durch elektromagnetisch erzeugte Kraft. Lässt man durch die (eine oder beide) Spule(n) 6 einen Strom fließen, bewegen sich Elektronen im Wesentlichen in Umfangsrichtung durch die Spule 6. Da die Bewegungsrichtung der Elektronen senkrecht zu den magnetischen Feldlinien verläuft, ist die Lorenzkraft (senkrecht zu beiden) besonders hoch. Die Lorenzkraft wirkt auf die Spule 6 und drückt diese - zusammen mit der Kugel 9 -je nach Stromrichtung nach oben oder nach unten, also in Schließ- oder Öffnungsrichtung des Ventils. Übersteigt die Summe dieser Kraft und der Kraft, die durch den an Anschluss 10 anliegenden Druck am Dichtkörper entsteht, die Haltekraft, öffnet sich das Ventil.The ring magnet 2 - And if available, the opposite ring magnet 3 - Create a homogeneous magnetic field in the region of the flexible element 5 that the coil 6 wearing. The magnetic field lines run radially between the Inside and the outer ferromagnetic ring 4 , The ball 9 lies at the valve seat 8th and closes this, whether by inherent rigidity of the material, spring force and / or by electromagnetically generated force. Leaving through the (one or both) coil (s) 6 flowing a current, electrons move substantially circumferentially through the coil 6 , Since the direction of motion of the electrons is perpendicular to the magnetic field lines, the Lorenz force (perpendicular to both) is particularly high. The Lorenzkraft acts on the coil 6 and pushes them - along with the ball 9 Depending on the direction of flow up or down, ie in the closing or opening direction of the valve. Exceeds the sum of this force and the force that is due to the connection 10 applied pressure on the sealing body arises, the holding force, the valve opens.

In einer Anwendung als pneumatisches Druckbegrenzungsventil (DBV) liegt die den Dichtkörper bildende Kugel 9 im Ventilsitz 8 und blockiert die am Fluideingang 10 anstehende Druckluft. Durch einen voreingestellten Strom in der Planarspule 6 sowie die am Außendurchmesser befindliche biegeweiche Aufhängung wird die Kugel 9 von unten belastet. Der zu begrenzende Istdruck am Fluideingang 10 wird in der nach oben zeigenden Bohrung aufgeprägt, erzeugt eine nach unten wirkende Kraft auf die Kugel 9 und wird folglich in Abhängigkeit des fließenden Stromes in der Spule 6 auf einen Maximalwert begrenzt. Es herrscht ein Kräftegleichgewicht. Steigt der Pneumatikdruck höher und überschreitet die eingestellte Vorspannung (Summe aus Formfederkraft und Lorenzkraft der Spule 6), wird die Kugel 9 nach unten gedrückt und die Luft entweicht in den im symmetrischen Gehäuse 1 unterseitig angeordneten Fluidausgang 11.In an application as a pneumatic pressure relief valve (DBV) is the ball forming the sealing body 9 in the valve seat 8th and blocks those at the fluid inlet 10 pending compressed air. By a preset current in the planar coil 6 as well as the outer diameter flexible bend suspension is the ball 9 loaded from below. The actual pressure to be limited at the fluid inlet 10 imprinted in the upwardly facing bore creates a downward force on the ball 9 and thus becomes dependent on the current flowing in the coil 6 limited to a maximum value. There is a balance of power. If the pneumatic pressure rises higher and exceeds the preset preload (sum of spring force and Lorenzkraft of the coil 6 ), the ball becomes 9 pressed down and the air escapes into the symmetrical housing 1 bottom side fluid outlet 11 ,

2 zeigt einen Schnitt durch das Ventil der 1. Deutlich zu erkennen ist, dass in dieser Ausführung zwei baugleiche radial magnetisierte Ringmagnete 2,3 vorgesehen sind, die in gewissem Abstand zueinander koaxial angeordnet sind und jeweils innere ferromagnetische Ringe 4 umschließen und von äußeren ferromagnetischen Ringen 4 umschlossen sind. Sie erzeugen im Bereich zwischen sich ein radial magnetisiertes Magnetfeld, was zu einer stromproportionalen Magnetkraft führt. Genau in diesem Bereich - mittig zwischen den Magneten 2 und 3 - sind das flexible Element 5 und die Spule 6 angeordnet. 2 shows a section through the valve of 1 , It can be clearly seen that in this embodiment two identical radially magnetized ring magnets 2 . 3 are provided, which are arranged coaxially at a certain distance from each other and each inner ferromagnetic rings 4 enclose and outer ferromagnetic rings 4 are enclosed. They generate in the area between them a radially magnetized magnetic field, which leads to a current-proportional magnetic force. Exactly in this area - in the middle between the magnets 2 and 3 - are the flexible element 5 and the coil 6 arranged.

3 zeigt eine Ausführung eines flexiblen Elements 5, wie es in den Druckventilen der 1 und 2 eingesetzt werden kann. Gut zu erkennen sind die Spule 6 und die Kontaktierung 7, Die Spule 6 ist als Planarspule ausgebildet. Ihre Windungen verlaufen in Spiralform im Wesentlichen in Umfangsrichtung, so dass die Lorenzkraft besonders effektiv auf sich bewegende Elektronen wirken kann. Zu erkennen sind in dieser Ausführung der breite Rand zum Einspannen des flexiblen Elements 5 und die kreissegmentförmigen Durchbrechungen 13, die die Flexibilität des Elements 5 erhöhen. Im Zentrum der Spule 6 befindet sich eine Durchkontaktierung auf die Unterseite des flexiblen Elements 5, auf der eine identische Spulenanordnung existiert, sodass der Stromfluss dort wieder nach außen geführt wird und die Kontaktierung 7 beidseitig existiert. Die Stromrichtungen der oberen und unteren Spule 6 werden derart gewählt, dass sich die Lorenzkräfte auf die fließenden Elektronen addieren und folglich die nutzbare Kraft steigt. Hierzu wird beidseitig das gleiche Leiterbahnenmuster aufgebracht. 3 shows an embodiment of a flexible element 5 as it is in the pressure valves of the 1 and 2 can be used. Good to see are the coil 6 and the contact 7 , The sink 6 is designed as a planar coil. Their windings run in a spiral shape substantially in the circumferential direction, so that the Lorentz force can act particularly effective on moving electrons. Evident are in this embodiment, the wide edge for clamping the flexible element 5 and the circular segment-shaped openings 13 that the flexibility of the element 5 increase. In the center of the coil 6 there is a via on the underside of the flexible element 5 , on which an identical coil arrangement exists, so that the current flow is out there again to the outside and the contact 7 exists on both sides. The current directions of the upper and lower coil 6 are chosen such that the Lorenz forces add to the flowing electrons and thus increases the usable power. For this purpose, the same conductor pattern is applied on both sides.

4 zeigt eine weitere Ausführung eines erfindungsgemäßen Druckventils im Schnitt. Die meisten Bauteile entsprechen der Ausführung der 1 und tragen die gleichen Bezugszeichen. Zusätzlich sind hier die beiden äußeren Kaskadierungsmagnete 12 vorgesehen, die ebenfalls als Ringmagnete ausgebildet sind und die die Ringmagnete 2 und 3 umschließen. Zur Verstärkung der Leistung sind hier die ferromagnetischen Ringe 14 vorgesehen, die zusammen mit den ferromagnetischen Ringen 4 das Magnetfeld im Bereich des flexiblen Elements 5 bündeln. Das flexible Element 5 ist in dieser Ausführung größer dimensioniert, trägt eine oder mehrere größere Spulen 6 und hat eine größere Leistung (Kraft, Hub). Die Ringmagnete 2 und 12 können in die gleiche Richtung magnetisiert sein. In dieser Ausführung sind sie entgegengesetzt magnetisiert (Pfeile). Entsprechend verlaufen auch die Windungen der Spule 6 in den Bereichen innerhalb der Kaskadierungsmagnete 12 in Gegenrichtung zu den Windungen innerhalb der inneren Ringmagnete 2 und 3. Die Lorenzkräfte und die Hübe sollen sich ja addieren und sich nicht aufheben. 4 shows a further embodiment of a pressure valve according to the invention in section. Most components correspond to the design of the 1 and bear the same reference numerals. In addition, here are the two outer cascading magnets 12 provided, which are also designed as ring magnets and the ring magnets 2 and 3 enclose. To enhance the performance here are the ferromagnetic rings 14 provided along with the ferromagnetic rings 4 the magnetic field in the area of the flexible element 5 bundle up. The flexible element 5 is larger in this embodiment, carries one or more larger coils 6 and has a greater power (force, stroke). The ring magnets 2 and 12 can be magnetized in the same direction. In this version, they are oppositely magnetized (arrows). Accordingly, the turns of the coil run 6 in the areas within the cascading magnets 12 in the opposite direction to the turns within the inner ring magnets 2 and 3 , The Lorenzkräfte and the strokes should add up and not pick up.

5 zeigt ein flexibles Element 5, wie es in der Ausführung der 4 verwendet werden kann. Gut zu erkennen ist, dass die Spule 6 im Innenbereich entgegen der Windungsrichtung im Außenbereich läuft. Dies deshalb, weil dort das statische Magnetfeld in Gegenrichtung verläuft. Die Kontaktierung 7 und die Durchbrechungen 13 entsprechen den vorher beschriebenen. 5 shows a flexible element 5 as it is in the execution of 4 can be used. Good to see is that the coil 6 in the interior, contrary to the winding direction in the outdoor area runs. This is because there the static magnetic field runs in the opposite direction. The contact 7 and the breakthroughs 13 correspond to those previously described.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Gehäusecasing
22: Ringmagnetring magnet
33: Ringmagnetring magnet
44: Ferromagnetischer RingFerromagnetic ring
55: Flexibles ElementFlexible element
66: SpuleKitchen sink
77: Kontaktierungcontact
88th: Ventilsitzvalve seat
9 9: KugelBullet
1010: Fluideingangfluid inlet
1111: Fluidausgangfluid outlet
1212: KaskadierungsmagnetKaskadierungsmagnet
1313: Durchbrechungperforation
1414: Ferromagnetischer RingFerromagnetic ring

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 4422972 A [0003, 0007]

Claims

Valve with at least one ring magnet (2,3), a flexible element (5) with at least one coil (6) and a valve seat (8) between the fluid inlet (10) and fluid outlet (11), characterized in that a central, central valve seat (8) it is provided that the one or more coil (s) (6) is / are integrated in the flexible element (5) and that a sealing body is arranged in the middle of the flexible element (5).

Valve according to claim 1, characterized in that the sealing body is a ball (9).

Valve after Claim 1 or 2 , characterized by two ferromagnetic rings (4), which are cylindrical or conical, wherein one inside the ring magnet (2,3) is arranged and the second comprises the ring magnet (2,3).

Valve according to one of the preceding claims, characterized by a second ring magnet (3) which is arranged coaxially with the first and on the other side of the flexible element (5).

Valve according to one of the preceding claims, characterized by a second coil (6) on the opposite side of the flexible element (5).

Valve according to one of the preceding claims, characterized in that in addition a Kaskadierungsmagnet (12) or more Kaskadierungsmagnete (12) are provided.

Valve according to one of the preceding claims, characterized in that the flexible element (5) has a flexurally soft suspension in its outer region.

Valve after Claim 7 , characterized by openings (13) in the outer region of the flexible element (5).

Valve according to one of the preceding claims, characterized by a magnetic field as homogeneous as possible in the region of the coil (6).

Valve according to one of the preceding claims, characterized in that the coil (6) is formed spirally.

Valve according to one of the preceding claims, characterized in that the flexible element (5) is not or only slightly ferromagnetic.

Valve according to one of the preceding claims, characterized in that the valve fulfills a fluid mechanical pressure control function.