-
Gebiet der
Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Steuerung eines Strömungsmittelflusses
in verschiedenen Systemen.
-
Hintergrundinformationen
-
Das
US-Patent 2 619 986, welches als der nächste Stand der Technik angesehen
werden kann, offenbart eine leicht zu demontierende Ventilanordnung
für die
Ableitung eines Strömungsmittels
im sanitären
Bereich. Die Ventilanordnung wird durch eine Elektromagnetbetätigungsvorrichtung
gesteuert, die entfernbar an einem Ventilsitz befestigt ist und
Ventilsitzverschlussmittel aufweist, wie beispielsweise eine flexible
Gummimembran und eine Flussregulierungsmessvorrichtung. Wenn die
Membran entfernt von dem Ventilsitz gelegen ist, kann das Strömungsmittel vom
Ventileingang zum Ventilausgang fließen, wie in 1 des
US-Patentes 2 619 986 gezeigt.
-
Das
US-Patent 2 842 400 offenbart ein Elektromagnetlieferventil der
Membranbauart zur Ausgabe von mit Kohlensäure angereicherten Getränken. Das
Ventil weist einen Ventilkörper
mit einem Einlass und einem Auslass und einem Ventilsitz auf. Das Ventil
weist auch einen Elektromagneten auf, der ein Gehäuse und
eine Hülse
besitzt, die sich durch den Kern der Elektromagnetspule erstreckt,
und einen Elektromagnetstössel,
der innerhalb der Hülse
gelegen ist. Eine napfförmige
Membran hat einen ringförmigen
Flansch, der das innere Ende der Hülse umgibt, und einen verdickten
mittleren Teil. Der Elektromagnetstössel drückt die Membran gegen den Ventilsitz
in die geschlossene Position und wird in die offene Position zurückgezogen,
wie in 6 und 7 des US-Patentes
2 842 400 gezeigt. Der Elektromagnet kann aus dem Ventilkörper herausgezogen
werden, wobei die Membran an der Hülse angebracht ist.
-
Das
US-Patent 5 265 594 offenbart eine Vorrichtung, wie beispielsweise
einen Ventilator, um die Durchflussmenge eines fließenden Mediums
zu regu lieren, wie beispielsweise von einem Gas. Die Vorrichtung
hat ein Ventil, wie in 1 des US-Patentes 5 265 594
gezeigt, welches eine variable Zumessöffnung vorsieht, die durch
eine erste Regulierungsschaltung mit negativer Rückkoppelung betrieben wird.
Das Ventil ist ein Elektromagnetventil, welches ein Gehäuse aufweist,
das einen Kanal enthält,
der in einen Einlass und einen Auslass aufgeteilt ist, und eine
Ventilöffnung
oder Zumessöffnung,
die zwischen dem Einlass und dem Auslass angeordnet ist. Das Ventil
weist auch eine Membran auf, die aus einer geeigneten Art von Gummi
oder einem ähnlichen Material
besteht, die so sitzt, dass sie normalerweise die Ventilöffnung unter
Verwendung eines Elektromagneten schließt. Der Elektromagnet weist
eine Magnetspule auf, die unter der Membran angeordnet ist, und
eine Stange mit einem magnetischen Material in der Region der Spule,
die mittig innerhalb der Magnetspule verschiebbar ist. Wenn es keinen
Strom gibt, der durch die Magnetspule fließt, wird die Stange gegen die
Membran durch die Spannung von zwei Federn gedrückt, so dass das sich öffnende
Ventil zuverlässig
geschlossen wird.
-
Das
US-Patent 3 821 967 offenbart in den 4–6 ein Ventil, welches durch eine Elektromagnetbetätigungsvorrichtung
gesteuert wird. Das Hauptventil weist einen Einlass, einen Auslass,
einen Anti-Siphon-Ventilkörper
und ein Ventilbetätigungsglied
auf, welches durch einen Elektromagneten gesteuert wird. Der Elektromagnet
ist an der Seite des Anti-Siphon-Ventilkörpers montiert
und weist ein Verschlussglied auf, welches mit einem Stössel verbunden
ist. Das Verschlussglied hat einen vergrößerten Kopf, der ein Dichtungsglied
aus gegossenem Gummi aufweist, das angeordnet ist, um mit einem
Ventilsitz eines Betätigungsvorrichtungsventils
in Gegenwirkung zu treten. Das Betätigungsglied weist einen Pilot-
bzw. Vorsteuerhohlraum auf, der über
einer Membran gelegen ist. Der Druck innerhalb des Vorsteuerhohlraumes
wird dadurch gesteuert, dass der Elektromagnet das Glied aus gegossenem
Gummi des Betätigungsvorrichtungsventils
verschiebt. Der Elektromagnet öffnet
und schließt
das Betätigungsvorrichtungsventil,
wodurch das Öffnen
und das Schließen
des Hauptventils gesteuert wird.
-
Systeme
für Industrie,
Ackerbau und Haushalt verwenden verschiedene Arten von Ventilen
zur Steuerung eines Strömungsmittelflusses.
Die am weitesten verbreitete Form eines elektrisch betätigten Ventils
setzt einen Elektromagneten ein, der auf eine Spule gewickelt ist
bzw. aus dieser gewickelt ist, und ein Ventilglied, dass innerhalb
der Spule gelegen ist und durch einen Antriebsstrom angetrieben
wird, der durch den Elektromagnet bzw. die Spule geleitet wird.
In einer geschlossenen Position wird eine Spitze des Ventilgliedes
gegen einen Ventilsitz gedrückt, und
dadurch hält
der Fluss durch eine Leitung an, in der der Ventilsitz angeordnet
ist. Obwohl die Spitze des Ventilgliedes in vielen Fällen aus
einem synthetischen Harz oder einem anderen elastischen Material gemacht
ist, sind andere Teile des Ventilgliedes aus einem Material mit
einer relativ hohen magnetischen Permeabilität gemacht, wie beispielsweise
Stahl, so dass diese einer Kraft von dem Magnetfeld des Elektromagneten
unterworfen werden und als ein Elektromagnetanker wirken werden.
-
Bei
batteriebetriebenen Betätigungsvorrichtung
sollte die elektrische Ventilsteuerschaltung so wenig Leistung wie
möglich
Einsetzen. Um einen Betrieb mit hoher Energieausnutzung zu erreichen muss
das Ventilglied (d. h. der Elektromagnetanker) magnetisch so durchlässig bzw.
permeabel sein wie möglich.
Weiterhin sollte die elektrische Ventilsteuerschaltung nur den minimalen
nötigen
Antriebsstrom für
die minimale Dauer während
der Aktivierung des Ankers bei Verriegelungsventilen anlegen, (d.
h. bei Ventilen, deren Betätigungsvorrichtung
Leistung benötigen,
um das Ventil zu öffnen
oder zu schließen, jedoch
nicht um es geöffnet
oder geschlossen zu halten). Bei nicht verriegelnden Betätigungsvorrichtung kann
ein unnötig
hoher Antriebsstrom zum Halten des Ventils in der offenen Position
auch unnötigerweise
die Lebensdauer der Batterie verringern. Daher ist die Verringerung
des Energieverbrauches ein wichtiger Aspekt bei der Konstruktion
von Betätigungsvorrichtung.
-
Bei
vielen Betätigungsvorrichtung
des Standes der Technik kann Wasser (oder das geregelte andere Strömungsmittel)
in den Hohlraum der Spule fließen,
der die Betätigungsvorrichtung
enthält.
Die Betätigungsvorrichtung
weist oft einen Strömungsquerschnitt
in Verbindung mit einem inneren Hohlraum auf, um einen Pfad mit
niedrigem Strömungswiderstand
vorzusehen, und um den äußeren Druck
auf das Ventilglied zu kompensieren (d. h., der Druck, der von dem
geregelten Strömungsmittel
auf den Anker ausgeübt
wird). Somit bewegt das geregelte Strömungsmittel sich ansprechend
auf das Schließen oder
das Öffnen
der Betätigungsvorrichtung
hin und her. Dies verursacht gewöhnlicherweise
eine Verschlechterung bzw. Abnutzung des Ankers (d. h. durch Korrosion)
und Probleme mit Metall und anderen Ionen (oder Ablagerungen), die
sich innerhalb des Hohlraumes der Spule ansammeln. Die Stärke dieses
Problems hängt
von der Art des Strömungsmittels
ab, beispielsweise die Art des Wassers, das geregelt wird.
-
Wie
oben erwähnt
hat ein optimaler Anker des Elektromagneten eine so hohe magnetische
Permeabilität
wie möglich.
Jedoch haben Materialien mit hoher magnetischer Permeabilität gewöhnlicherweise
geringen Korrosionswiderstand. Somit hatten Konstrukteure in der
Vergangenheit einen Kompromiss zwischen Permeabilität und Korrosionsbeständigkeit
zu finden. Beispielsweise hat Kohlenstoff-Stahl eine hohe magnetische
Permeabilität,
ist jedoch ziemlich anfällig
für Rost
und Korrosion. Daher haben Konstrukteure sich auf die rostfreien
Stahlarten mit höherer
magnetischer Permeabilität
zurückgezogen,
auch wenn rostfreier Stahl weniger magnetisch permeabel als Kohlenstoff-Stahl
ist. Immer noch hatten die Konstrukteure Probleme mit den oben beschriebenen
Ablagerungen oder im Gegensatz dazu Probleme damit, dass sie eine
Verunreinigung des Strömungsmittels
durch den Anker, durch die Spule oder durch andere Ventilelemente
verhindern.
-
Daher
gibt es immer noch eine Notwendigkeit für eine verbesserte Ventilbetätigungsvorrichtung.
-
Zusammenfassung
der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektromagnetische Betäti gungsvorrichtung
und auf ein Verfahren zum Betrieb einer Betätigungsvorrichtung nach den
Ansprüchen
1 und 33.
-
Wie
offenbart weist ein Ventil eine Leitung auf, die einen Strömungsmittelflusskanal
bildet, der einen Ventilsitz vorsieht, und eine elektrische Betätigungsvorrichtung.
Die elektromagnetische Betätigungsvorrichtung
weist eine Elektromagnetspule und ein Ankergehäuse auf, welches eine Ankertasche
bildet, in der ein ferromagnetischer Anker angeordnet ist. Die Betätigungsvorrichtung
ist betreibbar ist durch das Treiben von elektrischem Strom durch
die Elektromagnetspule, um den Anker zwischen zurückgezogenen
und ausgefahrenen Ankerpositionen anzutreiben. Die Betätigungsvorrichtung
weist auch eine flexible Membran auf, die so in einer Mündung der
Tasche gesichert ist, dass sie sich verformt und gegen den Ventilsitz
abdichtet, um einen Strömungsmittelfluss
durch den Strömungsmittelflusskanal
zu verhindern, wenn der Anker zu seiner ausgefahrenen Ankerposition
läuft,
in der die Membran und das Ankergehäuse eine im Wesentlichen strömungsmitteldichte
Ankerkammer bilden, die den Anker enthält. Ein im Wesentlichen inkompressibles
Strömungsmittel
nimmt im Wesentlichen das gesamte Kammervolumen ein, welches nicht
von dem Anker eingenommen wird.
-
Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden in den abhängigen
Ansprüchen
offenbart.
-
Wie
erklärt
wird, kann die Betätigungsvorrichtung
einen Permanentmagneten aufweisen, der angeordnet ist, um eine Verriegelungsbetätigungsvorrichtung
zu bilden. Die Betätigungsvorrichtung kann
eine Vorspannfeder aufweisen, die positioniert und angeordnet ist,
um den Anker zu seiner ausgefahrenen Position vorzuspannen. Der äußere Teil
des Ankers (d. h. die Ankerspitze) kann angeordnet sein, um die
Membran gegen einen Ventilsitz zu drücken, wenn der Anker in seiner
ausgefahrenen Ankerposition angeordnet ist. Ein Verhältnis der
Fläche
des äußeren Teils,
die trägt,
zu der Fläche
der Membran, die einer Leitung stromaufwärts der Membran ausgesetzt
ist, ist zwischen 1,4 und 12,3.
-
Das
Ankerströmungsmittel
kann ein inkompressibles Strömungsmittel
aufweisen, welches ein Korrosion verhinderndes Mittel aufweist.
Das nicht kompressible Strömungsmittel
kann im Wesentlichen aus Wasser bestehen, das mit einem Korrosion
verhindernden Mittel gemischt ist.
-
Es
sei bemerkt, dass ein Betätigungsvorrichtungssystem
eine Betätigungsvorrichtung
aufweist, die einen Anker und eine Spule aufweist, die durch Anlegen
eines Spulenantriebs(-stroms) betreibbar ist, und dadurch den Anker
verschiebt, und eine Membran, die teilweise den Anker einschließt. Das Betätigungsvorrichtungssystem
weist auch einen Ankersensor auf, der aufgebaut ist, um eine Verschiebung
des Ankers zu detektieren; und eine Steuerschaltung, die betreibbar
ist, um das Anlegen eines Spulenantriebsstroms an der Spule zu beginnen,
und zwar ansprechend auf eine Ausgangsgrösse aus dem Ankersensor.
-
Es
sei weiter bemerkt, dass ein Betätigungsvorrichtungssystem
eine Betätigungsvorrichtung
aufweist, die einem Anker, eine Membran und eine Spule aufweist,
die durch Anlegen eines Spulenantriebsstroms daran in einer ersten
Richtung betreibbar ist, um Strom in einer ersten Richtung zu leiten,
und wobei sie dadurch tendiert, den Anker zu einer ersten Endposition
zu treiben; weiter einen Schallsensor, der so mit der Betätigungsvorrichtung
gekoppelt ist, dass er den Schall abfühlt, der von dem Anker gemacht
wird, wenn dieser die erste Endposition erreicht, wobei der Schallsensor
eine Sensorausgangsgrösse
erzeugt, die den Schall anzeigt, die er abfühlt. Das System weist auch
eine Steuerschaltung auf, die betreibbar ist, um zu beginnen, einen
Spulenantriebsstrom an die Spule in der ersten Antriebsrichtung
anzulegen und ansprechend darauf, dass die Sensorausgangsgrösse ein
vorbestimmtes erstes Kriterium zur Beendigung des Stroms erfüllt, aufzuhören, einen
Spule in Antriebsstrom an der Spule in der ersten Antriebsrichtung
anzulegen.
-
Vorzugsweise
ist die Spule betreibbar durch Anlegen eines Spulenantriebs stroms
daran in einer zweiten Richtung, um Strom in einer zweiten Stromrichtung
zu leiten, und um dazu zu tendieren, den Anker in eine zweite Endposition
zu treiben; wobei der Sensor so an der Betätigungsvorrichtung angeschlossen
ist, dass er abfühlt,
dass der Anker die zweite Endposition erreicht; und wobei die Steuerschaltung
betreibbar ist, um zu beginnen, einen Spulenantriebsstrom an der
Spule in der zweiten Antriebsrichtung anzulegen, und ansprechend
darauf, dass die Sensorausgangsgrösse ein vorbestimmtes zweites
Kriterium zur Beendigung des Stroms erfüllt, aufzuhören, den Spulenantriebsstrom
an der Spule in der zweiten Antriebsrichtung anzulegen.
-
Die
Betätigungsvorrichtung
kann aufweisen, dass die ersten und zweiten Kriterien zur Beendigung des
Stroms voneinander abweichen. Die vorliegende Konstruktion verringert
die Energieverschwendung, die normalerweise beim Antrieb des Ankers
der Betätigungsvorrichtung
auftritt. Ein Ankersensor überwacht
die Bewegung des Ankers oder bestimmt, wann der Anker das Ende seiner
Laufbahn erreicht hat. An einem ausgewählten Punkt endet ein Antriebssignal
für den
Betätigungsvorrichtungsspulenantrieb
basierend auf einem Signal von dem Ankersensor. Dies kann den Energieverbrauch
stark verringern, weil die Spulenantriebsdauer dadurch nicht immer
lang genug sein muss, um die Anforderungen des schlimmsten Falles
zu erfüllen,
die gewöhnlicherweise
angewandt werden, wenn es keinen Ankersensor gibt. Dies kann eine
beträchtliche
Steigerung der Langlebigkeit der Batterie zur Folge haben.
-
Weiterhin
kann die Ventilbetätigungsvorrichtung
Materialien mit einer hohen magnetischen Permeabilität aufweisen,
wie beispielsweise die ferromagnetischen Arten von rostfreiem Stahl,
und zwar ungeachtet ihrer niedrigen Korrosionsbeständigkeit, und
der Anker muss nicht einer Anzahl von Behandlungsschritten unterworfen
werden, um ein akzeptables Niveau an Korrosionsbeständigkeit
zu erreichen. Somit verringert die vorliegende Konstruktion die Kosten
des Ventils oder verringert die größere Größe der Elektromagnetdrähte, die
erforderlich ist, weil die Permeabilität des Ankers nicht so groß ist, wie
optimal möglich.
-
Vorzugsweise
ist eine flexible Membran über dem
Ende der Tasche gesichert, in der der Anker läuft, um das Material des Ankers
mit hoher Permeabilität
davor zu schützen,
dass es dem möglicherweise
korrosiven Strömungsmittel
ausgesetzt ist, dessen Fluss das Ventil steuern soll. Weiterhin
füllen
wir die Ankertasche mit einem im kompressiblen Strömungsmittel,
um die Kraft auszugleichen, die von dem gesteuerten Strömungsmitteldruck
ausgeübt wird.
Wir verbessern verschiedene Konstruktionen des Standes der Technik,
beispielsweise in dem man verschiedene Probleme eliminiert, wie
jene des US-Patentes 5 941 505 von Nagel, um Lecks in den Membranen
zu verhindern, die die gesteuerten Strömungsmittel vor Verunreinigungen
durch die Ventilanordnung schützen.
-
Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
-
1 ist
eine Querschnittsansicht einer elektrisch betriebenen Ventilbetätigungsvorrichtung.
-
2 ist
eine Querschnittsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer elektrisch
betriebenen Ventilbetätigungsvorrichtung.
-
2A ist
eine Explosionsansicht der in 2 gezeigten
Betätigungsvorrichtung.
-
3 ist
eine Querschnittsansicht der in 2 gezeigten
Betätigungsvorrichtung,
die einen piezoelektrischen Wandler aufweist.
-
4 ist
ein Blockdiagramm eines Steuersystems für die Betätigungsvorrichtung.
-
Detaillierte
Beschreibung eines veranschaulichenden Ausführungsbeispiels
-
Mit
Bezug auf 1 verwenden Systeme für Industrie,
Ackerbau und Haushalt verschiedene Arten von Ventilen zur Steuerung
eines Strömungs mittelflusses.
Ein elektrisch betätigbares
Ventil 10 verwendet einen Elektromagneten, um einen Stössel in einen
Ventilsitz zu treiben und dadurch den Fluss durch eine Leitung zu
stoppen, in der der Ventilsitz angeordnet ist. Insbesondere weist
die Ventilbetätigungsvorrichtung 10 eine
Betätigungsvorrichtungsbasis 16 auf,
weiter ein ferromagnetisches Polstück 24, einen ferromagnetischen
Anker 30, der verschiebbar in einer Ankertasche montiert
ist, die in dem Hohlstück 24 ausgebildet
ist, und Elektromagnetwicklungen 28, die um eine Elektromagnetspule 14 gewickelt
sind. Das Ventil 10 weist auch einen elastisch verformbaren
O-Ring 20 auf, der eine Dichtung zwischen der Elektromagnetspule 14 und
der Betätigungsvorrichtungsbasis 16 bildet,
die alle durch ein Gehäuse 18 zusammengehalten
werden. An ihrem oberen Ende bildet die Spule 14 eine Magnetausnehmung 20,
die für
einen scheibenförmigen Magneten 22 ausgeformt
ist. Das Elektromagnetgehäuse 18 (d.
h. die Umhüllung
bzw. Dose 18) ist an die Betätigungsvorrichtungsbasis 16 geklemmt
bzw. gecrimpt, um den Magneten 22 und das Polstück 24 gegen
die Spule 14 zu halten und dadurch die Wicklungen 28 und
die Betätigungsvorrichtungsbasis 16 innerhalb
des Gehäuses 18 zu
halten.
-
Die
Ventilbetätigungsvorrichtung 10 kann entweder
als eine verriegelnde (in 1 gezeigt) oder
als eine nicht verriegelnde Vorrichtung aufgebaut sein. Das verriegelnde
Ausführungsbeispiel weist
einen Magneten 22 auf, der ein Magnetfeld mit einer Orientierung
und einer ausreichenden Kraft vorsieht, um die Kraft einer Spulenfeder 48 zu überwinden,
und um dadurch den Anker 30 im offenen Zustand zu halten,
auch wenn es keinen Antriebsstrom gibt, der durch die Elektromagnetwicklungen 28 fließt. In dem
nicht verriegelnden Ausführungsbeispiel
gibt es keinen Permanentmagneten (d. h. den Magneten 22).
Um den Anker 30 in dem offenen Zustand zu halten, muss
der Antriebsstrom weiter in den Wicklungen 28 fließen, um
das notwendige Magnetfeld zu liefern. Der Anker 30 bewegt
sich in den geschlossenen Zustand unter der Kraft der Feder 48, wenn
es keinen Antriebsstrom gibt. Andererseits wird bei dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel
ein Antriebsstrom an die Wicklungen 28 in gegenüberliegenden
Richtungen aufgebracht, um den Anker 30 zwischen den offenen
und den geschlossenen Zuständen
zu bewegen, es ist jedoch kein Antriebsstrom nötig, um irgend einen Zustand
aufrecht zu erhalten.
-
Immer
noch mit Bezug auf 1 weist die Betätigungsvorrichtungsbasis 16 einen
breiten Basisteil auf, der im Wesentlichen innerhalb des Gehäuses 18 gelegen
ist, und eine verengte Basiserweiterung 32. Die Ventilbetätigungsvorrichtung
weist auch eine elastisch verformbare Membran 40 mit einer Schulter 42 auf.
Die Außenfläche der
Basiserweiterung 32 steht verschraubt mit entgegengesetzten Gewindegängen in
Eingriff, die durch eine Ausnehmung vorgesehen werden, die eine
Oberseite eines Befestigungsblockes 34 bildet. Eine ringförmige Oberfläche 36,
die von einer Senkung bzw. Gegenbohrung in der Unterseite des Basisabschnittes 32 geformt
wird, drückt
auf eine verdeckte umlaufende Kante bzw. Schulter 38 aus
einer elastisch verformbaren Membran 40 gegen die Schulter 42,
die in der oberen Ausnehmung des Befestigungsblockes 34 ausgeformt
ist. Dies erzeugt eine strömungsmitteldichte
Dichtung, so dass die Membran den Anker 30 davor schützt, dass
er Strömungsmittel
ausgesetzt wird, welches in die innere Strömungsmittelleitung 44 des
Befestigungsblocks 34 fließt. Diese arbeitet auch mit
einer O-Ringdichtung 46 zusammen, um eine strömungsmitteldichte
Ankerkammer zu bilden, die mit einem Ankerströmungsmittel gefüllt ist
(beispielsweise Flüssigkeit
oder Gas), die relativ neutral, nicht kompressibel und nicht korrosiv
ist.
-
Beispielsweise
kann die Ankerflüssigkeit Wasser
vermischt mit einem Korrosion verhindernden Mittel sein, beispielsweise
eine 20-prozentige Mischung von Polypropylen-Glykol und Kalium-Phosphat.
Alternativ kann die Ankerflüssigkeit
silikonbasiertes Strömungsmittel,
Polypropylen, Polyethylen-Glykol oder ein anderes Strömungsmittel
mit großen
Molekülen
aufweisen. Die Ankerflüssigkeit kann
im Allgemeinen irgend eine geeignete nicht kompressible Flüssigkeit
sein, die Eigenschaften wie niedrige Viskosität und Korrosionshemmung mit
Bezug auf den Anker hat. Wegen diesem Schutz kann das veranschaulichte
Ankermaterial ein Stahl mit wenig Kohlenstoff sein; Korrosionsbeständigkeit
ist nicht ein so großer
Faktor, wie sie es sonst wäre.
An dere Ausführungsbeispiele
können
Ankermaterialien einsetzen, wie beispielsweise rostfreie Stähle 420
oder 430. Es ist nur nötig,
dass der Anker im Wesentlichen aus einem ferromagnetischen Material
besteht, d. h. aus einem Material, dass der Elektromagnet und der Magnet
anziehen können.
Trotzdem kann er Teile aufweisen, die nicht ferromagnetisch sind,
wie beispielsweise eine flexible Spitze.
-
Im
Betrieb liegt die Schraubenfeder 48, die in dem mittleren
Hohlraum 50 des Ankers 30 angeordnet ist, an einer
Hohlraumschulter 52 an und tendiert dadurch dazu, den Anker 30 in
eine ausgefahrene Position zu drücken,
und zwar von der in 1 gezeigten zurückgezogenen
Position. In dem nicht verriegelnden Ausführungsbeispiel tendiert der
Anker 30 dazu, die ausgefahrene Position in Abwesenheit
eines Elektromagnetstroms aufzusuchen. In dem in 1 gezeigten
verriegelnden Ausführungsbeispiel wird
der Anker 30 durch den Magneten 22 in Abwesenheit
eines Elektromagnetstroms in der zurückgezogenen Position gehalten.
Um den Anker in die ausgefahrene Position zu treiben erfordert dies
daher einen Ankerstrom von einer derartigen Richtung und Größe, dass
die daraus resultierende Magnetkraft gegen jene des Magneten wirkt,
und zwar stark genug, um zu gestatten, dass die Federkraft vorherrscht.
Wenn dies so ist bewegt die Federkraft den Anker 30 in
seine ausgefahrene Position, in der sie bewirkt, dass die Außenfläche der
Membran 40 gegen einen Ventilsitz 54 abdichtet,
den der Befestigungsblock 34 in der Leitung 44 bildet.
Dies stoppt den Fluss in der Leitung 44. In dieser Position
ist der Anker genügend
von dem Magneten beabstandet, dass die Federkraft den Anker ohne
die Hilfe des Elektromagneten ausgefahren halten kann.
-
Die
elastische Membran 40 umschließt das Ankerströmungsmittel,
das in einer strömungsmitteldichten
Ankerkammer gelegen ist, und zwar in Verbindung mit einem Ankeranschluss 56,
der von dem Ankerkörper
gebildet wird. Weiterhin ist die elastische Membran 40 dem
Druck des geregelten Strömungsmittels
in der Leitung 44 ausgesetzt und kann daher einer beträchtlichen äußeren Kraft
unterworfen sein. Jedoch müssen
der Anker 30 und die Feder 48 nicht diese Kraft überwinden,
weil der Leitungsdruck durch die Membran 40 zu dem in kompressiblen
Ankerströmungsmittel
innerhalb der Ankerkammer übertragen
wird. Die Kraft, die von dem Druck innerhalb der Kammer herrührt gleicht
daher ungefähr
die Kraft aus, die der Leitungsdruck ausübt.
-
Immer
noch mit Bezug auf 1 kann sich der Anker 30 frei
mit Bezug zu den Strömungsmittel drücken innerhalb
der Kammer zwischen der zurückgezogenen
Position und der ausgefahrenen Position bewegen. Der Ankeranschluss 56 ermöglicht,
dass kraftausgleichendes Strömungsmittel
aus der unteren Quelle 58 der Ankerkammer durch den Federhohlraum 50 zu
dem Teil der Ankerkammer verschoben wird, aus dem das obere Ende
des Ankers (d. h. das äußere Ende)
bei der Betätigung
herausgezogen worden ist. Obwohl Ankerströmungsmittel auch um die Ankerseiten
herum fließen
kann, sollten Anordnungen, bei denen eine schnelle Bewegung des
Ankers erforderlich ist, einen Pfad mit relativ niedrigem Strömungswiderstand
haben, wie beispielsweise jenen, den der Anschluss 56 zu
bilden hilft. In ähnlicher Weise
begünstigen Überlegungen
die Anwendung einer Ankerkammerflüssigkeit, die relativ flüssig ist.
-
Um
den Anker in die veranschaulichte, zurückgezogene Position zurückzubringen
und dadurch einen Strömungsmittelfluss
zu gestatten, wird Strom durch den Elektromagneten in der Richtung angetrieben,
die bewirkt, dass das daraus resultierende Magnetfeld jenes des
Magneten verstärkt.
Wie oben erklärt
wurde, ist die Kraft, die der Magnet 22 auf den Anker in
der zurückgezogenen
Position ausübt,
groß genug,
um ihn dort gegen die Federkraft zu halten. Jedoch würde der
Anker in einer monostabilen Version, die keinen solchen Magneten
einsetzt, in der zurückgezogenen
Position nur so lange bleiben, wie der Elektromagnet genügend Strom
leitet, damit die daraus resultierende Magnetkraft die Federkraft überschreitet.
-
Kurz
gesagt schützt
die Membran 40 den Anker 30 und erzeugt einen
Hohlraum, der mit einer ausreichend nicht korrosiven Flüssigkeit
gefüllt
ist, was wiederum ermöglicht,
dass die Konstrukteure der Betätigungsvorrichtung
eine günstigere
Auswahl unter Materialien mit hoher Korrosionsbeständigkeit und
hoher magnetischer Permeabilität
treffen können.
Weiterhin sieht die Membran 40 eine Barriere für Metall-Ionen
vor, und auch für
anderen Schmutz, der dazu tendieren würde, in den Hohlraum zu wandern.
-
In
dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel
bildet das untere Ende des Ankers 30 einen verengten Spitzenteil 60 (d.
h. den Stössel)
mit einer Oberfläche,
die die Membran 40 berührt,
die wiederum in Kontakt mit dem Sitz 54 kommt. Die Stösselfläche ist
in Beziehung mit dem Sitzöffnungsquerschnitt,
die beide vergrößert oder
verringert werden können.
Die Stösseloberfläche und
die Oberfläche des
Sitzes 54 können
für einen
Druckbereich optimiert werden, in dem die Ventilbetätigungsvorrichtung
arbeiten soll. Die Verringerung der Stösseloberfläche (d. h. eine Verengung des
Spitzenteils 60) verringert den Stösselbereich, der in den Druckvorgang auf
die Membran 40 gegen den Sitz 54 einbezogen ist,
und dies verringert wiederum die Federkraft, die für einen
gegebenen Druck in der stromaufwärts
liegenden Leitung erforderlich ist. Andererseits tendiert die Tatsache,
dass man die Spitzenfläche
des Stössels
zu klein macht, dazu, die Membran 40 mit der Zeit während des
Schließens
des Ventils zu beschädigen.
Wir haben herausgefunden, dass ein optimaler Bereich des Verhältnisses
von Spitzenkontaktfläche
zu Sitzöffnungsfläche zwischen
1,4 und 12,3 liegt. Die vorliegende Betätigungsvorrichtung ist für eine Vielzahl
von Drücken
des gesteuerten Strömungsmittels
geeignet, einschließlich
Drücken
von ungefähr
10,34 Bar (150 psi). Ohne irgend eine wesentliche Modifikation kann
die Ventilbetätigungsvorrichtung
in dem Bereich von Drücken
von ungefähr 2,07
Bar (30 psi) bis 5,52 Bar (80 psi) oder sogar bei Wasserdrücken von
ungefähr
8,62 Bar (125 psi) verwendet werden.
-
Die 2 und 2A veranschaulichen
ein anderes Ausführungsbeispiel
eines elektrisch betätigbaren
Ventils. Die Ventilbetätigungsvorrichtung 10A weist
einen Magneten 23 auf, weiter eine ferromagnetisches Polstück 25,
einen ferromagnetischen Anker 80, der verschiebbar in einer
Ankertasche montiert ist, die in dem Polstück 25 montiert ist,
und eine Betätigungsvorrichtungsbasis 70.
Das Ventil 10A weist auch Elektromagnetwicklungen 28 auf,
die um die Elektromagnetspule 14 herum gewickelt sind, weiter
eine elastische Membran 90 und eine Pilot- bzw. Vorsteuerkörperglied 100.
Der elastische verformbare O-Ring 12 bildet eine Dichtung
zwischen der Elektromagnetspule 14 und der Betätigungsvorrichtungsbasis 70,
die alle durch das Betätigungsvorrichtungsgehäuse 18 zusammengehalten
werden. Die Spule 14 bildet eine Ausnehmung 20,
die für
eine äußeres Ende
des Polstückes 25 ausgeformt
ist, und einen scheibenförmigen
Magneten 23. Das Gehäuse 18 ist
mit der Betätigungsvorrichtungsbasis 17 verklemmt,
um den Magneten 23 und das Polstück 25 an der Spule 14 zu
halten und dadurch die Wicklungen 28 und die Betätigungsvorrichtungsbasis 17 aneinander
zu sichern. In ähnlicher
Weise wie die Ventilbetätigungsvorrichtung 10 kann
die Ventilbetätigungsvorrichtung 10A entweder
als eine verriegelnde (in 2 gezeigten)
oder als eine nicht verriegelnde Vorrichtung konstruiert sein.
-
Immer
noch mit Bezug auf die 2 und 2A weist
die Betätigungsvorrichtungsbasis 17 einen
breiten Basiskörper
in Kontakt mit der Spule 14 auf, die in das Gehäuse 18 geklemmt
ist, und eine verengte Basisverlängerung
die verengte Basisverlängerung
der Betätigungsvorrichtungsbasis 70 weist äußere Gewindegänge 72 und
innere Gewindegänge 74 auf.
Die inneren Gewindegänge 74 sind
so gemacht, dass sie entgegengesetzt zu den äußeren Gewindegängen 101 eines
Vorsteuerkörpergliedes 100 passen,
um mit einer elastisch verformbaren Membran 90 in Eingriff
zu kommen.
-
Die
elastisch verformbare Membran 90 weist einen äußeren Ring 92 auf,
eine dazu passende Region 94 und eine elastische C-förmige Region 96 die Membran 90 kann
eine EDPM-Membran oder eine andere Art einer Membran sein. Im Allgemeinen
können
die verformbare Membran 90 und die Region 96 verschiedene
Formen und Größen haben,
und zwar abhängig
von der Anordnung und von der Größe des Vorsteuerkörpergliedes 100 und
eines Stössels 86 des
Ankers 80. Die verformbare Membran 90 ist aus einem
haltbaren Material gemacht und kann zumindest teilweise aus einem
elasti schen Material gemacht sein. Weiterhin wird das Material der
verformbaren Membran 90 ausgewählt, um einer möglichen Verschlechterung
Widerstand zu leisten, die von dem Strömungsmittel verursacht wird,
das in dem Vorsteuerkörperglied 100 geregelt
wird. Daher kann die gleiche Ventilbetätigungsvorrichtung für verschiedene
Anwendungen in Industrie und Ackerbau hergestellt werden, während nur
die verformbare Membran 90 und das Vorsteuerkörperglied 100 insbesondere für das regulierte
Strömungsmittel
ausgelegt sind. Bei medizinischen Anwendungen werden die Membran 90 und
das Vorsteuerglied 100 sterilisiert oder können aus
einem wegwerfbaren Material gemacht werden. Daher kann die Ventilbetätigungsvorrichtung mit
neuem wechselbaren Elementen erneut verwendet werden.
-
Der
ferromagnetische Anker 80 weist einen Spitzenteil 86 (d.
h. den Stössel 86)
und einen Federhohlraum 82 auf, der angeordnet ist, um
die Feder 84 aufzunehmen, die verjüngte Endteile 84A und 843 besitzt.
Die verjüngten
Federenden ermöglichen
eine Sortierung und Montage durch eine Maschine. Der ferromagnetische
Anker 80 weist auch einen Durchlass 85 auf, der
eine Strömungsmittelverbindung
zwischen dem Hohlraum 82 und einer Kammer 89 ermöglicht,
die von der O-Ringdichtung 46 und der Membran 90 abgedichtet
wird. Dies erzeugt wiederum eine strömungsmitteldichte Dichtung
für die
Ankerflüssigkeit,
wobei die Membran 90 den Anker 80 davor schützt, dass
er dem äußeren Strömungsmittel ausgesetzt
wird, das in Kontakt mit dem Vorsteuerkörperglied 100 gelegen
ist. Wie oben erwähnt
hat die Ankerflüssigkeit
vorzugsweise eine sehr niedrige Viskosität und ist nicht kompressibel
und nicht korrosiv. Weiterhin ermöglichen die Spule 14,
dass Polstück 25,
der Anker 80 und der Durchlass 85 einen relativ
uneingeschränkten
Fluss des abgedichteten Ankerströmungsmittels,
wenn die Betätigungsvorrichtung
sich bewegt, d. h. wenn es einen Pfad mit niedrigem Widerstand für das Ankerströmungsmittel gibt.
-
Die
Betätigungsvorrichtungsanordnung weist
ein Vorsteuerkörperglied 100 auf,
welches in wiederholbarer Weise an der Betätigungsvorrichtungsanordnung
gesichert ist, was zahlreiche Vorteile bietet. Insbesondere weist
das Vorsteuerkörperglied 100 äußere Gewindegänge 101 auf,
die mit entgegengesetzten Gewindegängen 74 in dem Polstück 70 in
Eingriff stehen, und einen Flansch 102. Der Flansch 102 liegt
an einem Schulterteil 76 des Polstückes 70 an, was einen
positiven Anschlag für
das Vorsteuerkörperglied
vorsieht, welches auf die Betätigungsvorrichtungsanordnung
geschraubt wird. Dieser positive Anschlag bzw. Stop sieht eine bekannte im
Wesentlichen konstante Distanz und Geometrie zwischen einer Außenfläche des
elastischen Teils 96 und einem Ventilsitz 104 vor.
Die bekannte im Wesentlichen konstante Distanz und Geometriestellen wiederum
einen wiederholbaren Vorgang des Schließens und Öffnens des Ventilgliedes sicher.
-
Im
Allgemeinen können
während
der Instandhaltung vor Ort oder des Ersatzes die Ventilbetätigungsvorrichtung
oder andere Elemente entfernt oder ersetzt werden, was wiederum
eine Veränderung
der Distanz und der Geometrie zwischen dem Ventilsitz 104 und
dem Element 96 der Ventilbetätigungsvorrichtung verursachen
kann. Weiterhin können
verschiedene Stückteiltoleranzen
und die Verformbarkeit der O-Ring eine gewisse Veränderlichkeit
der Position des mittleren Rohrs 106 des Vorsteuerkörpers mit
Bezug zu dem elastischen Glied 96 zur Folge haben. Diese
Veränderlichkeit
kann eine daraus resultierende Veränderlichkeit des Ventilbetriebs
während
der Öffnungs-
und Verschlusszeiten zur Folge haben. Anders gesagt wird die Beabstandung
des Vorsteuerventils und des Sitzes und deren Geometrie eingestellt,
wenn das Vorsteuerglied 100 auf der Ventilbetätigungsvorrichtung
vormontiert ist, wie in den 2 und 3 gezeigt.
-
In
der geschlossenen Position dichtet der elastische Teil 96 die Öffnung am
Ventilsitz 104 ab und verhindert somit einen Strömungsmittelfluss
von einem Vorsteuerdurchlass 105 zu einem Vorsteuerdurchlass 106.
Das Vorsteuerkörperglied 100 kann mit
einer Membran über
die Vorsteuerdurchlässe 105 und 106 gekoppelt
sein. Somit ist die Anwendung des Vorsteuerkörpergliedes 100 eine
neuartige Verbesserung des Betriebs von durch Membranen gesteuerten
Spülventilen,
wie sie beispielsweise in den US-Patenten 5 125 621; 5 195 720;
5 196 118 und 5 244 179 offenbart werden. Weiterhin kön nen mehrere
Membranen kaskadenförmig
zusammen verwendet werden, wobei die Durchlässe 105 und 106 mit
einer ersten kleineren Membran verbunden sind, die wiederum eine
zweite größere Membran
steuert, die ermöglicht,
dass der Fluss einer großen
Menge an Strömungsmittel
an der Membran in Ihrem offenen Zustand vorbeiläuft. Diese zwei miteinander
verbundenen Membranen erzeugen einen Verstärkungseffekt, um effektiv den
Strömungsmittelfluss
durch eine Membran zu steuern.
-
3 veranschaulicht
ein weiteres Ausführungsbeispiel
der Ventilbetätigungsvorrichtung.
Die Ventilbetätigungsvorrichtung 10B weist
eine (Draht-)Spule bzw. Wicklung 28 auf, die auf eine Spule 14 gewickelt
ist, und eine Betätigungsvorrichtungsbasis 70,
die innerhalb eines Betätigungsvorrichtungskolbens 18 montiert
ist. Die verriegelnde Version der Ventilbetätigungsvorrichtung 10B weist
einen Verriegelungsmagneten 23, ein ferromagnetisches Polstück 25 und
einen ferromagnetischen Anker 80 auf, der verschiebbar
in einer Ankertasche montiert ist, die in dem Polstück 25 ausgeformt
ist. Der elastisch verformbare O-Ring 12 bildet eine Dichtung
zwischen der Elektromagnetspule 14 und der Betätigungsvorrichtungsbasis 70,
und der O-Ring 46 bildet eine Dichtung zwischen dem Polstück 24 und
der Elektromagnetspule 14. Die Spule 14 bildet
eine Ausnehmung 20, die an einem äußeren Ende des Polstückes 25 ausgeformt
ist, und einen scheibenförmigen Magneten 23.
Die Ventilbetätigungsvorrichtung 10B weist
auch einen Positionssensor auf, wie beispielsweise einem piezoelektrischen
Wandler 110, der in dem Sensorgehäuse 112 gelegen ist.
Die nicht verriegelnde Version der Ventilbetätigungsvorrichtung 10B weist
keinen Verriegelungsmagneten 23 auf sondern kann optional
den Positionssensor anstelle des Magneten 23 aufweisen.
Wie oben beschrieben sind die Betätigungsvorrichtungselemente
innerhalb des Elektromagnetgehäuses 18 festgeklemmt.
-
Immer
noch mit Bezug auf 3 weist die Ventilbetätigungsvorrichtung 10B auch
eine elastisch verformbare Membran 90 auf, die zwischen
der Betätigungsvorrichtungsbasis 70 und
dem Vorsteuerkörperglied 100 gelegen
ist. Wie oben beschrieben weist die Betätigungsvorrichtungsbasis 70 einen breiten Basiskörper in
Kontakt mit der Spule 14 und eine verengte Basisverlängerung
auf. Die verengte Basisverlängerung
der Betätigungsvorrichtungsbasis 70 weist äußere Gewindegänge 72 und
innere Gewindegänge 74 auf.
Das Vorsteuerkörperglied 100 weist äußere Gewindegänge 101 auf,
die mit entgegengesetzten inneren Gewindegängen 74 in Eingriff
stehen, und einen Flansch 102. (Alternativ können die
Betätigungsvorrichtungsbasis 70 und
das Vorsteuerkörperglied 100 durch
andere Arten von Verriegelungsmechanismen verbunden sein.) Der Flansch 102 liegt
an dem Schulterteil 76 des Polstückes 70 an, wodurch
ein positiver Anschlag für
das Vorsteuerkörperglied
vorgesehen wird, welches an die Betätigungsvorrichtungsanordnung
geschraubt wird. Dieser positive Anschlag wiederum sieht eine Bekannte
im Wesentlichen konstante Distanz und Geometrie zwischen einer Außenfläche des
elastischen Teils 96 und einem Ventilsitz 104 vor.
-
Wie
oben beschrieben weist die elastisch verformbare Membran 90 dem äußeren Ring 92,
die entsprechende Region 94 und die elastische C-förmige Region 96 auf.
Es gibt verschiedene mögliche Formen
und Größen der
verformbaren Membran 90 und der Region 96 abhängig von
der Anordnung und von der Größe des Vorsteuerkörpergliedes 100 und des
Stössels 86.
-
Der
ferromagnetische Anker 80 weist den Stössel 86 und einen
Federhohlraum 82 auf, der angeordnet ist, um die Feder 84 aufzunehmen,
und zwar mit verjüngten
Endteilen 84A und 84B. Die verjüngten Federenden
ermöglichen
eine Sortierung und Montage durch eine Maschine. Der Stössel 86 kann
einen kreisförmigen,
einen elliptischen, einen rechteckigen oder einen anderen Querschnitt
haben. Der ferromagnetische Anker 80 weist auch einen Durchlass 85 auf
(in 2A gezeigt), der eine Strömungsmittelverbindung zwischen
dem Hohlraum 82 und einer Kammer 89 ermöglicht,
die von der O-Ringdichtung 46 und der Membran 90 abgedichtet
wird. Dies erzeugt wiederum eine strömungsmitteldichte Dichtung
für die
Ankerflüssigkeit,
wobei die Membran 90 den Anker 80 und den Stössel 86 davor
schützt, dass
diese dem äußeren Strömungsmittel
ausgesetzt werden, welches in Kontakt mit dem Vorsteuerkörperglied 100 ist.
Das heißt,
der gesamte Anker 80 wird von der Ankerflüssigkeit
umgeben, die einen im Wesentlichen in Gleichgewicht befindlichen
Druck hat, der auf die Ankerfläche
aufgebracht wird (d. h. der Anker 80 "schwimmt" im Wesentlichen in der Ankerflüssigkeit).
Wie oben erwähnt
hat die Ankerflüssigkeit
vorzugsweise eine sehr niedrige Viskosität und ist inkompressibel und
nicht korrosiv. Weiterhin ermöglichen
die Spule 14, die Polstücke 25 und 70, der
Anker 80 und der Durchlass 85 einen relativ uneingeschränkten Fluss
des Ankerströmungsmittels wenn
sich die Betätigungsvorrichtung
bewegt, d. h., es gibt einen Pfad für die Ankerflüssigkeit
mit niedrigem Widerstand.
-
Vorteilhafterweise
weist die Betätigungsvorrichtungsanordnung
ein Vorsteuerkörperglied 100 auf,
welches wiederholbar an der Betätigungsanordnung
gesichert ist, wie oben beschrieben. Der Flansch 102 liegt
an einem Schulterteil 76 des Polstückes 70 an, wodurch
ein positiver Anschlag vorgesehen wird, der eine bekannte, im Wesentlichen
konstante Distanz und Geometrie zwischen einer Außenfläche des
elastischen Teils 96 und einem Ventilsitz 104 vorsieht.
Die bekannte, im Wesentlichen konstante Distanz und Geometriestellen
wiederum eine wiederholbare Verschluss- und Öffnungswirkung des Ventilgliedes
sicher. Weiterhin kann das Vorsteuerkörperglied 100 geformt
sein, um eine Membran aufzunehmen.
-
4 ist
eine teilweise schematische und teilweise diagrammartige Darstellung
einer Steuerschaltung, die für
die Ventilbetätigungsvorrichtung 10C verwendet
wird. Die Steuerschaltung 130 weißt einen Sensorverstärker und
einen Umhüllungsdetektor 132 auf,
weiter einen Komparator 134, eine Mikro-Steuervorrichtung
bzw. einen Mikrocontroller 136, der ein Signal von einem
Objektsensor 138 aufnimmt, weiter einen Komparator 140 und
einen Ventiltreiber 142. Um das Ventil zu schließen legt
der Ventiltreiber 142 eine Antriebsspannung bzw. Treiberspannung
beispielsweise durch die Anschlüsse 29A und 29B an,
um einen Antriebsstrom durch die Spule 28 zu leiten, wie
in den US-Patenten 6 293 516 und 6 305 662 beschrieben.
-
Im
Allgemeinen kann die Ventilbetätigungsvorrichtung
unterschiedliche Arten von Steuerschaltungen verwenden, wie beispielsweise
die Schaltungen, die in den US-Patenten 5 781 399; 5 803 711; 5 815
365 oder 6 021 038 beschrieben werden. Der Antriebsstrom leitet
den entsprechenden Magnetfluss ein, der im Großen und Ganzen von dem ferromagnetischen
Gehäuse 18,
dem hinteren Polstück 25 und
dem vorderen Polstück 70 geleitet
wird. In dem Ausführungsbeispiel
mit Verriegelung ist die Polarität
der Antriebsspannung derart, dass der daraus resultierende Magnetfluss
jenem des Permanentmagneten 23 entgegengesetzt ist. Dies
unterbricht die Haltekraft des Magneten 23 auf den Anker 80 und
gestattet, dass die Rückstellfeder 84 den
Stössel 86 zusammen
mit dem Membranteil 96 auf den Ventilsitz 104 drückt. Sobald
das Ventil somit geschlossen worden ist, hält die Rückstellfeder dieses ohne weitere Hilfe
von der Spule 28 geschlossen. In dem geschlossenen Zustand
ist die Magnetkraft durch den Magneten 23 auf den Anker 22 geringer
als jene der Rückstellfeder 84 aufgrund
der gesteigerten Distanz des Ankers 22 vom Magneten 23.
Um das Ventil zu öffnen
legt der Ventiltreiber 142 eine Antriebsspannung in der
entgegengesetzten Richtung an, so dass der daraus resultierende
Magnetfluss die gleiche Orientierung hat wie der Fluss von dem Magneten 23. Somit
verstärkt
der angelegte Magnetfluss jenen des Permanentmagneten 18 und überwindet
die Kraft der Rückstellfeder 84.
Daher bewegt sich der Anker 80 zum Magneten 23 hin,
und in der zurückgezogenen Position
des Stössels 86 ist
die Kraft des Permanentmagneten 23 groß genug, um den Anker 80 gegen die
Kraft der Rückstellfeder 84 zu
halten, ohne irgend einen "Halteantriebsstrom" anzulegen. Andererseits muss
bei dem Ausführungsbeispiel
ohne Verriegelung der "Halteantriebsstrom" angelegt werden,
da es keinen Permanentmagneten 23 gibt.
-
Wegen
der bistabilen Natur des verriegelnden Ventils unterbrechen Steuerschaltungen,
die diese betätigen,
typischerweise den Stromfluss, nachdem das Ventil den erwünschten
Zustand erreicht hat. Da die erforderliche Zeit, damit das Ventil
den erwünschten
Zustand erreicht, stark variieren kann, machen herkömmliche
Steuerschaltungen die Stromflussdauer relativ lang, so dass diese
für die Bedingungen
im schlechtesten Fall passend sein werden. Da die meisten Betätigungen
nicht unter Bedingungen des schlechtes ten Falls ausgeführt werden,
dauert jedoch der Spuleantriebsstrom typischerweise für einige
Zeit an, nachdem das Ventil seine stabile Position erreicht hat.
Dies ist eine Verschwendung von Batterieenergie. Um diese Verschwendung zu
verringern kann die Steuerschaltung 130 den Anker überwachen,
um zu bestimmen, ob der Anker seinen Endpunkt erreicht hat, und
sie hört
auf, einen Spulenantriebsstrom anzulegen, gerade bevor oder genaue
wenn dies auftritt.
-
Im
Allgemeinen weist die Ventilbetätigungsvorrichtung 10B zur Überwachung
der Position des Stössels 86 einen
Positionssensor auf, der ein piezoelektrischer Wandler sein kann,
weiter ein kapazitiver Wandler, ein induktiver Wandler, ein optischer
Wandler oder irgendein anderer Wandler, der direkt oder indirekt
mit dem Anker 80 gekoppelt ist. Beispielsweise überwacht
der piezoelektrische Wandler 110 die Lage des Ankers 80,
indem er Vorteil aus dem Schall zieht, dem der Anker 80 macht,
wenn er jedes Ende seiner Laufbahn erreicht. Wir verwenden den Ausdruck
Schall hier im breiten Sinne einer Druckwelle oder Spannungswelle.
In den meisten Ausführungsbeispielen
sind darüber
hinaus die vorherrschenden Frequenzkomponenten des "Schalls" typischerweise über dem
hörbaren
Bereich.
-
In
dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel
der 3 ist der Ankersensor der piezoelektrische Wandler 110,
der auf Schwingungen in der Gehäusewand
anspricht. Die Größe und Form
des piezoelektrischen Elementes 110 sind typischerweise
so ausgewählt
gewesen, dass sie sein Ansprechen auf die vorherrschenden Frequenzkomponenten
maximieren, und es ist normalerweise an einer Stelle montiert, wo
die zu detektierenden Töne
die größte Amplitude
haben oder am besten von Rauschen unterscheidbar sind. Alternativ
ist der Ankersensor ein kapazitiver Sensor, der eine Platte aufweist,
die an einer stationären
Betätigungsvorrichtungsfläche gelegen
ist, und wobei die andere Platte an einer Oberfläche des sich bewegenden Ankers 80 gelegen
ist. Die Bewegung des Ankers 80 bewirkt eine relative Verschiebung
der zwei Kondensatorplatten, die wiederum den gemessenen Kapazitätswert verändert. Basierend
auf dem Kapazitätswert
bestimmt der ka pazitive Sensor die Endposition oder irgend eine
augenblickliche Position des Ankers 80 (und somit die Position
des Stössels 86).
-
Alternativ
ist der Ankersensor ein optischer Sensor, der eine optische Quelle
und einen optischen Detektor aufweist. Die Quelle sendet optische
Strahlung aus, die von einer Oberfläche des Ankers reflektiert
wird (oder möglicherweise
durch diese hindurch übertragen
wird) und von dem Detektor detektiert wird. Die Reflektionsfläche modifiziert
das ausgesandte optische Signal. Somit variiert das detektierte Signal
abhängig
von der Position des Ankers (d. h. der augenblicklichen Lage des
Stössels 86).
Basierend auf dem detektierten optischen Signal bestimmt der optische
Sensor die Endposition oder irgend eine augenblickliche Position
des Ankers 80. Alternativ verwendet der Ankersensor eine
Quelle von elektromagnetischer Strahlung und einen entsprechenden Detektor.
Der Detektor misst die Störung
der erzeugten elektromagnetischen Strahlung durch den Anker abhängig von
der Lage des Ankers. Basierend auf der detektierten gesteuerten
Strahlung bestimmt der Sensor die Endposition oder irgend eine augenblickliche
Position des Ankers.
-
Wiederum
mit Bezug auf 3 sieht ein Anschluss 114 eine
elektrische Verbindung zu einer der Elektroden des Wandlers 110 durch
eine Kontaktfeder 116 vor, die an der Stelle von beispielsweise
einer Plastikkappe 112 gesichert wird. Die andere Elektrode
des Wandlers 110 kann gemeinsam mit der Spule 28 verwendet
werden, beispielsweise wenn der Wandler an dem Gehäuse 18 durch
eine Leitungsverbindung zwischen dem Gehäuse und dieser Elektrode gesichert
wird.
-
Mit
Bezug auf 4 liefert der piezoelektrische
Sensor 110 ein Sensorsignal 131 an den Verstärker und
den Umhüllungsdetektor 132,
der einen Verstärker
aufweist, der auf die erwarteten vorherrschenden Frequenzkomponenten
des Schalls (typischerweise im Ultraschall-Bereich) eingestellt
ist. Der Verstärker
und Umhüllungsdetektor 132 richtet
das resultierende gefilterte Signal gleich und behandelt das Ergebnis
mit einem Tiefpassfilter, um eine Ausgangsgröße zu erzeugen, die die Umhüllung der
Ausgangsgröße des eingestellten
Verstärkers
darstellt. Wenn der Anker 80 einen Endpunkt erreicht und
eine Schwingung des Gehäuses
verursacht, überschreitet der
daraus resultierende Umhüllungswert
eine Schwelle, die ein Komparator 134 anglegt. Da in dem veranschaulichenden
Ausführungsbeispiele
die Schallamplitude höher
ist, wenn sich das Ventil öffnet,
als wenn es sich schließt,
stellt ein Mikrocontroller 136 eine Komparatorschwelle
ein, deren Wert, wenn das Ventil geöffnet wird, ein anderer ist
als der Wert, den sie hat, wenn das Ventil geschlossen wird.
-
Der
Mikrocontroller 136 kann die Ventilbetätigungsvorrichtung ansprechend
auf ein Auslösersignal
von einem Objektsensor 138 betreiben. Die Steuerschaltung 130 kann
aufgebaut sein, um mit unterschiedlichen Arten von Objektsensoren
zu arbeiten, die eine Anwesenheit oder eine Bewegung detektieren.
Beispielsweise kann der Objektsensor 138 ein Ultraschall-Sensor,
ein kapazitiver Sensor oder ein optischer Sensor sein, wie beispielsweise
einer der Sensoren, die in den US-Patenten 5 984 262; 6 127 671
oder 6 212 697 beschrieben werden.
-
Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
ist der Objektsensor 138 ein optischer Sensor, der in dem US-Patent
6 212 697 beschrieben wird. Der optische Sensor weist eine Lichtquelle
und einen Lichtdetektor auf. Die Lichtquelle (beispielsweise eine
Infrarot-LED) ist hinter einer Linse mit einem im Allgemeinen kreisförmigen Teil
von seinem optisch nützlichen Teil
angeordnet. Die Quellenlinse bildet eine Rückseite, die sphärisch konvex
ist, und zwar mit einem Krümmungsradius
von 16 mm (0,63 Inch) und mit einer Umfangskante, die eine Ebene
senkrecht zu einer Linie definiert, die sich nach unten rechts in
einem Winkel von 18,6 Grad zur Horizontalen erstreckt. Die Austrittsfläche der
Linsenfront ist auch sphärisch
konvex mit einem Krümmungsradius
von 50,8 mm (2,0 Inch) und mit einer Umfangskante, die eine Ebene
senkrecht zu einer Linie definiert, die sich nach unten links in
einem Winkel von 9,8 Grad zur Horizontalen erstreckt. Die Quelle
ist so positioniert, dass sie ein Strahlungsmuster liefert, welches
im US-Patent 6 212 697 beschrie ben und gezeigt wird. Der Strahlungsdetektor
(beispielsweise eine Fotodiode) ist hinter einer Empfängerlinse
gelegen, die Formen von linken und rechten Stirnseiten genauso wie jene
der entsprechenden Oberflächen
der Übertragungslinsen
hat. Die Oberflächen
der Empfängerlinse
sammeln Licht, das von einem Ziel empfangen wurde (beispielsweise
von einer Person vor einem Urinal) und tendieren dazu, dieses zum
Strahlungsdetektor zu leiten. Diese Anordnung ist verantwortlich für ein Empfängermuster,
welches auch in dem US-Patent 6 212 697 gezeigt und beschrieben
wird.
-
Beispielsweise
kann der Mikrocontroller 136 beim Empfang eines Träger- bzw. Auslösersignals von
einem Objektsensor 138 ein "Öffnen-Signal" zum Ventiltreiber 142 liefern,
wenn der Sensor detektiert, dass der Anwender die Nachbarschaft
der Spülvorrichtung
verlässt.
Weiterhin kann der Mikrocontroller 136 ein "Schließen-Signal" liefern, nachdem
das Ventil für
eine vorbestimmte Dauer offen gewesen ist. Um das Ventil zu öffnen erzeugt
der Mikrocontroller ein Öffnen-Signal,
welches an eine Ventiltreiberschaltung 142 angelegt wird.
Dies bewirkt, dass die Schaltung Strom durch die Spule der Betätigungsvorrichtung 28 in
der Richtung treibt, die bewirken wird, dass sich das Ventil öffnet.
-
Wenn
dieser Strom beginnt zu fließen
zeigt die Ausgangsgröße des Komparators 134 anfänglich,
dass die Ausgangsgröße des Verstärker 132 geringer
als die Schwelle ist, somit nimmt der Verstärker nicht den Schall von einer
Größe auf,
die damit in Übereinstimmung
ist, dass der Anker das Ende seines Laufweges erreicht. Der Mikrocontroller 136 hält daher
das Öffnen-Signal sicher. Jedoch
verändert sich
die Ausgangsgröße des Komparators 134 ansprechend
auf den Schall, der von dem Anker 80 am Ende seiner Bahn
gemacht wird. Wenn der Anker 80 diesem Punkt erreicht hat,
wird das Ventil ohne Stromfluss offen bleiben, so dass der Mikrocontroller seine Öffnen-Ausgangsgröße wegnimmt
und dadurch bewirkt, dass der Ventiltreiber 142 aufhört, Antriebsstrom
an die Betätigungsvorrichtungsspule 28 anzulegen.
Das Ergebnis ist gewöhnlicherweise, dass
die Stromflussdauer viel Geringer gewesen ist als die Zeit, die
erforderlich ist, um das Ventil unter den Bedingungen des schlechtesten
Falles zu öffnen,
so dass das System beträchtliche
Energie eingespart hat.
-
Um
das Ventil zu schließen
erzeugt der Mikrocontroller 136 seine Schließen-Ausgangsgröße und bewirkt
dadurch, dass der Ventiltreiber 142 das Antriebssignal
an die Betätigungsvorrichtungsspule 28 in
der entgegengesetzten Richtung anglegt. Wiederum gestattet der Mikrocontroller
nur einen Stromfluss bis der Komparator 134 ihn dahingehend
informiert, dass der Anker das Ende seines Weges erreicht hat.
-
Die
Steuerschaltung 130 kann verwendet werden, um nicht nur
die Dauer des Antriebssignals zu steuern, sondern auch seine Größe. Die
Dauer des Antriebssignals kann in dem Bereich von weniger als ungefähr 1 ms
bis ungefähr
10 ms und vorzugsweise im Bereich von 1,5 ms bis 8 ms sein. Ein
Spulenantriebsniveau, das für
den gewöhnlichen
Betrieb hoch genug ist, kann gelegentlich unzureichend sein, und
das Niveau des Spulenantriebsstroms kann gesteigert werden, wenn
der Anker den Endpunkt nicht erreichen kann. Ein Weg zur Steigerung
des Spulenantriebsstromniveaus ist, die Spannung an den Kondensatoren
zu steigern, die durch die Betätigungsvorrichtungsspule
entladen werden.
-
4 bildet
den Ventiltreiber 142 derart ab, dass er durch eine Batterie 144 angetrieben
wird. Der Ventiltreiber 140 weist typischerweise Energiespeicherkondensatoren
auf, die die Batterie 144 zwischen Betätigungsvorgänge durch eine Spule L1 und eine
Shottky-Diode D1 aufhält.
Wenn der Mikrocontroller 136 sein Öffnen- oder Schließen-Signal
aufbaut, entlädt
der Treiber die Kondensatoren durch die Betätigungsvorrichtungsspule 28.
Gewöhnlicherweise
ist es die Spannung der Batterie 144 selbst, die die Spannungen
bestimmt, auf die die Kondensatoren aufgeladen werden, und dies
bestimmt wiederum den Spulenstrom und somit die Ankerkraft.
-
Unter
manchen Bedingungen können
es verschiedene Faktoren (beispielsweise eine Expansion eines Elementes
aufgrund von hoher Temperatur, ei ne hohe Viskosität des Betätigungsvorrichtungsströmungsmittels
aufgrund von niedriger Temperatur, eine Verschlechterung der Membran 90 oder
von anderen Elementen der Betätigungsvorrichtung) schwerer
als üblich
machen, den Anker 80 zu verschieben. Jedoch wird das Antriebssignal
normalerweise in normalen Betriebswerten eingestellt. Anderenfalls
wäre der
Energieverbrauch unnötigerweise hoch,
wenn während
des normalen Betriebs die Batteriespannung hoch genug eingestellt
werden würde, um
mit solchen schwierigen Bedingungen fertig zu werden. Das vorliegende
Ausführungsbeispiel
verwendet daher ein Batteriespannungsniveau, welches für normale
Situationen adäquat
ist, jedoch nicht für schwierigere.
-
Die
Steuerschaltung 130 ist dahingehend aufgebaut, dass sie
die Spannung des Kondensator steigert, wenn der Anker sich nicht
nach dem anfänglichen
Anlegen des Antriebssignals bewegt hat, oder das Ende seiner Laufbahn
nicht innerhalb einer vorbestimmten maximalen Dauer des Stromflusses
erreicht hat. Insbesondere schaltet der Mikrocontroller 136 den
Ventiltreiber zeitweise aus, wenn die vorbestimmte maximale Stromflussdauer
erreicht wird, und sie beginnt, einen Transistor Q1 durch einen
Strombegrenzungswiderstand R1 impulsartig zu bewegen. Während jedes
Impulses zieht der Transistor Strom aus der Batterie durch die Spule
L1. Wegen der Diode D1 jedoch entlädt sie nicht die Kondensatoren
des Ventiltreibers. Am Ende von jedem Impuls schaltet der Transistor
Q1 aus, und die daraus resultierende elektrische Antriebskraft in
der Spule L1 bewirkt, dass der Strom weiter fließt und dadurch die Kondensatoren
der Treiberschaltung durch die Diode D2 aufhält, auch wenn die Spannung
dieser Batterie in jene der Batterie 144 überschreitet.
Somit können
diese Kondensatoren auf Spannungen aufgeladen werden, die jene der
Batterie überschreiten.
-
Um
die geeignete Spannung des Kondensators zu erreichen vergleicht
ein Komparator 140 die Kondensatorspannung mit einem Niveau,
welches der Mikrocontroller 136 einstellt. Ansprechend
auf die resultierende Ausgangsgröße des Komparators
steigert der Mikrocontroller 136 den Lastzyklus des Impulses,
wenn die Kondensatorspannung geringer als die Schwelle ist, und verringert
den Lastzyklus, wenn die Kondensatorspannung die Schwelle überschreitet.
Die Schwelle wird höher
eingestellt als die Batteriespannung, so dass die Kraft auf dem
Anker größer ist
und wahrscheinlicher das Ventil öffnen
oder schließen
wird, wenn der Mikrocontroller dann den Ventiltreiber wieder einschaltet.
-
Das
veranschaulichende Ausführungsbeispiel
ist eines von vielen, die die Lehren der vorliegenden Erfindung
einsetzen können.
Obwohl wir bevorzugen, einen Schallsensor zu verwenden, insbesondere
einen Ultraschall-Wandler,
können
andere Wege zum detektieren des Endes eines Weges des Ankers statt
dessen verwendet werden. Obwohl das veranschaulichte Ausführungsbeispiel
die Dauer des Spuleantriebstroms steuert, sowohl wenn das Ventil geöffnet wird
als auch wenn es geschlossen wird, können einige Ausführungsbeispiele
auch diese Dauer nur während
des Öffnens
oder nur während des
Schließens
steuern. Und verriegelnde Betätigungsvorrichtungssysteme,
die andere Mechanismen betätigen
als Ventile, können
auch von den Lehren der vorliegenden Erfindung profitieren.
-
Obwohl
wir ein einfaches Amplitudenkriterium eingesetzt haben, um zu bestimmen,
ob der Anker das Ende seines Weges erreicht hat, können darüber hinaus
andere Kriterien gefunden werden, die für manche Anwendungen zu bevorzugen
sind. Beispielsweise könnte
das Schallsignal gesampelt bzw. aufgenommen und durch Signalverarbeitung
mit einer gespeicherten Wellenform verglichen werden, die bekannterweise
dafür charakteristisch
ist, dass der Anker einen seiner Endpunkte erreicht. Das gespeicherte
Signal kann für
unterschiedliche Endpunkte unterschiedlich sein und es kann Umstände geben, unter
denen es als wertvoll angesehen wird, einen solchen Vergleich zu
verwenden, um zwischen den zwei Zuständen der Betätigungsvorrichtung
zu unterscheiden.
-
Irgend
eine der oben beschriebenen Ventilbetätigungsvorrichtungen ist für zahlreiche
Anwendungen geeignet. Beispielsweise kann die beschriebene Ventilbetätigungsvorrichtung
in einem Ventil mit zwei Strömungsmitteln
ver wendet werden, wie es in der US-Anmeldung mit der Seriennummer
718 026 beschrieben wird, die am 20. November 2000 eingereicht wurde.
Alternativ kann die Ventilbetätigungsvorrichtung
in einem Strömungsmittelauslasssystem verwendet
werden, das in dem US-Patent 6 161 726 beschrieben wird, oder in
der PCT-Anmeldung PCT/US99/30898 (veröffentlicht als WO 00/38561). Weiterhin
kann die Ventilbetätigungsvorrichtung
in verschiedenen Bewässerungssystemen
verwendet werden, die beim Ackerbau oder beim Gartenbau verwendet
werden.
-
Nachdem
wir verschiedene Ausführungsbeispiele
und Einrichtungen der vorliegenden Erfindung beschrieben haben,
sollte dem Fachmann für
die relevante Technik offensichtlich sein, dass das Vorangegangene
nur veranschaulichend und nicht einschränkend ist, wobei es nur beispielhaft
dargelegt wurde. Die Funktionen von irgend einem Element können auf
verschiedene Weise in alternativen Ausführungsbeispielen ausgeführt werden.
Ebenfalls können
die Funktionen von verschiedenen Elementen in alternativen Ausführungsbeispielen
durch weniger Elemente oder durch ein einzelnes Element ausgeführt werden.