DE112004000264T5

DE112004000264T5 - Elektromagnetische Ventilanordnung

Info

Publication number: DE112004000264T5
Application number: DE112004000264T
Authority: DE
Inventors: Michael G. Torrance Seil
Original assignee: Sturman Industries Inc
Current assignee: Sturman Industries Inc
Priority date: 2003-02-06
Filing date: 2004-01-30
Publication date: 2006-01-19
Anticipated expiration: 2024-01-31
Also published as: DE112004000264B4; SE0501771L; CN1816709A; WO2004072522A1; KR101045991B1; US6722628B1; SE528932C2; JP2006517280A; KR20050101325A; CN100396981C

Abstract

Eine Fluid-Ventilanordnung (10), enthaltend:
eine elektrische Betätigungswicklung (40) mit einer Bohrung;
ein oberes Polstück (38), ein unteres Polstück (36) mit einer Bohrung und einen Anker (42), die alle aus magnetischen Materialien gebildet sind;
wobei die oberen und unteren Polstücke außerhalb eines Außendurchmessers der Betätigungswicklung permanent verbunden sind, um wenigstens einen Teil des Außengehäuses (20) der Ventilanordnung zu bilden und den Außendurchmesser der Betätigungswicklung mit magnetischem Material zu umfassen;
wobei der Anker eine äußere Peripheriefläche hat, die in der Bohrung des unteren Endes des unteren Polstücks gleitet, wobei der Anker so ausgebildet ist, daß er in der Bohrung des unteren Endes des unteren Polstücks und in die Bohrung der Betätigungswicklung aufwärts in eine zurückgezogene Position gleitet, in der eine obere Fläche des Ankers gegen eine kooperativ angeordnete Fläche des oberen Polstücks stößt;
wobei ein mit dem unteren Ende des unteren Polstücks permanent verbundenes Ventil-Sitzbauteil (24) einen...

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet elektromagnetisch betätigter Ventilanordnungen.
2. Stand der Technik
Sitzventile verschiedener Konstruktionen sind im Stande der Technik bekannt. Derartige Ventile sind durch einen Ventilkörper charakterisiert, der in einer Richtung allgemein rechtwinkelig zur Ebene des Ventilsitzes zwischen einer Ventil-Offen-Position und einer Ventil-Schließ-Position bewegbar ist. Von besonderer Bedeutung für die Erfindung sind Solenoidbetätigte Sitzventile. Solche Ventile haben eine Betätigungsspule, die bei elektrischer Erregung den Ventilkörper in die Ventil-Offen- (oder -Schließ) -Position überführt, wobei eine mechanische Rückholfeder den Ventilkörper in die Ventil-Schließ- (oder -Offen) -Position versetzt, wenn der Magnetkreis entregt wird.
Die Konfiguration und Konstruktion von Solenoid-betätigten Sitzventilen (poppet valves) variieren in Abhängigkeit von der beabsichtigten Anwendung der Ventile und verschiedenen Wahlalternativen, die während der Ventil-Konstruktionsphase gemacht werden, beträchtlich. Es werden jedoch zwei allgemein konstruktive Ausführungsformen üblicherweise verwendet, die entweder einzeln oder gemeinsam in eine einzige Ventilkonstruktion einbezogen werden können. Bei einer konventionellen Konstruktion sind verschiedene Teile zusammengeschraubt oder zusammengehalten durch komplementäre Gewindebauteile, die die Zerlegung, Montage und sogar den Ersatz von Teilen auf dem Gebiet ermöglichen. Bei einer konventionellen Konstruktion sind die verschiedenen Teile in verkapselter Form eines Gehäuses enthalten, das so konfiguriert ist, daß es zugriffsgesichert oder nicht ohne weiteres zerlegbar ist. Diese zuletzt genannte Konstruktion wird üblicherweise bei kleineren Sitzventilen verwendet, bei denen die Reparaturkosten die Ersatzkosten übersteigen können. Außerdem können solche Ventile, welche die Schlußinspektion im Zuge der Herstellung nicht durchlaufen haben, im Herstellerbetrieb zu Fehlersuche, Ersatz von Teilen usw. auseinandergebaut werden.
Die vorliegende Erfindung ist eine Ventilanordnung, die zur Herstellung in Miniaturform und zum Betrieb bei hoher Geschwindigkeit geeignet ist, wobei keine der o.g. herkömmlichen Konstruktionen praktikabel ist, und zwar aufgrund der Nachteile, die die zusätzlich erforderliche Masse eines zerlegbaren Ventils auf dessen Ansprechverhalten hat.
Kurzfassung der Erfindung
Beschrieben werden Ventile, die zum Herstellen als Miniaturventilanordnung geeignet sind. Die Ventile können in minimaler Ausstattung ein oberes Polstück, ein unteres Polstück und einen Anker aufweisen, die alle aus magnetischem Material bestehen. Die beiden Polstücke sind permanent verbunden, beispielsweise durch Preßsitz, Verschweißen und/oder Verkleben, um eine Betätigungsspule einzuschließen und den Magnetkreis für einen eingebauten Anker zu bilden. Ein Ventilsitzbauteil ist an das Ankerstück angeformt, mit diesem verrastet oder verhakt und von dem Anker eingeschlossen, um die Anordnung zu vervollständigen. Die Verwendung von vorgesehenen Permanentanordnungen und der Teile des Magnetkreises als Ventil-Außengehäuse oder Gehäuse ermöglicht die Realisierung von Ventilen kleinerer, niedrigerer Masse und höherer Betriebsgeschwindigkeiten im Vergleich zu herkömmlichen Ventilen anderer Konstruktionen oder unter Verwendung anderer Montagetechniken.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine erste Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer Miniatur-Sitzventilanordnung nach der Erfindung.
2 ist eine perspektivische Explosionsansicht der Miniatur-Sitzventilanordnung gemäß 1.
3 ist eine Schnittansicht der Miniatur-Sitzventilanordnung entlang der Linie 3-3 in 1.
4 ist eine vergrößerte Teilansicht des Bereichs 4 der 3.
5 ist eine Endansicht der Miniatur-Sitzventilanordnung entlang der Schnittlinie 5-5 in 1.
6 ist eine lokale Schnittansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
7 ist eine lokale Schnittansicht eines anderen alternativen Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
8 ist eine Kopie eines aktuellen Verlaufs des elektrischen Stroms über der Zeit während der Betätigung einer Ventilanordnung nach der vorliegenden Erfindung.
9 ist ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Spulenantriebssystems mit einer Ankunftssensorschaltung.
Detailbeschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Die Erfindung ist eine elektromagnetisch betriebene Ventilanordnung 10 mit einer besonderen Konstruktion, welche eine Kompaktbauweise mit niedriger Masse erleichtert. Bei einem nachfolgend genauer beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Sitzventilanordnung 10 ein Zwei-Wege-, Zwei-Positions-Typ von (z.B. pneumatischem) Ventil. Der Ventilkörper hat einen Durchmesser von etwa 0,9 cm und eine Länge von etwa 1,9 cm. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Hauptteile der Sitzventilanordnung 10, einschließlich einer Ankeranordnung, einer Rückholfeder, zwei stationären Teilen des Magnetkreises, einem Ventil-Sitzbauteil und einer elektromagnetischen Betätigungsspule unter Verwendung eines Preßsitzes für die beiden Hauptkomponenten des Magnetkreises und einer einzigen "Rast"- oder Preß- oder Hakenpassung oder einer Kombinationsanordnung der vorgenannten Ausführungen des Ventilsitzes an der o.g. Anordnung montiert. Eine Kapselungsoperation hält danach die Betätigungsspule und den Verbinder einer gedruckten Schaltungsplatine in Stellung, wodurch die Anordnung vervollständigt wird. Die Dichtungsspitze wird bei den in den 3 und 6 gezeigten Ausführungsbeispielen direkt an dem Anker angebracht, wodurch eine niedrige Masse und eine günstige Raumausnutzung im Ventilinnenraum ermöglicht wird. Das Ergebnis ist eine Preßpassungsanordnung, die direkt und ohne Verdrahtung mit einer gedruckten Schaltungsplatine verbunden ist, wobei die Pole selbst den oberen Teil des Gehäuses bilden, und wobei in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel das Gehäuse generell zugriffssicher selbst zum Zeitpunkt der Herstellung sein soll.
Im folgenden wird auf 1 Bezug genommen, in der eine Seitenansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zu sehen ist. Die Miniatur-Sitzventilanordnung 10 des dort gezeigten Ausführungsbeispiels hat einen zylindrischen Körper 20, eine Endkappenanordnung 22 und ein Ventilsitzbauteil 24. Das Ventilsitzbauteil 24 hat einen O-Ring oder ein anderes Dichtelement 26, der bzw. das in einer O-Ring-Nut angeordnet ist, und einen zweiten O-Ring oder ein anderes Dichtungsbauteil 28, das auch in einer dort ausgeformten O-Ring-Nut angeordnet ist, wobei eine oder mehrere (z.B. vier) Öffnungen bzw. Ports 30, die in einem ausgenommenen Abschnitt 32 des Ventilsitzbauteils 24 zwischen O-Ringen 26 und 28 ausgebildet sind, eine Fluidverbindung mit dem Inneren des Ventilsitzbauteils 24 bilden. Am Boden des Ventilsitzbauteils 24 ist auch eine zweite Öffnung oder ein zweites Port gebildet, das allgemein mit dem Bezugszeichen 34 bezeichnet ist, dessen Einzelheiten unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren genauer beschrieben werden. Aufgrund der Anordnung des Ventils selbst wird die Spitze zum Port vorbelastet, um das abgedichtete Gehäuse zu bilden.
Im folgenden wird auf 3 Bezug genommen, in der die Miniatur-Sitzventilanordnung 10 der 1 und 2 zu sehen ist. Der in 1 gezeigte zylindrische Körper 20 ist tatsächlich das untere Polstück der 2 und 3, das zusammen mit dem oberen Polstück 38 den größten oder einen wesentlichen Teil des äußeren Gehäuses der Sitzventilanordnung 10 sowie den stationären Teil des Magnetkreises bildet, der die elektromagnetische Betätigungsspule bzw. Stellgliedwicklung 40 einschließt. Innerhalb des unteren Polstücks 36 ist ein bewegba rer Anker 42 mit einem an dessen unteren Ende integrierten Ventil-Schließkörper 44 angeordnet. Der Ventil-Schließkörper, der vorzugsweise aus einem Standard- und/oder leichtgewichtigen Gummi oder Kunststoffmaterial, wie Nitril oder Viton gebildet ist, kann durch Einformen oder Pressen, Zementieren oder eine andere Verbindungsart mit dem Anker 42 verbunden sein. Eine Rückholfeder 46, die zwischen dem unteren Polstück 36 und einer Ringschulter 47 im unteren Ende des Ankers wirksam ist, spannt den Anker in die Ventil-Schließposition gemäß 3 vor, bei der eine Fluidverbindung zwischen Port 34 und Ports 30 unterbrochen ist. Elektrische Erregung der Betätigungsspule 40 erzeugt jedoch eine magnetische Anziehungskraft am oberen Ende des Ankers, die den Anker bündig gegen die benachbarte Fläche des oberen Polstücks und den Ventil-Schließkörper 44 weg von dem benachbarten Ventilsitz 49 im Ventilsitzbauteil 24 zieht, um eine Fluidverbindung zwischen Port 34 und Ports) 30 herzustellen. Der "Preßsitz" und/oder die Schweißverbindung der Bauteile 38, 36 und 42 schaffen ein "leckfreies" Ventil, so daß das gesamte Fluid, das durch 34 strömt, durch 30 austritt.
Einzelheiten der Endkappenanordnung 22 (1) mit dem oberen Polstück 38 sind in der Explosionsansicht gemäß 2 zu sehen. Das obere Polstück 38 hat bei diesem Ausführungsbeispiel eine relativ große Nut 48 an seiner Deckseite mit zwei Durchgangsbohrungen 50 (nur eine ist in 2 sichtbar) für die beiden elektrischen Leitungsdrähte (nicht gezeigt) der Betätigungsspule 40. Diese Leitungen sind mit Anschlüssen 52 eines Miniaturverbinders 57 verbunden, der passend in die Nut 48 im oberen Polstück 38 eingreift. Die Wicklung 40 kann auf eine Befestigung ohne Spule gewickelt sein, wie bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel; jedoch kann eine Spule, wie die Spule 56 (2) verwendet werden.
Der Verbinder 54 paßt in die Nut 48 des oberen Polstücks 38, wobei der Rest der Nut typischerweise mit einem geeigneten warmaushärtenden Harz verfüllt ist, um den Verbinder festzuhalten, die Leitungsdrähte für die Wicklung 40 zu verkapseln und die Spule 56 durch Löcher 50 im oberen Polstück 38 zu bon den, damit jegliche Bewegung der Betätigungswicklung 40 in der endgültigen Anordnung verhindert ist. Die Verfüllung, die generell durch das Bezugszeichen 58 in 2 dargestellt ist, kann in einer Befestigung oder alternativ in einer vorgeformten Kappe, z.B. einer Spritzgießkappe vorgesehen sein, die generell in der gezeigten Form sowohl als Verfüllungsbefestigung für jedes entsprechende Sitzventil als auch als permanenter Teil des Ventils verwendet werden kann. Vorzugsweise ist die Kappe und/oder die Verfüllung von der Nut 48 (2) begrenzt. Nach dem Verfüllen kann das Ventil (über Stifte) direkt mit einer gedruckten Schaltungsplatine verbunden werden. Keine Drähte oder Zwischenverbinder sind notwendig.
Im folgenden wird auf 5 Bezug genommen, in der eine Bodenansicht des Ventilsitzbauteils 24 zu sehen ist. Das Ventilsitzbauteil hat eine Öffnung oder einen Port 34 (siehe auch 1 und 3), die bzw. das an dessen innerem Ende endet, um einen Ventilsitz zubilden, der mit dem Ventil-Schließkörpers 44 zusammenwirkt. Verlaufend in mehreren (z.B. vier) radialen Richtungen vom Port 34 sind Nuten 60 (siehe 1, 3 und 5) im Ventil-Sitzbauteil 24 ausgebildet, um Fluid-Durchflußkanäle zu bilden, welche Verbindungen mit dem Port 34 selbst dann herstellen, wenn die Sitzventilanordnung 10 in einer Anwendung verwendet wird, bei der deren Ende 62 bündig gegen eine Montagefläche des Ventils stößt. Diese Schlitze dienen außerdem zur Verringerung der Ventillänge, indem der Fluiddurchlaß als integraler Teil des Sitzes ausgebildet ist.
Im folgenden wird auf 4 Bezug genommen, in der die Bereiche 4-4 der 3 zu sehen sind. Der untere Rand des unteren Polstücks 36 hat einen relativ kleinen Ringansatz 62, der an dem unteren Ende ausgebildet ist. Das Ventilsitzbauteil 24 hat eine kooperativ angeordnete Ringnut 64 zur Aufnahme und Halterung des Ringansatzes 63 an dem unteren Polstück 36. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Ventilsitzbauteil 24 ein gegossenes, nicht-metallisches Bauteil mit ausreichender Eignung zum Ermöglichen eines Preßsitzes des unteren Endes des unteren Polstücks 36 in die Oberseite des Ventilsitzes, um eine dichte Rastpassung dieser beiden Teile zu ermöglichen. Delrin-Material wird bei einem Ausführungsbeispiel verwendet.
Das untere Polstück 36, das obere Polstück 38 und der Anker 42 sind aus magnetischen Materialien, typischerweise, jedoch nicht notwendigerweise, alle aus dem gleichen Material gebildet, und vorzugsweise wird ein ferromagnetisches Material vorzugsweise teilweise so gewählt, daß es minimale Verschleißcharaktistiken und hohe magnetische Hysterese hat. Wenn auch zahlreiche Materialien verwendet werden können, ist ein gut brauchbares Material 4140 Stahl.
Im folgenden wird wiederum auf 2 Bezug genommen. Zu Zusammenbauzwecken sind bei diesem Ausführungsbeispiel das obere Polstück 38 und das untere Polstück 36 so dimensioniert, daß sie eine Preßpassung miteinander bilden. Daher können bei eingebauter Betätigungswicklung 40 (in dem dargestellten Ausführungsbeispiel bereits zusammengebaut als Teil der Endkappenanordnung 22) das obere Polstück 38 und das untere Polstück 36 permanent zusammengepreßt sein. Soweit gewünscht, kann eine geeignete Bondtechnik, z.B. Laserschweißung oder ein Klebstoffzement verwendet werden, um die Verbindung dieser beiden Teile zu verstärken oder auch in der Verwendung als Alternative zu einer Preßpassung. Als eine wiederum andere Alternative kann das Oberteil des unteren Polstücks 35 oder der Bodenteil des oberen Polstücks 38 in eine kleine Nut eingerollt werden, die zu diesem Zweck vorgesehen ist, obwohl zumindest in einigen Anwendungen aus Verschleißgründen die magnetischen Materialien für normale Rolloperationen mechanisch zu hart sein können. welche Verbindungsmethode auch immer verwendet wird, sollte diese Verbindung vorzugsweise als Permanentverbindung vorgesehen sein, da die Teile zu klein und/oder zu preiswert sind, um Befestigungselemente oder Befestigungstechniken einzusetzen, die ein Zerlegen und einen erneuten Zusammenbau bei Bedarf ermöglichen.
Sobald das obere Polstück 38 und das untere Polstück 36 permanent zusammengebaut sind, werden die Ankeranordnung (Anker 42 mit angebrachtem Ventil-Schließkörper 44) und die mechanische Rückholfeder 46 in Stellung gebracht. Danach wird das Ventilsitzbauteil 24 auf das untere Ende des unteren Polstücks 36 gepreßt, um in seine endgültige Montageposition zu "rasten". Die O-Ringe 26 und 28 werden danach typischerweise hinzugefügt. Natürlich erleichtern die O-Ringe eine spezielle Art der Montage, wenn auch andere Monatagearten und Ventilabdichtungen bei Bedarf integriert werden können. Als ein Beispiel kann Flanschmontage mit Rohrverbindungen vorzugsweise durch Ausbildung eines Flansches typischerweise an dem unteren Polstück 36 oder dem Ventilsitzbauteil 24 vorgesehen sein. In alternativer Ausführung könnte Gummi an 34 anstelle von O-Ringen angeformt werden, um eine einstückige Anordnung zu bilden.
Das Ergebnis ist eine miniaturisierte Solenoid-betätigte pneumatische Ventilanordnung 10 mit einer minimalen Anzahl von Teilen in permanenter Montageanordnung, die zur Verwendung bei der Steuerung von Gas- oder Flüssigkeitsströmen je nach Ventilanwendung geeignet ist. In diesem Zusammenhang, während das untere Ende des Ankers 42 mit einem flanschartigen Vorsprung zur Aufnahme der Rückholfeder 46 gezeigt ist, kann der flanschartige Ansatz gezahnt oder in anderer Weise in Abschnitten unterbrochen sein, um die interne Fluid-Strömungszone innerhalb des Ventilsitzbauteils 24 zu erhöhen und die Strömung und/oder den Betrieb des Ventils einschränkende Viskoseeffekte zu reduzieren.
Obwohl es nicht notwendig ist, alle Merkmale eines der Ausführungsbeispiele in eine speziellen Konstruktion einzubeziehen, bilden das Fehlen externer Anschlußmittel oder – Mechanismen, die Integration von Anker und Sitz, die Verwendung einer nicht-metallischen Außenseite des Magnetkreises und der Anschluß einer integrierten gedruckten Schaltungsplatine eine Kombination mit der magnetischen Verriegelungsfähigkeit, um eine Ventilkonstruktion sehr geringer Masse und der Eignung zu Hochgeschwindigkeitsbetrieb mit guter Rückfederung zu hoher "g"-Belastung zu ermöglichen.
Die Ventilanordnungen 10 nach der Erfindung können zur Hochgeschwindigkeitssteuerung von Fluid-Strömen in jede Richtung verwendet werden. Wenn bei geschlossenem Ventil der rela tiv höhere Fluiddruck an dem Port 34 ansteht, muß die Rückholfeder 46 eine geeignete Kraft haben, um den Ventil-Schließkörper 44 trotz des Differenzdruckes, der den Ventil-Schließkörper 44 in Richtung der Offenstellung drängt, auf seinem Sitz zu halten, jedoch darf die Kraft nicht so groß sein, daß die Rückholfeder 46 die von der Betätigungswicklung 40 erzeugten Magnetkräfte übersteigt und das Ventil nicht geöffnet werden kann. Wenn bei geschlossenem Ventil-Schließkörper 44 der relativ geringere Fluiddruck am Port 34 ansteht, dann müssen die von der Betätigungswicklung 40 zum Öffnen des Ventil-Schließkörpers 44 erzeugten magnetischen Kräfte größer sein als die den Ventil-Schließkörper 44 gegen den Differenzdruck an dem Ventil-Schließkörper geschlossen haltende Kraft plus der Kraft der Rückholfeder. Bei einigen Ausführungsbeispielen ist die Rückholfeder so gewählt, daß die Betätigungswicklung 40 mit einem elektrischen Stromimpuls gepulst werden kann, um den Ventil-Schließkörper 44 entgegen dem Fluid-Differenzdruck zu öffnen, der den Ventil-Schließkörper 44 geschlossen zu halten sucht. Der Anker 42 und der Ventil-Schließkörper 44 sind für sehr hohe Operationsgeschwindigkeiten und -frequenzen zwischen ihren Offen- und Schließstellungen geeignet. Nach Abfall des elektrischen Stromimpulses stellt der restliche Magnetismus der Komponenten des Magnetkreises eine magnetische Anziehungskraft zur Verfügung, die die Kraft der Rückholfeder übersteigt, um den Anker 42 zu halten (d.h. magnetisch zu verriegeln) (und dementsprechend den Ventil-Schließkörper 44 offen zu halten). Dies ermöglicht das Öffnen des Ventils über eine beträchtliche Zeitspanne bei Verwendung eines nur kurzen elektrischen Stromimpulses für maximale Öffnungskraft. Elektrische Stromimpulse können daher zum Einsatz kommen, die anderenfalls die Betätigungswicklung 40 überhitzen und beschädigen würden, wenn ein derartiger elektrischer Strompegel über eine größere Ventil-Offen-Periode aufrechterhalten wird. Dadurch wird auch die Größe der benötigten Betätigungswicklungs-Antriebsschaltung reduziert. Zum Schließen des Ventils, das in Offenstellung magnetisch verriegelt ist, kann ein elektrischer Stromimpuls geringerer Ampli tude in der entgegengesetzten Richtung verwendet werden, um die Komponenten des Magnetkreises merklich zu entmagnetisieren, wodurch die Rückholfeder das Ventil schließen kann. Alternative Ausführungsbeispiele können eine rasch abfallende sinusförmige Stromwelle verwenden, um die Verriegelungskraft zu beseitigen und das Schließen des Ventils zu ermöglichen.
Obwohl das hier beschriebene Ausführungsbeispiel einen Durchmesser von nur etwa 0,89 cm und eine Länge von etwa 1,9 cm hat, können ähnliche Konstruktionen und Montagetechniken für Ventile anderer Größen verwendet werden, beispielsweise Ventile von etwa 1,3 cm Durchmesser und etwa 2,5 cm Länge. Selbst größere Ventile können nach der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, obwohl besonders große Ventile sowohl physikalisch als auch ökonomisch für die Einbeziehung reversibler Montagetechniken geeigneter sind.
Im folgenden wird auf 6 Bezug genommen, in der eine Schnittansicht ähnlich der Schnittansicht in 4, eines alternativen Ausführungsbeispiels zu sehen ist. Dieses Ausführungsbeispiel kann im übrigen identisch dem Ausführungsbeispiel nach den 1 bis 5 und 7 sein. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 6 sind Kunststoffbauteile 70 und 72 zwischen der Feder 46 und dem untere Polstück 36 bzw. der Feder 46 und dem bewegbaren Anker 42' eingebaut. Diese Kunststoffteile verhindern einen Metall-zu-Metall-Kontakt zwischen der Feder und den entsprechenden benachbarten Bauteilen und vermeiden dadurch einen möglichen Verschleiß und die Bildung von Ablagerungen durch Bewegung zwischen den entsprechenden Metallbauteilen.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 6 hat das untere Polstück 36' einen integralen Haken 74, der an den ringförmigen Ansatz 76 angeformt ist, wobei der Haken 74 eine Eingriffspassung mit dem Innendurchmesser des Ventilsitzbauteils 24' hat. Es ist in diesem Zusammenhang zu sehen, daß die Schnittansicht gemäß 6 ähnlich derjenigen gemäß 4 des zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiels ausgebildet ist, jedoch unter einem Winkel von 45° zwischen Ports 30 geschnitten ist, d.h. auf der Hälfte zwischen Ports 30 (siehe 1, 3 und 4) im Ventilsitzbauteil 24'. Der Schnitt gemäß 6 ist unter 45° gelegt, um die Art und Weise darzustellen, in der der Haken 74, der aus Klarheitsgründen vergrößert gezeigt ist, in den Gegenkörper eindringt und eine Verriegelung mit dem Ventilsitzbauteil 24' hervorruft, wenn das Ventilsitzbauteil 24' und das untere Polstück 36 während des Zusammenbaus zusammengedrückt sind, um die Bauteile permanent zusammenzuhalten. Das Ventilsitzbauteil 24' kann anfänglich mit einer entsprechenden Ausnehmung versehen sein (oder auch nicht), und demgemäß erhält der Haken automatisch einen Sitz mit den Teilen in der vollständig zusammengebauten Position. Gegebenenfalls kann der Eingriff des Hakens durch Pressen oder Rollen unterstützt werden oder durch Anwendung von Ultraschallenergie an dem Umfang des Ventilsitzbauteils 24'. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 6 hat der Innenumfang des Ventilsitzbauteils 24' eingeformte vertikale Nuten in den Bereichen der Ports 30 (1), um eine größere Strömungszone durch das Ventil zur Verfügung zu stellen, und demgemäß treten die Haken mit der Innenwand des Ventilsitzbauteils 24' nur in den Bereichen zwischen den Ports in Wechselwirkung.
Im folgenden wird auf 7 Bezug genommen, in der ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung zu sehen ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel können das obere Polstück 78 und das untere Polstück 80 unter Verwendung einer geeigneten Befestigung verschweißt werden, um die Ausrichtung der beiden Teile während des Schweißvorgangs aufrechtzuerhalten. Das Ventilsitzbauteil in den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen besteht jetzt aus zwei Bauteilen 82 und 84, wobei das Bauteil 80 einen O-Ring 86 hat, der den Luftstrom über den O-Ring einschränkt oder verhindert. Der bewegbare Anker 42'' weist einen integralen, schirmförmigen unteren Ansatz 88 auf, der den elastomeren O-Ring 90 zur Herstellung der Dichtung an dem Ventilverschluß hält. Bei diesem Ausführungsbeispiel können die Bauteile 82 und 84 und das untere Polstück 80 unter Verwendung einer Preßpassung miteinander befestigt werden, obwohl andere Montageformen dieser Teile möglich sind und/oder die oberen und unteren Polstücke in geeigneter Form verwendet werden können.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist deren Fähigkeit, die Ankunft des bewegbaren Ankers 42 (oder 42' oder 42'') an dessen betätigter Position sensorisch abzutasten. Das Prinzip, welches die Abtastung ermöglicht, läßt sich wie folgt zeigen. Es sei für den Moment angenommen, daß der Widerstand der Betätigungswicklung 44 (siehe 2 und 3) auf einem besonderen Wert ist, die Permeabilität des Magnetkreises sehr hoch ist und die Sättigungs- und Leckeffekte vernachlässigbar sind. Bei einer Schaltung, bei der sich die Induktanz einer idealen Wicklung in Abhängigkeit von der Schaltungsgeometrie ändert, ist die Spannung e an der Induktanz L als eine Funktion des Stroms i in dem Induktor zu einem Zeitpunkt t gegeben durch die Gleichung:
Die Induktanz der Spule wird: L = k/x = kx–1 wobei:

k: = eine Konstante
x: = der Spalt im Magnetkreis.

Die Änderungsgeschwindigkeit der Induktanz mit der Zeit t ist:
Daher:
Zu beachten ist, daß bei Betätigung (Anlegen einer Spannung e an die Betätigungswicklung 40) der Spalt x abnimmt, sich in Richtung auf etwa 0 vermindert und der Strom i anfänglich von 0 zunimmt. Demgemäß wird dx/dt während der Betätigungsbewegung negativ, so daß der dL/dt-Ausdruck positiv wird und zunimmt. Wenn der dL/dt-Ausdruck die angelegte Spannung e übersteigt, so wird di/dt während eines Teils der Bestätigungsbewegung negativ. Wenn der Spalt im wesentlichen null wird, hält der Anker an. Jetzt wird der dL/dt-Ausdruck null, so daß bei den früheren Annahmen die Änderungsgeschwindigkeit des Stroms (di/dt) wiederum positiv wird wie folgt:
Im folgenden wird auf 8 Bezug genommen, in der eine Kopie einer aktuellen Kurve eines Stromverlaufs über der Zeit während der Betätigung eines erfindungsgemäßen Ventils zu sehen ist. Der Abfall von di/dt während der Anfangsbewegung, der tatsächlich später negativ wird, ist sehr deutlich. Ebenfalls sehr deutlich ist das Ende der Betätigungsbewegung, an welchem Punkt di/dt sich umgekehrt und abfällt auf einen Dauerzustands-Betätigungsstrom, der von dem widerstand der Wicklung (oder von anderen Mitteln) begrenzt ist.
Die Änderungsgeschwindigkeit des Stroms bei der Betätigung (di/dt) kann durch verschiedene Mittel auf einfache Weise abgetastet werden. Beispielsweise kann der Strom in der Wicklung durch einen Serienwiderstand und mit analogen Schaltungen erfaßt werden, wobei die plötzliche Änderung von di/dt durch Messung von d²i/dt² unter Verwendung eines Paars von seriengeschalteten Differenzschaltungen gemessen wird. Die plötzliche Änderung von di/dt von einem stark negativen Wert in einen stark positiven Wert zeigt sich als starke Spitze in d²i/dt². Sie kann auch erfaßt werden durch Spitzendetektoren, indem die erste Stromspitze erfaßt wird, um einem zweiten Detektor die Möglichkeit zu geben, den folgenden Minimalstrom zu detektieren.
Bei anderen Konfigurationen und Anwendungen kann es sein, daß der dL/dt-Ausdruck nicht größer wird als die angelegte Spannung, bevor das Stellglied die Betätigungsstellung erreicht. Aber selbst dann nimmt der Ausdruck di/dt ab (wird jedoch nicht negativ), bis das Stellglied die betätigte Stellung erreicht, worauf der di/dt-Ausdruck einen Sprung auf einen positiveren Wert macht. Demgemäß wird die Ankunft des Stellglieds an der Betätigungsstellung durch eine plötzliche Zunahme des di/dt-Ausdrucks nach Beginn der Betätigung angezeigt, was wiederum durch eine Spitze von d2i/dt2 angezeigt wird. In jedem Falle kann die Anzeige der Ankunft verwendet werden, um die Energiezufuhr zum Ventil zu beenden, wenn eine magnetische Verriegelung verwendet wird, typischerweise nach einer möglichen Prellzeit. Wenn andererseits die Federkraft eine magnetische Verriegelungstendenz übersteigt, kann der Betätigungsstrom reduziert werden auf einen weit niedrigeren Haltestrom. Dies reduziert den Energieverbrauch und ermöglicht eine Übersteuerung der Wicklung, wenn dies aus Gründen der Geschwindigkeit erwünscht oder benötigt wird, ohne die Wicklung zu überhitzen. Das Abtasten der vollen Betätigung auf diese Weise kann auch zu Diagnosezwecken durch Feststellen einer Zunahme oder Unregelmäßigkeit in den Betätigungszeiten jedes Ventils verwendet werden.
Ein Blockdiagramm für ein Ausführungsbeispiel einer Steuerschaltung zur Wicklungserregung, das dieses Merkmal beinhaltet, ist in 9 zu sehen. Der Stellbefehl wird an die Wicklungserregerschaltung angelegt, welche elektrische Energie an eine Reihenschaltung aus der Wicklung und einem Abtastwiderstand liefert, wobei der Abtastwiderstand zwischen der Wicklung und zweckmäßigerweise Masse angeordnet ist. Die Ankunftsabtastschaltung erfaßt die Spannung am Abtastwiderstand, um die Ankunft des bewegbaren Ankers 42 (42', 42'') in der Betätigungsposition festzustellen, und liefert ein Rückkopplungssignal, vorzugsweise nach einer geeigneten Prellzeit, um die Wicklungserregung abzuschalten, wenn eine magnetische Verriegelung verwendet wird, oder das Ausgangssignal der Wicklungserregungsschaltung zu reduzieren, wenn keine magnetische Verriegelung verwendet wird, wobei im letztgenannten Fall die Unterbrechung des Haltestroms den bewegbaren Anker 42 (42', 42'') freigibt.
Gewisse bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung wurden hier im einzelnen beschrieben, welche zahlreiche Merkmale zur Miniaturisierung von Ventilen beinhalten, die für hohe Betriebsfrequenzen (solche bis zu 1000 Hz) geeignet sind, eine rasche Ansprechzeit (beispielsweise 0,4 bis 0,6 ms) und eine geringe Leistungsaufnahme (beispielsweise 0,125 W im Betrieb bei 100 Hz), eine geringe Größe und niedrige Leckströme haben (die in Klammern gesetzten Angaben sind Repräsentativwerte für das Ausführungsbeispiel eines magnetisch verriegelbaren Ventils; sie stellen jedoch nicht notwendigerweise die erzielbare Leistungsgrenze dar). Es ist jedoch einzusehen, daß nicht alle Merkmale jedes Ausführungsbeispiels der Erfindung einbezogen werden müssen, da einzelne Merkmale und Unterkombinationen von Merkmalen verwendet werden können. Beispielsweise ist die Verwendung permanenter Montagetechniken bevorzugt, obwohl halbpermanente Techniken ggf. auch verwendet werden können. Auch das Abtasten der Beendigung der Betätigung ist vorteilhaft, wenn auch nicht unverzichtbar bei der Realisierung der Erfindung, und alternativ kann die Erfindung mit anderen als den beschriebenen Ventilen realisiert werden. Daher soll die vorstehende Beschreibung rein illustrativ und nicht im Sinne einer Einschränkung der Erfindung verstanden werden, da zahlreiche alternative Ausführungsform im Rahmen des Erfindungsgedankens möglich sind, soweit sie für den einschlägigen Fachmann offensichtlich sind. Obwohl verschiedene bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung vorstehend beschrieben worden sind, ist es für den Fachmann klar, daß zahlreiche Änderungen nach Form und Einzelheiten im Rahmen des Erfindungsgedankens und des Schutzbereichs der nachfolgenden Ansprüche möglich sind.
ZUSAMMENFASSUNG
Für die Herstellung als miniaturisierte Ventilanordnung (10) geeignete Fluidventile. Die Ventile enthalten ein oberes Polstück (38), ein unteres Polstück (36) und einen Anker (42), die alle aus magnetischem Material bestehen. Die oberen und unteren Polstücke sind beispielsweise durch Preßpassung permanent miteinander verbunden, um eine elektromagnetische Stellgliedwicklung (40) zu umfangen, und sie bilden den Magnetkreis für einen bewegbaren Anker (42), der innen eingebaut ist. Ein Ventil-Sitzbauteil (24) ist an dem unteren Polstück angeformt, mit letzterem verpreßt, verrastet oder verzahnt und umfaßt den Anker und eine Anker-Rückholfeder (46) um die Anordnung zu vervollständigen. Die Verwendung der permanenten Anordnungen und der Teile des Magnetkreises als Ventil-Außengehäuse (20) ermöglicht die Realisierung von Ventilen in relativ geringer Baugröße und geeignet für relativ hohe Geschwindigkeiten und Frequenzen im Vergleich zu Ventilen anderer Konstruktionen oder anderer Montagetechniken.

Claims

Eine Fluid-Ventilanordnung (10), enthaltend: eine elektrische Betätigungswicklung (40) mit einer Bohrung; ein oberes Polstück (38), ein unteres Polstück (36) mit einer Bohrung und einen Anker (42), die alle aus magnetischen Materialien gebildet sind; wobei die oberen und unteren Polstücke außerhalb eines Außendurchmessers der Betätigungswicklung permanent verbunden sind, um wenigstens einen Teil des Außengehäuses (20) der Ventilanordnung zu bilden und den Außendurchmesser der Betätigungswicklung mit magnetischem Material zu umfassen; wobei der Anker eine äußere Peripheriefläche hat, die in der Bohrung des unteren Endes des unteren Polstücks gleitet, wobei der Anker so ausgebildet ist, daß er in der Bohrung des unteren Endes des unteren Polstücks und in die Bohrung der Betätigungswicklung aufwärts in eine zurückgezogene Position gleitet, in der eine obere Fläche des Ankers gegen eine kooperativ angeordnete Fläche des oberen Polstücks stößt; wobei ein mit dem unteren Ende des unteren Polstücks permanent verbundenes Ventil-Sitzbauteil (24) einen Ventilsitz (49) definiert, der einem unteren Endabschnitt des Ankers zugewandt ist und einen durchgehenden ersten Port (30) bildet, wobei das Ventil-Sitzbauteil auch wenigstens einen zweiten Port (34) definiert; wobei das untere Ende des Ankers einen Ventil-Schließkörper (44) in solcher Anordnung aufweist, daß er an dem Ventilsitz anliegt und mit diesem eine Dichtung eingeht, wenn sich der Anker in einer ausgefahrenen Position befindet; und wobei eine Rückholfeder (46) zwischen dem Anker und dem unteren Polstück angeordnet und derart vorgespannt ist, daß sie den Anker in Richtung der ausgefahrenen Position vorbelastet, wobei der Ventil-Schließkörper an dem Ventilsitz angreift und mit diesem dichtend zusammenwirkt.
Die Ventilanordnung (10) nach Anspruch 1, wobei der Ventil-Schließkörper (44) in dem Anker (42) gehalten ist und nach unten vorspringt, um an dem Ventilsitz (49) dichtend anzugreifen.
Die Ventilanordnung (10) nach Anspruch 1, wobei der Ventil-Schließkörper (44) einen O-Ring (90) aufweist, der von einer Verlängerung (88) des Ankers (42'') gehalten ist.
Die Ventilanordnung (10) nach Anspruch 1, wobei die oberen und unteren Polstücke (38, 36) im Preßsitz zusammengefügt sind.
Die Ventilanordnung (10) nach Anspruch 1, wobei die oberen und unteren Polstücke (38, 36) durch Bonden verbunden sind.
Die Ventilanordnung (10) nach Anspruch 1, wobei die oberen und unteren Polstücke (38, 36) durch Preßsitz und Zementkitt miteinander verbunden sind.
Die Ventilanordnung (10) nach Anspruch 1, wobei das Ventil-Sitzbauteil (24) aus Kunststoff besteht.
Die Ventilanordnung (10) nach Anspruch 7, wobei das Ventil-Sitzbauteil (24) mit dem unteren Ende des unteren Polstücks (36) durch eine Rastpassung permanent verbunden ist.
Die Ventilanordnung (10) nach Anspruch 1, ferner aufweisend einen elektrischen Verbinder (54), der auf der Oberseite des oberen Polstücks (38) angeordnet und mit der Betätigungswicklung (40) verbunden ist.
Die Ventilanordnung (10) nach Anspruch 6, wobei der Verbinder (54) in die Oberseite des unteren Polstücks (38) eingeformt ist.
Die Ventilanordnung (10) nach Anspruch 1, wobei die Rückholfeder (46) in der ausgefahrenen Position des Ankers (42) eine Federkraft entfaltet, die größer ist als die zum Halten des Ventil-Schließkörpers (44) in Anlage am Ventilsitz (49) entgegen den Fluid-Differenzdrücken über den Ventilsitz während der Benutzung benötigte Kraft, und in der zurückgezogenen Position eine Federkraft entfaltet, die kleiner ist als die aus dem Restmagnetismus in den oberen und unteren Polstükken (38, 36) und dem Anker entwickelte Kraft, wodurch dem Anker die Möglichkeit gegeben wird, sich in der zurückbezogenen Ankerstellung magnetisch zu verriegeln.
Die Ventilanordnung (10) nach Anspruch 1, wobei das obere Polstück (38), das untere Polstück (36) und der Anker (42) aus 4140 Stahllegierungsmaterial gebildet sind.
Die Ventilanordnung (10) nach Anspruch 1, wobei die Ventilanordnung eine Länge von weniger als etwa 2,54 mm und einen Durchmesser von weniger als etwa 1,3 cm hat.
Die Ventilanordnung (10) nach Anspruch 1, wobei die Fluid-Ventilanordnung eine Länge von etwa 1,9 cm und einen Durchmesser von etwa 0,89 cm hat.
Eine Miniatur-Sitzventilanordnung (10), enthaltend: eine elektromagnetische Stellgliedwicklung (40); ein oberes Polstück (38), ein unteres Polstück (36) mit einem eine Bohrung definierenden Endabschnitt und einen Anker (42), die alle aus magnetischen Materialien bestehen; wobei die oberen und unteren Polstücke außerhalb eines Außendurchmessers der Stellgliedwicklung permanent verbunden sind, um einen Teil des Außengehäuses (20) des Ventils zu bil den und den Außendurchmesser und das obere Ende der Stellgliedwicklung mit magnetischem Material einzuschließen; wobei der Anker einen ersten Ankerdurchmesser hat, der gleitend in der Bohrung des unteren Endabschnitts des unteren Polstücks und in die Stellgliedwicklung angeordnet ist, wobei der Anker so ausgebildet ist, daß er in der Bohrung des unteren Endes des unteren Polstücks aufwärts in eine zurückgezogene Stellung gleitet, in der eine obere Fläche des Ankers gegen eine kooperativ angeordnete Fläche des oberen Polstücks stößt; wobei ein mit dem unteren Ende des unteren Polstücks in Rastpassung verbundenes Ventil-Sitzbauteil (24) aus Kunststoff einen Ventilsitz (49) definiert, der einem unteren Ende des Ankers zugewandt ist und einen durchgehenden ersten Port (30) bildet, wobei das Ventil-Sitzbauteil auch wenigstens einen zweiten Port (34) definiert; wobei das untere Ende des Ankers mit einem polymeren Ventil-Schließkörper (44) verbunden ist, der nach unten vorspringt, um mit dem Ventilsitz in Anlage zu treten und eine Dichtung zu bilden, wenn sich der Anker in einer ausgefahrenen Position befindet; wobei eine Rückholfeder (46) zwischen dem Anker und dem unteren Polstück angeordnet und derart vorbelastet ist, daß sie den Anker in Richtung der ausgefahrenen Position drängt, wobei der Ventil-Schließkörper an dem Ventilsitz in Anlage steht und mit diesem eine Dichtung eingeht; und wobei ein elektrischer Verbinder (54) mit der elektromagnetischen Stellgliedwicklung gekoppelt und in die Oberseite des oberen Polstücks eingeformt ist.
Die Ventilanordnung (10) nach Anspruch 15, wobei der polymere Ventil-Schließkörper (44) in dem Anker (42) gehalten ist.
Die Ventilanordnung (10) nach Anspruch 15, wobei der polymere Ventil-Schließkörper (44) ein O-Ring (19) ist, der von einer Verlängerung (88) des Ankers (42'') gehalten ist.
Die Ventilanordnung (10) nach Anspruch 15, wobei die oberen und unteren Polstücke (38, 36) im Preßsitz zusammengefügt sind.
Die Ventilanordnung (10) nach Anspruch 15, wobei die oberen und unteren Polstücke (38, 36) durch Bonden miteinander verbunden sind.
Die Ventilanordnung (10) nach Anspruch 15, wobei die oberen und unteren Polstücke (38, 36) im Preßsitz und durch Bonden miteinander verbunden sind.
Die Ventilanordnung (10) nach Anspruch 15, wobei der Ventil-Sitzkörper (24) aus einem durablen Kunststoffmaterial besteht.
Die Ventilanordnung (10) nach Anspruch 15, wobei die Rückholfeder (46) in der ausgefahrenen Position des Ankers (42) eine Federkraft hat, die größer ist als die zum Halten des Ventil-Schließkörpers (44) in Anlage am Ventilsitz (49) entgegen den Fluid-Differenzdrücken über den Ventilsitz während der Benutzung benötigte Kraft, und in der zurückgezogenen Position eine Federkraft entfaltet, die kleiner ist als die aus dem Restmagnetismus in den oberen und unteren Polstücken (38, 36) und dem Anker entwickelte Kraft, wodurch dem Anker die Möglichkeit gegeben wird, sich in der zurückgezogenen Ankerstellung magnetisch zu verriegeln.
Die Ventilanordnung (10) nach Anspruch 15, wobei das obere Polstück (38), das untere Polstück (36) und der Anker (42) aus 4140 Stahllegierungsmaterial gebildet sind.
Die Ventilanordnung (10) nach Anspruch 15, wobei die Ventilanordnung eine Länge von weniger als etwa 2,54 mm und einen Durchmesser von weniger als etwa 1,3 cm hat.
Die Ventilanordnung (10) nach Anspruch 15, wobei die Fluid-Ventilanordnung eine Länge von etwa 1,9 cm und einen Durchmesser von etwa 0,89 cm hat.
Eine Fluid-Ventilanordnung (10), enthaltend: eine elektrische Stellgliedwicklung (40); ein oberes Polstück (38), ein unteres Polstück (36) mit einer Bohrung und einen Anker (42), die alle aus magnetischen Materialien gebildet sind; wobei die oberen und unteren Polstücke außerhalb eines Außendurchmessers der Stellgliedwicklung permanent verbunden sind, um wenigstens einen Teil des Außenkörpers (20) des Ventils zu bilden; der Anker innerhalb der Bohrung des unteren Endes des unteren Polstücks gleitend angeordnet ist; und ein Ventil-Sitzbauteil (24), das mit dem unteren Ende des unteren Polstücks permanent verbunden ist.