-
Die Erfindung betrifft ein Fluidventil zur Beeinflussung eines Fluidstroms, mit einem Ventilgehäuse, das von einem Fluidkanal durchsetzt ist, der sich von einem ersten Fluidanschluss zu einem zweiten Fluidanschluss erstreckt, mit einem im Fluidkanal ausgebildeten Ventilsitz, dem ein beweglich zwischen einer beabstandet zum Ventilsitz angeordneten Öffnungsstellung und einer abdichtend am Ventilsitz anliegenden Schließstellung gelagertes Ventilglied zugeordnet ist.
-
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Fluidventil bereitzustellen, mit dem eine präzise Beeinflussung eines Fluidstroms ermöglicht wird.
-
Diese Aufgabe wird für ein Fluidventil der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass das Ventilglied an einem Biegebalken festgelegt ist, wobei der Biegebalken mit einem ersten Endbereich am Ventilgehäuse abgestützt ist und an einem zweiten Endbereich mit einer ersten Antriebskomponente eines elektrischen Ventilantriebs versehen ist, der eine am Ventilgehäuse festgelegte zweite Antriebskomponente aufweist, wobei der Biegebalken als gedruckte Schaltung ausgebildet ist und mit einer Sensorkomponente versehen ist, die für eine Positionsermittlung zwischen dem Biegebalken und dem Ventilgehäuse und für eine Bereitstellung eines positionsabhängigen elektrischen Sensorsignals ausgebildet ist.
-
Vorzugsweise ist das Fluidventil für eine Beeinflussung eines Druckluftstroms ausgebildet und kann insbesondere im Bereich der Industrieautomatisierung eingesetzt werden. Hierbei wird davon ausgegangen, dass an dem ersten Fluidanschluss, der auch als Eingangsanschluss oder Versorgungsanschluss bezeichnet werden kann und der an einer Außenoberfläche des Ventilgehäuses ausgebildet ist, eine Druckluftquelle angeschlossen wird. Hierzu kann der erste Fluidanschluss beispielsweise als Schlauchkupplung zur Anbringung eines flexiblen Druckluftschlauchs ausgebildet sein.
-
Die am ersten Fluidanschluss bereitgestellte Druckluft wird für den Fall, dass das Ventilglied beabstandet vom Ventilsitz angeordnet ist und sich damit in der Öffnungsstellung befindet, an zweiten Fluidanschluss, der auch als Ausgangsanschluss und Arbeitsanschluss bezeichnet werden kann, bereitgestellt. Für den Fall, dass das Ventilglied abdichtend am Ventilsitz anliegt und somit die Schließstellung einnimmt, wird am zweiten Fluidanschluss keine Druckluft bereitgestellt. Der zweite Fluidanschluss kann in gleicher Weise wie der erste Fluidanschluss als Schlauchkupplung zum Anschluss eines flexiblen Fluidschlauchs ausgebildet sein.
-
Die von der Druckluftquelle bereitgestellte Druckluft ist vorzugsweise frei von Verschmutzungen, so dass der Fluidstrom, der den Fluidkanal durchströmt, nicht zu unerwünschten Verschmutzungen im Inneren des Fluidventils führt. Insbesondere ist vorgesehen, dass der Fluidstrom den im Fluidkanal angeordneten Biegebalken, der als gedruckte Schaltung (elektrische Leiterplatte) ausgebildet ist, sowie die darauf angebrachte Sensorkomponente und den elektrischen Ventilantrieb umspült.
-
Beispielhaft ist vorgesehen, dass ein erster Fluidkanalabschnitt des Fluidkanals ausgehend vom ersten Fluidanschluss zunächst in der Art einer Bohrung ausgebildet ist, die das Ventilgehäuse bereichsweise durchsetzt. An diesen ersten Fluidkanalabschnitt schließt sich ein zweiter Fluidkanalabschnitt an, der einen größeren Querschnitt aufweist und auch als Ventilraum bezeichnet wird, in dem der Biegebalken mit dem elektrischen Ventilantrieb und dem Ventilglied angeordnet sind. Ausgehend vom zweiten Fluidkanalabschnitt erstreckt sich ein dritter Fluidkanalabschnitt des Fluidkanals bis zum zweiten Fluidanschluss. Der dritte Fluidkanalabschnitt kann insbesondere in ähnlicher oder identischer Weise wie der erste Fluidkanalabschnitt in der Art einer Bohrung ausgeführt sein und mündet an der Außenoberfläche des Ventilgehäuses aus. Bevorzugt sind der erste Fluidanschluss und der zweite Fluidanschluss an der gleichen, insbesondere eben Ausgebildeten, Außenoberfläche des Ventilgehäuses angeordnet.
-
Ein Übergang zwischen dem zweiten Fluidkanalabschnitt und dem dritten Fluidkanalabschnitt ist vorzugsweise als Ventilsitz ausgebildet. Beispielhaft mündet der dritte Fluidkanalabschnitt an einer Innenoberfläche des Ventilgehäuse des in den zweiten Fluidkanalabschnitt und bildet hierbei eine, insbesondere kreisrunde ausgebildete, Mündungsöffnung, die als Ventilsitz dient. Besonders bevorzugt ist diese Mündungsöffnung von einem kreisringförmig ausgebildeten, insbesondere schneidenförmig profilierten, ringförmigen Vorsprung umgeben, der in Wechselwirkung mit dem Ventilglied, das vorzugsweise aus einem gummielastischen Material hergestellt ist, eine vorteilhafte Abdichtwirkung für den Ventilsitz bei Anlage des Ventilglieds gewährleistet.
-
Der Biegebalken, der das Ventilglied, die Sensorkomponente sowie die erste Antriebskomponente trägt, ist derart beschaffen, dass er in einer von drei senkrecht aufeinander stehenden Raumrichtungen eines kartesischen Koordinatensystems eine Ausdehnung aufweist, die insbesondere in einem Bereich des 20-fachen bis 60-fachen einer Ausdehnung in den beiden anderen Raumrichtungen beträgt. Bevorzugt ist der Biegebalken quaderförmig ausgebildet, wobei eine längste Kante des Biegebalkens, die die Länge bestimmt, um einen Faktor von 20 bis 50 größer als eine kürzeste Kante des Biegebalkens, die die Dicke bestimmt, ist. Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, dass eine mittlere Kante des Biegebalkens, die eine Breite bestimmt, um einen Faktor 5 bis 20, vorzugweise 6 bis 14, insbesondere 10 bis 12, größer als die kürzeste Kante ist.
-
Der im Ventilgehäuse angeordnete elektrische Ventilantrieb dient dazu, eine Biegekraft auf den Biegebalken auszuüben, so dass dieser aus einer ersten Funktionsstellung, die gleichbedeutend mit der Schließstellung für das Ventilglied gegenüber dem Ventilsitz sein kann, in eine zweite Funktionsstellung, die gleichbedeutend mit der Öffnungsstellung für das Ventilglied gegenüber dem Ventilsitz sein kann, überführt wird. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass eine Kraftrichtung für die Riegelkraft, die vom elektrischen Ventilantrieb auf den Biegebalken eingeleitet wird, normal zu einer ersten größten Oberfläche des Biegebalkens ausgerichtet ist. Ferner erfolgt eine Krafteinleitung durch die Wechselwirkung der ersten Antriebskomponente mit der zweiten Antriebskomponente am zweiten Endbereich des Biegebalkens, der dem ersten Endbereich des Biegebalkens entgegengesetzt ist. Somit wird der Biegebalken, der mit einem ersten Endbereich am Ventilgehäuse festgelegt ist, in derjenigen Bewegungsebene in seiner Krümmung verändert, in der er das geringste Widerstandsmoment gegen Biegung aufweist.
-
Bevorzugt ist der elektrische Ventilantrieb zur Bereitstellung einer Linearbewegung ausgebildet. Hierbei findet zwischen der ersten Antriebskomponente und der zweiten Antriebskomponente eine Relativbewegung längs einer zumindest Wesentlichen geradlinig ausgebildeten Bewegungsbahn insbesondere einer Bewegungsgeraden, statt.
-
Der Biegebalken ist als gedruckte Schaltung ausgebildet, die mehrere elektrisch leitfähige Leiterbahnen umfasst, die auf einem elektrischen nicht leitenden Trägermaterial wie beispielsweise einem glasfaserverstärktem Kunststoff (FR4) aufgebracht sind. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die gedruckte Schaltung aus mehreren Trägermaterialschichten aufgebaut ist, zwischen denen die Leiterbahnen angeordnet sind, wobei Leiterbahnen in unterschiedlichen Trägermaterialschichten durch Durchkontaktierungen elektrisch miteinander verbunden werden können. Ein solcher Biegebalken wird auch als Multilayer-Platine bezeichnet.
-
Die am Biegebalken angeordnete Sensorkomponente, die zur Ermittlung einer räumlichen Lage des Biegebalkens ausgebildet ist, umfasst einen oder mehrere Sensoren, die beispielsweise für eine Erfassung eines Abstands zwischen der Sensorkomponente und einem der Sensorkomponente gegenüberliegenden Abschnitt des Ventilgehäuses ausgebildet sind. Die von den Sensoren bereitgestellten elektrischen Signale können entweder unmittelbar an einem Signalausgang der Sensorkomponente bereitgestellt werden oder nach einer Aufbereitung in der Sensorkomponente am Signalausgang ausgegeben werden.
-
Bevorzugt ist vorgesehen, dass an einer der Sensorkomponente und der ersten Antriebskomponente an einer der ersten größten Oberfläche des Biegebalkens abgewandten zweiten größten Oberfläche des Biegebalkens eine Federeinrichtung, insbesondere eine Blattfeder, anliegt, die zur Einleitung von Vorspannkräften auf den Biegebalken ausgebildet ist. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die von der Federeinrichtung bereitgestellten Vorspannkräfte derart auf den Biegebalken einwirken, dass der Biegebalken und somit auch das daran festgelegte Ventilglied ohne eine Krafteinleitung durch den elektrischen Ventilantrieb in der Schließstellung gegenüber dem Ventilsitz gehalten werden.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Zweckmäßig ist es, wenn die gedruckte Schaltung am ersten Endbereich mit mehreren Kontaktstiften versehen ist, die das Ventilgehäuse durchsetzen und die an einer Außenoberfläche des Ventilgehäuses eine elektrische Kontaktanordnung bilden. Vorzugsweise sind die Kontaktstifte normal zu den beiden größten Oberflächen des Biegebalkens ausgerichtet und durchsetzen den Biegebalken, womit eine vorteilhafte Krafteinleitung zwischen dem Biegebalken und den Kontaktstiften bewirkt werden kann. Somit werden die bei der Krümmung des Biegebalkens durch den elektrischen Ventilantrieb auftretenden Reaktionskräfte zumindest teilweise über die Kontaktstifte in das Ventilgehäuse abgeleitet. Darüber hinaus besteht die Aufgabe der Kontaktstifte darin, eine elektrische Versorgungsspannung einer elektrischen Spannungsquelle am die gedruckte Schaltung bereitzustellen und elektrische Signale, die insbesondere von der im Inneren des Ventilgehäuses angeordneten Sensorkomponente bereitgestellt werden, von außen zugänglich zu machen. Vorzugsweise sind die Kontaktstifte in einer Ausnehmung oder des Ventilgehäuses oder in einem schachtartigen Vorsprung des Ventilgehäuses angeordnet, um eine elektrische Kontaktbuchse bzw. einen elektrischen Kontaktstecker zu bilden.
-
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die gedruckte Schaltung mehrere elektrische Leiterbahnen umfasst, die für elektrische Verbindungen zwischen den Kontaktstiften und der Sensorkomponente oder für elektrische Verbindungen zwischen den Kontaktstiften und dem Sensor sowie der ersten Antriebskomponente ausgebildet sind. Der Biegebalken erfüllt eine Doppelfunktion, da er zum einen als Träger für die Sensorkomponente, das Ventilglied und die erste Antriebskomponente dient und die für die Ventilfunktion notwendige Verlagerung des Ventilglieds bei Einleitung geeigneter Biegekräfte gewährleistet. Zum anderen ermöglicht der als gedruckte Schaltung ausgebildete Biegebalken eine einfache elektrische Versorgung der Sensorkomponente und der ersten Antriebskomponente sowie eine Weiterleitung von Signalen, die von der Sensorkomponente in Abhängigkeit von der ermittelten Position zwischen Biegebalken und Ventilgehäuse bereitgestellt werden. Hierzu sind auf der größten Oberfläche und/oder zwischen Materiallagen des Biegebalkens elektrische Leiterbahnen ausgebildet, die mit den Kontaktstiften verbunden sind.
-
Vorteilhaft ist es, wenn auf der gedruckten Schaltung eine Auswerteschaltung für eine Auswertung der elektrischen Sensorsignale der Sensorkomponente angeordnet ist, die über die elektrischen Leiterbahnen mit der Sensorkomponente und mit den Kontaktstiften verbunden ist. Die Aufgabe der Auswerteschaltung besteht darin, die von der Sensorkomponente bereitgestellten Sensorsignale aufzubereiten, auszuwerten und daraus ein analoges oder digital codiertes Positionssignal zu erzeugen, das über zugeordnete elektrische Leiterbahnen zu den Kontaktstiften übertragen werden kann, um an der Außenoberfläche des Ventilgehäuse des abgegriffen zu werden. Bevorzugt umfasst die Auswerteschaltung einen Mikrocontroller oder Mikroprozessor mit einer Auswertesoftware, die auf die Eigenschaften und Anforderungen der Sensorkomponente angepasst ist. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Auswerteschaltung einen Zwischenspeicher für eine zeitweilige Zwischenspeicherung von Sensorsignalen oder daraus berechneten Positionssignalen aufweist und/oder einen Parameterspeicher umfasst, der zur Speicherung von Parametern genutzt werden, die beispielsweise bei einer Kalibrierung des Fluidventils ermittelt werden und die eine besonders präzise Berechnung von Positionssignalen ermöglichen.
-
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sensorkomponente aus der Gruppe: Magnetfeldsensor, optischer Sensor, Ultraschallsensor, ausgebildet ist.
-
Bei einer Ausgestaltung der Sensorkomponente als Magnetfeldsensor kann wahlweise ein aktives System oder ein passives System eingesetzt werden.
-
Bei einem aktiven System ist vorgesehen, dass das für die Positionsermittlung erforderliche Magnetfeld beispielsweise durch Bestromung einer Anregungsspule, die dem Biegebalken zugeordnet ist, bereitgestellt wird und eine abstandsabhängige Antwort auf das bereitgestellte Magnetfeld von einer ebenfalls am Biegebalken angeordneten Detektorspule erfasst wird und an die Verarbeitungseinrichtung weitergeleitet wird. Bevorzugt sind die Anregungsspule und die Detektorspule als Planarspulen und damit aus Leiterbahnen der gedruckten Schaltung gebildet. Bei einem solchen aktiven System ist gegenüberliegend zur Detektorspule ein magnetischer Flussleiter am Ventilgehäuse angeordnet.
-
Bei einem passiven System ist vorgesehen, dass ein Magnetfeld von einem Permanentmagneten, der am Ventilgehäuse gegenüberliegend zur Sensorkomponente angeordnet ist, bereitgestellt wird. Eine Erfassung dieses Magnetfelds, insbesondere im Hinblick auf die magnetische Flussdichte und/oder eine räumliche Ausrichtung des magnetischen Flusses, erfolgt beispielsweise durch einen eindimensionalen oder mehrdimensionalen Hall-Sensor, wobei das positionsabhängige Sensorsignal an die Verarbeitungseinrichtung weitergeleitet wird.
-
Bei einem optischen System, das insbesondere auf einer Laufzeitmessung (time of flight Messverfahren) beruht, ist dem Biegebalken eine Sensorkomponente als Kombination einer Lichtquelle und eines Lichtdetektors zugeordnet während gegenüberliegend zur Sensorkomponente ein Reflektor am Ventilgehäuse angebracht ist, womit eine Laufzeit für einen Lichtwulst, der von der Lichtquelle aus gesendet, am Reflektor reflektiert und vom Lichtdetektor erfasst wird, ermittelt wird.
-
Bei einem Ultraschallverfahren wird ebenfalls eine Laufzeit ermittelt, wobei anstelle einer elektromagnetischen Welle wie beim optischen System eine Schallwelle zur Anwendung kommt. In Analogie zum optischen System sind am Biegebalken eine Schallquelle sowie ein Schalldetektor angebracht, die Sensorkomponente bilden. Gegenüberliegend zur Sensorkomponente ist eine Oberfläche des Ventilgehäuse des geometrisch derart ausgebildet, dass eine vorteilhafte Schallreflektion gewährleistet ist.
-
Dementsprechend ist in Abhängigkeit von der verwendeten Sensorkomponente an einer der Sensorkomponente gegenüberliegenden Innenoberfläche des Ventilgehäuses ein zur Wechselwirkung mit der Sensorkomponente ausgebildetes Geberelement aus der Gruppe: Metallplatte, Permanentmagnet, optischer Spiegel, angeordnet.
-
Zweckmäßig ist es, wenn die erste Antriebskomponente eine Magnetspule oder eine Kombination einer Magnetspule mit einer koaxial zur Magnetspule angeordneten Messspule umfasst und dass die zweite Antriebskomponente einen magnetischen Flussleiter und/oder einen Permanentmagneten umfasst und zusammen mit der ersten Antriebskomponente ein elektrodynamisches Antriebssystem bildet. Die als Magnetspule ausgebildete erste Antriebskomponente stellt einen magnetischen Fluss bereit, sobald sie über die Leiterbahnen der gedruckten Schaltung mit einem Spulenstrom versorgt wird. Dieser magnetische Fluss tritt in Wechselwirkung mit dem magnetischen Fluss, der von der als Permanentmagnet ausgebildeten zweiten Antriebskomponente bereitgestellt wird, so dass in Abhängigkeit von der für die Magnetspule gewählten Stromrichtung eine Abstoßung oder Anziehung gegenüber dem Permanentmagnet auftritt. Ferner wirkt auf die stromdurchflossenen Spulenwicklungen der Magnetspule aufgrund des magnetischen Flusses des Permanentmagneten die Lorentzkraft, die ebenfalls zu einer Krafteinwirkung auf die erste Antriebskomponente führt. Alternativ kann vorgesehen werden, dass die zweite Antriebskomponente als magnetischer Flussleiter ausgebildet ist, in dem bei Bereitstellung eines magnetischen Wechselfeld, welches durch eine Wechselstrombeaufschlagung der Magnetspule hervorgerufen werden kann, Wirbelströme auftreten, die ebenfalls zu Lorentzkräften in der Magnetspule führen. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Magnetspule einen hülsenförmigen Wickelkörper aufweist, der von außen mit den Spulenwicklungen der Magnetspule versehen ist. Ferner kann vorgesehen sein, dass der Permanentmagnet oder der Flussleiter zumindest teilweise in einen kreiszylindrischen Innenraum des eintaucht, womit eine besonders kompakte und leistungsfähige Gestaltung der elektrischen Antriebseinrichtung verwirklicht werden kann.
-
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Endbereich und der zweite Endbereich des Biegebalkens jeweils formstabil ausgebildet sind und dass angrenzend an den ersten Endbereich ein elastisch um eine Biegeachse deformierbares Festkörpergelenk (eine oder mehrere Multilayerschichten, Polyimidschicht) ausgebildet ist, das mit einem formstabilen Mittelabschnitt des Biegebalkens verbunden ist, der den zweiten Endabschnitt umfasst und dass das Festkörpergelenk mehrere quer zur Biegeachse orientierte Metallfolienstreifen umfasst, die zumindest teilweise als elektrische Leiterbahnen, insbesondere als Dehnmessstreifen, dienen. Die formstabile Ausgestaltung der beiden Endbereiche und des Mittelabschnitts des Biegebalkens ist derart verwirklicht, dass die beiden Endbereiche und der Mittelabschnitt bei einer Einleitung von Biegekräften auf den Biegebalken nur in einem sehr geringen Maß elastisch deformiert werden. Die Relativbewegung zwischen dem ersten Endbereich und dem zweiten Endbereich des Biegebalkens, mit der die Bewegung des Ventilglieds zwischen der Öffnungsstellung und der Schließstellung verwirklicht werden kann, wird durch eine elastische Deformation eines Festkörpergelenks ermöglicht, das zwischen dem ersten Endbereich und dem Mittelabschnitt angeordnet ist. Dieses Festkörpergelenk weist einen Querschnitt auf, der erheblich kleiner als ein Querschnitt des ersten Endbereichs, des Mittelabschnitt und des zweiten Endbereichs ist. Bevorzugt ist vorgesehen, dass eine Dicke, also die kürzester Kante für den Querschnitt des Festkörpergelenks kleiner als für die übrigen Abschnitte des Biegebalkens ist.
-
Beispielhaft ist vorgesehen, dass die aus mehreren Materiallagen hergestellte gedruckte Schaltung im Bereich des Festkörpergelenks deutlich weniger Materiallagen, beispielsweise weniger als die Hälfte der Materiallagen des ersten Endbereichs, des Mittelabschnitt des zweiten Endbereichs aufweist. Prinzipiell ist vorgesehen, dass die Leiterbahnen der gedruckten Schaltung auch im Bereich des Festkörpergelenks ausgebildet sind, so dass keine zusätzlichen elektrischen Verbindungen, beispielsweise durch Drähte oder Litzen, zwischen dem ersten Endbereich und dem Mittelabschnitt des Biegebalkens erforderlich sind. Ergänzend kann vorgesehen sein, dass im Bereich des Festkörpergelenks zusätzliche Metallfolienstreifen in der Art von Leiterbahnen auf der gedruckten Schaltung vorgesehen sind, die jedoch keine elektrische Funktion aufweisen sondern lediglich der Stabilisierung des Festkörpergelenks dienen. Ergänzend oder alternativ können im Bereich des Festkörpergelenks zusätzlich zu den elektrischen Leiterbahnen, die mit der Sensorkomponente und der ersten Antriebskomponente elektrisch verbunden sind, auch elektrische Leiterbahnen in der Art von mäanderförmigen Leiterschleifen vorgesehen sein, die als Dehnmessstreifen ausgelegt sind und in Abhängigkeit von einer Biegung des Festkörpergelenks einen variablen elektrischen Widerstand aufweisen. Diese Leiter schleifen können elektrisch mit der Auswerteschaltung verbunden sein und ermöglichen zusätzlich zur Sensorkomponente einen Ermittlung eines Biegezustands für den Biegebalken.
-
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die gedruckte Schaltung zusätzlich zur Sensorkomponente einen weiteren Sensor aus der Gruppe: Drucksensor, Temperatursensor, Feuchtigkeitssensor umfasst. Hierdurch können Eigenschaften des Fluids, das durch den Fluidkanal strömt, in einfacher Weise ermittelt und direkt von der Auswerteschaltung, die mit dem wenigstens einen weiteren Sensor elektrisch verbunden ist, verarbeitet werden.
-
Bevorzugt ist die Sensorkomponente unmittelbar unterhalb des Ventilglieds angeordnet oder in dem Ventilglied angeordnet, das aus einem gummielastischen Material hergestellt ist und/oder dass der Ventilsitz eine rohrförmige, aus einem Metall hergestellte, Düse aufweist. Bei dieser Ausführungsform ist die Sensorkomponente als Magnetspule oder als Kombination einer Magnetspule mit einer Detektorspule ausgebildet und stellt bei geeigneter Stromversorgung einen magnetischen Fluss zur Verfügung, der in Abhängigkeit von einem Abstand zu der als Ventilsitz dienenden metallischen Düse variiert. Dieser variable magnetische Fluss führt zu Veränderungen im Spulenstrom der Magnetspule, der durch die Auswerteschaltung bestimmt werden kann. Alternativ kann der magnetische Fluss mit einer separat ausgebildete Detektorspule durch die Auswerteschaltung bestimmt werden, um daraus auf den Abstand zwischen Sensorkomponente und Ventilsitz zu schließen.
-
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Dabei zeigt:
- 1 eine perspektivische Darstellung eines Fluidventils,
- 2 eine Schnittdarstellung des Fluidventils gemäß der 1,
- 3 eine Draufsicht auf einen als gedruckte Schaltung ausgebildete Biegebalken,
- 4 eine Schnitt-Detaildarstellung einer alternativen Ausführungsform von Ventilsitz und Sensorkomponente, und
- 5 eine Schnitt-Detaildarstellung einer alternativen Ausführungsform der elektrischen Antriebseinrichtung.
-
Ein in der 1 in perspektivischer Darstellung gezeigtes Fluidventil 1 bis zur Beeinflussung eines Fluidstroms, insbesondere eines Druckluftstroms, ausgebildet und kann beispielsweise auf eine nicht dargestellte Schnittstelle einer ebenfalls nicht dargestellten Ventilinsel montiert werden. Für eine solche Montage weist das Fluidventil 1 an einer Unterseite des beispielhaft quaderförmig ausgebildeten Ventilgehäuses 2 eine rein exemplarisch eben ausgebildete Befestigungsfläche 3 auf, an der ein erster Fluidanschluss 4, ein zweiter Fluidanschluss 5 sowie ein Steckverbinder 6 angeordnet sind.
-
Der erste Fluidanschluss 4, der auch als Arbeitsanschluss bezeichnet werden kann, und der zweite Fluidanschluss 5, der auch als Versorgungsanschluss bezeichnet werden kann, sind jeweils als Rohrstutzen ausgebildet, die von einem Bodenbereich 8 einer im Ventilgehäuse 2 als Vertiefung ausgebildeten Ausnehmung 9 ausgehen. Die beiden Fluidanschlüsse 4 und 5 sind derart ausgebildet, dass ihre Mündungsöffnungen 10, 11 in einer gemeinsamen Ebene mit der Befestigungsfläche 3 angeordnet sind.
-
Der Steckverbinder 6 umfasst rein exemplarisch fünf Kontaktstifte 7, die in gleicher Teilung in einer Reihe parallel zueinander sowie normal zur Befestigungsfläche 3 ausgerichtet sind. Die Kontaktstifte 7 sind in einem gemeinsamen Sockel 20 aufgenommen, der sich ausgehend von dem Bodenbereich 8 der Ausnehmung 9 erstreckt und der rein exemplarisch einen rechteckigen Querschnitt mit abgerundeten Ecken aufweist. Die Kontaktstifte 7 sind normal zur Befestigungsfläche 3 ausgerichtet und ragen über die Befestigungsfläche 3 hinaus.
-
Aus der Schnittdarstellung gemäß der 2 geht hervor, dass das Ventilgehäuse 2 aus einem Ventilgehäuseunterteil 21 und einem Ventilgehäuseoberteil 22 gebildet ist. Dabei sind nahezu alle nachstehend näher beschriebenen Komponenten des Fluidventils 1 im Ventilgehäuseunterteil 21 angeordnet und gegebenenfalls festgelegt, das dementsprechend eine komplexere Geometrie aufweist und insbesondere als Kunststoffspritzgussteil hergestellt sein kann. Demgegenüber ist das Ventilgehäuseoberteil 22 rein exemplarisch im Wesentlichen plattenförmig ausgebildet und randseitig mit dem Ventilgehäuseunterteil 21 verbunden. Bevorzugt ist vorgesehen, dass auch das Ventilgehäuseoberteil als Kunststoffspritzgussteil hergestellt ist und mit dem Ventilgehäuseunterteil abdichtend verklebt oder verschweißt ist.
-
Im Ventilgehäuseunterteil 21 ist eine Ausnehmung 23 ausgebildet, so dass das Ventilgehäuseunterteil 21 zusammen mit dem abdichtend angebrachten Ventilgehäuseoberteil 22 einen Fluidkanal 12 begrenzt. Der Fluidkanal 12 kann in einen ersten Fluidkanalabschnitt 13, einen zweiten Fluidkanalabschnitt 14 und einen dritten Fluidkanalabschnitt 15 unterteilt werden. Hierbei erstreckt sich der erste Fluidkanalabschnitt 13 ausgehend von der ersten Mündungsöffnung 10 als kreiszylindrische Bohrung im ersten Fluidanschluss 4 und endet an einer dritten Mündungsöffnung 16, die in die Ausnehmung 23 im Ventilgehäuseunterteil 21 ausmündet. Der zweite Fluidkanalabschnitt 14 wird durch die Ausnehmung 23 gebildet. Der dritte Fluidkanalabschnitt 15 erstreckt sich ausgehend von einer vierten Mündungsöffnung 17, die in die Ausnehmung 23 ausmündet, bis zur zweiten Mündungsöffnung 11 des zweiten Fluidanschlusses.
-
Die vierte Mündungsöffnung 17 bildet auch den Ventilsitz und ist rein exemplarisch zentrisch an einem kegelförmig verjüngt ausgebildeten Rohrabschnitt 18 angeordnet. Ferner ist beispielhaft vorgesehen, dass der dritte Fluidkanalabschnitt 15 ausgehend von der vierten Mündungsöffnung 17 zunächst einen kleinen Bohrungsquerschnitt aufweist, der dann den größeren Bohrungsquerschnitt des zweiten Fluidanschlusses 5 übergeht.
-
Gemäß der Darstellung der 2 ist oberhalb einer durch die vierte Mündungsöffnung 17 bestimmten Mündungsebene 19 ein Biegebalken 31 angeordnet, der rein exemplarisch quaderförmig ausgebildet ist und mit seinen beiden voneinander abgewandten größten Oberflächen 32, 33 parallel zur Mündungsebene 19 ausgerichtet ist. Der Biegebalken 31, der in der 3 in einer Draufsicht dargestellt ist, ist als gedruckte Schaltung ausgebildet und ist an der größten Oberfläche 33 mit nicht näher dargestellten elektrischen Leiterbahnen versehen. Beispielhaft ist der Biegebalken als Schichtaufbau aus mehreren nicht näher dargestellten, glasfaserverstärkten Kunstharzplatten und auf den jeweils größten Oberflächen dieser Kunstharzplatten angeordneten, ebenfalls nicht dargestellten elektrischen Leiterbahnen aufgebaut und wird als Multilayer-Platine bezeichnet.
-
Der Biegebalken 31 ist mit einem ersten Endbereich 34 an einer parallel zur Mündung ebene 19 ausgerichteten und am Ventilgehäuseunterteil 21 ausgebildeten Auflagefläche 24 festgelegt, beispielsweise verklebt. An einem dem ersten Endbereich 34 abgewandten zweiten Endbereich 35 des Biegebalkens 31 ist ein Spulenkörper 53 einer Magnetspule 52 festgelegt, die eine erste Antriebskomponente 51 eines elektrischen Ventilantriebs 50 bildet. Dabei weist der Spulenkörper 53 einem rein exemplarisch kreiszylindrisch ausgebildeten Zentrierabschnitt 55 auf, der in der Aufnahmebohrung 38 des Biegebalkens 31 festgelegt ist und den Biegebalken 31 rein exemplarisch durchsetzt. Gegenüberliegend zur Magnetspule 52 ist an einer Montagefläche 56, die in der Ausnehmung 23 des Ventilgehäuseunterteils 21 ausgebildet ist, eine Permanentmagnetanordnung 57 angebracht. Die Permanentmagnetanordnung 57 umfasst einen Ringmagneten 59, der in einem rotationssymmetrisch ausgebildeten Flussleittopf 60 koaxial zu dessen Rotationssymmetrieachse angeordnet ist. Der Ringmagnet 59 ist an einer dem Biegebalken 31 zugewandten Stirnfläche mit einer kreisringförmig ausgebildeten Flussleitplatte 61 versehen. Beispielhaft basiert die Wirkungsweise des elektrischen Ventilantriebs 50 auf einer Ausnutzung der Lorentzkraft. Hierbei taucht die Magnetspule 52 in einen Ringspalt 65 ein, der zwischen dem Flussleittopf 60 und der Kombination aus Ringmagnet 59 und Flussleitplatte 61 ausgebildet ist. Bei einer Versorgung der Magnetspule 52 mit einem ausreichend großen Spulenstrom erfährt die nur symbolisch dargestellte Spulenwicklung 54 der Magnetspule 52 aufgrund des im Ringspalt 65 vorliegenden magnetischen Flusses bei geeigneter Polung des Spulenstroms eine gemäß der Darstellung der 2 vertikal nach oben gerichtete Lorentzkraft, wodurch die gewünschte Biegung des Biegebalkens 31 hervorgerufen wird.
-
An der unteren größten Oberfläche 33 des Biegebalkens 31 ist im Bereich eines Mittelabschnitts 37, der sich ausgehend vom zweiten Endbereich 35 in Richtung des ersten Endbereichs 34 erstreckt, gegenüberliegend zur vierten Mündungsöffnung 17, die den Ventilsitz bildet, ein plattenförmiges Dichtelement 25, das auch als Ventilglied bezeichnet wird, angeordnet. Gemäß der Darstellung der 2 liegt das Dichtelement 25 abdichtend auf der vierten Mündungsöffnung 17 auf und verschließt somit eine fluidisch kommunizierende Verbindung zwischen dem zweiten Fluidkanalabschnitt 14 und dem dritten Fluidkanalabschnitt 15. Dementsprechend wird in dieser Stellung des Dichtelements 25, die auch als Schließstellung für das Ventilglied bezeichnet werden kann, eine Fluidströmung zwischen dem ersten Fluidanschluss 4 und dem zweiten Fluidanschluss 5 oder in umgekehrter Richtung verhindert.
-
An der unteren größten Oberfläche 33 des Biegebalkens 31 sind ferner eine rein exemplarisch als integrierter Schaltkreis ausgebildete Sensorkomponente 26 und eine rein exemplarisch als integrierter Schaltkreis ausgebildete Auswerteschaltung 27 angeordnet. Die Sensorkomponente 26 umfasst einen oder mehrere nicht näher dargestellte Hall-Sensoren, die zur Erfassung eines magnetischen Flusses eingesetzt werden. Dieser magnetische Fluss wird von einem Permanentmagneten 28 bereitgestellt, der gegenüberliegend zur Sensorkomponente 26 an einer Montagefläche 45 des Ventilgehäuseunterteils 21 angebracht ist. Der magnetische Fluss ist abhängig von einem Abstand 44 zwischen den Permanentmagneten 28 und der Sensorkomponente 26 und nimmt mit zunehmendem Abstand 44 ab, so dass der von der Sensorkomponente 26 ermittelte magnetische Fluss als Maß für den Abstand 44 zwischen Sensorkomponente 26 und Permanentmagnet 28 dienen kann.
-
Zwischen dem Mittelabschnitt 37 und dem ersten Endbereich 34 ist eine rein exemplarisch nutförmig ausgebildete Ausnehmung 39 im Biegebalken 31 vorgesehen, die ein Festkörpergelenk 36 bildet. Der erste Endbereich 34, der Mittelabschnitt 37 und der zweite Endbereich 35 sind in den drei Raumrichtungen 71, 72 und 73 eines in den 2 und 3 jeweils mit zwei senkrecht zueinander ausgerichteten Pfeilen symbolisierten kartesischen Koordinatensystems derart dimensioniert, dass sie bei einem bestimmungsgemäßen Gebrauch des Biegebalkens 31 keine nennenswerte elastische Deformation oder eine plastische Deformation erfahren würden. Hingegen ist der Biegebalken 31 zur Bildung des Festkörpergelenks 36 durch die Ausnehmung 39 in der zweiten Raumrichtung 72 deutlich dünner dimensioniert als die übrigen Bereiche 34, 35 und 37 des Biegebalkens 31, so dass bei einem bestimmungsgemäßen Gebrauch eine rein elastische Deformation im Bereich des Festkörpergelenks 36 auftritt. Rein exemplarisch ist in den Darstellungen der 2 und 3 eine parallel zur dritten Raumrichtung 73 ausgerichtete Biegeachse 40 eingezeichnet, um die eine Bewegung des Mittelabschnitt 37 und des zweiten Endbereichs 35 gegenüber dem ersten Endbereich 34 stattfindet.
-
Um eine definierte Vorzugsstellung für den Biegebalken 31 zu gewährleisten ist an einer Unterseite 41 des Ventilgehäuseoberteils 22 eine Blattfeder 42 festgelegt, die mit einem ersten Ende 63 auf eine Justierschraube 30 aufliegt und die mit einem zweiten Ende 64 auf dem Zentrierabschnitt 55 des Spulenkörpers 53 aufliegt. Eine Vorspannung der Blattfeder 42 kann durch eine Schraubbewegung der Justierschraube 30, die in einer Gewindebohrung 29 des Ventilgehäuseunterteils 21 eingeschraubt ist, eingestellt werden. Die Vorspannung für die Blattfeder 42 wird derart gewählt, dass das als Ventilglied dienende Dichtelement 25 in einem energielosen Zustand des Fluidventils 1 zuverlässig abdichtend auf der als Ventilsitz dienenden vierten Mündungsöffnung 17 aufliegt. Ferner wird die Vorspannung für die Blattfeder 42 so gewählt, dass bei einer Bereitstellung von elektrischer Energie an den elektrischen Ventilantrieb 50 eine Auslenkung des Mittelabschnitt 37 und des zweiten Endbereichs 35 um die Biegeachse 40 stattfindet. Diese Relativbewegung gegenüber dem ersten Endbereich 34 ist durch die Pfeildarstellungen in der 2 symbolisiert.
-
Die elektrischen Sensorsignale der Sensorkomponente 26 werden über die nicht dargestellten Leiterbahnen der gedruckten Schaltung zur Auswerteschaltung 27 übertragen und dort eine Auswertevorgang zugeführt. Das Ergebnis dieses Auswertevorgangs ist ein Positionssignal, das den Abstand 44 repräsentiert und das als Analogsignal, insbesondere als Spannungspegel oder als Strompegel, oder als digital codiertes Signal über die nicht dargestellten Leiterbahnen an wenigstens einem der Kontaktstifte 7 bereitgestellt werden kann.
-
An der Unterseite des Biegebalkens 31, wie sie schematisch in der 3 gezeigt wird, sind eine erste Kontaktfeldanordnung 75 für eine elektrische Kontaktierung der Sensorkomponente 26 sowie eine zweite Kontaktfeldanordnung 76 für eine elektrische Kontaktierung der Auswerteschaltung 27 vorgesehen. Ferner geht aus der Darstellung der 3 die Aufnahmebohrung 38 für den Zentrierabschnitt 55 des Spulenkörpers 53 hervor. Die Kontaktstifte 7 sind ebenfalls in der Darstellung der 3 gezeigt. Darüber hinaus ist aus der Darstellung der 3 die Ausgestaltung des Festkörpergelenks 36 zu erkennen. Hierzu erstreckt sich die Ausnehmung 39 längs der dritten Raumrichtung 73 über den Biegebalken 31, wodurch auch die Lage der Biegeachse 40 bestimmt wird. Rein exemplarisch sind an der Unterseite des Biegebalkens 31 mehrere jeweils parallel zueinander angeordnete und nicht als elektrische Leiterbahnen dienende, jedoch in gleicher Weise wie die nicht gezeigten elektrischen Leiterbahnen ausgebildete Metallfolienstreifen 46 vorgesehen, die zur Stabilisierung des Festkörpergelenks 36 dienen. Am Biegebalken 31 ist zudem eine Durchgangsbohrung 47 für die Justierschraube 30 ausgebildet.
-
Bei der in 4 dargestellten Variante eines Fluidventils 81 ist auf der gedruckten Schaltung des Biegebalkens 82 unmittelbar oberhalb des Dichtelements 25 eine nur symbolisch dargestellte Planarspule 83 angeordnet, die elektrisch mit der Auswerteschaltung 27 verbunden ist. Ferner erstreckt sich ausgehend von der als Ventilsitz dienenden vierten Mündungsöffnung 17 eine Metallhülse 84 in Richtung der zweiten Mündungsöffnung 11. Mit dieser Konfiguration können bei einer Bestromung der Planarspule 83, die vorzugsweise mit einer hochfrequenten Wechselspannung vorgenommen wird, Wirbelströme in der Metallhülse 84 hervorgerufen werden, die zu einer messbaren Beeinflussung der Bestromung der Planarspule 83 führen. Hiermit ist eine Bestimmung eines Abstands 85 zwischen den Dichtelement 25 und der vierten Mündungsöffnung 17 möglich.
-
Bei der in 5 dargestellten Variante eines Fluidventils 91 ist am Spulenkörper 92 zusätzlich zur Spulenwicklung 54 eine Messspule 93 ausgebildet, mit deren Hilfe der magnetische Fluss im Ringspalt 65 bestimmt werden kann, um darüber den Abstand zwischen dem Dichtelement 25 und der vierten Mündungsöffnung 17 zu ermitteln.
