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Die Erfindung betrifft ein Ventil, insbesondere ein Proportionalventil, mit einem Linearmotor.
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Ventile werden üblicherweise von einem Aktor angetrieben, der mechanisch mit einem Schließkörper gekoppelt ist. Die Abdichtung des Aktors gegenüber dem zu dosierenden Medium erfolgt beispielsweise durch dynamische Spindelabdichtungen oder Trennmembrane. Nachteilig hierbei ist, dass die Spindelabdichtungen immer einer dynamischen Belastung ausgesetzt sind, sodass diese keine ideale Abdichtung erreichen können. Trennmembrane schränken den Stellweg und damit die Regelgenauigkeit sowie den Druckbereich ein. Hubankerventile haben eine Trennung nach außen zur Magnetspule durch eine verschweißte Kernführungsbaugruppe, der Anker befindet sich jedoch innerhalb des Medienbereichs und besteht aus einem bedingt medienbeständigen Material. Eine Trennmembran, die den Anker vom Medium isolieren würde, wäre wieder dynamisch belastet und würde die Regelgenauigkeit verringern.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Ventil bereitzustellen, das für aggressive Medien geeignet ist und gleichzeitig eine hohe Dynamik aufweist. Zudem soll das Ventil für hohe Drücke geeignet sein.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Ventil, insbesondere ein Proportionalventil, mit einem Fluideingang und einem Fluidausgang, einem Gehäuse und einem Linearmotor, der mindestens einen Elektromagneten und einen Läufer mit mindestens einem Permanentmagneten umfasst, wobei der Läufer zum Steuern eines Fluidflusses vom Fluideingang zum Fluidausgang von einer Öffnungsstellung, in welcher der Fluidfluss maximal ist, in eine Schließstellung, in welcher der Fluidfluss blockiert ist, verschiebbar in dem Gehäuse gelagert ist. Der mindestens eine Elektromagnet ist außerhalb des Gehäuses angeordnet und durch das Gehäuse fluidisch von dem Läufer getrennt. In dem Läufer ist ein Verbindungsabschnitt, sozusagen ein Kanal, ausgebildet, der in einer Öffnungsstellung des Läufers den Fluideingang mit dem Fluidausgang strömungsmäßig verbindet.
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Der mindestens eine Elektromagnet ist insbesondere vom Inneren des Gehäuses fluidisch getrennt.
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Aufgrund der Bauweise, genauer gesagt aufgrund der Anordnung des mindestens einen Elektromagneten außerhalb des Gehäuses, in welchem der Läufer untergebracht ist, sind der Ventilantrieb und der Ventilbereich voneinander entkoppelt.
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Das erfindungsgemäße Ventil hat den Vorteil, dass die elektromotorischen Komponenten des Linearmotors, insbesondere der mindestens eine Elektromagnet und die Permanentmagnete, von dem Fluid getrennt sind. Dadurch ist das Ventil besonders medienbeständig.
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Bei dem erfindungsgemäßen Ventil kann auf dynamische Dichtungen und Trennmembrane verzichtet werden, da lediglich der Verbindungsabschnitt des Läufers und ein Teil der Gehäuseinnenwandung mit dem zu dosierenden Fluid in Kontakt kommen. Durch den Verzicht auf dynamische Dichtungen können ein großes Stellverhältnis und eine hohe Ansprechempfindlichkeit erreicht werden. Das Ventil weist somit eine hohe Dynamik auf. Außerdem ist das erfindungsgemäße Ventil für höhere Drücke geeignet als Ventile mit einer Trennmembran.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass das Ventil frei von Toträumen ist.
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Das Gehäuse hat vorzugsweise abgesehen von einem Fluidanschluss für den Fluideingang und den Fluidausgang keine weiteren Öffnungen.
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Der Verbindungsabschnitt ist durch eine Vertiefung im Läufer gebildet. In der Öffnungsstellung des Läufers ist sowohl der Fluideingang als auch der Fluidausgang mit dem Verbindungsabschnitt strömungsverbunden und somit über den Verbindungsabschnitt miteinander strömungsverbunden.
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Der Verbindungsabschnitt ist vorzugsweise an einer von dem mindestens einen Permanentmagneten abgewandten Seite des Läufers ausgebildet. Somit gelangt das zu dosierende Fluid nicht in den Bereich des mindestens einen Permanentmagneten.
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Der Läufer kann einen Einsatz umfassen, der mit einem Grundkörper des Läufers fest gekoppelt ist und in dem der Verbindungsabschnitt ausgebildet ist. Dadurch ist es möglich, den Teil des Läufers, der mit dem zu dosierenden Fluid in Kontakt kommt, aus einem anderen Material auszubilden als den Grundkörper des Läufers, insbesondere aus einem besonders medienbeständigen Material wie beispielsweise Keramik. Dadurch ist das Ventil auch für die Dosierung von besonders aggressiven Fluiden geeignet. Indem nur der Einsatz und nicht auch der Grundkörper des Läufers aus einem medienbeständigen Material gebildet ist, kann der Läufer besonders kostengünstig gefertigt werden.
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Der Einsatz kann formschlüssig in einer Ausnehmung im Grundkörper des Läufers aufgenommen sein. Bei vollständig montiertem Ventil lässt sich der Einsatz insbesondere ohne Verwendung mechanischer Befestigungsmittel im Grundkörper des Läufers halten. Um die Montage zu vereinfachen, kann der Einsatz zusätzlich im Grundkörper verklebt sein.
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Es ist auch denkbar, dass die Ausnehmung im Einsatz vorgesehen ist und der Grundkörper des Läufers in der Ausnehmung des Einsatzes formschlüssig aufgenommen ist.
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Der mindestens eine Permanentmagnet ist beispielsweise auf einer von dem Einsatz abgewandten Seite des Grundkörpers angeordnet. Somit ist der mindestens eine Permanentmagnet durch den Grundkörper des Läufers von dem Einsatz getrennt und damit auch von den medienberührten Bereichen des Läufers isoliert, sodass der mindestens eine Permanentmagnet nicht mit dem zu dosierenden Medium in Kontakt kommt.
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Der Läufer kann mehrere Permanentmagnete umfassen, deren Pole Nord und Süd abwechselnd nebeneinander angeordnet sind. Auf diese Weise lässt sich der Läufer besonders präzise bewegen.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Verbindungsabschnitt in Draufsicht betrachtet dreieckig ausgebildet. Das Dreieck kann auch gekrümmte Seiten haben. Durch die dreieckige Form ergibt sich ein proportional veränderbarer Durchfluss.
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Der Linearmotor umfasst vorzugsweise mehrere Elektromagnete, die nebeneinander und senkrecht zu einer Bewegungsrichtung des Läufers stehen.
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Insbesondere stehen die Längsachsen der Elektromagnete jeweils senkrecht zur Bewegungsrichtung des Läufers. Indem die Elektromagnete zeitlich versetzt angesteuert und/oder umgepolt werden, kann der Läufer in verschiedene Positionen bewegt werden.
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Durch die Verwendung mehrerer Elektromagnete sind Zwischenstellungen zwischen einer maximal geöffneten Stellung und der Schließstellung möglich. In den Zwischenstellungen ist ein Fluidstrom zwischen dem Fluideingang und dem Fluidausgang möglich, der jedoch geringer ist als der maximale Fluidstrom.
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Gemäß einer Ausführungsform ist eine Fluidplatte in dem Gehäuse angeordnet, wobei der Fluideingang sowie ein an diesen anschließender Fluideingangskanal und der Fluidausgang sowie ein an diesen anschließender Fluidausgangskanal in der Fluidplatte ausgebildet sind. Die Fluidplatte bildet eine besonders stabile Auflage für den Läufer. Insbesondere ist durch die Fluidplatte eine Gehäusewandung, in der der Fluideingang und der Fluidausgang gebildet sind, verstärkt.
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Die Fluidplatte kann ebenfalls aus einem besonders medienbeständigen Material gebildet sein, insbesondere aus Keramik. Vorzugsweise ist die Fluidplatte aus dem gleichen Material gebildet wie der Einsatz des Läufers.
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Der Läufer des Linearmotors, insbesondere der Einsatz, kann auf der Fluidplatte gleitend gelagert sein. Indem der Läufer beziehungsweise der Einsatz direkt auf der Fluidplatte gleitend gelagert ist, kann auf eine Dichtung zwischen dem Läufer und dem Fluideingang beziehungsweise dem Fluidausgang verzichtet werden. Insbesondere kommt das Ventil völlig ohne Dichtungen aus.
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Eine Kontaktfläche der Fluidplatte mit dem Läufer kann als polierte Kontaktfläche ausgeführt sein. Dadurch kann der Läufer besonders gut auf der Fluidplatte gleiten, wodurch die Dosierung sehr genau erfolgen kann.
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Die entsprechende Kontaktfläche des Läufers, insbesondere des Einsatzes, kann ebenfalls als polierte Kontaktfläche ausgebildet sein.
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Gemäß einer Ausführungsform können in der Fluidplatte, insbesondere an der Kontaktfläche mit dem Läufer, Vertiefungen in der Fluidplatte vorgesehen sein. Die Vertiefungen dienen als Schmutzabstreifer.
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Vorzugsweise ist ein elastisches Element vorgesehen, das den Läufer mit einer Kraft in Richtung des Fluideingangs und des Fluidausgangs beaufschlagt, insbesondere eine Biegefeder. Durch das elastische Element liegt der Läufer, insbesondere der Einsatz, besonders fest an der Fluidplatte an, sodass der Verbindungsabschnitt ausreichend abgedichtet ist. Somit kann sich ein Fluid, das den Verbindungsabschnitt durchströmt, nicht im Gehäuse verteilen. Zudem eignet sich das Ventil für besonders hohe Drücke.
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Gemäß einer Ausführungsform ist eine Linearführung für den Läufer vorgesehen. Die Linearführung kann am Grundkörper und/oder am Einsatz des Läufers angreifen. Durch die Linearführung ist der Läufer stabil geführt und kann sich im Gehäuse lediglich entlang einer Bewegungsachse hin und her bewegen.
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An das erste Gehäuse kann ein weiteres Gehäuse anschließen, wobei der mindestens eine Elektromagnet in dem weiteren Gehäuse untergebracht ist und der Elektromagnet durch eine durchgehende Gehäusewand vom Läufer fluidisch getrennt ist. Die durchgehende Gehäusewand ist insbesondere ohne Öffnungen oder abgedichtete Öffnungen ausgebildet. Durch das weitere Gehäuse ist der Elektromagnet besonders gut vor einem Kontakt mit Fluid und sonstigen äußeren Einflüssen geschützt.
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Die Gehäuse sind beispielsweise miteinander verschweißt, verklebt oder auf sonstige Weise miteinander verbunden.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
- - 1 ein erfindungsgemäßes Ventil in Seitenansicht,
- - 2 das erfindungsgemäße Ventil in einer Schnittdarstellung, und
- - 3 einen Querschnitt durch das erfindungsgemäße Ventil entlang der Linie A-A in 1.
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Die 1 und 2 zeigen ein Ventil 10, wobei 1 das Ventil 10 in einer Seitenansicht und 2 das Ventil 10 in einer Schnittdarstellung zeigt. Bei dem Ventil 10 handelt es sich um ein Proportionalventil.
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Das Ventil 10 umfasst ein erstes Gehäuse 12 und ein zweites Gehäuse 14.
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Die beiden Gehäuse 12, 14 sind miteinander verbunden, zum Beispiel verschweißt oder verklebt.
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Die beiden Gehäuse 12, 14 haben eine gemeinsame, durchgehende Wandung 16, durch welche die Innenräume der beiden Gehäuse 12, 14 voneinander fluidisch getrennt sind. In der gemeinsamen Wandung 16 sind keinerlei Öffnungen, auch keine abgedichteten Öffnungen vorhanden.
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In einer Wandung 18 des ersten Gehäuses 12, die der gemeinsamen Wandung 16 gegenüberliegt, ist eine Aussparung 20 vorgesehen.
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Im Bereich der Aussparung 20 sind ein Fluideingang 22 und ein Fluidausgang 24 des Ventils 10 angeordnet.
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An den Fluideingang 22 und den Fluidausgang 24 lassen sich Fluidleitungen 23 anschließen, die in 2 gestrichelt dargestellt sind.
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Das Ventil 10 weist einen Linearmotor 25 auf, der mehrere Elektromagnete 26 und einen Läufer 28 umfasst.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind drei Elektromagnete 26 vorhanden, die nebeneinander angeordnet und durch eine Isolierung 30 voneinander und vom Gehäuse 14 getrennt sind.
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Der Läufer 28 des Linearmotors 25 ist im ersten Gehäuse 12 untergebracht.
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Die Elektromagnete 26 des Linearmotors 25 sind außerhalb des ersten Gehäuses 12 angeordnet und somit durch das Gehäuse 12 fluidisch von dem Läufer 28 getrennt. Die Elektromagnete 26 sind dadurch von den medienberührten Bereichen des Ventils 10 isoliert.
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Die Elektromagnete 26 umfassen jeweils einen Kern 32 mit einer Spule 34.
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Zur Ansteuerung der Elektromagnete 26 ist eine Ansteuereinheit 36 vorgesehen. Die Ansteuereinheit 36 umfasst eine Ansteuerelektronik 38 und eine elektrische Schnittstelle 40. Die Ansteuerelektronik 38 befindet sich beispielsweise auf einer Leiterplatine.
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Die elektrische Schnittstelle 40 dient der Energieversorgung der Ansteuerelektronik 38 und liefert ggf. weitere elektrische Signale, insbesondere Daten. Um eine Kontaktierung der elektrischen Schnittstelle 40 zu ermöglichen, erstreckt sich diese durch eine Öffnung 42 im zweiten Gehäuse 14.
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Die Öffnung 42 befindet sich in einer zur Wandung 16 entgegengesetzten Wandung 44 des zweiten Gehäuses 14.
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Der Läufer 28 dient zum Steuern eines Fluidflusses vom Fluideingang 22 zum Fluidausgang 24. Zu diesem Zweck ist der Läufer 28 von einer Öffnungsstellung, in welcher der Fluidfluss maximal ist, in eine Schließstellung, in welcher der Fluidfluss blockiert ist, verschiebbar in dem Gehäuse 12 gelagert. Die Bewegungsrichtungen des Läufers 28 sind in 2 durch Pfeile veranschaulicht.
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Die Längsachsen der Spulen 34 der Elektromagnete 26 erstrecken sich senkrecht zur Bewegungsrichtung des Läufers 28.
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Der Läufer 28 umfasst einen Grundkörper 46, einen Einsatz 48 und mehrere Permanentmagnete 50.
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Die Permanentmagnete 50 sind auf einer vom Einsatz 48 weg gerichteten Seite des Grundkörpers 46 angeordnet.
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Die Pole Nord und Süd der Permanentmagnete 50 sind abwechselnd nebeneinander angeordnet.
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Der Einsatz 48 ist in einer Ausnehmung 52 im Grundkörper 46 formschlüssig aufgenommen.
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Der Einsatz 48 ist beispielsweise aus Keramik gefertigt, während der Grundkörper 46 aus Stahl sein kann.
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Der Grundkörper 46 und der Einsatz 48 können optional auch einteilig gefertigt sein.
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Im ersten Gehäuse 12 ist außerdem eine Fluidplatte 54 mit Kanälen zur Fluidführung untergebracht. Die Fluidplatte 54 liegt an der Wandung 18 des ersten Gehäuses 12 an, in welcher die Aussparung 20 vorgesehen ist.
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In der Fluidplatte 54 sind der Fluideingang 22 sowie ein an diesen anschließender Fluideingangskanal 56 und der Fluidausgang 24 sowie ein an diesen anschließender Fluidausgangskanal 58 ausgebildet.
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Die Aussparung 20 in der Wandung 18 ist derart angeordnet, dass der Fluideingang 22 sowie der Fluidausgang 24 von außerhalb des Gehäuses 12 zugänglich sind.
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Um einen Fluidfluss durch das Ventil 10 zu ermöglichen, ist in dem Läufer 28, insbesondere im Einsatz 48, ein Verbindungsabschnitt 60 ausgebildet, der in einer Öffnungsstellung des Läufers 28 den Fluideingang 22 mit dem Fluidausgang 24 strömungsmäßig verbindet.
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Der Verbindungsabschnitt 60 ist durch eine Vertiefung im Läufer 28 gebildet.
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Der Einsatz 48 ist auf der Fluidplatte 54 gleitend gelagert.
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Um ein besonders gutes Gleitverhalten zu erreichen, kann sowohl an der Fluidplatte 54 als auch an dem Einsatz 48 eine als polierte Kontaktfläche 64, 66 ausgebildete Kontaktfläche vorgesehen sein, wobei die Kontaktflächen 64, 66 aneinander anliegen. Die polierten Kontaktflächen 64, 66 unterscheiden sich von den übrigen Flächen durch eine reduzierte Oberflächenrauigkeit. Es ist auch denkbar, die Kontaktflächen 64, 66 mit einer reibungsreduzierenden Beschichtung zu versehen.
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In der Fluidplatte 54 sind optional Vertiefungen 68, die mit unterbrochenen Linien dargestellt sind, vorgesehen, die als Schmutzabstreifer dienen.
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Des Weiteren ist ein elastisches Element 70 vorgesehen. Das elastische Element 70 ist im ersten Gehäuse 12 untergebracht und beaufschlagt den Läufer 28 mit einer Kraft in Richtung des Fluideingangs 22 und des Fluidausgangs 24. Das elastische Element 70 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Biegefeder.
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3 zeigt einen Querschnitt durch das Ventil 10. In dem Querschnitt ist eine Linearführung 72 für den Läufer 28 sichtbar. Die Linearführung 72 greift am Einsatz 48 an.
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Die Linearführung 72 ist beispielsweise durch eine Abstufung in der Fluidplatte 54 gebildet, die sich beidseits des Läufers 28 erstreckt, und zwar entlang der Bewegungsrichtung des Läufers 28.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel greift die Linearführung 72 am Einsatz 48 an. Alternativ kann die Linearführung 72 auch am Grundkörper 46 des Läufers 28 angreifen.
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Der Verbindungsabschnitt 60 ist in Draufsicht dreieckig. Es sind jedoch auch andere Formen denkbar, zum Beispiel eine rechteckige oder eine ovale Form.
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Im Folgenden wird die Funktionsweise des Ventils 10 mit Bezug auf die 2 und 3 erläutert.
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In den 2 und 3 ist das Ventil 10 in einem geöffneten Zustand dargestellt. In diesem Zustand sind der Fluideingang 22 und der Fluidausgang 24 strömungsmäßig miteinander verbunden.
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Um das Ventil 10 in einen geschlossenen Zustand zu bringen, werden die Elektromagnete 26 entsprechend angesteuert, um den Läufer 28 mittels magnetischer Anziehungs- beziehungsweise Abstoßungskräfte in eine gewünschte Stellung zu ziehen.
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Die Elektromagnete 26 werden beispielsweise zeitlich versetzt angesteuert und dann umgepolt. Genauer gesagt werden nur zwei der drei Elektromagnete 26 gleichzeitig angesteuert. Die Permanentmagnete 50 richten sich entsprechend der Ansteuerung der Elektromagnete 26 aus, sodass der Läufer 28 in eine gewünschte Position bewegt wird.
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Sobald der Läufer 28 in einer Schließstellung ist und der Fluideingang 22 oder der Fluidausgang 24 durch den Läufer 28 vollständig verschlossen ist, ist ein Fluidfluss durch das Ventil 10 blockiert. In 3 ist der Läufer 28 in einer Schließstellung zur Veranschaulichung gestrichelt eingezeichnet.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel gibt es zwei mögliche Schließstellungen des Läufers 28, nämlich die in 3 gestrichelt eingezeichnete Stellung, in der der Läufer 28 in Draufsicht betrachtet maximal rechts angeordnet ist, und eine Stellung, in der sich der Läufer 28 maximal links befindet. In jeder Schließstellung wird ein Fluidfluss durch das Ventil 10 verhindert, indem entweder der Fluideingang 22 oder der Fluidausgang 24 verschlossen ist.
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Abgesehen von einer maximal geöffneten Stellung und den Schließstellungen sind auch Zwischenstellungen des Läufers 28 möglich. In den Zwischenstellungen überdeckt der Läufer 28 den Fluideingang 22 oder den Fluidausgang 24 nur teilweise, sodass ein reduzierter Fluidfluss durch das Ventil 10 möglich ist.
