WO2019042770A1 - Media-isolated low-energy valve - Google Patents

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WO2019042770A1
WO2019042770A1 PCT/EP2018/072090 EP2018072090W WO2019042770A1 WO 2019042770 A1 WO2019042770 A1 WO 2019042770A1 EP 2018072090 W EP2018072090 W EP 2018072090W WO 2019042770 A1 WO2019042770 A1 WO 2019042770A1
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permanent magnet
coil
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anchor
force
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PCT/EP2018/072090
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Rainer Zwickel
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Eto Magnetic Gmbh
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    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16K31/00Actuating devices; Operating means; Releasing devices
    • F16K31/02Actuating devices; Operating means; Releasing devices electric; magnetic
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    • F16K31/08Actuating devices; Operating means; Releasing devices electric; magnetic using a magnet, e.g. diaphragm valves, cutting off by means of a liquid using a permanent magnet
    • F16K31/082Actuating devices; Operating means; Releasing devices electric; magnetic using a magnet, e.g. diaphragm valves, cutting off by means of a liquid using a permanent magnet using a electromagnet and a permanent magnet
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16KVALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
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    • F16K31/0655Lift valves
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    • H01F7/18Circuit arrangements for obtaining desired operating characteristics, e.g. for slow operation, for sequential energisation of windings, for high-speed energisation of windings
    • H01F7/1844Monitoring or fail-safe circuits
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    • H01F7/18Circuit arrangements for obtaining desired operating characteristics, e.g. for slow operation, for sequential energisation of windings, for high-speed energisation of windings
    • H01F7/1844Monitoring or fail-safe circuits
    • H01F2007/185Monitoring or fail-safe circuits with armature position measurement

Definitions

  • the present invention relates to an electromagnetically actuated valve device according to the preamble of the main claim. Furthermore, the present invention relates to a use of such an electromagnetically actuated valve device.
  • FIG. 3 shows, for example, an electromagnetically actuated valve for a dialysis apparatus, in which a dialysis fluid to be switched is passed through a valve housing 10 with a nozzle 12 to be opened or closed by the valve.
  • This (typically made of a media-compatible plastic) nozzle 12 as a valve seat is controlled open or closed by an end of an anchor unit 14 formed valve rubber 16 (including Faltenbalg Modell), which, in the sectional view of FIG.
  • a nozzle-side , a widening head forming tappet portion 18 of the anchor unit 14 encloses.
  • the plunger section 18 integrally continues a cylindrical anchor body 20, which in turn, supported by a compression spring 22, relative to a (equally cylindrical) stationary core unit 24 axially, ie along a defined longitudinal axis 26 and longitudinal movement, is movably guided.
  • a magnetic actuator device is the core unit 24 and the anchor unit 14 um- closed by a winding 30 formed on a (non-magnetic) bobbin 28, which can be supplied with current via suitable electrical connections, not shown in the figure, by suitable ballast electronics (not shown).
  • a coil magnetic flux is generated which forms a flux circuit from the core unit 24 via a surrounding outer housing 32, a flux guide 34 (radially extending to the longitudinal direction 26) pressed thereinto, to the armature unit 14 and core unit 24.
  • a flux guide 34 radially extending to the longitudinal direction 26
  • the magnetic flux is introduced into the anchor unit 14 via a between the anchor unit 14 and the surrounding flux guide 34 by means of a trained air gap.
  • valve technology which is fail-safe in the manner described is in need of improvement.
  • continuous (and proper) fluid supply for example, of the dialysis machine to be regarded as an example, always requires continuous energization of the coil 30, and it is just about the example of a dialysis use that involves activations lasting several hours.
  • This then not only ensures a corresponding continuous electrical energy requirement (which, for example, with regard to portable or mobile applications as potentially detrimental effect), also caused by (unavoidable) electrical coil resistances of the winding 30, a heat development, which is potentially detrimental to the (thermal sensitive) valve fluid and may require additional heat insulation measures.
  • the electromagnetic Aktorik the superpicture valve device instead of monostable - the return spring as a force storage means provides in the de-energized state of the winding for a defined reset function in a closed position
  • Valve device - electroless bistable to design ie the actuator switches between the initial position and an open position (armature unit 14 to the left in Fig. 3 deflected) and then each remains stably stable in these positions.
  • bistability could be ensured, for example, by a mechanical latching function, alternatively by permanent magnet functionality, in which, for example, an armature-side permanent magnet, which adheres to the core unit in the extended state, ensures that the armature unit is in its extended (open) position remains in the de-energized state of the winding 30.
  • the object of the present invention is therefore to improve an electromagnetically actuated valve device according to the preamble of the main claim in terms of their operating characteristics, in particular to avoid or to avoid a potentially disadvantageous heat development and / or continuous energy consumption by continued energization of the coil means (winding) Nevertheless, it should be ensured in a reliable manner and for the realization of a fail-safe functionality that at the end of a power supply (be it intentionally, be it by malfunction) the valve closes reliably, without the need for additional control, a buffer voltage or other Bestromungshunt.
  • the object is achieved by the monostable solenoid-operated valve device having the features of the main claim; advantageous developments of the invention are described in the subclaims.
  • the stationary core means are first assigned with permanent magnet means such that they exert a permanently magnetically attracting force on the armature means (armature unit), at least in the extended operating condition applied to the core means or while it is energized.
  • This permanent magnetic force (which, like the electromagnetic or coil magnetic force generated by the energization of the coil means, the restoring force of the force storage means is opposite) then ensures that for holding the anchor means in the extended opening position of the valve device with respect to moving the anchor means, In particular, a release of the anchor means from the closed starting position, reduced coil current is necessary.
  • the actuator components are dimensioned such that the permanent-magnetic holding force does not exceed the restoring force applied by the force-storing means to the armature unit; Rather, the (greater) spring force of the energy storage means ensures that despite attractive permanent magnetic adhesive force on the armature core at the core this is returned at the end of energization in the (the valve seat occluding) starting position, so that the above-discussed fail-safe mode is reliably implemented (And without it in particular further electronic control or Bestromungshunt required for the coil means).
  • the permanent magnet body such as a disk-like shape
  • a core material realized, for example, from soft iron
  • coat the core material side by means of a (then magnetically non-conductive) sleeve to provide shock relief.
  • An equally preferred alternative embodiment of the invention provides for the core-side permanent magnet means to be provided on the core assembly (core means) in such a way that they are provided radially outward or edgewise and preferably outside a (coil) magnetic flux flowing through the core means.
  • the present invention advantageously makes it possible, as stated above, to reduce a coil current which maintains the permanent opening state, since the permanent magnet means provided according to the invention make an additional holding power contribution.
  • the coil means electrical driving means for generating and applying the energization upstream so that an introduced into a winding of the coil means electrical power in the energization state between a higher power (about corresponding to a higher coil current) for a movement of the anchor means before reaching the opening position at the core means and a lower Ren performance (ie, a contrast lowered coil current) with or after reaching the opening position can be switched or controlled.
  • timer means to associate with the driving means or to integrate in this, that, after completion of a predetermined time interval after the start of the energization, the coil current is lowered in a predetermined manner (this time interval is then set or set and predetermined that it covers the period, which the anchor means need to reach from the de-energized home position the opposite open or stop position on the core means).
  • a monostable electromagnetically actuated valve can thus be realized in a surprisingly simple and elegant manner, which has superior safety properties (namely implementation of a fail-safe mode without necessary switching modifications or operating voltage buffers) combined with favorable electrical energy consumption properties and associated advantages heat.
  • the present invention is eminently suitable for (thermally sensitive) valve tasks in a medical context, such as switching or control of a dialysis fluid, but the present invention is not limited to this application. Rather, the present invention is suitable for those monostable valve tasks, which combine defined failure operating conditions with optimized electrical energy consumption.
  • FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view of an electromagnetic actuator component for the realization of a solenoid valve as an electromagnetically actuated valve device according to a first embodiment of the invention.
  • core means core assembly
  • FIG. 3 shows a longitudinal sectional view through a generic electromagnetically actuated valve device for medical uses
  • FIG. 3 likewise illustrating the context of use of the present invention, by the actuator assembly according to FIG. 1 corresponding to the known actuator of FIG. 3 replaced
  • FIG. 15 is a longitudinal sectional view of an actuator assembly of an electromagnetically operated valve device according to a third embodiment, in which core-side permanent magnet means are provided outside a coil-magnetic flux circuit.
  • FIG. 1 shows an actuator assembly (in particular for cooperation with the further valve components of FIG. 3, which is to be considered as disclosed in the present invention and included in the present invention context) which replaces the core means 24 of FIG by a multi-part core structure, comprising a first core body 40, a disk-like (and axially magnetized according to the axial direction 26) permanent magnet body 42 and this in turn adjacent (and opposite the core body 40 arranged) second core body 44, so that in the longitudinal sectional view of Fig. 1 recognizable axially three-part structure arises.
  • the permanent magnet plate 42 additionally provided by a radially shell side provided sleeve 46 of a non-magnetic material (eg brass or plastic material), which has the task, on the one hand coat the brittle permanent magnet material of the permanent disc 42 surround, but beyond also shock-absorbing or (related on the permanent magnets) to act as a shock absorber by buffering impact forces acting against the (brittle) permanent magnet material, for example by an impact of the armature unit 14 on the core total unit 42 to 46.
  • a non-magnetic material eg brass or plastic material
  • the permanent magnet 42 ensures that upon approach of the armature unit 14 due to energization of the winding 30, the electromagnetic forces rectilinearly superimposed permanent magnet forces of the permanent magnet disc 42 act on the armature unit and keep it there, at the latest upon reaching the stop position on the core ,
  • This common holding force of the energized winding 30 and the permanent magnet disc 42 counteracts a restoring spring force of the force storage means (spiral compression spring) 22, which is dimensioned so that when energized, the anchor means 14 are reliably held on the core.
  • the return spring 22 (Relative in particular to the permanent magnet 42) dimensioned so that when energized winding 30, the restoring spring force 22 exceeds a permanent magnetic attraction or adhesion to the armature unit 14, with the effect that only the Permanentmagnetschei- be 42, the anchor unit can not hold the core , This therefore by the expansion effect of the spring 22 back into the currentless closing or closing position (insofar as shown in FIG. 3) is spent.
  • Fig. 2 shows a constructive variation of the module as in Fig. 1 (and thus in principle against common solid body of a core unit 24) interchangeable module: It can be seen how, to produce a best possible magnetic transition, the both sides of the permanent magnet disc 42 'bordering first (40 ') and second (44') core body form an axially continuous, cylindrical unit, wherein in the shell region radially outward of the permanent magnet disc 42 'and into the axially adjacent both sides core body, a circumferential protective and impact sleeve 46' is formed of non-magnetic material.
  • FIG. 1 shows a constructive variation of the module as in Fig. 1 (and thus in principle against common solid body of a core unit 24) interchangeable module:
  • FIG. 2 also illustrates, in the form of a core-side axial bore 48, an alternative possibility for receiving a compression spring 42 or the like energy store; an opening region 50 of the core body 40 'which opens to the right in the plane of the figure of FIG. 2 then serves to receive a (possibly also suitably conically shaped) armature unit.
  • Fig. 4 shows another embodiment for realizing the present invention.
  • a yoke core unit 54 (one-piece, provided with a saturation recess 52) surrounds an anchor body 56 movable along the axial direction 26, together with plunger sections 58, 60 anchoring on both sides (wherein 58 is made of magnetically non-conductive material), wherein plain bearings 62, 64 ensure the relative axial mobility and a compression spring 22 is supported at one end by an inner annular shoulder of the yoke core 54, at the other end by an end wall of the anchor body 56 and thus the armature unit, in the plane of the figure of FIG. 4 in the direction to the right in a closed position (biased by not shown in detail, approximately analogous to Fig. 3 coupled valve components in the form of a valve rubber relative to a stationary valve seat).
  • a winding 30 surrounds the yoke core unit 54 on the shell side and is accommodated in a coil housing 66 together with flux guide disk 67, and the groove 52 circulating around the circumference of the cylindrical yoke core 54 effects a magnetic separation along the axial direction in an otherwise known manner by saturation, in the exemplary embodiment 4 (the here realized as a rotating disc 70 and frontally attached to the housing 66, 67) permanent magnet unit radially outside of a certain coil of the assembly 54 see see provided (which is then in the course of a here on the anchor body 56 provided Flußleitemia 72, the anchor body 56 and over the cone air gap back to the yoke core 54 extends).
  • the reference numeral 74 shows a elastomeric buffer body, which, however, could also be understood by way of example as, for example, a tube (through which the device of FIG. 4 is connected in a medium-separating manner) passing through the device.
  • a schematically shown fixing member 76 secures the housing 66, 67 together ansitzendem permanent magnet ring 70 in the axial direction and against a possible impact or impact in the coil activation (which, against the restoring pressure force of the spring 22, then the armature unit 56, 58, 60 in would move the figure plane to the left).

Abstract

The invention relates to an electromagnetically actuated valve device comprising armature means (14, 56-60) that can be moved as a reaction to the powering of stationary coil means (30) in order to open a preferably media-isolated fluid channel (12), said armature means being movable in a valve housing, against a restoring force from energy storage means (22) preferably comprising a spring, in an axial movement direction, towards stationary core means (40-44; 54) that conduct a coil magnetic flux and define an opening position of the armature means, the stationary core means comprising permanent magnet means (42; 70) that are associated and/or coupled in a magnetic-flux-conducting manner such that in the opening position, the permanent magnet means exert a permanent-magnetic force rectified by a coil magnetic force of the powered coil means on the armature means, and the energy storage means are designed and/or dimensioned such that the restoring force, particularly in the opening position of the armature means, is greater than the permanent-magnetic force and smaller than than the sum of the permanent-magnetic force and the coil magnetic force.

Description

Mediengetrenntes Niederenergie-Ventil  Media-separated low-energy valve
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektromagnetisch betätigte Ventilvorrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Verwendung einer derartigen elektromagnetisch betätigten Ventilvorrichtung. The present invention relates to an electromagnetically actuated valve device according to the preamble of the main claim. Furthermore, the present invention relates to a use of such an electromagnetically actuated valve device.
Gattungsgemäße elektromagnetisch betätigte Ventilvorrichtungen sind aus dem Stand der Technik allgemein bekannt und werden etwa, in einer Ausführung als sog. mediengetrennte Ventilvorrichtungen (bei welchen ein durch das Ventil zu schaltendes bzw. zu steuerndes Ventilfluid keinen physischen Kontakt zur Ventilmechanik bzw. den Ventilkomponenten, mit Ausnahme des Fluidkanals, aufweist) auch für medizinische Anwendungen eingesetzt. So zeigt etwa exemplarisch die Fig. 3 zum als bekannt vorausgesetzten Stand der Technik ein elektromagnetisch betätigtes Ventil für eine Dialysevorrichtung, bei welcher ein zu schaltendes Dialysefluid durch ein Ventilgehäuse 10 mit durch das Ventil zu öffnender bzw. zu schließender Düse 12 geführt wird. Diese (typischerweise aus einem medienverträglichen Kunststoff realisierte) Düse 12 als Ventilsitz wird ge- steuert geöffnet bzw. geschlossen durch ein endseitig einer Ankereinheit 14 ausgebildetes Ventilgummi 16 (samt Faltenbalgstruktur), welches, in der Schnittansicht der Fig. 3 gut zu erkennen, einen düsenseitigen, einen verbreiternden Kopf ausbildenden Stößelabschnitt 18 der Ankereinheit 14 umschließt. Im gezeigten Beispiel setzt der Stößelabschnitt 18 einen zy- lindrischen Ankerkörper 20 einstückig fort, welcher wiederum, abgestützt durch eine Druckfeder 22, relativ zu einer (gleichermaßen zylindrischen) stationären Kerneinheit 24 axial, d.h. entlang einer durch eine Längsachse 26 definierten Bewegungs- und Längsrichtung, bewegbar geführt ist. In der Art einer ansonsten (gleichermaßen bekannten) magnetischen Aktorvorrichtung ist dabei die Kerneinheit 24 und die Ankereinheit 14 um- schlössen von einer auf einem (nicht magnetischen) Spulenträger 28 ausgebildeten Wicklung 30, welche, über in der Figur nicht gezeigte elektrische Anschlüsse, durch eine geeignete, gleichermaßen nicht gezeigte Vorschaltelektronik bestrombar ist. Als Reaktion auf eine solche Bestro- mung wird ein Spulenmagnetfluss erzeugt, welcher einen Flusskreis von der Kerneinheit 24 über ein umgebendes äußeres Gehäuse 32, eine darin eingepresste Flussleitscheibe 34 (sich radial zur Längsrichtung 26 erstreckend) bis zur Ankereinheit 14 und zur Kerneinheit 24 ausbildet. Dabei entsteht, erkennbar durch die konusförmige Ausbildung der Kerneinheit 24 in Richtung auf die Ankereinheit 14, ein Arbeitsluftspalt zwischen Kern und Anker; gleichermaßen erfolgt der magnetische Flusseintrag in die Ankereinheit 14 über einen zwischen der Ankereinheit 14 und der diese umgebenden Flussleitscheibe 34 mittels eines ausgebildeten Luftspalts. Die Druckfeder 22, welche sich einends von einer ankerseitigen Flachseite der stationären Kerneinheit und andererseits von einem Boden einer kern- seitigen Axialbohrung im Ankerkörper 20 abstützt, spannt auf die in Fig. 3 im unbestromten Zustand der Wicklung 30 gezeigte Weise die Ankereinheit 14 samt endseitigem Ventil- bzw. Verschlussgummi 16 in Richtung auf die Düse 12 vor, sodass in diesem unbestromten Zustand der Flu- idfluss durch die Ventilvorrichtung geschlossen ist. Mithin handelt es sich um eine sog. stromlos geschlossene Konfiguration (NC = normally clo- sed). Erst durch Bestromung der Wicklung 30 und mithin eine in Richtung auf den Kern 24 anziehende Kraft auf die Ankereinheit 14 (gegen eine rückstellende Kraft der Rückstellfeder 22) wird der Luftspalt zwischen Kern und Anker geschlossen und das Ventilgummi 16 legt den Düsenabschnitt 12 (Ventilsitz) frei, sodass der Fluidfluss ermöglicht ist. Eine Beendigung der Bestromung führt dann, durch Wirkung der Rückstellfeder 22, wieder zu einem Verschließen des Ventilsitzes, sodass die in Fig. 3 als gattungs- bildender Stand der Technik gezeigte Vorrichtung eine monostabile Aktua- torfunktionalität realisiert. Beim exemplarisch (gleichwohl bevorzugt) vorgesehenen Einsatzzweck einer Ventilschaltung bzw. Ventilsteuerung eines Dialysefluids für eine Dialysemaschine bedeutet dies, dass für das Öffnen des Ventils (und mit- hin das Ermöglichen eines Fluidflusses durch das Ventil) die Wicklung 30 kontinuierlich bestromt sein muss. Gleichzeitig realisiert die im Zusammenhang mit Fig. 3 beschriebene gattungsgemäße, oberbegriffliche Technologie einen sog. Fail-Safe-Modus, stellt also sicher, dass bei Störungen der Ansteuerung, Ausfall einer elektrischen Stromversorgung oder anderen ungeplanten Betriebszuständen, die Rückstellfeder 22 stets die Ankereinheit 14 zurück in die Verschlussstellung (Position der Fig. 3) verbringt, wenn keine Bestromung der Spule 30 mehr erfolgt. Damit ist insbesondere auch für den vorgesehenen medizinischen Einsatzzweck ein definierter Fluidflusszustand sichergestellt, insbesondere kann im Fall der Störung der Spannungsversorgung keine unbeabsichtigte (weitere) Fluid- versorgung eines Dialysepatienten mehr erfolgen. Generic solenoid operated valve devices are well known in the art and, for example, in one embodiment as so-called media separated valve devices (in which a valve fluid to be switched by the valve has no physical contact with the valve mechanism or valve components, except the fluid channel, also used for medical applications. For example, FIG. 3 shows, for example, an electromagnetically actuated valve for a dialysis apparatus, in which a dialysis fluid to be switched is passed through a valve housing 10 with a nozzle 12 to be opened or closed by the valve. This (typically made of a media-compatible plastic) nozzle 12 as a valve seat is controlled open or closed by an end of an anchor unit 14 formed valve rubber 16 (including Faltenbalgstruktur), which, in the sectional view of FIG. 3 clearly visible, a nozzle-side , a widening head forming tappet portion 18 of the anchor unit 14 encloses. In the example shown, the plunger section 18 integrally continues a cylindrical anchor body 20, which in turn, supported by a compression spring 22, relative to a (equally cylindrical) stationary core unit 24 axially, ie along a defined longitudinal axis 26 and longitudinal movement, is movably guided. In the manner of an otherwise (equally known) magnetic actuator device is the core unit 24 and the anchor unit 14 um- closed by a winding 30 formed on a (non-magnetic) bobbin 28, which can be supplied with current via suitable electrical connections, not shown in the figure, by suitable ballast electronics (not shown). In response to such energization, a coil magnetic flux is generated which forms a flux circuit from the core unit 24 via a surrounding outer housing 32, a flux guide 34 (radially extending to the longitudinal direction 26) pressed thereinto, to the armature unit 14 and core unit 24. This results, recognizable by the conical shape of the core unit 24 in the direction of the anchor unit 14, a working air gap between the core and anchor; Similarly, the magnetic flux is introduced into the anchor unit 14 via a between the anchor unit 14 and the surrounding flux guide 34 by means of a trained air gap. The compression spring 22, which at one end is supported by an armature-side flat side of the stationary core unit and on the other hand by a bottom of a core-side axial bore in the anchor body 20, biases the armature unit 14 together with end-side valve in the manner shown in FIG. 3 in the de-energized state of the winding 30 or closure rubber 16 in the direction of the nozzle 12, so that in this de-energized state, the flow of fluid through the valve device is closed. It is therefore a so-called normally closed configuration (NC = normally closed). Only by energizing the winding 30 and thus a tightening in the direction of the core 24 force on the anchor unit 14 (against a restoring force of the return spring 22), the air gap between the core and armature is closed and the valve rubber 16 exposes the nozzle portion 12 (valve seat) so that the fluid flow is possible. A termination of the energization then leads, by action of the return spring 22, back to a closing of the valve seat, so that the apparatus shown in Fig. 3 as the generic prior art realizes a monostable actuator functionality. In the exemplary (nevertheless preferred) intended use of a valve circuit or valve control of a dialysis fluid for a dialysis machine, this means that for the opening of the valve (and hence the enabling of a fluid flow through the valve), the winding 30 must be energized continuously. At the same time, the generic, generic technology described in connection with FIG. 3 realizes a so-called fail-safe mode, thus ensuring that the return spring 22 always returns the armature unit 14 in the event of malfunction of the control, failure of an electrical power supply or other unplanned operating states in the closed position (position of FIG. 3) spends when no energization of the coil 30 more. In this way, a defined fluid flow state is ensured in particular also for the intended medical use, in particular, in case of disturbance of the voltage supply no unintentional (further) fluid supply of a dialysis patient can take place.
Allerdings ist, insbesondere auch im vorliegenden medizinischen Kontext, die auf die beschriebene Weise ausfallgesicherte Ventiltechnologie ver- besserungsbedürftig; so bedarf es nämlich zur kontinuierlichen (und ordnungsgemäßen) Fluidversorgung etwa der beispielhaft zu betrachtenden Dialysemaschine stets einer kontinuierlichen Bestromung der Wicklung 30, und gerade etwa am Beispiel einer Dialyseverwendung handelt es sich hier um mehrstündige Aktivierungen. Dies sorgt dann nicht nur für einen entsprechenden kontinuierlichen elektrischen Energiebedarf (was sich z.B. im Hinblick auf portable oder mobile Anwendungen als potentiell nachteilig auswirkt), auch entsteht durch (unvermeidbare) elektrische Spulenwiderstände der Wicklung 30 eine Wärmeentwicklung, welche sich potentiell nachteilig auf das (thermisch sensible) Ventilfluid auswirken und entspre- chend zusätzliche Wärmeisolationsmaßnahmen erfordern kann. Als mögliche Lösung, welche als prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannt vorausgesetzt werden kann, könnte die elektromagnetische Aktu- atorik der oberbegrifflichen Ventilvorrichtung statt monostabil - die Rückstellfeder als Kraftspeichermittel sorgt im unbestromten Zustand der Wick- lung für eine definierte Rückstellfunktion in eine geschlossene Ausgangsposition der Ventilvorrichtung - stromlos bistabil auszugestalten, d.h. die Aktuatorik schaltet zwischen der Ausgangsposition und einer Öffnungsposition (Ankereinheit 14 nach links in Fig. 3 ausgelenkt) um und verbleibt dann jeweils stromlos stabil in diesen Positionen. Derartige Bistabilität lie- ße sich etwa durch eine mechanische Rastfunktion, alternativ durch eine Permanentmagnetfunktionalität sicherstellen, bei welcher etwa ein anker- seitiger Permanentmagnet, welcher im ausgefahrenen Zustand an der Kerneinheit haftet, dafür sorgt, dass die Ankereinheit in ihrer ausgefahrenen (Öffnungs-)Position auch im unbestromten Zustand der Wicklung 30 verbleibt. Dies erfordert dann jedoch ein Zurückstellen etwa mittels eines geeigneten (umgepolten) Stromimpulses auf die Wicklung 30, was jedoch gerade in einem sensiblen medizinischen Kontext zu vermeiden ist, denn sollte es etwa zu einem Stromausfall einer Stromversorgung oder einer die Wicklung 30 beaufschlagenden Vorschaltelektronik kommen, wäre ja gerade dieser zusätzliche Impuls zum Lösen der Ankereinheit aus der Öffnungsposition (wie er dann ja auch im Fall einer mechanischen Verras- tung notwendig wäre) nicht mehr betriebssicher gewährleistet. However, in particular also in the present medical context, the valve technology which is fail-safe in the manner described is in need of improvement. in fact, continuous (and proper) fluid supply, for example, of the dialysis machine to be regarded as an example, always requires continuous energization of the coil 30, and it is just about the example of a dialysis use that involves activations lasting several hours. This then not only ensures a corresponding continuous electrical energy requirement (which, for example, with regard to portable or mobile applications as potentially detrimental effect), also caused by (unavoidable) electrical coil resistances of the winding 30, a heat development, which is potentially detrimental to the (thermal sensitive) valve fluid and may require additional heat insulation measures. As a possible solution, which can be assumed to be known in principle from the prior art, the electromagnetic Aktorik the superpicture valve device instead of monostable - the return spring as a force storage means provides in the de-energized state of the winding for a defined reset function in a closed position Valve device - electroless bistable to design, ie the actuator switches between the initial position and an open position (armature unit 14 to the left in Fig. 3 deflected) and then each remains stably stable in these positions. Such bistability could be ensured, for example, by a mechanical latching function, alternatively by permanent magnet functionality, in which, for example, an armature-side permanent magnet, which adheres to the core unit in the extended state, ensures that the armature unit is in its extended (open) position remains in the de-energized state of the winding 30. However, this then requires a reset about by means of a suitable (reversed polarity) current pulse on the winding 30, which is to be avoided, especially in a sensitive medical context, because it should come about as a power failure of a power supply or the winding 30 acting on Vorschaltelektronik would In fact, this additional impulse for releasing the armature unit from the opening position (as it would then also be necessary in the case of a mechanical lock) no longer reliably ensures operation.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine elektromagnetisch betätigte Ventilvorrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs im Hinblick auf ihre Betriebseigenschaften zu verbessern, dabei insbesondere eine potentiell nachteilige Wärmeentwicklung und/oder einen kontinuierlichen Energieverbrauch durch fortgesetzte Bestromung der Spulenmitteln (Wicklung) zu vermeiden bzw. zu vermindern, wobei gleichwohl in be- triebssicherer Weise und zum Realisieren einer Fail-Safe-Funktionalität sichergestellt werden soll, dass bei einem Bestromungsende (sei es be- absichtigt, sei es durch Fehlfunktion) das Ventil zuverlässig schließt, ohne dass es zusätzlicher Ansteuerung, einer Pufferspannung oder anderer Bestromungsmaßnahmen bedarf. Die Aufgabe wird durch die monostabile elektromagnetisch betätigte Ventilvorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. Ferner wird Schutz im Rahmen der vorliegenden Erfindung beansprucht für eine vorteilhafte Verwendung dieser erfindungsgemäßen elektromag- netisch betätigten Ventilvorrichtung zur Realisierung eines Magnetventils für medizinische Anwendungen, bei welchen wiederum der zum Erfindungskontext diskutierte Dialyse-Anwendungsfall als besonders bevorzugt gilt. In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise sind zunächst den stationären Kernmitteln (Kerneinheit) Permanentmagnetmittel so zugeordnet, dass diese auf die Ankermittel (Ankereinheit), zumindest im ausgefahrenen, d.h. an die Kernmittel anliegenden bzw. angenährten Betriebszustand bei Bestromung der Spulenmittel, eine permanentmagnetisch anziehende Kraft ausüben. The object of the present invention is therefore to improve an electromagnetically actuated valve device according to the preamble of the main claim in terms of their operating characteristics, in particular to avoid or to avoid a potentially disadvantageous heat development and / or continuous energy consumption by continued energization of the coil means (winding) Nevertheless, it should be ensured in a reliable manner and for the realization of a fail-safe functionality that at the end of a power supply (be it intentionally, be it by malfunction) the valve closes reliably, without the need for additional control, a buffer voltage or other Bestromungsmaßnahmen. The object is achieved by the monostable solenoid-operated valve device having the features of the main claim; advantageous developments of the invention are described in the subclaims. Furthermore, protection in the context of the present invention is claimed for an advantageous use of this electromagnetically actuated valve device according to the invention for realizing a solenoid valve for medical applications, in which again the dialysis application discussed in the context of the invention is considered to be particularly preferred. In an advantageous manner according to the invention, the stationary core means (core unit) are first assigned with permanent magnet means such that they exert a permanently magnetically attracting force on the armature means (armature unit), at least in the extended operating condition applied to the core means or while it is energized.
Diese permanentmagnetische Kraft (welche, wie auch die durch die Bestromung der Spulenmittel erzeugte elektromagnetische bzw. Spulenmagnetkraft, der Rückstell kraft der Kraftspeichermittel entgegengerichtet ist) sorgt dann dafür, dass zum Halten der Ankermittel in der ausgefahrenen Öffnungsposition der Ventilvorrichtung ein gegenüber dem Bewegen der Ankermittel, insbesondere einem Lösen der Ankermittel aus der geschlossenen Ausgangsposition, verringerter Spulenstrom notwendig ist. Dies bewirkt dann vorteilhaft, dass in dem (potentiell am Beispiel der Dia- lysemaschine ja mehrstündigen) Öffnungs- und Bestromungszustand der elektrische Energieverbrauch für die Bestromung sinkt und vorteilhaft die nachteilige Erwärmung signifikant abgesenkt werden kann, da ja an der Anschlagposition der Ankereinheit (Ankermittel) am Kern die Permanentmagnetmittel einen Beitrag zur Haltekraft leisten, welche nicht (mehr) durch die Bestromung aufgebracht werden muss. This permanent magnetic force (which, like the electromagnetic or coil magnetic force generated by the energization of the coil means, the restoring force of the force storage means is opposite) then ensures that for holding the anchor means in the extended opening position of the valve device with respect to moving the anchor means, In particular, a release of the anchor means from the closed starting position, reduced coil current is necessary. This then advantageously has the effect that, in the opening and energizing state (potentially several hours on the example of the dialysis machine), the electrical energy consumption for the energization drops and advantageously the disadvantageous heating can be significantly reduced, since at the stop position of the armature unit (anchor means) on the core, the permanent magnet means make a contribution to the holding force, which must not be (more) applied by the energization.
Gleichzeitig sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Aktuatorkom- ponenten so dimensioniert, dass die permanentmagnetische Haltekraft nicht etwa die durch die Kraftspeichermittel auf die Ankereinheit aufgebrachte Rückstell kraft übersteigt; vielmehr stellt die (größere) Federkraft der Kraftspeichermittel sicher, dass trotz anziehender permanentmagnetischer Haftkraft auf die am Kern anliegende Ankereinheit diese beim Ende der Bestromung in die (den Ventilsitz verschließende) Ausgangslage zurückgeführt wird, sodass der oben diskutierte Fail-Safe-Modus betriebssicher realisiert ist (und ohne dass es insbesondere weiterer elektronischer Ansteuer- bzw. Bestromungsmaßnahmen für die Spulenmittel bedarf). At the same time, in the context of the present invention, the actuator components are dimensioned such that the permanent-magnetic holding force does not exceed the restoring force applied by the force-storing means to the armature unit; Rather, the (greater) spring force of the energy storage means ensures that despite attractive permanent magnetic adhesive force on the armature core at the core this is returned at the end of energization in the (the valve seat occluding) starting position, so that the above-discussed fail-safe mode is reliably implemented (And without it in particular further electronic control or Bestromungsmaßnahmen required for the coil means).
Dabei ist es einerseits und im Rahmen bevorzugter Weiterbildungen der Erfindung günstig, die Permanentmagnetmittel, etwa ausgebildet als weiter bevorzugt axial magnetisierter Permanentmagnetkörper bzw. Perma- nentmagnetscheibe, an oder in das magnetisch leitende Kernmaterial anzusetzen oder einzubetten. Damit lässt sich dann insbesondere eine modulartig integrierte Baugruppe erzeugen, welche den zusätzlichen Vorteil besitzt, gängige (nicht-permanentmagnetische) Kernbaugruppen bei ansonsten unveränderten bzw. vergleichbaren Dimensionierungen nachzu- rüsten, mit dem Potential, dass gar ein fertigungstechnisch gerade für die Großserie günstiges Baukastensystem entstehen kann. It is favorable, on the one hand and within the scope of preferred developments of the invention, to attach or embed the permanent magnet means, such as a further preferably axially magnetized permanent magnet body or permanent magnet disc, on or into the magnetically conductive core material. In this way, it is possible in particular to produce a module-like integrated module which has the additional advantage of retrofitting common (non-permanent-magnetic) core modules with otherwise unchanged or comparable dimensions, with the potential that even a modular system that is favorable in terms of production technology would be created can.
Bei dieser vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung als integriertes Kernmodul ist es zusätzlich weiterbildend vorteilhaft, den permanentmagneti- sehen Körper (etwa scheibenartig ausgebildet) axial beidends von einem (z.B. aus Weicheisen realisierten) Kernmaterial einzufassen und mantel- seitig mittels einer (magnetisch dann nicht leitenden) Hülse für eine Stoßentlastung zu sorgen. Dies besitzt dann den Vorteil, dass, bezogen auf das üblicherweise spröde und schlaganfällige Permanentmagnetmaterial, eine wirksame Entkopplung vor mechanischen Beeinträchtigungen der Kernbaugruppe realisiert werden kann, etwa gegenüber einem Aufprall der Ankereinheit am Kern. In this advantageous development of the invention as an integrated core module, it is additionally advantageous to enclose the permanent magnet body (such as a disk-like shape) axially at both ends of a core material (realized, for example, from soft iron) and coat the core material. side by means of a (then magnetically non-conductive) sleeve to provide shock relief. This then has the advantage that, based on the usually brittle and impact-prone permanent magnet material, an effective decoupling from mechanical damage to the core assembly can be realized, for example against an impact of the armature unit on the core.
Eine gleichermaßen bevorzugte alternative Realisierungsform der Erfindung sieht vor, die kernseitigen Permanentmagnetmittel so an der Kern- baugruppe (Kernmittel) vorzusehen, dass diese radial auswärts bzw. randseitig und bevorzugt außerhalb eines durch die Kernmittel fließenden (Spulen-)Magnetflusses vorgesehen sind. Durch diese vorteilhafte Maßnahme lässt sich damit eine potentiell unerwünschte Beeinflussung des elektromagnetischen Spulenmagnetflusses durch die Permanentmagnet- einheit verhindern bzw. verringern, wobei es dann zusätzlich weiterbildend bevorzugt ist, am gegenüberliegenden Bewegungspartner, nämlich den Ankermitteln, zum Ausbilden eines Luftspalts einen gleichermaßen radial vorspringenden (und etwa kragenartig abstehenden) Wirkabschnitt vorzusehen. An equally preferred alternative embodiment of the invention provides for the core-side permanent magnet means to be provided on the core assembly (core means) in such a way that they are provided radially outward or edgewise and preferably outside a (coil) magnetic flux flowing through the core means. As a result of this advantageous measure, a potentially undesirable influence on the electromagnetic coil magnetic flux by the permanent magnet unit can be prevented or reduced, wherein it is then additionally further-developing that an opposing motion partner, namely the armature means, form an equally radially projecting (and to provide something like a collar).
Die vorliegende Erfindung gestattet es vorteilhaft, wie oben dargelegt, einen den dauerhaften Öffnungszustand erhaltenden Spulenstrom zu vermindern, da die erfindungsgemäß vorgesehenen Permanentmagnetmittel einen zusätzlichen Haltekraftbeitrag leisten. Um insoweit die Ansteuerung der Spulenmittel zu vereinfachen bzw. zu optimieren, ist es erfindungsgemäß weiterbildend vorgesehen, den Spulenmitteln elektrische Ansteuermittel zum Erzeugen und Anlegen der Bestromung so vorzuschalten, dass eine in eine Wicklung der Spulenmittel eingebrachte elektrische Leistung im Bestromungszustand zwischen einer höheren Leistung (etwa entspre- chend einem höheren Spulenstrom) für eine Bewegung der Ankermittel vor Erreichen der Öffnungsposition an den Kernmitteln und einer niedrige- ren Leistung (also einem demgegenüber abgesenkten Spulenstrom) mit oder nach einem Erreichen der Öffnungsposition umschalt- bzw. steuerbar ist. Während es einerseits möglich ist, diese Veränderung bzw. Steuerung positionsabhängig dadurch durchzuführen, dass etwa ein Signal eines (geeignet eine Ankerposition detektierenden) Positionssensors durch die Ansteuermittel ausgewertet wird, ist es gleichwohl vorteilhaft und bevorzugt (und auch mit geringem technischen Aufwand realisierbar), Zeitgebermittel den Ansteuermitteln derart zuzuordnen bzw. in diese zu integrieren, dass, nach Abschluss eines vorbestimmten Zeitintervalls nach dem Beginn der Bestromung, der Spulenstrom vorbestimmt abgesenkt wird (wobei dieses Zeitintervall dann so eingestellt bzw. eingerichtet und vorbestimmt ist, dass es den Zeitraum überstreicht, welchen die Ankermittel benötigen, um aus der unbestromten Ausgangsposition die gegenüberliegende Öffnungs- bzw. Anschlagposition an den Kernmitteln zu erreichen). The present invention advantageously makes it possible, as stated above, to reduce a coil current which maintains the permanent opening state, since the permanent magnet means provided according to the invention make an additional holding power contribution. In order to simplify and optimize the control of the coil means so far, it is provided according to the invention further, the coil means electrical driving means for generating and applying the energization upstream so that an introduced into a winding of the coil means electrical power in the energization state between a higher power (about corresponding to a higher coil current) for a movement of the anchor means before reaching the opening position at the core means and a lower Ren performance (ie, a contrast lowered coil current) with or after reaching the opening position can be switched or controlled. While it is possible on the one hand to carry out this change or control position-dependent by evaluating a signal of a position sensor (suitably detecting an armature position) by the actuation means, it is nevertheless advantageous and preferred (and also feasible with little technical outlay) timer means to associate with the driving means or to integrate in this, that, after completion of a predetermined time interval after the start of the energization, the coil current is lowered in a predetermined manner (this time interval is then set or set and predetermined that it covers the period, which the anchor means need to reach from the de-energized home position the opposite open or stop position on the core means).
Auf die beschriebene Weise ist somit in überraschend einfacher und eleganter Weise ein monostabiles elektromagnetisch betätigtes Ventil realisierbar, welches überragende Sicherheitseigenschaften (nämlich Implementierung eines Fail-Safe-Modus ohne notwendige Schaltmodifikationen oder Betriebsspannungspuffer), kombiniert mit günstigen elektrischen E- nergieverbrauchseigenschaften und damit verbundener vorteilhafter abgesenkter Wärmeentwicklung. Damit ist dann die vorliegende Erfindung herausragend geeignet für (thermisch sensible) Ventilaufgaben in einem medizinischen Kontext, wie etwa einer Schaltung bzw. Steuerung eines Dia- lysefluids, die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diesen Einsatzfall beschränkt. Vielmehr eignet sich die vorliegende Erfindung günstig für jene monostabile Ventilaufgaben, welche definierte Ausfall- Betriebszustände mit optimiertem elektrischen Energieaufwand kombinieren. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Figuren; diese zeigen in Fig. 1 eine schematische Längsschnittansicht einer elektromagnetischen Aktuatorkomponente zur Realisierung eines Elektromagnetventils als elektromagnetisch betätigte Ventilvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung; eine Detailansicht von Kernmitteln (Kernbaugruppe) gemäß einem gegenüber dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 modifizierten Ausführungsbeispiel der Erfindung; zur Hintergrund- und technischen Kontextillustration eine Längsschnittansicht durch eine gattungsgemäße elektromagnetisch betätigte Ventilvorrichtung für medizinische Verwendungen, wobei die Fig. 3 gleichermaßen den Einsatzkontext der vorliegenden Erfindung illustriert, indem die Aktuator- baugruppe gemäß Fig. 1 die entsprechende bekannte Aktua- torik der Fig. 3 ersetzt; und eine Längsschnittansicht durch eine Aktuatorbaugruppe einer elektromagnetisch betätigten Ventilvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, bei welchem kernseitige Permanentmagnetmittel außerhalb eines spulenmagnetischen Flusskreises vorgesehen sind. In the manner described, a monostable electromagnetically actuated valve can thus be realized in a surprisingly simple and elegant manner, which has superior safety properties (namely implementation of a fail-safe mode without necessary switching modifications or operating voltage buffers) combined with favorable electrical energy consumption properties and associated advantages heat. Thus, the present invention is eminently suitable for (thermally sensitive) valve tasks in a medical context, such as switching or control of a dialysis fluid, but the present invention is not limited to this application. Rather, the present invention is suitable for those monostable valve tasks, which combine defined failure operating conditions with optimized electrical energy consumption. Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments and with reference to the figures; These show in Figure 1 is a schematic longitudinal sectional view of an electromagnetic actuator component for the realization of a solenoid valve as an electromagnetically actuated valve device according to a first embodiment of the invention. a detailed view of core means (core assembly) according to an embodiment of the invention compared to the embodiment of Figure 1; 1 shows a longitudinal sectional view through a generic electromagnetically actuated valve device for medical uses, FIG. 3 likewise illustrating the context of use of the present invention, by the actuator assembly according to FIG. 1 corresponding to the known actuator of FIG. 3 replaced; and FIG. 15 is a longitudinal sectional view of an actuator assembly of an electromagnetically operated valve device according to a third embodiment, in which core-side permanent magnet means are provided outside a coil-magnetic flux circuit.
Bei den nachfolgend zu beschreibenden Ausführungsbeispielen und dem Einsatzkontext geben gleiche Bezugszeichen entsprechend gleiche bzw. unmittelbar funktional äquivalente Bauteile, Baugruppen und Funktionskomponenten an. So zeigt die Längsschnittansicht der Fig. 1 eine Aktuatorbaugruppe (insbesondere zum Zusammenwirken mit den weiteren Ventilkomponenten der Fig. 3, welche insoweit als zur Erfindung gehörig offenbart gelten soll und in den vorliegenden Erfindungskontext einbezogen wird), die die Kernmittel 24 der Fig. 3 ersetzt durch eine mehrteilige Kernstruktur, aufweisend einen ersten Kernkörper 40, einen scheibenartigen (und entsprechend der axialen Richtung 26 axial magnetisierten) Permanentmagnetkörper 42 sowie einen diesem wiederum benachbart (und gegenüberlie- gend dem Kernkörper 40 angeordneten) zweiten Kernkörper 44, sodass die in der Längsschnittansicht der Fig. 1 erkennbare axial dreiteilige Struktur entsteht. Eingefasst ist die Permanentmagnetscheibe 42 zusätzlich von einer radial mantelseitig vorgesehenen Hülse 46 aus einem nicht magnetischen Material (z.B. Messing oder einem Kunststoffmaterial), welche die Aufgabe hat, einerseits mantelseitig das spröde Permanentmagnetmaterial der Permanentscheibe 42 einzufassen, darüber hinaus aber auch stoßdämpfend bzw. (bezogen auf den Permanentmagneten) stoßsichernd zu wirken, indem, etwa durch einen Aufprall der Ankereinheit 14 auf die Kern- Gesamteinheit 42 bis 46 wirkenden Schlagkräfte gegenüber dem (sprö- den) Permanentmagnetmaterial abgepuffert werden. In the exemplary embodiments to be described below and the context of use, identical reference numerals indicate correspondingly identical or directly functionally equivalent components, assemblies and functional components. Thus, the longitudinal sectional view of FIG. 1 shows an actuator assembly (in particular for cooperation with the further valve components of FIG. 3, which is to be considered as disclosed in the present invention and included in the present invention context) which replaces the core means 24 of FIG by a multi-part core structure, comprising a first core body 40, a disk-like (and axially magnetized according to the axial direction 26) permanent magnet body 42 and this in turn adjacent (and opposite the core body 40 arranged) second core body 44, so that in the longitudinal sectional view of Fig. 1 recognizable axially three-part structure arises. Enclosed is the permanent magnet plate 42 additionally provided by a radially shell side provided sleeve 46 of a non-magnetic material (eg brass or plastic material), which has the task, on the one hand coat the brittle permanent magnet material of the permanent disc 42 surround, but beyond also shock-absorbing or (related on the permanent magnets) to act as a shock absorber by buffering impact forces acting against the (brittle) permanent magnet material, for example by an impact of the armature unit 14 on the core total unit 42 to 46.
Vorteilhaft sorgt der Permanentmagnet 42 dafür, dass bei einer Annäherung der Ankereinheit 14 an den Kern aufgrund Bestromung der Wicklung 30 die Elektromagnetkräfte gleichgerichtet überlagernde Permanentmag- netkräfte der Permanentmagnetscheibe 42 auf die Ankereinheit wirken und diese, spätestens mit Erreichen der Anschlagposition am Kern, dort unterstützend halten. Diese gemeinsame Haltekraft der bestromten Wicklung 30 sowie der Permanentmagnetscheibe 42 wirkt entgegen einer rückstellenden Federkraft der Kraftspeichermittel (Spiral-Druckfeder) 22, welche so dimensioniert ist, dass bei der Bestromung die Ankermittel 14 zuverlässig am Kern gehalten sind. Gleichzeitig ist die Rückstellfeder 22 (relativ insbesondere zur Permanentmagnetscheibe 42) so dimensioniert, dass bei unbestromter Wicklung 30 die rückstellende Federkraft 22 eine permanentmagnetische Anziehungs- bzw. Haftkraft auf die Ankereinheit 14 übersteigt, mit der Wirkung, dass lediglich die Permanentmagnetschei- be 42 die Ankereinheit nicht am Kern halten kann, diese daher durch die Expansionswirkung der Feder 22 zurück in die stromlose Schließ- bzw. Verschlussposition (insoweit entsprechend der Darstellung der Fig. 3) verbracht wird. Entsprechend ist auf diese Weise, trotz des energetisch und im Hinblick auf die Spulenerwärmung wirksamen Beitrags des Perma- nentmagneten 42 am Anschlagszustand, die Fail-Safe-Funktionalität gewährleistet, d.h. bei einem Bestromungsende oder einem Stromausfall erfolgt durch Wirkung der Feder 22 in jedem Fall das definierte und zuverlässige Zurück-Verbringen der Ankereinheit 14 in den unbestromten Ruhe- und Verschlusszustand. Advantageously, the permanent magnet 42 ensures that upon approach of the armature unit 14 due to energization of the winding 30, the electromagnetic forces rectilinearly superimposed permanent magnet forces of the permanent magnet disc 42 act on the armature unit and keep it there, at the latest upon reaching the stop position on the core , This common holding force of the energized winding 30 and the permanent magnet disc 42 counteracts a restoring spring force of the force storage means (spiral compression spring) 22, which is dimensioned so that when energized, the anchor means 14 are reliably held on the core. At the same time, the return spring 22 (Relative in particular to the permanent magnet 42) dimensioned so that when energized winding 30, the restoring spring force 22 exceeds a permanent magnetic attraction or adhesion to the armature unit 14, with the effect that only the Permanentmagnetschei- be 42, the anchor unit can not hold the core , This therefore by the expansion effect of the spring 22 back into the currentless closing or closing position (insofar as shown in FIG. 3) is spent. Accordingly, in this way, despite the contribution of the permanent magnet 42 at the stop state, which is effective both energetically and with respect to the coil heating, the fail-safe functionality is ensured, ie in the event of an energization end or a power failure, the action of the spring 22 always takes place defined and reliable return of the anchor unit 14 in the de-energized rest and closure state.
Die Fig. 2 zeigt eine konstruktive Variation der wie in Fig. 1 modulartig (und damit prinzipiell gegen gängige Vollkörper einer Kerneinheit 24) austauschbaren Baugruppe: Erkennbar ist, wie, zum Herstellen eines bestmöglichen magnetischen Übergangs, die beidseits die Permanentmagnet- Scheibe 42' einfassenden ersten (40') bzw. zweiten (44') Kernkörper eine axial durchgehende, zylindrische Einheit bilden, wobei in dem Mantelbereich radial auswärts der Permanentmagnetscheibe 42' und sich bis in die axial beidseits angrenzenden Kernkörper hinein, eine umlaufende Schutz- und Prallhülse 46' aus nicht magnetischem Material ausgebildet ist. Die Variante der Fig. 2 verdeutlicht zudem in Form einer kernseitigen Axialbohrung 48 eine alternative Möglichkeit zum Aufnehmen einer Druckfeder 42 oder dergleichen Kraftspeicher; ein in der Figurenebene der Fig. 2 nach rechts offener Öffnungsbereich 50 des Kernkörpers 40' dient dann zum Aufnahmen einer (ggf. dann auch geeignet konisch geformten) An- kereinheit. Die Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Realisierung der vorliegenden Erfindung. Fig. 2 shows a constructive variation of the module as in Fig. 1 (and thus in principle against common solid body of a core unit 24) interchangeable module: It can be seen how, to produce a best possible magnetic transition, the both sides of the permanent magnet disc 42 'bordering first (40 ') and second (44') core body form an axially continuous, cylindrical unit, wherein in the shell region radially outward of the permanent magnet disc 42 'and into the axially adjacent both sides core body, a circumferential protective and impact sleeve 46' is formed of non-magnetic material. The variant of FIG. 2 also illustrates, in the form of a core-side axial bore 48, an alternative possibility for receiving a compression spring 42 or the like energy store; an opening region 50 of the core body 40 'which opens to the right in the plane of the figure of FIG. 2 then serves to receive a (possibly also suitably conically shaped) armature unit. Fig. 4 shows another embodiment for realizing the present invention.
Erkennbar ist, wie eine (einstückige, mit einem Sättigungs-Einstich 52 ver- sehene) Jochkerneinheit 54 einen entlang der axialen Richtung 26 bewegbaren Ankerkörper 56 samt beidseitig ansitzenden Stößelabschnitten 58, 60 umgibt (wobei 58 aus magnetisch-nicht leitendem Material realisiert ist), wobei Gleitlager 62, 64 die relative axiale Beweglichkeit sicherstellen und eine Druckfeder 22 sich einends von einem innenliegenden Ringab- satz des Jochkerns 54, anderenends von einer Stirnwand des Ankerkörpers 56 abstützt und damit die Ankereinheit, in der Figurenebene der Fig. 4 in Richtung nach rechts, in eine geschlossene Position (von nicht näher im Detail gezeigten, etwa analog der Fig. 3 angekoppelten Ventilkomponenten in Form eines Ventilgummis relativ zu einem stationären Ventilsitz) vorspannt. It can be seen how a yoke core unit 54 (one-piece, provided with a saturation recess 52) surrounds an anchor body 56 movable along the axial direction 26, together with plunger sections 58, 60 anchoring on both sides (wherein 58 is made of magnetically non-conductive material), wherein plain bearings 62, 64 ensure the relative axial mobility and a compression spring 22 is supported at one end by an inner annular shoulder of the yoke core 54, at the other end by an end wall of the anchor body 56 and thus the armature unit, in the plane of the figure of FIG. 4 in the direction to the right in a closed position (biased by not shown in detail, approximately analogous to Fig. 3 coupled valve components in the form of a valve rubber relative to a stationary valve seat).
Während eine Wicklung 30 die Jochkerneinheit 54 mantelseitig umgibt und in einem Spulengehäuse 66 samt Flussleitscheibe 67 aufgenommen ist, und der um den Umfang des zylindrischen Jochkerns 54 umlaufende Einstich 52 in ansonsten bekannter Weise durch Sättigung eine magnetische Trennung entlang der axialen Richtung bewirkt, ist beim Ausführungsbeispiel der Fig. 4 die (hier als umlaufende Scheibe 70 realisierte und stirnseitig am Gehäuse 66, 67 befestigte) Permanentmagneteinheit radial außerhalb eines von der Baugruppe 54 bestimmten spulenmagneti- sehen Flusskreises vorgesehen (welcher sich dann im weiteren Verlauf über eine hier am Ankerkörper 56 vorgesehene Flussleitscheibe 72, den Ankerkörper 56 und über den Konus-Luftspalt zurück zum Jochkern 54 erstreckt). Zwischen den Baugruppen 70 und 72 entsteht auf diese Weise ein weiterer, weitenveränderlicher (da von der Ankerposition abhängiger) Luftspalt, über welchen die permanentmagnetische Anziehungskraft der Permanentmagnetscheibe 70 auf den zugehörigen magnetisch flusslei- tenden Scheibenpartner 72 wirkt. Das Bezugszeichen 74 zeigt einen e- lastomeren Pufferkörper, welcher jedoch auch exemplarisch etwa als me- diendurchflossener Schlauch (und damit geschaltet durch die Vorrichtung der Fig. 4 in medientrennender Weise) begriffen werden könnte. While a winding 30 surrounds the yoke core unit 54 on the shell side and is accommodated in a coil housing 66 together with flux guide disk 67, and the groove 52 circulating around the circumference of the cylindrical yoke core 54 effects a magnetic separation along the axial direction in an otherwise known manner by saturation, in the exemplary embodiment 4 (the here realized as a rotating disc 70 and frontally attached to the housing 66, 67) permanent magnet unit radially outside of a certain coil of the assembly 54 see see provided (which is then in the course of a here on the anchor body 56 provided Flußleitscheibe 72, the anchor body 56 and over the cone air gap back to the yoke core 54 extends). Between the assemblies 70 and 72 arises in this way another, variably variable (as dependent on the anchor position) air gap through which the permanent magnetic attraction of the permanent magnet 70 on the associated magnetic flux. disc partner 72 acts. The reference numeral 74 shows a elastomeric buffer body, which, however, could also be understood by way of example as, for example, a tube (through which the device of FIG. 4 is connected in a medium-separating manner) passing through the device.
Ein schematisch gezeigtes Fixierelement 76 sichert das Gehäuse 66, 67 samt ansitzendem Permanentmagnetring 70 in axialer Richtung und gegen einen möglichen Anschlag- bzw. Aufpralleinfluss bei der Spulenaktivierung (welche, gegen die rückstellende Druckkraft der Feder 22, dann die Ankereinheit 56, 58, 60 in der Figurenebene nach links bewegen würde). A schematically shown fixing member 76 secures the housing 66, 67 together ansitzendem permanent magnet ring 70 in the axial direction and against a possible impact or impact in the coil activation (which, against the restoring pressure force of the spring 22, then the armature unit 56, 58, 60 in would move the figure plane to the left).
Wiederum erfolgt, analog zum vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel, die Dimensionierung dieser rückstellenden Federkraft 22 relativ zur perma- nentmagnetisch anziehenden Wirkung der Permanentmagnetmittel 70 auf den Partner 72 so, dass bei unbestromter Spule 30 die rückstellende Federkraft der Feder 22 eine Haftkraft der Permanentmagnetmittel 72 übersteigt, also die Ankereinheit in eine (wie in der Fig. 4 gezeigte) geschlossene und stromlos stabile Ruhe- und Verschlussposition verbracht wird. Again, analogously to the above-described embodiment, the dimensioning of this restoring spring force 22 relative to the permanent magnetically attracting effect of the permanent magnet means 70 on the partner 72 so that when energized coil 30, the restoring spring force of the spring 22 exceeds an adhesive force of the permanent magnet means 72, ie the Anchor unit in a (as shown in FIG. 4) closed and normally stable rest and closure position is spent.

Claims

Elektromagnetisch betätigte Ventilvorrichtung mit als Reaktion auf eine Bestromung stationärer Spulenmittel (30) zum Öffnen eines bevorzugt mediengetrennten Fluidkanals (12) bewegbaren Ankermitteln (14, 56-60), Electromagnetically actuated valve device with anchor means (14, 56-60) movable in response to an energization of stationary coil means (30) for opening a preferably media-separated fluid channel (12),
die gegen eine Rückstell kraft von bevorzugt eine Feder aufweisenden Kraftspeichermitteln (22) entlang einer axialen Bewegungsrichtung in Richtung auf stationäre, eine Spulenmagnetfluss leitende und eine Öffnungsposition der Ankermittel definierende Kernmittel (40-44; 54) in einem Ventilgehäuse bewegbar geführt sind,  the force-storing means (22) having an axial movement in the direction of stationary core means (40-44; 54) conducting a coil magnetic flux and defining an opening position of the armature means are movably guided in a valve housing against a return force of preferably a spring,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die stationären Kernmittel Permanentmagnetmittel (42; 70) so zugeordnet und/oder magnetisch flussleitend angekoppelt aufweisen, dass in der Öffnungsposition die Permanentmagnetmittel eine permanentmagnetische, mit einer Spulenmagnetkraft der bestromten Spulenmittel gleichgerichtete Kraft auf die Ankermittel ausüben und die Kraftspeichermittel so eingerichtet und/oder dimensioniert sind, dass die Rückstell kraft, insbesondere an der Öffnungsposition der Ankermittel, größer als die permanentmagnetische Kraft und kleiner als die Summe aus der permanentmagnetischen Kraft und der Spulenmagnetkraft ist.  the stationary core means have permanent magnet means (42; 70) associated with and / or magnetically flux-conductively coupled such that in the opening position the permanent magnet means exert a permanent magnetic force rectified by a coil magnet force of the energized coil means on the armature means and the force storage means are so arranged and / or dimensioned in that the restoring force, in particular at the opening position of the anchor means, is greater than the permanent magnetic force and less than the sum of the permanent magnetic force and the coil magnetic force.
Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kernmittel als mehrteilige und bevorzugt modulartige Baugruppe (42- 46; 42'-46') realisiert sind, in welche/r ein die Permanentmagnetmittel realisierender Permanentmagnetkörper (42; 42') magnetisch flussleitend eingesetzt, aufgenommen und und/oder eingebettet ist. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der axial magnetisierte Permanentmagnetkörper entlang der Richtung der axialen Bewegungsrichtung zwischen unmittelbar benachbarten Kernkörpern (40, 44; 40', 44') der Baugruppe vorgesehen ist. Device according to Claim 1, characterized in that the core means are realized as a multi-part and preferably module-like assembly (42-46; 42'-46 ') in which a permanent magnet body (42, 42') which realizes the permanent magnet means is inserted with magnetic flux conduction, recorded and / or embedded. 3. Device according to claim 2, characterized in that the axially magnetized permanent magnet body along the direction the axial movement direction between immediately adjacent core bodies (40, 44, 40 ', 44') of the assembly is provided.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die modulartig und bevorzugt radialsymmetrisch und/oder zylindrisch ausgebildete Baugruppe mantelseitig von einer Hülse (46; 46') umschlossen ist. Apparatus according to claim 2 or 3, characterized in that the module-like and preferably radially symmetrical and / or cylindrical design of the module shell side of a sleeve (46, 46 ') is enclosed.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnetmittel als Permanentmagnetkörper an einem radial vorspringenden und/oder abkragenden Abschnitt (66) der Kernmittel vorgesehen Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the permanent magnet means provided as a permanent magnet body at a radially projecting and / or abkragenden portion (66) of the core means
und zum magnetischen Zusammenwirken mit einem radial vorspringenden und/oder abkragenden Ankerabschnitt (72) der Ankermittel (56-60) unter Ausbildung eines Luftspalts mit einer von einer Ankerposition abhängigen Luftspaltweite ausgebildet sind. and for magnetically co-operating with a radially projecting and / or projecting anchor portion (72) of the anchor means (56-60) are formed to form an air gap with an air gap width dependent on an anchor position.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnetkörper (70) radial und/oder axial außerhalb eines von einer zumindest abschnittsweise zylindrischen Außenwand der Kernmittel (54) gebildeten elektromagnetischen Flusskreisabschnitts vorgesehen ist. Apparatus according to claim 5, characterized in that the permanent magnet body (70) radially and / or axially outside of an at least partially cylindrical outer wall of the core means (54) formed electromagnetic flow circuit section is provided.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass den Spulenmitteln elektrische Ansteuermittel zum Erzeugen und Anlegen der Bestromung vorgeschaltet sind, die so ausgebildet sind, dass eine in eine Wicklung der Spulenmittel eingebrachte elektrische Leistung im Bestromungszustand zwischen einer höheren Leistung für eine Bewegung der Ankermittel vor Erreichen der Öffnungsposition an den Kernmitteln und einer niedrigeren Leistung mit oder nach einem Erreichen der Öffnungsposition Steuer- und/oder veränderbar ist. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the coil means are preceded by electrical drive means for generating and applying the energization, which are formed so that an introduced into a winding of the coil means electrical power in the energization state between a higher power for movement the anchor means before reaching the opening position at the core means and a lower power with or after reaching the opening position is tax and / or changeable.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass den Ansteuermitteln Zeitgebermittel und/oder Positionsdetektormittel zum Erfassen einer Position der Kernmittel zugeordnet und/oder vorgeschaltet sind. Apparatus according to claim 7, characterized in that the control means timer and / or position detecting means for detecting a position of the core means are assigned and / or upstream.
Verwendung der elektromagnetisch betätigten Ventilvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Realisierung eines stromlos geschlossenen, insbesondere mittels einer Membran oder eines Faltenbalgs mediengetrennten monostabilen Magnetventils für medizinische Anwendungen, insbesondere für das Schalten eines Dialyseflu- ids, wobei im nicht bestromten Zustand das Magnetventil geschlossen und/oder ein Fluidfluss unterbrochen ist. Use of the electromagnetically operated valve device according to one of claims 1 to 8 for the realization of a normally closed, in particular by means of a membrane or a bellows mediengetrennten monostable solenoid valve for medical applications, in particular for switching a Dialyseflu- ids, wherein in the non-energized state, the solenoid valve is closed and / or a fluid flow is interrupted.
Verwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das stromlos geschlossene Magnetventil keine Mittel zur elektronischen Ankerrückstellung in die geschlossene Position aufweisen, insbesondere keine Mittel für eine Umpolung der Bestromung. Use according to claim 9, characterized in that the normally closed solenoid valve have no means for electronic anchor provision in the closed position, in particular no means for a reversal of the current supply.
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