DE3030766A1

DE3030766A1 - EM digitally weighted flow control valve - has multiple two-position valve spools controlled by magnetic field and supplying flow into common channel

Info

Publication number: DE3030766A1
Application number: DE19803030766
Authority: DE
Inventors: Harro Prof. Dr.rer.nat. 5810 Witten Kiendl
Original assignee: Friedrich Grohe Armaturenfabrik GmbH and Co
Current assignee: Grohe Water Technology AG and Co KG
Priority date: 1980-08-14
Filing date: 1980-08-14
Publication date: 1982-02-25

Abstract

An electromechanical flow control valve is designed with multiple digitally weighted stages to provide an output flow that is proportional to a direct binary input. For a two bit binary weighted valve capable of handling the mixing of two different fluids, two separate control spools (8,9) are used. Each has a separate input (11,13) for the fluids and the outputs are combined in a common channel (15). The spools have two stable positions and are controlled by the magnetic field produced when a surrounding coil is energised. The valve has the capability of assuming 2 to power n cross-section section areas, one for each of the n positions.

Description

Elektromechanisches Digitalvent il Electromechanical digital valve

Die Erfindung betrifft ein elektromechanisch betätigtes Ventil zur Steuerung des Durchflusses eines oder mehrerer Fluide.The invention relates to an electromechanically operated valve for Control of the flow of one or more fluids.

Derartige Ventile sind insbesondere in Gestalt von konventionellen, mechanischen Fluidventilen bekannt, deren Verschlußstück durch einen ElXktromotor (z.B. Gleichstrommotor oder Schrittmotor) durch Vermittlung eines Getriebes betätigt wird. Bei diesen bekannten Ventilen wird die Steuerung des Fluidstromes dadurch bewirkt, daß das Verschiußstück mit Hilfe des Elektromotors verstellt wird und dadurch einen mehr oder minder großen Öffnungsquerschnitt freigibt. Nachteilig an diesen bekannten Fluidventilen ist der verhältnismäßig große Aufwand, der darin besteht, daß ein derartiges Ventil aus dem eigentlichen mechanischen Ventil, aus einem Stellmotor, aus einem Getriebe und in vielen Fällen, in denen es auf eine hohe Präzision der Steuerung ankommt, auch noch aus einem Meßorgan besteht, mit dem die jeweils aktuelle Stellung des Verschlußstückes des Ventils erfaßt wird. Über dies sind derartige Ventile aufgrund der zahlreichen, daran beteiligten mechanisch bewegten Teile nicht verschleißfrei.Such valves are particularly in the form of conventional, mechanical fluid valves known, the closure piece by an electric motor (e.g. DC motor or stepper motor) operated by means of a gearbox will. In these known valves, the control of the fluid flow is thereby causes that the closure is adjusted with the help of the electric motor and thereby a releases more or less large opening cross-section. Disadvantages of these known Fluid valves is the relatively large effort that is that a such a valve from the actual mechanical valve, from a servomotor, from a gearbox and in many cases where there is a high precision of the Control arrives, also consists of a measuring element with which the current Position of the closure piece of the valve is detected. About these are such Valves are not due to the large number of mechanically moving parts involved wear-free.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Steuer- und/ oder Mischventil zu schaffen, das die genannten Nachteile nicht aufweist und das sich außerdem dadurch auszeichnet, daß ein Meßorgan zur Bestimmung des jeweils aktuellen Ventilstandes nicht erforderlich ist, sondern bei dem der aktuelle Ventilzustand jeweils unmittelbar aus den elektrischen Größen abgeleitet werden kann, mit denen das Ventil gesteuert wird. Außerdem gehört es mit zur Aufgabe, das Ventil so zu konzipieren, daß es durch binäre elektrische Signale angesteuert werden kann, die als Ausgangsgrößen von konventionellen digitalen Steuer-oder Regelgliedern anfallen.The invention is based on the object of a control and / or mixing valve to create, which does not have the disadvantages mentioned and which also thereby is characterized by the fact that a measuring element for determining the current valve position is not required, but in which the current valve status is always immediately can be derived from the electrical variables with which the valve is controlled will. In addition, it is part of the task to design the valve so that it through binary electrical signals can be controlled as output variables of conventional digital control or regulating elements are incurred.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemaß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 7 angegeben.This object is achieved according to the invention by the in the characterizing part of claim 1 specified features solved. Further features of the invention are specified in claims 2 to 7.

Mit diesen erfindungsgemäßen Maßnahmen kann in einfachster Weise ein Ventil bzw. Digitalventil geschaffen werden, bei dem die Verschlußstücke der Einweg-Einzelventile bzw. Einweg-Binärventile oder auch der Zweiweg-Einzelventile bzw. Zweiweg-Binärventile die einzigen beweglichen Teile bilden. Im Vergleich zu den konventionellen Ventilen, die z.B. durch einen Getriebemotor angetrieben werden, ist das erfindungsgemäße Digitalventil einfach aufgebaut, verschleißfrei und robust.With these measures according to the invention, a Valve or digital valve are created in which the closure pieces of the one-way individual valves or one-way binary valves or the two-way single valves or two-way binary valves are the only moving parts. In comparison to the conventional Valves which are driven e.g. by a gear motor is the one according to the invention Digital valve simply constructed, wear-free and robust.

Ferner gibt es aufgrund der magnetischen Kraftübertragung keine zu dichtenden Führungen.Furthermore, there are none due to the magnetic power transmission sealing guides.

Die Ströme, mit denen die einzelnen Binärventile angesteuert werden, müssen keine hohen Genauigkeitsanforderungen erfüllen, sondern es muß nur garantiert werden, daß diese Ströme einen gewissen Schwellwert überschreiten. Diese Tatsache bedeutet, daß keine hohen Anforderungen an die elektrischen Verstärker zu stellen sind, die die Ströme zur Ansteuerung der Binärventile liefern.The currents with which the individual binary valves are controlled do not have to meet high accuracy requirements, it just has to be guaranteed be that these currents exceed a certain threshold value. this fact means that no high demands are placed on the electrical amplifier that supply the currents for controlling the binary valves.

Der aktuelle Ventilzustand, aus dem sich im Falle eines Einweg-Digitalventils der aktuelle integrale Offnungsquerschnitt und aus dem sich im Falle eines Zweiweg-Digitalventils das aktuelle Verhältnis der Durchlaßquerschnitte für die beiden Zuläufe, und damit das Mischungsverhältnis, ergibt, braucht nicht durch ein besonderes Meßorgan erfaßt zu werden, sondern der aktuelle Ventilzustand kann unmittelbar aus der Kenntnis der elektrischen Größen ermittelt werden, mit denen die einzelnen Binärventile angesteuert werden.The current valve state, from which in the case of a one-way digital valve the current integral opening cross-section and from which in the case of a two-way digital valve the current ratio of the passage cross-sections for the two inlets, and thus the mixing ratio that results does not need to be recorded by a special measuring device but the current valve status can be obtained directly from the knowledge the electrical variables with which the individual binary valves are controlled can be determined will.

Durch geeignete Stufung der Öffnungsquerschnitte der Binärventile läßt sich bis auf eine Genauigkeit, die durch die Quantisierungsfehler bedingt ist, eine vorgegebene gewünschte Ventilcharakteristik einstellen. Im Falle eines Einweg-Digitalventils führt eine Stufung der Durchlaßquerschnitte der Einweg-Binärventile im Verhältnis 1:2:4:8:...:2n-1 dazu, daß jeder integrale Öffnungs@stack@ des @igi @@@ e@@stell@ h@ ist @ @@en eine andersartige Stufung der Öffnungsquerschnitte der Binärventile läßt sich aber auch jede andere nichtlineare Kennlinie, die ggf. erwünscht sein kann, mit einer Genauigkeit erreichen, die durch die Größe des Quantisierungsfehlers bedingt ist, d.h.By appropriately grading the opening cross-sections of the binary valves can be reduced to an accuracy that is due to the quantization errors, set a predetermined desired valve characteristic. In the case of a one-way digital valve leads to a gradation of the passage cross-sections of the one-way binary valves in relation to each other 1: 2: 4: 8: ...: 2n-1 to the fact that every integral opening @ stack @ of the @igi @@@ e @@ stell @ h @ is @ @@ en a different gradation of the opening cross-sections of the binary valves, any other non-linear characteristic curve, which may be may be desired to achieve with an accuracy determined by the size of the quantization error is conditional, i.e.

diese Genauigkeit kann um so mehr gesteigert werden, je größer die Anzahl n der beteiligten Binärventile ist. Das entsprechende gilt für den Fall eines Zweiweg-Digitalventils: Durch entsprechende Stufung der Öffnungsquerschnitte der beteiligten Zweiweg-Binärventile kann eine gewünschte Charakteristik des Mischventils realisiert werden.this accuracy can be increased all the more, the greater the Number n of the binary valves involved. The same applies to the case of one Two-way digital valve: By stepping up the opening cross-sections of the involved two-way binary valves can have a desired characteristic of the mixing valve will be realized.

Wird das vorgeschlagene Digitalventil durch ein konventionelles elektronisches Steuerglied oder durch einen konventionellen elektronischen Regler angesteuert, dessen Ausgangssignal in Gestalt einer elektrischen Spannung geliefert wird, so muß diese elektrische Spannung durch einen konventionellen Analog-Digital-Wandler in digitale Signale umgesetzt werden. Diese digitalen Signale müssen dann so verstärkt werden, daß sie in der Lage sind, die Binärventile anzutreiben. Dies ist eine konventionelle Technik. Es ist jedoch zu bemerken, daß der elektronische Realisierungsaufwand, der mit dem Einsatz eines Digitalventils verbunden ist, noch geringer ist, wenn nicht ein analog arbeitendes Steuer- bzw. Regelglied, sondern ein digitales Steuer- bzw.If the proposed digital valve is replaced by a conventional electronic Control element or controlled by a conventional electronic controller, whose output signal is supplied in the form of an electrical voltage, see above this electrical voltage must pass through a conventional analog-to-digital converter converted into digital signals. These digital signals then have to be amplified that they are able to drive the binary valves. This is a conventional one Technology. It should be noted, however, that the electronic implementation effort, associated with the use of a digital valve is even less if not an analog operating control or regulating element, but a digital control respectively.

Regelglied z.B. auf der Basis eines Mikroprozessors eingesetzt wird. In diesem Fall können die binären Ausgänge des digitalen Steuer- bzw. Regelgliedes unmittelbar zur Ansteuerung der Binarventile verwendet werden, während in diesem FalP beim Einsatz eines konventionellen, durch eines Gleichs@@ ebenen Ventils die Einfüg @@ eines @ig@@ Forderlich @@e.Control element e.g. on the basis of a microprocessor is used. In this case, the binary outputs of the digital control or regulating element can be used directly to control the binary valves, while in this FalP when using a conventional valve that is leveled by an equal @@ the Insert @@ a @ ig @@ required @@ e.

@@@ @@@ele a @@@ @@@ D@@i@ @@@ @@@ @@ sch@ @@@@@@ @@@ste@@@@ Figur 2 ein Einweg-Einzelventil in schematischer Darstellung; Figur 3 ein Digitalventil mit Zweiweg-Einzelventilen in schematischer Darstellung; Figur 4 ein Zweiweg-Einzelventil in schematischer Darstellung.@@@ @@@ ele a @@@ @@@ D @@ i @ @@@ @@@ @@ sch @ @@@@@@ @@@ ste @@@@ figure 2 a one-way individual valve in a schematic representation; Figure 3 is a digital valve with two-way single valves in a schematic representation; Figure 4 is a two-way single valve in a schematic representation.

Der Einfachheit halber sind bei den verschiedenen AusfUhrungsbeispielen in der Zeichnung gleiche oder entsprechende Elemente mit jeweils gleichen Bezugszeichen versehen.For the sake of simplicity, the various exemplary embodiments Elements that are the same or corresponding in the drawing have the same reference numerals in each case Mistake.

In der Figur 2 ist ein Einweg-Einzelventil bzw. Einweg-Binärventil gezeigt, das aus einem Ventilgehäuse 10 besteht, in dem ein Verschlußstück 4 bistabil gelagert ist. Das Verschlußstück 4 wird dabei einerseits von einer Feder 5 beaufschlagt, andererseits enthält es magnetisches Material und kann daher für den Fall, daß eine zugeordnete Spule 6 stromdurchflossen ist auch durch eine magnetische Kraft beaufschlagt werden. Ist die Spule 6 stromlos, so drijckt die Feder 5 das Verschlußstück 4 in eine Position, in der das Einweg-Binärventil geschlossen ist. Ist die Spule 6 stromdurchflossen, so wird das Verschlußstück 4 gegen ein Widerlager 7 gezogen, so daß das Einweg-Binärventil den Zustand geöffnet annimmt.In the figure 2 is a one-way single valve or one-way binary valve shown, which consists of a valve housing 10 in which a closure piece 4 is bistable is stored. The locking piece 4 is acted upon on the one hand by a spring 5, on the other hand, it contains magnetic material and can therefore be used in the event that a associated coil 6 with current flowing through it is also acted upon by a magnetic force will. If the coil 6 is de-energized, the spring 5 pushes the locking piece 4 in a position in which the one-way binary valve is closed. If the coil 6 has current flowing through it, so the closure piece 4 is pulled against an abutment 7, so that the one-way binary valve assumes the state open.

Eine andere mögliche Realisierungsform für ein Einweg-Binärventil (in der Zeichnung nicht dargestellt) besteht darin, daß die Rückstellkraft nicht durch eine Feder, sondern durch die Kraft eines trmauentragneten aufgebracht wird, der auf das Verschlußstack 4 einwirkt.Another possible form of implementation for a one-way binary valve (not shown in the drawing) is that the restoring force is not is applied by a spring, but by the force of a tower magnet, which acts on the sealing stack 4.

Bei beiden Realisierungsformen ist zu bemerken, daß das Einweg-Binärventil bei Stromausfall in Schließstellung zurückkehrt bzw. verharrt, was aus Sicherheitsgründen oft erwünscht ist.In both forms of implementation it should be noted that the one-way binary valve returns or remains in the closed position in the event of a power failure, which is for safety reasons is often desired.

Eine Ausführung eines Zweiweg-Einzelventils bzw. Zweieg-Binärventils ist in der Figur 4 gezeigt. Bei dieser Ausbildung sperrt ein Verschlußstück 12 bei stromdurchflossener Spule 6 einen Zulauf 11, z.B. für Kaltwasser, vollstandig ab, während ein zweiter Zulauf 13, z.B.für Warmwasser,vollständig geöffnet wird. Ist die Spule 6 stromlos, so bewirkt die Feder 5, die zwischen dem Verschlußstück 12 und einem Widerlager 7 angeordnet ist, daß das Verschlußstück 12 in die entgegengesetzte Richtung gebracht wird, in der der Zulauf 11 für das Kaltwasser geöffnet und der Zulauf 13 für das Warmwasser geschlossen ist.A version of a two-way single valve or Zweieg binary valve is shown in FIG. In this training locks a locking piece 12 with a current flowing through the coil 6 an inlet 11, e.g. for cold water, completely while a second inlet 13, e.g. for hot water, is fully opened. If the coil 6 is de-energized, the spring 5 acts between the locking piece 12 and an abutment 7 is arranged that the locking piece 12 in the opposite Is brought direction in which the inlet 11 is opened for the cold water and the Inlet 13 for the hot water is closed.

In der Figur 1 ist ein Digitalventil dargestellt, das aus mehreren Einweg-Einzelvent ilen bzw. Einweg-Binärventilen aufgebaut ist. In einer Querwand des Ventilgehäuses 10 sind dabei in unterschiedlich ausgebildeten Durchtrittsquerschnitten verschiedene Verschlußstücke 1,2,3 zugeordnet. Die einzelnen Verschlußstücke 1,2,3 können dabei unabhängig voneinander, gemäß den Ausführungen zur Figur 2, betätigt werden.In the figure 1, a digital valve is shown, which consists of several One-way single valves or one-way binary valves is constructed. In a bulkhead of the valve housing 10 are in differently designed passage cross-sections assigned different locking pieces 1,2,3. The individual locking pieces 1,2,3 can be operated independently of one another, according to the explanations relating to FIG will.

In der Figur 3 ist ein Digitalventil dargestellt, das nur aus Zweiweg-Einzelventilen bzw. Binärventilen aufgebaut ist. In unterschiedlich bemessenen Durchtrittsquerschnitten im Ventilgehäuse 10 ist jeweils ein Ventilverschlußstück 8,9 angeordnet, wobei jedes Verschlußstück von einem Zulauf 11 fitr das Kaltwasser und einem Zulauf 13 für das Warmwasser beaufschlagt ist, wobei das durchgetretene Wasser in einem gemeinsamen Mischwasserauslauß 15 abgeführt wird.In the figure 3, a digital valve is shown, which only consists of two-way individual valves or binary valves is built up. In differently dimensioned passage cross-sections in each case a valve closure piece 8,9 is arranged in the valve housing 10, each Closure piece of an inlet 11 for the cold water and an inlet 13 for the Hot water is applied, with the leaked water in a common Mixed water outlet 15 is discharged.

Selbstverständlich können auch Digitalventile aufgebaut werden, die sowohl Einweg-Binärventile als auch Zweiweg-Binärventile enthalten.Of course, digital valves can also be built that contain both one-way binary valves and two-way binary valves.

Ein Einweg-Digitalventil gemäß Figur 1 kann als elektrisch angetriebenes Steuerventil eingesetzt werden, wobei in diesem Fall der Sollwert für den gewünschten integralen Öffnungsquerschnitt des Digitalventils z.B. durch ein Potentiometer vorgegeben wird. Ein solches Digitalventil kann aber ebenso als Glied eines elektronischen Regelkreises eingesetzt werden, wobei der Sollwert für den integralen Öffnungsquerschnitt des Digitalventils als Ausgangsgröße eines Reglers geliefert wird. Da die Einweg-Binärventile, aus denen das Digitalventil aufgebaut ist, nur die beiden wohl definierten Zustände "geöffnet" und "geschlossen" annehmen können, ist im Unterschied zum Einsatz eines konventionellen, durch einen Gleichstrommotor angetriebenen Steuerventils keine Messung der effektiven Offnungsquerschnitte erforderlich, sondern der resultierende Wert des effektiven Öffnungsquerschnitts läßt sich direkt aus den binären Signalen ableiten, mit denen das Digitalventil angesteuert wird.A one-way digital valve according to Figure 1 can be electrically driven Control valve can be used, in which case the setpoint for the desired integral opening cross-section of the digital valve e.g. specified by a potentiometer will. Such a digital valve can also be used as a member of an electronic control circuit can be used, the setpoint for the integral opening cross-section of the Digital valve is supplied as the output variable of a controller. Since the one-way binary valves, from which the digital valve is built, only the two well-defined states Being able to assume "open" and "closed" is different from using one conventional control valve driven by a DC motor Measurement of the effective opening cross-sections required, but the resulting The value of the effective opening cross-section can be obtained directly from the binary signals derive with which the digital valve is controlled.

Die Hauptanwendungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Digitalventils dürfte im Aufbau eines Mischventils zur Bereitung von Mischwasser mit einer regelbaren Mischwassertemperatur und mit einer steuerbaren bzw. regelbaren Durchflußmenge liegen. Eine derartige Konfiguration -allerdings auf der Basis von konventionellen Steuerventilen- ist in einer parallel geführten Patentanmeldung (GRP-456) beschrieben. Ersetzt man in dieser Anordnung die konventionellen Steuerventile durch Digitalventile gemäß Figur 1, so gewinnt man die oben angesprochenen Vorteile, insbesondere auch den Vorteil, daß keine Messung des effektiven Öffnungsquerschnittes erforderlich ist. Im Zusammenhang mit diesem Anwendungsbeispiel ist zu bemerken, daß sich in diesem Fall die Möglichkeit ergibt, die beteiligten Einweg-Binärventile der beiden Digitalventile für den Kalt- bzw. Warmwasserstrang geometrisch so zu placieren daß sie "räumlich durchmischt" sind, so daß durch diese Maßnahme schon bereits im Mischventil dafür gesorgt wird, daß eine gute Durchmischung des Kalt- und Warmwassers stattfindet.The main application of the digital valve according to the invention should be used in the construction of a mixing valve for the preparation of mixed water with a controllable Mixed water temperature and lie with a controllable or adjustable flow rate. Such a configuration - albeit based on conventional control valves - is described in a parallel patent application (GRP-456). Replace one in this arrangement the conventional control valves by digital valves according to FIG Figure 1, one gains the advantages mentioned above, in particular also the Advantage that no measurement of the effective opening cross-section is required. In connection with this application example it should be noted that in this If the possibility arises, the involved one-way binary valves of the two digital valves for the cold or hot water line to be placed geometrically in such a way that they are "spatially mixed "are, so that by this measure already in the mixing valve for it care is taken to ensure that the cold and hot water are thoroughly mixed.

Wenn es im Einsatzfall der Mischwasserbereitung nur darauf ankommt, die Mischwassertemperatur elektronisch zu regeln, ohne daß zugle auch d£e Entnahiemenge elektronisch eingestellt bzw.If, in the case of mixed water preparation, the only thing that matters is to regulate the mixed water temperature electronically without also the withdrawal amount electronically set or

geregelt werden 5011r so bietet sich die Verwendung eines Digitalventils gemäß Figur 3 an. In diesem Fall benötigt man bei gleichen Genauigkeitsanforderungen hinsichtlich der Einstellbarkeit der Mischwassertemperatur genau halb soviele Binärventile (allerdings dann Zweiweg-Binärventile) wie im Falle eines digitalen Mischventils erforderlich sind, das aus zwei Digitalventilen gemäß Figur 1 aufgebaut ist.are regulated 5011r so the use of a digital valve is recommended according to Figure 3. In this case one needs with regard to the same accuracy requirements the adjustability of the mixed water temperature exactly half as many binary valves (however then two-way binary valves) as required in the case of a digital mixing valve which is made up of two digital valves according to FIG.

Claims

A N S P R Ü C H E 1. Electromechanically operated valve for control of the flow of one or more fluids, characterized in that the valve from a number n of individual valves or

There are occlusions (1, 2, 3, 4, 8, 9, 12) with a bistable function, which are individually electrically controlled and therefore in one of the two valve states can be moved so that the valve is a total of 2n different from each other Can assume valve positions with corresponding opening cross-sections.

2. Electromechanically operated valve according to claim 1, characterized in that that the individual valves are designed as one-way single valves or one-way binary valves are.

3. Electromechanically operated valve after response 1 and 2, characterized in that the opening cross-sections of the binary valves are stepped are that the adjustable integral opening cross-sections up to an accuracy which is caused by the quantization error, a predetermined desired valve characteristic correspond.

4. Electromechanically operated valve according to Claims 1 to 3, characterized in that the gradation of the passage cross-sections of the binary valves corresponds to the ratios 1: 2: 4: 8: ... 2n-1, so that a linear valve characteristic results.

5. Electromechanically operated valve according to claims 1 and 3 to 4, characterized in that the valve consists of two-way single valves or two-way binary valves is constructed, with a different inlet open in each of the two positions or is closed.

6. Electromechanically operated valve according to claims 1 to 5, characterized in that the valve is made up of one-way single valves and two-way single valves consists.

7. Electromechanically operated valve according to claims 1 to 6, characterized in that the closure piece (1,2,3,4, fii, 9,12) of the individual valves from the force of a spring (5) and / or permanent magnet etc. in a first preferred Position are held and with the help of the magnetic force of a current-carrying Coil (6) can be brought into a second position.