DE60205796T2

DE60205796T2 - Ventile mit Schwingspulenmotor und Wärmeableitung

Info

Publication number: DE60205796T2
Application number: DE2002605796
Authority: DE
Inventors: Gabriel Silva
Original assignee: Young and Franklin Inc
Current assignee: Young and Franklin Inc
Priority date: 2001-03-16
Filing date: 2002-03-18
Publication date: 2006-06-08
Anticipated expiration: 2022-03-19
Also published as: EP1241359A1; US6427970B1; DE60205796D1; EP1241359B1

Description

Diese Erfindung betrifft generell eine Vorrichtung zum raschen Abführen der von einer Schwingspulenbetätigungseinheit, die zum Steuern der Positionierung eines Ventilschiebers verwendet wird, erzeugten Wärmeenergie und insbesondere ein schwingspulenbetätigtes Ventil.
Wie aus der US-A-5 460 201 und der US-A-5 076 537 hervorgeht, finden Linearschwingspulenbetätigungseinheiten seit einiger Zeit in Verbindung mit Schieberventilen Verwendung, um die Positionierung des Ventilschiebers zu steuern. Die Schwingspulenbetätigungseinheit umfasst generell eine rohrförmige Drahtspule, die in einem Magnetflussfeld angeordnet ist, welches von einem stationären Magneten erzeugt wird. Durch das Anlegen eines elektrischen Stromes an die Spule wird eine gerichtete Kraft erzeugt, die proportional zum eingegebenen Strom ist, so dass eine Relativbewegung zwischen dem Magneten und der Spule bewirkt wird. Typischerweise ist der Magnet stationär montiert, während die Spule in einem Rahmen innerhalb des Magnetflussfeldes aufgehängt ist, so dass sich der Rahmen linear bewegt, wenn ein Strom an die Spule gelegt wird. In einem Schieberventilanwendungsfall ist der Spulenrahmen mit dem Ventilschieber ge koppelt, und die Position des Schiebers wird durch Regeln der an die Spule gelegten Strommenge und der Richtung des Stromflusses gesteuert. Schwingspulenbetätigungseinheiten besitzen zuverlässige Betriebseigenschaften, sind generell hysteresefrei und erzeugen eine sanfte Bewegung, was sie zum Steuern der Betriebsweise eines Schieberventils ideal geeignet macht.
Schwingspulenbetätigungseinheiten neigen jedoch dazu, ziemlich viel Wärme zu erzeugen, insbesondere dann, wenn das Ventil über eine relativ lange Zeitdauer häufig betätigt wird. Bei Unterbringung in einer kompakten Packung kann sich die Wärme rasch bis zu einem Punkt aufbauen, bei dem die Spule beschädigt wird, so dass die Betätigungseinheit außer Betrieb gesetzt wird. Aus dem gleichen Grund können auch elektrische Komponenten, die in enger Nachbarschaft mit einer überhitzten Betätigungseinheit angeordnet sind, gefährdet werden.
Ein schwingspulenbetätigtes Ventil, wie in den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 16 definiert, ist aus Patent Abstract of Japan, Vol. 010, Nr. 238 (M-508) vom 16. August 1986 und der JP 61070205 A bekannt.
Die vorliegende Erfindung bezweckt eine Verbesserung der Wärmeabführeigenschaften von schwingspulenbetätigten Schieberventilen.
Die vorliegende Erfindung bezweckt ferner die Verbesserung der Betriebsweise von Schieberventilen mit Hilfe einer Schwingspulenbetätigungseinheit.
Des weiteren bezweckt die vorliegende Erfindung die Montage eines Schieberventils, einer Schwingspulenbetätigungseinheit zum Positionieren des Ventilschiebers und von elektrischen Steuerkomponenten, die der Betätigungseinheit zugeordnet sind, in einer kompakten Packung, so dass die Betätigungsspule und die elektronischen Komponenten durch die von der Spule erzeugte Wärme nicht beschädigt werden.
Darüber hinaus bezweckt die vorliegende Erfindung die Verlängerung der nutzbaren Lebensdauer eines schwingspulenbetätigten Schieberventils durch Verbesserung von dessen Wärmeabführeigenschaften.
Erfindungsgemäß wird ein schwingspulenbetätigtes Ventil gemäß Patentanspruch 1 geschaffen.
Weiterentwicklungen und Modifikationen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 18 angegeben.
Es wird nunmehr eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit den beigefügten schematischen Zeichnungen erläutert. Hiervon zeigen
1 eine Draufsicht auf ein Schieberventil;
2 eine Unteransicht des in 1 dargestellten Ventils;
3 eine Schnittansicht entlang Linie 3-3 in 1; und
4 eine vergrößerte Teilansicht im Schnitt, die eine Schwingspulenbetätigungseinheit zeigt.
Die 1–3 zeigen ein Ventil zur Aufteilung von flüssigem Kraftstoff, das generell mit 10 bezeichnet und in einem zylindrischen Gehäuse 12 untergebracht ist. Das Ventil 10 besitzt des weiteren einen zylindrischen Ventilkörper oder eine Ventilhülse 13, in der ein Schieber 15 gleitend zur Durchführung einer Hin- und Herbewegung entlang der Mittelachse 17 des Gehäuses montiert ist. Eine Einlassöffnung 18 (2) zum Ventil ist im unteren Teil des Gehäuses angeordnet, und ein Paar von Auslassöffnungen 20 und 21 befindet sich oberen Teil des Gehäuses. Das Ventil ist von herkömmlicher Bauart und so angeordnet, dass ein zugeführtes Strömungsmittel wahlweise einer der Auslassöffnungen zugeführt werden kann, indem der Schieber entlang der Achse des Gehäuses wahlweise positioniert wird. Geeignete Dichtungen 22–22 sind vorgesehen, um zu verhindern, dass das Prozessströmungsmittel aus dem Ventilbereich entweicht.
Obwohl die vorliegende Erfindung speziell anhand eines Aufteilventils beschrieben wird, ist sie nicht auf dieses spezielle Ventil beschränkt und kann auch in Verbindung mit verschiedenen anderen Ventiltypen Verwendung finden, bei denen ein Schieber zum Steuern des Durchflusses eines Strömungsmittels eingesetzt wird.
Das Ventil ist in einer ersten Kammer 27 im Gehäuse angeordnet, die hiernach als Ventilkammer bezeichnet wird. Eine generell mit 30 bezeichnete Schwingspulenbetätigungseinheit ist ebenfalls im Gehäuse in einer zweiten Kammer 32 untergebracht, die zur ersten Kammer benachbart und hiervon durch eine Wand 33 getrennt ist. Die zweite Kammer wird hiernach als Betätigungseinheitkammer bezeichnet. In der Praxis ist das Gehäuse in zwei Abschnitte 35 und 36 unterteilt, wobei der erste Abschnitt das Ventil 10 und der zweite Abschnitt 36 die Schwingspulenbetätigungseinheit 30 enthält. Die Abschnitte sind an der Wand 33 miteinander verbunden und über eine Reihe von Bolzen 39–39 (siehe 1 und 2) aneinander befestigt. Durch die Unterteilung des Gehäuses in der dargestellten Weise wird die Montage der im Gehäuse untergebrachten Komponenten erleichtert.
Wie man ferner 4 entnehmen kann, ist die Schwingspulenbetätigungseinheit 30 von einer herkömmlichen Bauart und besitzt einen zylindrischen ferromagnetischen Weicheisenkern 40, der von einer rohrförmigen ferromagnetischen Weicheisenhülle 41 umgeben wird, die den Kern zur Ausbildung eines ringförmigen Luftspaltes dazwischen umgibt. In der Praxis können der Kern und die Hülle aus dem gleichen Materialstück hergestellt sein. Obwohl nicht dargestellt, ist ein Permanentmagnet entweder in die Hülle oder den Kern eingebettet, um ein Magnetflussfeld innerhalb des Luftspaltes zu erzeugen. Ein undurchlässiger Endflansch 43 ist unter Verwendung von Schrauben 44 hieran befestigt. Schraubenbolzen 45 erstrecken sich durch den Endflansch und sind in die Rückseite des Luftspaltes geschraubt. Der Sinn und Zweck derselben wird hiernach in größeren Einzelheiten erläutert. Ein generell mit 50 bezeichneter Spulenhalter ist in den Luftspalt der Betätigungseinheit eingesetzt. Der Halter besitzt einen zylindrischen Körper 51, um den eine Drahtspule (nicht gezeigt) gewickelt ist, und eine kreisförmige Endwand 52, die benachbart zur Wand 33 angeordnet ist, die die beiden Gehäusekammern unterteilt. Zwei Leitungsdrähte 68 und 69 sind an der Wand 52 befestigt, um die Spule mit Strom zu versorgen. Eine speziell ausgebildete Nut im Gehäuse 35 ermöglicht, dass die Drähte an eine Steuereinheit angeschlossen werden können, welche Schaltungsplatten 66 und 67 aufweist. Die Hülse der Betätigungseinheit bildet mit der Innenwand der Betätigungseinheitkammer eine enge Passung, so dass die Betätigungseinheit axial zur Mittelachse des Gehäuses ausgerichtet ist.
Der Schieber enthält ein Paar von Endschäften 55 und 56, die in geeigneten linearen Lagern gelagert sind, welche in Lagerblöcken 57 und 58 montiert sind. Der Endschaft 55 ist so angeordnet, dass er sich durch die Verteilungswand 33 des Gehäuses erstreckt, und ist über eine geeignete Kupplung mit der Endwand 52 des Spulenhalters 50 verbunden, so dass der Ventilschieber durch die Axialbewegung des Spulenhalters repositionierbar ist. Bei der Montage wird der Schieber mit Hilfe von entgegengesetzt wirkenden betriebssicheren Federn 59 und 60 in einer neutralen Position gehalten, um auf diese Weise zu verhindern, dass Strömungsmittel durch das Ventil strömt. Eine Repositionierung des Ventilschiebers wird erreicht, indem ein Strom an die Spule der Betätigungseinheit gelegt wird. Die Richtung des Stromflusses durch die Spule bestimmt die Bewegungsrichtung des Spulenhalters, während die durch den Stromfluss erzeugte Kraft von der Menge des an die Spule gelegten Stromes und der Magnetflussdichte im Luftspalt abhängig ist.
Der Endflansch 43 der Betätigungseinheit erstreckt sich radial über die Hülle hinaus in eine Schulter 63, die in der Betätigungseinheitkammer ausgebildet ist und über geeignete Mittel, wie Schrauben o.ä. (nicht gezeigt), an Ort und Stelle befestigt ist. Ein Paar von radial angeordneten beabstandeten Schaltungsplatten 66 und 67 ist in der Betätigungseinheitkammer 32 unmittelbar hinter der Betätigungseinheit montiert. Die Platten enthalten Schaltungen einer digitalen Steuereinheit, die die Betätigung der Schwingspulenbetätigungseinheit und somit die Positionierung des Ventilschaftes regelt. Die Steuerschaltung ist sowohl an die Spulendrähte 68 und 69 als auch an ein längliches stationäres Kontaktblatt 70 angeschlossen, das auf einem Kontaktkissen 71 parallel zur Gehäuseachse montiert ist. Das Kontaktkissen ist in einem Loch 72 angeordnet, das im Kern der Betätigungseinheit vorgesehen ist. Ein bewegliches Wischerblatt 73 ist an der Endwand des Spulenhalters über einen Träger 74 befestigt und bewegt sich mit dem Spulenhalter, um die Steuereinheit mit einer genauen Positionsinformation zu versorgen. Die Steuereinheit bewirkt in Abhängigkeit von Eingangsbefehlen das Anlegen eines geeigneten Stromes an die Spule der Betätigungseinheit, damit der Schieber an eine gewünschte Stelle bewegt wird. Befehlsleitungen 77 an die Steuereinheit erstrecken sich durch eine Öffnung 78 im rückwärtigen Teil des Gehäuses und durch den Klemmenblock 79.
Wie in 4 gezeigt, wird ein Ferrofluid 80 mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit durch die Schraubbolzenlöcher 81 in den Luftspalt der Betätigungseinheit injiziert. Das Ferrofluid wird unter Verwendung einer Spritze auf die magnetisierten Oberflächen der Betätigungseinheit aufgebracht. Es füllt die Leerräume im Luftspalt und sieht somit eine Bewegungsbahn über den Spalt vor, so dass die im Kern und Spulenbereich der Betätigungseinheit erzeugte Wärme rasch auf die Außenfläche der Hülle 41, die sich benachbart und in enger Nachbarschaft zur Innenwand des Gehäuses befindet, überführt wird. Geeignete Ferrofluide mit hoher Wärmeleitfähigkeit sind im Handel über die Firma Ferrofluidics Corp., Chanhassen, Minnesota, USA erhältlich.
Die Innenfläche des Endflansches der Betätigungseinheit sowie die Außenfläche der Hülle der Betätigungseinheit sind mit einem Polymermaterial 85 beschichtet, das ebenfalls eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt. Das Polymer füllt den Bereich zwischen dem Endflansch und dem Gehäuse und der Hülle und dem Gehäuse aus, so dass eine stark leitende Bahn gebildet wird, über die die von der Schwingspulenbetätigungseinheit erzeugte Wärme zum Gehäuse überführt werden kann. Polymere mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit um 1,5 W/m–K, die zum Einsatz für diesen Anwendungsfall geeignet sind, sind von der Firma Bergquist Company, Nashua, New Hampshire, USA erhältlich. Das Gehäuse ist vorzugsweise aus einem nichtmagnetisierbaren Material, wie Aluminium oder rostfreiem Stahl, die beide eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen, hergestellt. Die Außenfläche des Gehäuses ist wiederum mit sich seitlich erstreckenden Kühlrippen 88–88, insbesondere in dem Bereich und um den Be reich, der die Schwingspulenbetätigungseinheit überlagert, versehen. Die Rippen dienen dazu, die Wärmeenergie im Gehäuse zur Umgebung abzuführen. Um die Abführung der Wärme vom Gehäuse zu unterstützen, ist die Dicke der Gehäusewand, die die Betätigungseinheit umgibt, durch Ausbildung einer kreisförmigen Nut 90 in diesem Bereich reduziert.
Wie man erkennen kann, wird durch die vorliegende Erfindung die Abführung von Wärme von der Schwingspule verbessert und die Energie rasch zur Umgebung hin abgeführt. Infolge dieses gesteuerten schnellen Abflusses aus dem Gehäuse können das Ventil und die Betätigungseinheit Seite an Seite in einer extrem kompakten Packung, d.h. einer Packung einer solchen Größe, dass die von der Spule erzeugte Wärme normalerweise zu einem frühen Versagen der Spule führen würde, montiert werden. Aus der vorliegenden Offenbarung wird ferner deutlich, dass es aufgrund der raschen Abführung der Wärmeenergie vom Gehäuse nunmehr möglich ist, viele der elektronischen Steuerkomponenten in der Packung in enger Nachbarschaft zur Schwingspulenbetätigungseinheit zu lagern, ohne dass die Gefahr einer Beschädigung der Komponenten durch Wärmeeinwirkung besteht. Es müssen daher keine langen Leitungsverbindungen mehr vorgesehen werden, und alle hiermit verbundenen Probleme entfallen.

Claims

Schwingspulenbetätigtes Ventil mit einem Gehäuse (12), das eine erste Kammer (27), die eine Ventilhülse (13) enthält, und einen hin- und herbewegbar innerhalb der Hülse entlang einer Mittelachse (17) des Gehäuses montierten Ventilschaft (15) umfasst; wobei das Gehäuse des weiteren eine zweite Kammer (32) aufweist, die benachbart zur ersten Kammer angeordnet ist; einer Linearschwingspulenbetätigungseinheit (30), die in der zweiten Kammer montiert ist und einen stationären Permanentmagneten sowie einen Spulenhalter (50) zum beweglichen Lagern einer Spule im Magnetfeld des Magneten enthält, wobei sich der Halter entlang der Achse des Gehäuses bewegt, wenn ein elektrischer Strom an die Spule gelegt wird; Verbindungseinrichtungen zum Verbinden des Spulenhalters (50) mit dem Ventilschaft (15), wodurch der Schaft in Abhängigkeit vom Stromfluss durch die Spule innerhalb der Hülse (13) positioniert wird; und einem thermisch leitenden Material (85), das zwischen benachbarten Flächen der Schwingspulenbetätigungseinheit (30) und des Gehäuses (12) angeordnet ist, um Wärmeenergie von der Schwingspulenbetätigungseinheit rasch zum Gehäuse abzuleiten und die Betriebstemperatur der Schwingspulenbetätigungseinheit unter einem Niveau zu halten, bei dem die Spule beschädigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das thermisch leitende Material (85) ein Polymerüberzug ist, der die Schwingspulenbetätigungseinheit (30) umgibt.
Ventil nach Anspruch 1, das des weiteren Kühlrippen (88) umfasst, die auf der Außenfläche des Gehäuses (12) montiert sind, um Wärmeenergie vom Gehäuse rasch zur Umgebung abzuführen.
Ventil nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Magnet einen zylindrischen ferromagnetischen Kern (40) und eine den Kern umgebende äußere zylindrische Schale (41) aufweist, um dazwischen einen Spalt vorzusehen, in dem die Spule im Magnetfeld der Schwingspulenbetätigungseinheit (30) angeordnet ist.
Ventil nach Anspruch 3, bei dem sich der Spulenhalter (50) an einem Ende des Magneten benachbart zur Ventilhülse (13) in den Spalt erstreckt, um die Spule im Spalt zu lagern; ein radial angeordneter Flansch (43) das gegenüberliegende Ende des Magneten abdeckt, sich nach außen über den Magneten hinaus erstreckt und an einer Schulter (63) sitzt, die in der zweiten Kammer (32) des Gehäuses (12) ausgebildet ist; und das thermisch leitende Material (85) zwischen der Außenfläche der Schale (41) und einer benachbarten Fläche des Gehäuses angeordnet ist, wobei sich das thermisch leitende Material radial zwischen dem gegenüberliegenden Ende des Magneten und der in der zweiten Kammer des Gehäuses ausgebildeten Schulter erstreckt, um Wärmeenergie von der Schwingspulenbetätigungseinheit (30) rasch zum Gehäuse abzuleiten.
Ventil nach Anspruch 3 oder 4, das des weiteren ein im Spalt enthaltenes Ferrofluid (80) umfasst, das eine solch hohe thermische Leitfähigkeit besitzt, dass von der Spule erzeugte Wärme rasch auf die Außenfläche der Schwingspulenbetätigungseinheit (30), die benachbart zum Gehäuse (12) angeordnet ist, übertragen wird.
Ventil nach einem der Ansprüche 4 und 5, bei dem das leitende Material ein Polymerüberzug ist, der die Außenfläche der Schale des Magneten und die Innenfläche des Flansches bedenkt.
Ventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Polymer eine thermische Leitfähigkeit von etwa 1,5 W m^–1 K^–1 besitzt.
Ventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, das des weiteren ein Paar von gegenüberliegenden ausfallsicheren Federn (59, 60) aufweist, die auf den Schaft einwirken und den Schaft in einer neutralen Position halten, wenn kein Strom durch die Spule fließt.
Ventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Gehäuse aus einem nichtpermeablen Material hergestellt ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 3 bis 9, das des weiteren eine in der zweiten Kammer benachbart zum Flansch montierte digitale Steuereinheit aufweist.
Ventil nach Anspruch 10, bei dem die digitale Steuereinheit auf mindestens einer radial angeordneten Schaltungsplatte (66, 67) montiert ist.
Ventil nach Anspruch 11, bei dem die digitale Steuereinheit auf einer Vielzahl von radial angeordneten Schaltungsplatten montiert ist, die axial eine hinter der anderen benachbart zum Flansch montiert sind.
Ventil nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem der Kern (40) ein Loch (72), das sich axial durch den Kern erstreckt, einen stationären Kontakt (70), der axial im Loch montiert ist, und einen beweglichen Kontakt (73), der am Spulenhalter (50) zur Bewegung damit montiert ist, enthält, so dass eine Bewegung des beweglichen Kontaktes entlang dem stationären Kontakt der Steuereinheit Positionsdaten liefert.
Ventil nach einem der Ansprüche 2 bis 13, bei dem das Gehäuse zylindrisch ist, die erste Kammer und die zweite Kammer axial ausgerichtet sind, ein zylindrischer Luftspalt zwischen dem zylindrischen ferromagnetischen Kern und der äußeren zylindrischen Schale des Magneten ausgebildet ist, der zylindrische Luftspalt axial zur Achse des Gehäuses ausgerichtet ist, die Enden des Kernes und der Hülse in axialer Ausrichtung angeordnet sind und der Spulenhalter zylindrisch ist, um sich in den zylindrischen Luftspalt zu erstrecken.
Ventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die zweite Kammer (32) einen Magnetkern (40) enthält, der in axialer Ausrichtung in einem im Gehäuse (12) ausgebildeten Hohlraum montiert ist, um einen Luftspalt zwischen dem Kern und dem Gehäuse zu schaffen, wodurch ein Magnetflussfeld im Luftspalt angeordnet ist, und bei dem Ferrofluide (80) in dem Luftspalt enthalten sind, die eine hohe thermische Leitfähigkeit besitzen, um Wärme von der Schwingspulenbetätigungseinheit zum Gehäuse rasch abzuleiten.
Ventil nach Anspruch 15, das des weiteren einen sich halsartig nach unten erstreckenden Abschnitt im Gehäuse, der die Schwingspulenbetätigungseinheit überlagert, aufweist.
Ventil nach Anspruch 16, das des weiteren Rippen (88) besitzt, die im sich halsartig nach unten erstreckenden Abschnitt montiert sind, um Wärme vom Gehäuse rasch in die Umgebung abzuführen.
Ventil nach einem der Ansprüche 15 bis 17, das des weiteren eine elektrische Steuereinheit besitzt, die in der zweiten Kammer benachbart zur Schwingspulenbetätigungseinheit montiert ist, und ferner einen Positionssensor zum Verbinden des Spulenrahmens mit der Steuereinheit aufweist.