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Die Erfindung betrifft eine Ventilbaugruppe.
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Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, Ventilbaugruppen mit Sensoren auszustatten, die beispielsweise Drücke, Temperaturen, Kräfte, Arbeitsspiele, Wegstrecken, Fluideigenschaften, Durchfluss und/oder Dehnungen erfassen.
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Solche Sensoren müssen mit einer zugeordneten Steuereinheit signaltechnisch verbunden werden, wobei die Sensoren einer Ventilbaugruppe meist mit einer in der Ventilbaugruppe vorhandenen Steuereinheit verbunden werden. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von der Kontaktierung der Sensoren.
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Dabei ist die Kontaktierung der Sensoren vergleichsweise einfach, solange die Sensoren innerhalb der Steuereinheit oder zumindest in deren Nähe angeordnet sind.
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Bei Sensoren, die von der Steuereinheit entfernt platziert werden, wird in den meisten Anwendungen von Ventilbaugruppen angestrebt, keine Kabel in einem Außenbereich der Ventilbaugruppe zu führen, da so die Ventilbaugruppe schlecht reinigbar ist und die Kabel gegenüber mechanischer Belastung anfällig sind. Die Gefahr, dass im Außenbereich angeordnete Kabel im Betrieb der Ventilbaugruppe beschädigt werden, ist daher vergleichsweise hoch.
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Diesen Anforderungen steht aus messtechnischer Sicht der Wunsch gegenüber, die Sensoren stets in demjenigen Bereich anzubringen, dessen Kennwerte erfasst werden sollen. Ein Drucksensor soll also möglichst innerhalb desjenigen Bereichs angebracht werden, dessen Druck er aufnehmen soll. Gleiches gilt für einen Temperatursensor. Ein Wegsensor hingegen soll möglichst am oder nahe am zugeordneten bewegten Element platziert werden.
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Die Kontaktierung oder Verbindung der Sensoren mit der zugeordneten Steuereinheit steht also in einem Zielkonflikt mit der Platzierung der Sensoren im Sinne einer genauen Erfassung der Sensorwerte.
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Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Ventilbaugruppe anzugeben.
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Die Aufgabe wird durch eine Ventilbaugruppe der eingangs genannten Art gelöst, die eine drahtlose Energieübertragungseinheit aufweist, welche zumindest eine Energiesendeeinheit und zumindest eine Energieempfängereinheit umfasst, wobei die Energieempfängereinheit an einem Ventilkolben, an einer Ventilspindel, an einem Ventilantriebsgehäuse, einem Ventilgehäuse oder an einem Ventilschließelement angeordnet ist. Die Energieempfängereinheit ist somit an denjenigen Stellen oder Elementen angeordnet, an denen es aus messtechnischer Sicht sinnvoll ist, Sensoren anzuordnen. Die Energieempfängereinheit ist vorzugsweise in die vorgenannten Elemente integriert. Das bedeutet, dass die Energieempfängereinheit zumindest derart mit den vorgenannten Elementen verbunden ist, dass sie im Wesentlichen bündig mit deren Oberfläche abschließt. Dabei ist insbesondere darauf zu achten, dass die die Energieempfängereinheit tragenden Elemente durch die Energieempfängereinheit nicht in ihrer Funktion gestört werden. Unter anderem darf in diesem Zusammenhang die Energieempfängereinheit Fluidleitungen oder Fluidräume der Ventilbaugruppe nicht beeinträchtigen. Allgemein gesprochen wird so eine Möglichkeit bereitgestellt, diejenigen Stellen, die aus messtechnischer Sicht sinnvollerweise mit Sensoren ausgestattet werden, mit Energie zu versorgen. Man spricht dabei auch von passiver Energieversorgung. Dabei kann auf Kabel verzichtet werden. Dadurch wird der vorgenannte Zielkonflikt zwischen der Kontaktierung und der Anordnung von Sensoren gelöst oder zumindest in seiner Ausprägung verringert.
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Die Ventilbaugruppe kann eine pneumatische Ventilantriebseinheit umfassen. Solche Ventilantriebseinheiten haben sich im Stand der Technik bewährt und arbeiten zuverlässig und langlebig. Durch die Pneumatik, die in der Regel Pneumatikzylinder und zugeordnete Kolben mit sich bringt, sind insbesondere Drucksensoren und Wegsensoren, die die Position des Kolbens erfassen, von Bedeutung.
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Ferner kann die Ventilbaugruppe eine Membranventilbaugruppe und das Ventilschließelement eine Ventilmembran sein. Membranventilbaugruppen sind insbesondere aus Anwendungen mit hygienetechnisch sensiblen Fluiden bekannt und haben sich in diesem Bereich bewährt. In dieser Ausführungsform ist die Energieempfängereinheit in der Ventilmembran angeordnet und dabei bevorzugt flexibel gestaltet, sodass sie zusammen mit der Ventilmembran elastisch verformt werden kann. Es lässt sich also auf einfache Weise die Ventilmembran mit Energie versorgen, sodass es möglich wird, innerhalb der Ventilmembran beispielsweise Sensoren anzubringen.
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Bevorzugt ist die Energieempfängereinheit elektrisch leitend mit einer Sensoreinheit oder einer Aktoreinheit verbunden. Wie bereits beschrieben, ist die Sensoreinheit insbesondere dazu ausgebildet, Druck, Temperatur, Kraft, Arbeitsspiele der Ventilbaugruppe, Wegstrecken, Fluideigenschaften, Durchflüsse und/oder Dehnungen zu erfassen. Die Sensoreinheit oder die Aktoreinheit wird also von der Energieempfängereinheit drahtlos mit Energie versorgt. Der oben hinsichtlich der Sensoreinheiten beschriebene Zielkonflikt ist somit aufgehoben, da die Randbedingungen bezüglich der Kontaktierung der Sensoreinheit oder der Verbindung der Sensoreinheit mit der Steuereinheit entfallen. Die Sensoren können somit genau an denjenigen Stellen platziert werden, an denen die zugehörigen Sensorwerte am besten erfasst werden können. Für die Aktoreinheiten gilt das gleiche.
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Zudem ist in einer Ausführungsform die Energiesendeeinheit an oder in einer Ventilsteuereinheit oder in einem Außenbereich des Ventilantriebsgehäuses angeordnet, insbesondere wobei die Energiesendeeinheit elektrisch leitend mit einer Ventilsteuereinheit verbunden ist. Die Energiesendeeinheit muss mit einer Energiequelle verbunden sein. Wenn dies über die Ventilsteuereinheit geschieht, kann die Energiesendeeinheit gleichzeitig über die Ventilsteuereinheit gesteuert werden. Der resultierende Aufbau der Ventilbaugruppe ist somit einfach.
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Dabei kann die Energieempfängereinheit der Energiesendeeinheit gegenüberliegend in einem Innenbereich des Ventilantriebsgehäuses angeordnet sein. Mit anderen Worten liegen die Energieempfängereinheit und die Energiesendeeinheit also auf zwei entgegengesetzten Seiten einer Ventilantriebsgehäusewand. Die drahtlose Energieübertragung findet folglich durch die Ventilantriebsgehäusewand statt. Durch die gegenüberliegende Anordnung ergibt sich ein hoher Wirkungsgrad bei der Energieübertragung. Nachdem Ventilantriebsgehäusewände üblicherweise nur einige Millimeter dick sind, ist die Energieübertragungsstrecke dabei vergleichsweise kurz. Damit wird es möglich, auch durch Ventilantriebsgehäuse, die aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt sind, z. B. aus einem Metall, drahtlos Energie zu übertragen. Somit lassen sich auf einfache Weise Sensoreinheiten und/oder Aktoreinheiten innerhalb eines Ventilantriebsgehäuses mit Energie versorgen.
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In einer Variante umfasst die Ventilbaugruppe eine Ventilbetätigungsachse, entlang der die Ventilbaugruppe betätigbar ist, wobei alle Energiesendeeinheiten und alle Energieempfängereinheiten zumindest paarweise entlang einer Energieübertragungsachse angeordnet sind, die vorzugsweise parallel versetzt zur Ventilbetätigungsachse verläuft oder mit dieser deckungsgleich ist. Die Ventilbetätigungsachse entspricht dabei beispielsweise einer Mittelachse einer Ventilspindel. Durch die Anordnung der Energiesendeeinheiten und der Energieempfängereinheiten entlang einer Energieübertragungsachse, stehen sich einander zugeordnete Energiesendeeinheiten und Energieempfängereinheiten flächig derart gegenüber, dass sie sich entlang der Energieübertragungsachse betrachtet möglichst großteilig überdecken. Damit ist eine effiziente und zuverlässige Energieübertragung gewährleistet. Zusätzlich wird durch die parallele oder deckungsgleich Anordnung der Energieempfängereinheit sowie der Energiesendeeinheit eine platzsparende Anordnung derselben innerhalb der Ventilbaugruppe erreicht.
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Insbesondere ist die Energieübertragungsachse deckungsgleich mit der Ventilbetätigungsachse und die Energieempfängereinheiten und die Energiesendeeinheiten weisen einen Außendurchmesser auf, der im Wesentlichen 50% bis 100% eines Außendurchmessers des Ventilantriebsgehäuses entspricht. Die Energieempfängereinheit und die Energiesendeeinheit sind somit konzentrisch zur Ventilbetätigungsachse angeordnet. Damit lässt sich innerhalb des durch die Ventilbaugruppe vorgegebenen Bauraums ein Außendurchmesser der Energiesendeeinheit sowie ein Außendurchmesser der Energieempfängereinheit vergleichsweise groß wählen. Dabei nimmt bei großen Außendurchmessern tendenziell die Feldstärke der Energiesendeeinheit und die Empfindlichkeit der Energieempfängereinheit zu.
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Es sind also im Sinne einer zuverlässigen drahtlosen Energieversorgung die Durchmesser der Energieempfängereinheit sowie der Energiesendeeinheit so groß wie möglich zu wählen. Dies ist hier umgesetzt, sodass eine zuverlässige und leistungsfähige Energieversorgung der Energieempfängereinheit gewährleistet ist.
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In diesem Zusammenhang steigt das Risiko, dass bei größeren Energiesendeeinheiten oder Energieempfängereinheiten elektrisch leitfähige Bauteile zwischen diesen oder in deren Umgebung liegen und einen negativen Effekt auf die drahtlose Energieübertragung haben. Allerdings übersteigt der aus der steigenden Feldstärke resultierende Effekt diese Auswirkungen, sodass größeren Energiesendeeinheiten und größere Energieempfängereinheiten insgesamt zu einer verbesserten Energieübertragung führen.
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In einer alternativen Ausführungsform ist die Energieübertragungsachse parallel versetzt zur Ventilbetätigungsachse und die Energieempfängereinheiten und die Energiesendeeinheiten weisen einen Außendurchmesser auf, der im Wesentlichen 10% bis 50% eines Außendurchmessers des Ventilantriebsgehäuses entspricht. Auch in diesem Zusammenhang gilt es, den Außendurchmesser der Energieempfängereinheit und der Energiesendeeinheit möglichst groß zu wählen. Damit ist auch im Falle einer parallel versetzten Energieübertragungsachse eine zuverlässige drahtlose Energieversorgung gewährleistet.
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Die erfindungsgemäße Ventilbaugruppe kann Bauteile aus elektrisch leitfähigem Material, insbesondere aus Metall umfassen. Bevorzugt sind dabei eine in der Ventilbaugruppe vorgesehene Spiralfeder und/oder eine Ventilspindel aus Metall hergestellt. Auch ein Ventilgehäuse und/oder ein Ventilantriebsgehäuse können zumindest abschnittsweise aus Metall hergestellt sein. Somit liegen im Bereich der Energiesendeeinheit und/oder im Bereich der Energieempfängereinheit elektrisch leitfähige Materialien vor. Insbesondere liegen die elektrisch leitfähigen Materialien zwischen der Energiesendeeinheit und einer dieser zugeordneten Energieempfängereinheit. Die drahtlose Energieübertragungseinheit ist jedoch derart abgestimmt, dass sie auch unter dem Einfluss der elektrisch leitfähigen Materialien zuverlässig funktioniert. Der in der Regel negativ auf drahtlose Energieübertragungseinheiten wirkende Effekt elektrisch leitfähiger Materialien kann also in einer erfindungsgemäßen Energieübertragungseinheit überwunden werden.
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Die Ventilbaugruppe kann auch zwei Energiesendeeinheiten umfassen, wobei eine zugeordnete Energieempfängereinheit zwischen den Energiesendeeinheiten angeordnet ist. Anders gesagt wird die Energieempfängereinheit von zwei entgegengesetzten Seiten durch Energiesendeeinheiten drahtlos mit Energie versorgt. Die Energieversorgung ist dadurch besonders leistungsfähig. Es können in diesem Zusammenhang die Energiesendeeinheiten Sendespulen umfassen, die gleichsinnig von Strom durchflossen werden. Dies ist eine vorteilhafte Anordnung, über die sich drahtlos besonders große Energiebedarfe decken lassen.
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Insbesondere sind die beiden Sendespulen als sogenannte Helmholtz-Anordnung arrangiert. Dabei sind die beiden Spulendurchmesser gleich und der Abstand zwischen den beiden Sendespulen entspricht dem Spulendurchmesser.
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In einer Ausführungsform umfasst die Energiesendeeinheit eine Energiesendespule mit 3 bis 200 Spulenwindungen, insbesondere mit 20 bis 100 Spulenwindungen. Es hat sich herausgestellt, dass diese Anzahl an Spulenwindungen im Zusammenhang mit Ventilbaugruppen besonders vorteilhaft ist. Dies ist insbesondere vor dem Hintergrund der Fall, dass innerhalb einer Ventilbaugruppe in der Regel metallische Bauteile vorliegen, die eine drahtlose Energieübertragung durch in diesen generierte Wirbelströme erschweren. Es ist somit trotz dieser negativen Einflüsse eine zuverlässige drahtlose Energieübertragung möglich.
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Bevorzugt ist dabei eine in einer Ventilantriebseinheit vorhandene Spiralfeder die Energiesendespule oder ein Teil derselben. Die Spiralfeder hat also zwei Funktionen. Einerseits wirkt sie bei der drahtlosen Energieübertragung mit. Andererseits übernimmt sie weiterhin die mechanische Funktion innerhalb der Ventilantriebseinheit und belastet in diesem Zusammenhang bevorzugt ein bewegtes Ventilantriebsteil. Durch diese Funktionsintegration ist der Aufbau der Ventilbaugruppe besonders einfach und durch die somit entfallenden Teile auch leicht im Gewicht.
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Die Energieempfängereinheit kann eine Energieempfängerspule mit 100 bis 3000 Spulenwindungen umfassen, insbesondere mit 500 bis 2000 Spulenwindungen. Wie bei der Energiesendespule hat sich herausgestellt, dass diese Anzahl an Spulenwindungen im Zusammenhang mit Ventilbaugruppen vorteilhaft ist. Dies ist insbesondere vor dem Hintergrund der Fall, dass innerhalb einer Ventilbaugruppe in der Regel metallische Bauteile vorliegen, die eine drahtlose Energieübertragung durch in diesen generierte Wirbelströme erschweren. Es ist somit trotz dieser negativen Einflüsse eine zuverlässige drahtlose Energieübertragung möglich.
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Bevorzugt sind bzw. ist die Energiesendespule und/oder die Energieempfängerspule mit einem Kern ausgestattet, der einteilig und aus ferromagnetischem Material ist. Alternativ können geblechte Kerne verwendet werden, die elektrisch gegeneinander isolierte Kernsegmente umfassen, wodurch Wirbelströme im Kern vermieden werden. Dadurch wird die Leistungsfähigkeit der Energiesendespule und/oder der Energieempfängerspule bei der drahtlosen Energieübertragung verbessert.
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Die Energiesendespule und/oder die Energieempfängerspule können bzw. kann gedruckt, geätzt oder gewickelt sein. Auch Mischformen sind möglich. Damit können bzw. kann die Energiesendespule und/oder die Energieempfängerspule einfach und kostengünstig hergestellt werden.
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Zudem können bzw. kann die Energiesendespule und/oder die Energieempfängerspule mechanisch durch eine Abdeckung oder Ähnliches vor negativen Umwelteinflüssen geschützt sein.
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In einer Gestaltungsalternative umfassen bzw. umfasst die Energiesendeeinheit und/oder die Energieempfängereinheit jeweils eine elektromagnetische Schirmeinheit, insbesondere wobei die elektromagnetische Schirmeinheit der Energiesendeeinheit auf einer der Energieempfängereinheit abgewandten Seite der Energiesendeeinheit angeordnet ist und/oder die elektromagnetische Schirmeinheit der Energieempfängereinheit auf einer der Energiesendeeinheit abgewandten Seite der Energieempfängereinheit angeordnet ist. Die Schirmeinheiten wirken in zwei Richtungen. Einerseits wird so verhindert, dass elektromagnetische Wellen ausgehend von der Ventilbaugruppe unkontrolliert in eine Umgebung gelangen, wo sie beispielsweise andere elektrische Geräte stören können. Gleichzeitig wird jedoch auch die Ventilbaugruppe, genauer gesagt die drahtlose Energieübertragungseinheit, mittels der Schirmeinheit vor dem Einfluss elektromagnetischer Wellen, die von der Umgebung ausgehen, geschützt. Dadurch funktionieren die Ventilbaugruppe und insbesondere die drahtlose Energieübertragungseinheit auch in Umgebungen zuverlässig, in denen elektromagnetische Wellen vorliegen.
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Bevorzugt ist ein Kern der Energiesendespule zusammen mit einer der Energiesendeeinheit zugeordneten Schirmeinheit als eine Baugruppe ausgeführt. Gleiches gilt für die Energieempfängerspule, deren Kern bevorzugt zusammen mit einer Schirmeinheit der Energieempfängereinheit als eine Baugruppe ausgeführt ist. Dadurch lassen sich die Schirmeinheiten und/oder Kerne besonders einfach und kostengünstig herstellen.
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Eine Übertragungsfrequenz der drahtlosen Energieversorgungseinheit beträgt vorzugsweise 5 kHz bis 200 kHz, insbesondere 10 kHz bis 120 kHz, oder 5 MHz bis 25 MHz beträgt, insbesondere 10 MHz bis 15 MHz. Dabei wird bevorzugt die Übertragungsfrequenz für kurze Übertragungsstrecken höher gewählt als für lange Übertragungsstrecken. Anders gesagt: Je größer die Übertragungsstrecke, umso geringer die Frequenz. Es lassen sich so mittels der drahtlosen Energieübertragungseinheit Übertragungsstrecken in einem Bereich von einigen Millimetern bis zu wenigen Dezimetern bedienen. Dadurch ist eine zuverlässige drahtlose Energieversorgung innerhalb einer Ventilbaugruppe sichergestellt.
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Insbesondere kann die Übertragungsfrequenz zu 13,56 MHz gewählt werden. Diese Übertragungsfrequenz entspricht der HF-RFID-Frequenz, die im industriellen Umfeld vielfältig genutzt wird.
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Eine drahtlose Energieübertragungseinheit kann auch auf zwei oder mehr Übertragungsfrequenzen arbeiten. Dadurch könne Sensoreinheiten oder Aktoreinheiten drahtlos mit Energie versorgt werden, die auf jeweils unterschiedliche Energieübertragungsfrequenzen abgestimmt sind. Somit wird es möglich, selektiv einzelne Sensoreinheiten oder Aktoreinheiten drahtlos mit Energie zu versorgen.
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Auch kann die Energieübertragungseinheit auf unterschiedlichen Übertragungsfrequenzen arbeiten, um unterschiedlich weit von der Energiesendeeinheit entfernte Energieempfängereinheiten mit Energie zu versorgen. Sollen Energieempfängereinheiten versorgt werden, die relativ nahe an der Energiesendeeinheit liegen, wird die Übertragungsfrequenz tendenziell hoch gewählt. Für weiter entfernte Energieempfängereinheiten wird die Übertragungsfrequenz niedrig gewählt. Somit lässt sich eine sichere und zuverlässige Energieversorgung unterschiedlich weit von der Energiesendeeinheit entfernter Energieempfängereinheiten gewährleisten.
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Vorteilhafterweise sind die Energiesendeeinheit und die Energieempfängereinheit induktiv gekoppelt, insbesondere resonant induktiv gekoppelt. Über eine induktive Kopplung lässt sich eine zuverlässige drahtlose Energieversorgung realisieren. Bei der resonant induktiven Kopplung werden im Stromkreis der Energiesendeeinheit, genauer der Energiesendespule, und im Stromkreis der Energieempfängereinheit, genauer der Energieempfängerspule, je ein Kondensator vorgesehen. Der Kondensator kann dabei parallel oder seriell zur zugehörigen Spule geschaltet werden. Vorteilhafterweise ist der Kondensator an der Energiesendespule mit dieser in Serie geschaltet und der Kondensator an der Energieempfängerspule parallel zu dieser. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von einer seriell-parallel-Schaltung. Selbstverständlich sind auch parallelparallel-Schaltungen, parallel-seriell-Schaltungen oder seriell-seriell-Schaltungen möglich. Insgesamt ergibt sich durch die resonant induktive Kopplung eine verbesserte drahtlose Energieübertragung.
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Auch können die Energiesendeeinheit und die Energieempfängereinheit über einen Zwischenschwingkreis gekoppelt sein. Alternativ wird ein solcher Zwischenschwingkreis als Resonanzkreis bezeichnet. Es ist also zwischen der Energiesendeeinheit und der Energieempfängereinheit ein elektrischer Schwingkreis angeordnet, der lediglich drahtlos mit der Energiesendeeinheit und der Energieempfängereinheit gekoppelt ist. Der Zwischenschwingkreis umfasst dabei eine Spule und einen parallel zur Spule geschalteten Kondensator. Die Resonanzfrequenz des Zwischenschwingkreises ist dabei vorzugsweise auf die Übertragungsfrequenz der Sendespule abgestimmt. Über einen solchen Zwischenschwingkreis lässt sich die drahtlose Energieübertragung verbessern. Insbesondere ist dies bei weiten Energieübertragungsstrecken der Fall.
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Dabei kann eine in einer Ventilantriebseinheit vorhandene Spiralfeder eine Spule des Zwischenschwingkreises oder Teil derselben sein. Die Spiralfeder wirkt also zusätzlich zu ihrer mechanischen Funktion auch als Teil der drahtlosen Energieübertragungseinheit. Der zugehörige Ventilbaugruppe mit Zwischenschwingkreis kann also aus vergleichsweise wenigen Bauteilen aufgebaut werden.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Energieempfängereinheit mit einer Datensendeeinheit zu deren Energieversorgung verbunden ist. Die Datensendeeinheit wird also von der Energieempfängereinheit mit Energie versorgt, sodass die Datensendeeinheit ihre Sendefunktion ausführen kann. Insbesondere in Kombination mit einer von der Energieempfängereinheit mit Energie versorgten Sensoreinheit können so innerhalb einer Baugruppe Sensorwerte erfasst werden und diese drahtlos beispielsweise an eine Steuereinheit weitergeleitet werden. Die Datenübertragung kann beispielsweise mithilfe des Bluetooth-Standards oder des RFID-Standards erfolgen.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand verschiedener Ausführungsbeispiele erläutert, die in den beigefügten Zeichnungen gezeigt sind. Es zeigen:
- - 1 eine erfindungsgemäße Ventilbaugruppe gemäß einer ersten Ausführungsform,
- - 2 eine erfindungsgemäße Ventilbaugruppe gemäß einer zweiten Ausführungsform,
- - 3 eine erfindungsgemäße Ventilbaugruppe gemäß einer dritten Ausführungsform,
- - 4 eine erfindungsgemäße Ventilbaugruppe gemäß einer vierten Ausführungsform und
- - 5 eine drahtlose Energieübertragungseinheit der erfindungsgemäßen Ventilbaugruppen aus den vorhergehenden Figuren in einer Prinzipdarstellung.
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1 zeigt eine Ventilbaugruppe 10 mit einer Ventilspindel 12, die mit einem Ventilschließelement 14 verbunden ist. Die Ventilspindel 12 wird über einen Ventilkolben 16 angetrieben, der einen Fluidkanal 15 in einem Ventilgehäuse 17 schließen oder öffnen kann.
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Die Elemente der Ventilbaugruppe 10 sind in einem Ventilantriebsgehäuse 18 angeordnet, das in der dargestellten Ausführungsform mehrteilig ist und die Ventilantriebsgehäuseteile 18a bis 18d umfasst.
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Zudem ist die dargestellte Ventilbaugruppe 10 eine Membranventilbaugruppe. Daher ist das Ventilschließelement 14 eine Ventilmembran.
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Auch umfasst die Ventilbaugruppe 10 eine pneumatische Ventilantriebseinheit 20. Der Ventilkolben 16 ist also ein pneumatischer Ventilkolben 16.
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Dieser ist mittels einer Spiralfeder 22 federbelastet.
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Die Ventilbaugruppe 10 umfasst ferner eine drahtlose Energieübertragungseinheit 24, die in der Ausführungsform gemäß 1 eine einzige Energiesendeeinheit 26 und fünf Energieempfängereinheiten 28a, 28b, 28c, 28d und 28e umfasst.
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Die Energiesendeeinheit 26 ist dabei in einer Ventilsteuereinheit 29 angeordnet und mit dieser elektrisch leitend verbunden.
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Die Energieempfängereinheit 28b ist am Ventilkolben 16 vorgesehen.
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Die Energieempfängereinheit 28e ist vorliegend in das Ventilschließelement 14 integriert. In der dargestellten Ausführungsform ist die Energieempfängereinheit 28e also in die Ventilmembran integriert.
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Die Energieempfängereinheiten 28a, 28c und 28d sind im weitesten Sinne am Ventilantriebsgehäuse 18 angebracht.
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Die Anzahl der Energieempfängereinheiten 28a bis 28e ist nicht einschränkend zu verstehen. Vielmehr wird über die Energieempfängereinheiten 28a bis 28e eine Bandbreite möglicher Anordnungsstellen illustriert. Je nach Ausführungsform können auch nur eine oder mehrere der dargestellten Energieempfängereinheiten 28a bis 28e verwendet werden.
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Die Energieempfängereinheiten 28a bis 28e sind jeweils mit einer Sensoreinheit 30a bis 30e elektrisch leitend verbunden, wobei die Sensoreinheiten 30a bis 30e lediglich schematisch dargestellt sind.
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In einer nicht dargestellten Ausführungsform können die Energieempfängereinheiten 28a bis 28e zusätzlich oder alternativ mit einer Aktoreinheit elektrisch leitend verbunden sein.
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In der Ausführungsform gemäß 1 ist die Ventilbaugruppe 10 entlang einer Ventilbetätigungsachse 32 betätigbar. Entlang dieser Ventilbetätigungsachse 32 ist die Ventilspindel 12 verschiebbar gelagert, sodass über das Ventilschließelement 14 ein Strömungspfad 34 geöffnet oder geschlossen werden kann.
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Zudem sind die Energiesendeeinheit 26 und alle Energieempfängereinheiten 28a bis 28e entlang einer Energieübertragungsachse 36 angeordnet, die in der Ausführungsform gemäß 1 deckungsgleich mit der Ventilbetätigungsachse 32 verläuft.
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Darüber hinaus beträgt ein Außendurchmesser der Energieempfängereinheiten 28a bis 28e und der Energiesendeeinheit 26 im Wesentlichen 50% bis 100 % eines Außendurchmessers des Ventilantriebsgehäuses 18. Vorliegend entsprechen die Außendurchmesser der Energieempfängereinheiten 28a bis 28e circa 80 % bis 90 % des Außendurchmessers des Ventilantriebsgehäuses 18.
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Die Energiesendeeinheit 26 weist einen Außendurchmesser auf, der im Wesentlichen 75 % des Außendurchmessers des Ventilantriebsgehäuses 18 beträgt.
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Die drahtlose Energieübertragungseinheit 24 ist im Detail in 5 zu sehen. Dabei ist exemplarisch lediglich eine einzige Energieempfängereinheit 28 dargestellt, die mit einer einzigen Sensoreinheit 30a elektrisch leitend verbunden ist.
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Die Energiesendeeinheit 26 umfasst dabei eine Energiesendespule 38 und die Energieempfängereinheit 28 eine Energieempfängerspule 40.
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Die Energiesendespule 38 weist 3 bis 200 Spulenwindungen auf.
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Die Energieempfängerspule 40 hat 100 bis 3000 Spulenwindungen.
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Zudem ist zur Energiesendespule 38 ein Kondensator 42 in Reihe geschaltet und zur Energieempfängerspule 40 ein Kondensator 44, wobei dieser parallel zur Energieempfängerspule 40 geschaltet ist.
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Die Energiesendeeinheit 26 und die Energieempfängereinheit 28 sind somit resonant induktiv miteinander gekoppelt.
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Dabei erfolgt die Kopplung nicht direkt, sondern über einen ersten Zwischenschwingkreis 46 und/oder einen zweiten Zwischenschwingkreis 48.
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Beide Zwischenschwingkreise 46, 48 umfassen jeweils eine nicht näher bezeichnete Spule und einen nicht näher bezeichneten Kondensator. Die Zwischenschwingkreise sind hinsichtlich ihrer Resonanzfrequenz auf eine Übertragungsfrequenz der drahtlosen Energieübertragungseinheit 24 abgestimmt und dienen somit der verbesserten Energieübertragung.
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Die Energiesendeeinheit 26 umfasst darüber hinaus eine kombinierte Schirm- und Kerneinheit 50. Diese umfasst also einen Kern für die Energiesendespule 38 und schirmt die Energiesendespule 38 zumindest einseitig gegenüber einer Umgebung ab.
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Auch die Energieempfängereinheit 28 umfasst eine kombinierte Schirm- und Kerneinheit 52, wobei diese einen Kern für die Energieempfängerspule 40 umfasst und dieselbe gegenüber einer Umgebung abschirmt.
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Ferner ist die Energieempfängereinheit 28 mit einer Datensendeeinheit 54 zu deren Energieversorgung verbunden.
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Die Energieempfängereinheit 28 kann dann mittels der Datensendeeinheit 54 beispielsweise einen von der Sensoreinheit 30a erfassten Sensorwert drahtlos kommunizieren.
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Die Energiesendeeinheit 26 ist in diesem Zusammenhang mit einer Datenempfängereinheit 56 gekoppelt, die einen solchen Sensorwert empfangen kann.
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In einer nicht näher dargestellten Alternative ist die Energieempfängereinheit 28 mit zwei Energiesendeeinheiten 26 gekoppelt, wobei die Energieempfängereinheit 28 zwischen den Energiesendeeinheiten 26 angeordnet ist.
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2 zeigt eine alternative Ausführungsform der Ventilbaugruppe 10. Dabei wird lediglich auf die Unterschiede zur Ausführungsform gemäß 1 eingegangen.
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Die Energieübertragungsachse 36 ist nun parallel versetzt zur Ventilbetätigungsachse 32.
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Dabei kommt es nicht darauf an, dass in der 2 die Mittelachsen der einzelnen Energieempfängereinheiten 28a bis 28e und der Energiesendeeinheit 26 leicht versetzt zueinander angeordnet sind. Ebenso wenig ist es von Bedeutung, dass die Mittelachse der Energieempfängereinheit 28d in der abgebildeten Stellung des Ventilschließelements 14, als oder Ventilmembran, zusätzlich gegenüber den übrigen Mittelachsen geneigt ist. Wichtig ist in diesem Zusammenhang lediglich, dass sich die Energieempfängereinheiten 28a bis 28e und die Energiesendeeinheit 26 entlang der Energieübertragungsachse 36 betrachtet im Wesentlichen überdecken. Die Energieempfängereinheit 28e sitzt außerhalb des Ventilantriebsgehäuses 18 im Ventilgehäuse 17, jedoch in der Energieübertragungsachse 36 wie die Energieempfängereinheiten 28a bis 28d.
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Auch sind die Energieempfängereinheiten 28a bis 28e teilweise an anderen Stellen innerhalb der Ventilbaugruppe 10 positioniert. Wie bei der Ausführungsform gemäß 1 handelt es sich dabei jedoch lediglich um Vorschläge zur Positionierung der Energieempfängereinheiten 28a bis 28e.
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Die Energieempfängereinheiten 28a bis 28e sowie die Energiesendeeinheit 26 weisen nun jeweils einen Außendurchmesser auf, der im Wesentlichen 10 % bis 50% des Außendurchmessers des Ventilantriebsgehäuses 18 entspricht. Im dargestellten Beispiel liegen die Außendurchmesser der Energieempfängereinheiten 28a bis 28e und der Energiesendeeinheit 26 im Wesentlichen im Bereich von 20 % bis 30 % des Außendurchmessers des Ventilantriebsgehäuses 18.
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3 zeigt eine zusätzliche Ausführungsform der Ventilbaugruppe 10, wobei wieder nur auf die Unterschiede zu den vorgenannten Ausführungsformen eingegangen wird.
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Die Ausführungsform gemäß 3 umfasst zwei Energiesendeeinheiten 26, die in einem Außenbereich des Ventilantriebsgehäuses 18 angeordnet sind. Dabei können die Energiesendeeinheiten elektrisch leitend mit der Ventilsteuereinheit 29 verbunden sein (nicht dargestellt).
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Jeder der beiden Energiesendeeinheiten 26 ist eine Energieempfängereinheit 28a, 28b zugeordnet, die jeweils gegenüberliegend in einem Innenbereich des Ventilantriebsgehäuses 18 angeordnet ist.
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Es findet also die drahtlose Energieübertragung durch eine Wand des Ventilantriebsgehäuses 18 statt.
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Somit weist die Ausführungsform gemäß 3 zwei drahtlose Energieübertragungseinheiten 24 auf.
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Im Unterschied zu den vorgenannten Ausführungsformen verlaufen nun auch die Energieübertragungsachsen 36 quer zur Ventilbetätigungsachse 32.
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Die Ausführungsform gemäß 4, die wieder nur hinsichtlich ihrer Unterschiede zu den vorgenannten Ausführungsformen erläutert wird, entspricht hinsichtlich der Energieempfängereinheiten 28d und 28e der Ausführungsform gemäß 2.
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Weitere Energieempfängereinheiten 28 sind in der Ausführungsform gemäß 4 nicht dargestellt, können jedoch selbstverständlich vorhanden sein.
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Zudem ist die Energiesendeeinheit 26 anders aufgebaut. Es ist nämlich nun die Spiralfeder 22 die Energiesendespule 38 der Energiesendeeinheit 26.
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Dabei ist die Spiralfeder 22 über einen elektrischen Anschluss 58 mit der Ventilsteuereinheit 29 der Ventilbaugruppe 10 verbunden.
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Damit einhergehend sind die Energiesendeeinheit 26 und die Energieempfängereinheiten 28d, 28e nun nicht mehr auf einer gemeinsamen Energieübertragungsachse 36 angeordnet. Allerdings werden die Energieempfängereinheiten 28d, 28e von der Energiesendeeinheit 26 überdeckt, wenn man die Ventilbaugruppe 10 entlang der Ventilbetätigungsachse 32 betrachtet.
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Die Funktionalität der drahtlosen Energieübertragungseinheit 24 ergibt sich auch für die Ausführungsform gemäß 4 entsprechend 5.
