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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Ventilbaugruppe und insbesondere
eine Baugruppe, in der die Regulierung des Fluidstroms durch das
Ventil mit Hilfe einer Quer- und/oder einer Drehbewegung einer Spindel
zur Abdichtung oder Freigabe einer Ventilöffnung in Abhängigkeit
von einer durch einen zugehörigen
Kraftgenerator auf die Spindel ausgeübten Kraft erfolgt.
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Bei
einer Ventilbaugruppe, die eine mechanisch gelagerte Spindel umfasst,
kann die Lagerreibung Probleme verursachen. Eines der häufigsten Probleme
ist dabei, dass die Reibkräfte
oft dazu führen,
dass die Spindel in einer bestimmten Position steckenbleibt, wobei
dann eine Veränderung
der Kraft, die auf die Spindel ausgeübt wird, um diese in eine andere
Position zu bewegen, zu unvorhersagbaren Ergebnissen führen kann.
Zudem ist auch die Größe der Reibkraft
selbst oft nicht vorhersagbar, da diese sich mit dem Alter des Ventils,
dem Druck der Spindel gegen das Lager oder einer Bewegung der Spindel
im Lager in eine nicht mit dem Abdichten bzw. Freigeben der Ventilöffnung in
Beziehung stehenden Richtung verändern
kann, so dass ggf. auch nicht vorhergesagt werden kann, welche Kraft
vom Kraftgenerator auf die Spindel ausgeübt werden muss, um die Reibkraft
zu überwinden.
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In
der vorliegenden Anmeldung wird im folgenden ein Kraftgenerator
vom Solenoidtyp in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Ventilbaugruppe
genauer beschreiten. Für
einen Fachmann auf diesem Gebiet ist klar, dass die in der Beschreibung genannten
Ventilbaugruppen auch abgewandelt werden können, so dass sich die Beschreibung
auch auf andere Baugruppen bezieht, bei denen andere Kraftgeneratoren
zur Erzielung der notwendigen Bewegung auf die Spindel einwirken,
ohne dass hierdurch von der beanspruchten Erfindung abgegangen würde.
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Aus
der
US 5,787,924 ist
es bekannt, eine Ventilbaugruppe vorzusehen, bei der sich eine Spindel
entlang der Spulenachse eines Kraftgenerators vom Solenoidspulentyp
bewegen kann. Eine Steuerung ist vorgesehen, die dazu eingesetzt
wird, den durch die Spule fließenden
Strom so zu verändern, dass
sich eine auf die Spindel einwirkende elektromagnetische Kraft ändert, wodurch
die Versetzung der Spindel an eine gewünschte Position bewirkt wird.
Die Steuerung dient sodann dazu, einen zusätzlichen oszillierenden Strom
zuzuführen,
um eine zusätzliche
Oszillierkraft festgelegter maximaler Größe auf die Spindel auszuüben und
eine gleichsinnige Oszillation der Spindel um die gewünschte Position
in einem Umfang zu bewirken, der ausreichend klein ist, so dass
keine negative Wirkung auf die Flusssteuerungsoperation des Ventils
eintritt. Diese kontinuierliche Oszillierbewegung ist so ausgelegt,
dass ein Steckenbleiben der Spindel in der mechanischen Lageranordnung
verhindert wird. Die maximale Amplitude dieser zusätzlichen
Kraft kann sogar in bekannter Weise von der Größe eines Fehlersignals abhängig gemacht
werden, das die bekannte Position der Spindel und die gewünschte Position
repräsentiert.
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Erfindungsgemäß wird eine
Ventilbaugruppe vorgesehen, wie sie im Anspruch 1 beschrieben und charakterisiert
ist. Durch das Ersetzen des mechanischen Lagers, das die bewegliche
Spindel führt, durch
ein magnetisches Lager, bei dem es sich um ein aktives oder ein
passives Lager oder eine Kombination aus beiden handeln kann, wird
die Reibungskraft zwischen der beweglichen Spindel und dem Lager
wirksam eliminiert. Die Notwendigkeit, anspruchsvolle Mittel zur
Steuerung der Reibung zwischen der Spindel und dem Lager vorzusehen,
ist somit nicht mehr gegeben.
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Zudem
kann das Magnetlager so ausgelegt sein, dass es auf die bewegliche
Spindel einwirkt, um eine magnetische Vorspannung je nach Wunsch
entweder zum Schließen
oder zum Öffnen
des Ventils zu erzielen, wenn der Kraftgenerator keine Kraft auf
die Spindel ausübt.
Dies bietet den Vorteil, dass das Magnetlager Vorspannmittel ersetzen
oder unterstützen kann,
die üblicherweise
in einer Ventilbaugruppe bei Anwendungen zum Einsatz kommen, bei
denen die Sicherheit von entscheidender Bedeutung ist, wie etwa
bei einem Inspirations- oder Expirationsflusssteuerventil in einem
pneumatischen Kreislauf einer herkömmlichen mechanischen Beatmungsvorrichtung,
bei der sich aus Gründen
der Patientensicherheit vorzugsweise das Ventil im Fall eines Ausfallens des
Kraftgenerators schließt
bzw. öffnet.
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Ein
beispielhaftes Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Ventilbaugruppe
wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungsfiguren
beschrieben:
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ventilbaugruppe;
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2 zeigt
eine detailliertere Darstellung einer erfindungsgemäßen Magnetlageranordnung,
die in der Ventilbaugruppe gemäß 1 zum
Einsatz kommt; und
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3 zeigt
eine Magnetlageranordnung, die in einer erfindungsgemäßen Ventilbaugruppe
eingesetzt werden kann, um eine gewünschte magnetische Vorspannwirkung
zu erzielen.
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Wie
sich 1 entnehmen lässt,
umfasst eine elektromagnetische Ventilbaugruppe ein Ventil 44 mit
einem Einlass 2, dessen Öffnung 4 durch eine Membran 6 geöffnet und
geschlossen werden kann.
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Die
Membran 6 ist elastisch federnd. Zum Schließen des
Ventils 44 drückt
eine bewegliche Spindel 8 die Membran 6 gegen
die Öffnung 4.
Zum Öffnen
des Ventils 44 wird die bewegliche Spindel 8 (in 1 nach
oben) zurückgezogen,
woraufhin sich die Membran federnd von der Öffnung 4 wegbewegt und
so einen Fluss durch die Öffnung 4 und
nach außen
durch den Auslass 10 ermöglicht.
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Die
bewegliche Spindel 8 verläuft durch eine Abdeckung 12 und
wird in magnetischen Lagerbaugruppen 14 und 16 so
gehaltert, dass sie sich in ihrer Längsrichtung entlang einer Bewegungsachse
bewegen kann, bei der es sich beim vorliegenden Beispiel um die
Spulenachse C (eine Symmetrieachse einer Solenoidspule 20,
entlang der diese gewickelt ist) handelt. Die Lagerbaugruppen 14, 16 dienen
so zum Führen
der beweglichen Spindel 8.
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Ein
aus magnetischem Material bestehender Anker 18 ist an der
beweglichen Spindel 8 befestigt und innerhalb der Solenoidspule 20 angeordnet.
Der Anker 18 bildet zusammen mit dem Solenoid 20 beim vorliegenden
Beispiel einen Kraftgenerator, der im erregten Zustand in der Lage
ist, die bewegliche Spindel 8 zu bewegen. Wenn also von
einer zugehörigen
Stromsteuereinheit 22 zum Erregen der Spule 20 ein
Strom I zugeführt
wird, so können
der Anker 18 und damit auch die bewegliche Spindel 8 beim vorliegenden
Ausführungsbeispiel
dazu gebracht werden, sich parallel zur Spulenachse C hin- und herzubewegen.
Natürlich
kann anstelle des Ankers 18 bei dem vorliegenden Beispiel
auch eine so genannte „Voice-Coil"-Anordnung eingesetzt
werden, bei der ein Solenoid an der beweglichen Spindel 8 befestigt ist,
während
ein Dauermagnet, der die statische Solenoidspule 20 des
vorliegenden Beispiels ersetzt, anstelle des beschriebenen Kraftgenerators
eingesetzt werden kann, ohne dass damit von der beanspruchten Erfindung
abgegangen wird.
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Der Öffnungsgrad
des Ventils, d.h. die Größe des Abstands
zwischen der Öffnung 4,
die als ein Ventilsitz dient, und der Membran 6, kann somit
mit Hilfe der Steuereinheit 22 durch ein Verändern des zum
Erregen der Solenoidspule 20 zugeführten Stroms I gesteuert werden.
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Als
Alternative zum Vorsehen eines gesonderten Ankers 18, der
an der beweglichen Spindel 8 angeordnet ist, kann wenigstens
ein Teil der beweglichen Spindel selbst aus einem magnetischen Material
bestehen, das dann als Anker dient. Zudem kann bei einer weiteren
alternativen Ausführung
die bewegliche Spindel 8 wenigstens zum Teil mit magnetischem
Material beschichtet sein.
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Aus
Sicherheitsgründen
kann es vorzuziehen sein, die bewegliche Spindel durch Vorspannmittel,
und zwar beim vorliegenden Beispiel durch eine Feder 24,
so vorzuspannen, dass das Ventil 44 wieder in eine Ausgangsposition
zurückkehrt,
wenn der zur Spule 20 fließende Strom I abgestellt wird.
Beim vorliegenden Beispiel ist das Vorspannmittel 24 in
einer Verlängerung 12' des Gehäuses 12 angeordnet, und
dient dazu, die bewegliche Spindel 8 so vorzuspannen, dass
sie die Membran 6 gegen die Ventilöffnung 4 drückt und
das Ventil 44 schließt,
wenn kein Strom I fließt.
Dies ist insbesondere dann von Nutzen, wenn das Ventil 44 als
ein Inspriationsfluss-Steuerventil in einem pneumatischen Kreislauf einer
herkömmlichen
mechanischen Beatmungsvorrichtung eingesetzt wird. In Umständen, in
denen das Ventil 44 als Expirationsfluss-Steuerventil in
einem pneumatischen Kreislauf einer herkömmlichen mechanischen Beatmungsvorrichtung
eingesetzt wird, wird das Vorspannmittel vorzugsweise dazu vorgesehen,
eine Öffnungsposition
des Ventils herzustellen, wenn kein Strom I zur Spule 20 fließt.
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Ein
Bereich der Ventilbaugruppe, der die beim vorliegenden Ausführungsbeispiel
eingesetzte magnetische Lagerbaugruppe 14 umfasst, ist
in 2 genauer dargestellt. Natürlich gilt die folgende Beschreibung
in entsprechender Weise auch für
die magnetische Lagerbaugruppe 16. Die Lagerbaugruppe 14 umfasst
einen ersten typischen Dauermagneten, und zwar den statischen Magneten 26.
Dieser statische Magnet 26 ist im vorliegende Beispiel als
entweder durchgängiger
oder in Segmente unterteilter Ringmagnet dargestellt, der an einem
Abschnitt des Gehäuses 12 angebracht
wird, wobei er mit einer Polfläche 28 zur
beweglichen Spindel 8 weist. Zudem umfasst die Lagerbaugruppe 14 einen zweiten,
typischen Dauermagneten, den Magneten 30, bei dem es sich
ebenfalls um einen Ringmagneten handeln kann und der an der beweglichen
Spindel 8 gehaltert und mit einer Polfläche 32 ausgestattet
ist, die der Polfläche 28 des
ersten Magneten 26 zugewandt ist. Bei dem Beispiel der
in 2 dargestellten Lagerbaugruppe 14, sind
die Polflächen 28, 32 so
ausgerichtet, dass sich gleiche magnetische Pole gegenüberliegen.
Somit erzeugt eine radiale magnetische Abstoßungskraft zwischen der zusammenwirkenden
Magnetanordnung 26, 30 der Lagerbaugruppe 14 eine
magnetische Aufhängung
der Spindel 8 innerhalb des statischen Magneten 26 wodurch
die Spindel 8 durch einen kleinen Luftspalt 34 von
der Polfläche 28 des
Magnets getrennt bleibt, wenn sich die Spindel 8 bewegt,
um den Öffnungsgrad
des Ventils 44 zu regulieren.
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Zusätzlich zu
der beschriebenen radialen Magnetkraft wird eine axiale (d.h. parallel
zur Spulenachse C wirkende) Magnetkraft ebenfalls durch die Interaktion
der Magnetfelder der zusammenwirkenden Magnetanordnung 26, 30 der
Magnetlagerbaugruppe 14 erzeugt (dasselbe gilt für die entsprechende
zusammenwirken de Magnetanordnung der Magnetlagerbaugruppe 16).
Diese axiale Magnetkraft verändert
sich, während
sich die bewegliche Spindel 8 entlang der Achse C bewegt.
Durch die geeignete Auswahl der Magnetpole 28, 32 und
der jeweiligen axialen Lage der Magnete 26, 30,
kann die durch die zusammenwirkende Magnetanordnung 26, 30 der Lagerbaugruppe 14 (bzw.
der Baugruppe 16) erzeugte axiale Magnetkraft zur Erzielung
der Vorspannkraft eingesetzt werden, die bei dem beispielhaft gezeigten
Ausführungsbeispiel
der 1 durch die Feder 24 erzeugt wurde, d.h.
zur Herstellung entweder einer gewünschten Ausgangs-Öffnungsposition oder einer
gewünschten
Ausgangs-Schließposition
der Membran 6 relativ zur Ventilöffnung 4 bei Ausfall
des Stroms I zur Spule 20.
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Eine
mögliche
Anordnung der Magnete, die die Magnetlagerbaugruppen 14, 16 der
Ventilbaugruppe der 1 bilden können, ist in 3 dargestellt.
Diese Anordnung liefert, wie später
noch erläutert
wird, eine axiale magnetische Vorspannkraft Fx, welche
in eine Richtung entlang der Bewegungsachse (hier der Solenoidachse
C) und dabei beim vorliegenden Beispiel entsprechend der durch die
Feder 24 der in 1 gezeigten Ventilbaugruppe
erzeugten Vorspannkraft wirkt. Wie sich 3 entnehmen
lässt, umfasst
eine erste Lagerbaugruppe 46 einen ersten Magneten 36,
der fest an einer Wand des Gehäuses 12 angebracht
ist, sowie einen zweiten Magneten 38, der an der beweglichen
Spindel 8 gehaltert ist. Der erste und zweite Magnet 36, 38 sind
so angeordnet, dass die gleichen magnetischen Pole (beim dargestellten
Beispiel der Nordpol N) der beiden Magnete 36, 38 einander
zugewandt sind. In entsprechender Weise umfasst eine Lagerbaugruppe 48 einen
dritten Magneten 36',
der fest an einer Wand des Gehäuses 12 positioniert
ist, sowie einen vierten Magneten 38', der an der beweglichen Spindel 8 gehaltert
ist, wobei der dritte und vierte Magnet 36', 38' so angeordnet sind, dass sich
die gleichen Magnetpole (beim dargestellten Beispiel der Nordpol
N) der beiden Magnete 36', 38' gegenüberliegen,
wobei diese Magnetpole beim vorliegenden Beispiel so gewählt sind,
dass sie den einander zugewandten Polen der anderen Lagerbaugruppe 46 entsprechen.
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Die
Magnete 38, 38' sind
an der beweglichen Spindel 8 so relativ zu den komplementären Magneten 36, 36' positioniert,
die die zusammenwirkende Magnetan ordnung der jeweils zugehörigen Lagerbaugruppen 46, 48 bilden,
dass sich eine axiale magnetische Abstoßungskraft zwischen der zusammenwirkenden
Magnetanordnung 36, 38 und zwischen der zusammenwirkenden
Magnetanordnung 36', 38', erhöht, wenn
sich die Spindel 8 (in der Richtung des größeren Pfeils
in 3) so bewegt, dass das Ventil 44 geöffnet wird.
Somit wird die axiale magnetische Vorspannkraft Fx erzeugt,
die sich vergrößert, wenn sich
das Ventil 44 öffnet
(d.h. wenn sich die Spindel 8 in die Richtung des größeren Pfeils
bewegt) und die eine Vorspannung der Spindel 8 immer zum
Schließen
des Ventils (d.h. in die Richtung des kleineren Pfeils) bewirkt,
selbst wenn kein Strom I durch die Spule 20 fließt. Auf
diese Weise kann das Magnetlager die im Ausführungsbeispiel der 1 vorhandenen
Vorspannmittel 24 ersetzen oder unterstützen.
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Dem
Fachmann auf diesem Gebiet ist klar, dass die Richtung und Größe der magnetischen
Vorspannungskraft Fx leicht durch eine geeignete
Wahl der Ausrichtung der Pole und/oder der physischen Relativposition
der Magnete 36, 38; 36', 38', die die jeweiligen magnetischen
Lagerbaugruppen 46; 48 bilden, gewählt werden
kann. Zudem ist klar, dass zwar bei den hier beschriebenen magnetischen
Lagerbaugruppen 14; 16, 46; 48 jeweils
nur Dauermagnetanordnungen eingesetzt werden, dass jedoch einige
oder aber auch alle diese Anordnungen durch elektromagnetische Anordnungen
ersetzt werden können,
ohne dass hierdurch die Reichweite der Erfindung überschritten
würde.
Der Einsatz derartiger Elektromagnete bietet den Vorteil, dass die
Größe der (hier
radialen) magnetischen Lagerkraft und der (hier axialen) magnetischen
Vorspannkraft durch eine Veränderung
des Stromflusses zu den Elektromagneten verändert werden kann.