DE69920161T2

DE69920161T2 - Magnetventil

Info

Publication number: DE69920161T2
Application number: DE1999620161
Authority: DE
Inventors: Giovanni Cerizza; Paolo Ballocchi
Original assignee: Ranco Inc of Delaware
Current assignee: Ranco Inc of Delaware
Priority date: 1999-02-19
Filing date: 1999-02-19
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2019-02-20
Also published as: EP1030091A1; DE69920161D1; EP1155251A1; EP1155251B1; DK1030091T3; ES2219312T3; WO2000049320A1; DE60009674T2; DE60009674D1; EP1030091B1; DK1155251T3; AU2806000A; WO2000049320B1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Solenoidventil zum Steuern beispielsweise der Zuführung des Kühlfluids in Mehrfachabteil-Kühlschränken mit beispielsweise einem Kühlfach und einem Gefrierfach unter Verwendung lediglich eines einzelnen Kompressors.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Kühlschränke entweder für Haushalts- oder kommerzielle Anwendungen sind sehr oft so entworfen, dass sie für dieselbe Anwendung ein Gefrierfach und ein Kühlfach bereitstellen. Dies wird entweder durch Einsatz zweier unabhängiger Kühlkreise mit zwei Kompressoren erzielt, oder durch einen einzigen Kühlkreis mit einem Kompressor, der im Zusammenhang mit einem Solenoidventil arbeitet, mit der Funktion zum Aufteilen des Kühlmittels auf das eine Kühlung erfordernde Abteil. Zum Einsparen von Raum, zum Begrenzen des Energieverbrauchs und zum Verringern der Gerätekosten ist die Lösung mit einem Kompressor mit einem Aufteilventil die bevorzugte Lösung, obgleich sie, wie später erläutert wird, eine Einschränkung im Hinblick auf ein System mit zwei Kompressoren hat.
Die 1 beschreibt ein typisches Kühlsystem, bestehend aus einem einzelnen Kompressor 100, einem Kondensor 102, einem ersten Verdampfer 104, beispielsweise platziert in dem Gefrierfach, und einem zweiten Verdampfer 106, beispielsweise platziert in dem Kühlfach.
Wie in 1 gezeigt, bewirkt ein Solenoidventil 108 ein Aufteilen des Kühlfluids von dem Kondensor 102 Ausgang zu entweder dem Gefrierverdampfer 104 oder dem Kühlverdampfer 106 über jeweils Kapillarrestriktionen 110 oder 112. Das Solenoidventil 108 wird über ein Betätigungselement 114, wie einer Magnetspule, betätigt, und die Stromzufuhr zu der Spule wird durch eine Steuereinheit 116 gesteuert.
Die erste Betriebsposition des Ventils 108 liegt bei einer ersten Arbeitsposition, angezeigt in 1 durch eine durchgezogene Linie (a), wo der Ausgang des Kondensors 102 verbunden ist mit dem ersten Verdampfer 104. Eine weitere gestrichelte Linie (b) nach 1 betrifft eine zweite Arbeitsposition, wo der Ausgang des Kondensors 102 mit dem zweiten Verdampfer 106 verbunden ist.
Die 1 repräsentiert eine Anwendung, bei der zwei Verdampfer 104, 106 unabhängig mit Kühlmittel gespeist werden, abhängig von der Solenoidventil-Arbeitsposition.
Wie in 1 gezeigt, erstreckt sich bei der ersten Arbeitsposition das Kühlfluid in den ersten Verdampfer 104 über Leitungen 108, 118 und es kehrt zu dem Kompressor 100 über Pfade 120, 122 zurück. In der zweiten Arbeitsposition erstreckt sich das Fluid in den zweiten Verdampfer 106 über Leitungen 112, 124, und es kehrt zu dem Kompressor über Pfade 126, 122 zurück.
Eine alternative Anwendung, die in 1 nicht explizit gezeigt ist, ist eine, wobei die Verdampfer 104 und 106 mit Kühlmittel in Kaskade in der ersten Arbeitsposition gespeist werden. Hier können beide Verdampfer nicht unabhängig betrieben werden.
Jedoch besteht bei dem in 1 gezeigten Kühlsystem der Nachteil, dass nicht das gleichzeitige Zuführen des Kühlmittels sowohl zu dem ersten als auch dem zweiten Verdampfer 104 und 106 zugelassen ist. Die Anforderung für ein gleichzeitiges Kühlen beider Gefrier- und Kühlfächer und demnach der für die gleichzeitige Zuführung des Kühlmittels ist oft für Anwendungen gefordert. Dies stellt eine Begrenzung für das Kompressorsystem dar.
Weiter ist in der US-A-5 394 131 eine bi-stabile magnetische Ansteuerung mit einem zusammengesetzten Beschlag mit einem hochgradigen plattenförmigen Permanentmagnet mit zwei geeignet geformten Polstücken beschrieben, von der Spule seitlich transversal zur Achse verschiebbar, innerhalb eines elektromagnetischen ringförmigen Polstücks zwischen zwei elektromagnetischen Stopp-Polstücken.
Zudem ist in DE 41 17 958 A1 ein Magnetventil beschrieben, mit einer Ventilkammer und einem Ventilkolben, der zwischen zwei Stoppelementen zum Öffnen und/oder Schließen zumindest einer Ventilöffnung beweglich ist.
Zudem ist in US-A-5 226 627 ein Magnetventil beschrieben, mit einer Ventilkammer mit zumindest einer Ventilöffnung, und einem Ventilelement ausgebildet zum Schließen und Freigeben der zumindest einen Öffnung in seiner Anlageposition. Das Magnetventil enthält ferner ein Betätigungselement, verstellbar zwischen zwei Endpositionen in der Ventilkammer und betätigend das Ventilelement, sowie einen Permanentmagnet in Zuordnung zu dem Betätigungselement und zum Halten des Betätigungselements in den Endpositionen.
In US-A-3 379 214 ist eine Ventilanordnung beschrieben, enthaltend einen Körper mit einem Einlass und einem Auslass, und eine Strömungspassage mit einer Ventilkammer hierzwischen. Es wird ein einzelner Elektromagnet an dem Körper gehalten, und ein Ventilelement der Ventilkammer ist zwischen einer ersten und einer zweiten Strömungssteuerposition zum Steuern der Fluidströmung beweglich.
In U5-A-4 577 832 ist ein Drehantriebsgerät mit einem röhrenartigen Gehäuse gezeigt, in dem ein Stator ein Paar von am Umfang beabstandeten Polabschnitten aufweist, und ein Rotor hat ein Paar radial beabstandetet Polabschnitte. Eine Einheit von dem Rotor und dem Stator ist aus einem Permanentmagneten ausgebildet. Das Gerät hat eine Spule zum Magnetisieren der anderen Einheit des Rotors und des Stators.
Zudem ist in der US-A-4 546 338 eine Drehantriebsvorrichtung beschrieben, geeignet zur Verwendung für ein Fluidsteuerventil mit einem Drehventil, das drehbar in einem Gehäuse angeordnet ist. Das Drehventil ist mit einem Permanentmagnetbauteil verbunden. Eine Stopp-Einrichtung ist bereitgestellt, um eine begrenzte Drehbewegung des Rotors zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position zu ermöglichen.
Weiter ist in der US-A-4,647,009 eine elektromagnetische Drehantriebsvorrichtung beschrieben, mit einem Rotor aus einem Permanentmagnet, der in einem Loch angeordnet ist, in einem aufgebohrten Statorkernblock eines Statorkerns gebildet, erstellt aus magnetischem Material.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In Hinblick auf das Obige besteht die Aufgabe der Erfindung in der Schaffung eines Solenoidventils, das das Speisen unterschiedlicher Verdampfer entweder individuell oder gleichzeitig zulässt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe mittels eines Drei-Zustands Solenoidventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Demnach ist gemäß der vorliegenden Erfindung ein Mehrfachzustand-Solenoidventil implementiert, unter Verwendung eines Kernelements mit einer Spule zum Magnetisieren des Kernelements. Ferner ist ein Element mit zumindest einem Permanentmagneten zum Definieren eines ersten und eines zweiten Magnetpolgebiets im Hinblick auf das Kernelement so ausgebildet, dass eine Relativbewegung zwischen einem Element mit dem Permanentmagnet und dem Kernelement möglich ist.
Zusätzlich enthält das Solenoidventil eine Stoppervorrichtung zum Begrenzen der Relativbewegung des Kernelements und des Elements mit dem zumindest einen Permanentmagneten zwischen einer ersten und einer zweiten Grenzstoppposition. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden unterschiedliche Arbeitspositionen in dem Solenoidventil stabil gehalten, ohne weitere Zufuhr an Energie zu der Spule in dem Kernelement, das, in anderen Worten, lediglich zum Bewegen des Elements mit dem zumindest einen Permanentmagneten erregt wird.
Es ist keine Energiezufuhr zum Beibehalten dieses Elements in einer der Vielzahl der Arbeitspositionen erforderlich. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dies dadurch gezielt, dass in jeder der unterschiedlichen Arbeitspositionen der magnetische Feldfluss des Permanentmagneten sich über das Kernelement schließt, das hierdurch in einem stabilen Zustand gehalten wird.
Ferner begrenzt die Stoppervorrichtung die Relativbewegung des Kernelements und des Elements zwischen einer ersten und einer zweiten Grenzstoppposition. In jeder Stoppposition wird das Element mit dem zumindest einen Permanentmagneten geringfügig aus einer entsprechenden Gleichgewichtsposition bewegt, wo sich sein Magnetfluss vollständig über das Kernelement schließt. Demnach gibt es eine Tendenz des Elements mit dem zumindest einen Permanentmagneten, sich in diese Gleichgewichtsposition zu bewegen. Jedoch wird bei Anlage des Elements mit dem zumindest einen Permanentmagneten an die Stoppvorrichtung eine Kraft oder ein Drehmoment bei entweder der ersten oder der zweiten Grenzstoppposition erzeugt.
Betriebsgemäß wird das Element des Permanentmagneten relativ zu dem Kernelement in die erste Grenzstoppposition durch Zufuhr eines Strompulses mit einer ersten geeigneten Polarität zu der Spule des Kernelements bewegt. Ferner wird das Element mit dem Permanentmagneten betriebsgemäß in die zweite Grenzstoppposition über die Zufuhr eines Stromimpulses mit einer Polarität entgegengesetzt zu der Polarität, zugewiesen zu der ersten Grenzstoppposition, bewegt. In dem Fall, in dem das Element mit dem Permanentmagneten in eine dritte Position zu bewegen ist, die zwischen der ersten und der zweiten Grenzstoppposition liegt, wird dies durch Zufuhr einer Folge von Impulsen mit abwechselnden Polaritäten zu der Spule erzielt.
Demnach werden, in anderen Worten ausgedrückt, die zahlreichen Arbeitspositionen allgemein durch Erregen der Spule mit kurzen positiven oder negativen Pulsen ausgewählt, erzeugt in einer Steuerschaltung, um das Ventilelement in die erste bis dritte Arbeitsposition zu bringen. Insbesondere wird die dritte Arbeitsposition durch Zufuhr einer kurzen Folge wechselnder Pulse mit kalibrierter Energie zu der Spule erhalten. Hier wird die Energiemenge zum Erzielen der dritten Arbeitsposition bestimmt als eine Funktion der Trägheit und der Eigenresonanz-Charakteristiken des Solenoidventils.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Element mit den Permanentmagnet versehen mit Polerstreckung in Kontakt zu den Polen des Permanentmagneten zum Erzielen einer optimierten Wechselwirkung zwischen dem Permanentmagneten und dem Kernelement.
Gemäß einer zusätzlichen, anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nützt das Solenoidventil einen Rotor als Element mit einem Permanentmagneten, und Kernelemente mit zwei getrennten Polstücken liegen einander gegenüber, zum Bilden eines Rotorrands für die Aufnahme des Rotors. Bevorzugt erstrecken sich die Polerstreckungen in Kontakt mit den Polen des Permanentmagneten über den Permanentmagneten entlang einer Radialrichtung des Rotors.
Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ermöglicht das Anwenden des Grundprinzips, wie es oben herausgestellt ist, auf eine Drehanordnung des Solenoidventils. Insbesondere ist die Geometrie der Polstücke und der Polerstreckungen wichtig, um die Richtung und den Umfang eines Drehmoments zu bestimmen, das an dem Rotor durch die Polstücke erzeugt wird, unter stationären Bedingungen und im Fall der Erregung der Spule.
Ferner ist typischerweise in einer zu dem zylindrischen Rotor eine stabförmige Welle vorgesehen, für eine Drehung mit dem Rotor derart, dass sich die Welle in die Ventilkammer erstreckt, und ein Abdichtelement zum Schließen zumindest eines der Auslässe in der Ventilkammer in Übereinstimmung mit der Position des Rotors aufweist.
Eine Charakteristik dieser bevorzugten Ausführungsform zum Implementieren eines Solenoidventils vom Drehtyp ist die geringe Reibung während der Bewegung und demnach die Reduktion der Möglichkeit eines "Anhaftens" oder, in anderen Worten ausgedrückt, der Möglichkeit, dass nicht eine Bewegung zu der gewünschten Arbeitsposition aufgrund einer übermäßigen Reibung erzielt wird.
Gemäß einer zusätzlichen, anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Element als Gleitelement implementiert, ausgebildet zum Ausführen einer linearen Hin- und Herbewegung relativ zu dem Kernelement. Hier enthalten die Polerstreckungen des Gleitelements beispielsweise einen ersten U-förmigen Teil und einen zweiten U-förmigen Teil enthalten in dem ersten U-förmigen Teil, die U-förmigen Teile sind ausgebildet in Kontakt zu entsprechenden Polflächen des Permanentmagneten.
Ferner erlaubt diese weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung eine lineare anstelle einer Drehbewegung in dem Solenoidventil.
Gemäß einer zusätzlichen, anderen bevorzugten Ausführungsform ist, unabhängig von der Dreh- oder Linearbewegung des Elements mit dem Permanentmagneten, dieses Permanentmagnetelement ein gesintertes Teil, hergestellt aus Ne-Fe-B (Neodym-Eisen-Bor). Bevorzugt könnte man in ein einziges Teil die Funktion des Permanentmagneten, der Polerstreckung, des Rotors und der Welle, angebracht an dem Rotor, kombinieren, unter Ermöglichung einer Reduktion der Zahl der Teile von beispielsweise vier zu eins. Dies kann unter Verwendung von Plastikmaterial belegt mit Ferrit erzielt werden, das im wesentlichen magnetisiert ist. Bei diesem Typ einer kombinierten Funktionalität ist zu achten auf die chemische Kompatibilität der Speisung, beispielsweise der in dem System verwendeten Kühl- und/oder Schmierfluide, zum Vermeiden von deren Verunreinigung und/oder der Verschlechterung des Ventilplastikmaterials.
Gemäß einer zusätzlichen, anderen bevorzugten Ausführungsform sind geeignete Materialien für das einzige Teil mit einer Vielzahl von Funktionen Plastikmaterialien der Poly-Oxy-Methylen (POM) oder der Poly-Aryl-Etherketonmaterial-Familien.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen, die nicht als den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung eingrenzend zu interpretieren sind, unter Bezug auf die beiliegende Zeichnung beschrieben; es zeigen:
1 ein schematisches Diagramm eines Kühlsystems mit einem Kompressor mit zwei Verdampfern, die unabhängig voneinander versorgt werden;
2 das Grundprinzip der unterschiedlichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
3 eine Grundkonstruktion für ein Solenoidventil vom Drehtyp gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 eine erste stabile Arbeitsposition in dem Solenoidventil vom Drehtyp, gezeigt in 3;
5 eine zweite stabile Arbeitsposition in dem Solenoidventil von dem Drehtyp, gezeigt in 3;
6 eine dritte stabile Arbeitsposition in dem Solenoidventil von dem Drehtyp, gezeigt in 3;
7 eine Grundstruktur eines Solenoidventils des Linearbewegungstyps gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform und ferner eine erste stabile Arbeitsposition dieses Solenoidventils des Linearbewegungstyps;
8 eine zweite stabile Arbeitsposition des Solenoidventils des Linearbewegungstyps, gezeigt in 7;
9 eine dritte stabile Arbeitsposition des Solenoidventils des Linearbewegungstyps, gezeigt in 7;
10 eine erste Schaltung zum Bereitstellen des abwechselnden Pulses kalibrierter Energie für die Aktivierung des Solenoidventile gemäß der vorliegenden Erfindung;
11 eine zweite Steuerschaltung für das Zuführen von Wechselströmen für das Aktivieren des Solenoidventile gemäß der vorliegenden Erfindung; und
12 eine dritte Steuerschaltung für das Zuführen wechselnder Pulse für das Aktivieren der Solenoidventile gemäß der vorliegenden Erfindung.
GRUNDLEGENDES PRINZIP DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
Die 2 zeigt das Grundprinzip der Solenoidventile gemäß der unterschiedlichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung; es ist zu erwähnen, dass obgleich 2 einen Drehtyp eines Solenoidventils betrifft, das im Hinblick hierauf beschriebene Grundprinzip ebenso leicht auf ein Solenoidventil des Linearbewegungstyps angewandt werden kann, wie hier nachfolgend weiter herausgestellt wird.
Wie in 2 gezeigt, betrifft die Vorgehensweise der vorliegenden Erfindung drei stabile Positionen oder Gleichgewichtszustände einer Anordnung, enthaltend zumindest ein Kernelement 10 mit einer Spule 12 und ein Element 14 mit einem Permanentmagneten 16. Der Permanentmagnet definiert jeweils ein erstes und zweites Magnetpolgebiet N und S des Elements 14. Zusätzlich sind das Element 14 und der Kernelement 10 so ausgebildet, dass eine Relativbewegung zwischen dem Element 14 und dem Kernelement 10 möglich ist.
Wie in 2 gezeigt, ermöglicht diese Anordnung drei stabile Arbeitspositionen. In der in der linken Seite gezeigten ersten Position ist der Magnetfeldfluss des Permanentmagneten 16 über den unteren Teil des Kernelements 10 geschlossen, während die Polgebiete N und S des Permanentmagneten symmetrisch im Hinblick auf die Mittenachse des Kernelements angeordnet sind.
Ferner ist in der in dem Mittelteil von 2 gezeigten zweiten Arbeitsposition der Magnetfeldfluss des Permanentmagneten 16 so geschlossen, dass er erneut über das Kernelement geschlossen ist, wobei jedoch beispielsweise ein erstes Polgebiet, z.B. der N-Pol, die Tendenz für eine Ausrichtung mit der Mittenachse des Kernelements 10 hat.
Weiterhin ist in der in dem rechten Teil der 2 gezeigten dritten stabilen Arbeitsposition der Magnetfeldfluss wiederum über das Kernelement 10 geschlossen, jedoch dieses Mal mit dem anderen Magnetpolstück, z.B. dem S-Pol, der eine Tendenz für eine Ausrichtung mit der Mittenachse des Kernelements hat.
Es ist wichtig zu erwähnen, dass alle diese drei Arbeitspositionen ohne fortlaufende Zufuhr von Energie zur Spule 12 gehalten werden. Der Grund für die Spule 12 besteht zum Erzielen eines Übergangs zwischen unterschiedlichen Arbeitspositionen. Jedoch ist es erforderlich, zeitweise die Spule so zu erregen, dass eine Magnetisierung des Kernelements 10 erreicht wird, die nicht permanent gehalten wird.
Eine Option bestünde beispielsweise für einen Übergang für die am weitesten links liegenden Arbeitsposition zu der mittleren Arbeitsposition darin, dass das Polstück des Kernelements 10 zeitweise zu dem S-Pol so geändert wird, dass das N-Magnetpolgebiet des Permanentmagneten 16 angezogen wird.
In äquivalenter Weise würde zum Erzielen eines Übergangs für die am weitesten links zu der am weitesten rechts liegenden Arbeitsposition, gezeigt in 2, der untere Teil des Kernelements 10 zeitweise in einen magnetischen N-Pol magnetisiert, zum Anziehen des Magnetpolgebiets S des Permanentmagneten 16.
Weiterhin ist zu erwähnen, dass die drei in 2 gezeigten unterschiedlichen Arbeitspositionen eine natürliche Tendenz zum Erzielen einer stabilen Position haben, in der keine weitere Kräfte oder Drehmomente auf das Element mit dem Permanentmagneten ausgeübt werden.
Dennoch könnte es für Anwendungen, die oben im Zusammenhang mit dem technischen Hintergrund der vorliegenden Erfindung herausgestellt sind, erforderlich sein, dass insbesondere bei der mittleren und der am weitesten rechts liegenden Arbeitsposition das Element mit dem Permanentmagneten nicht nur in einem stabilen Zustand gehalten wird, sondern dass ebenso eine bestimmte Kraft und ein bestimmtes Drehmoment auf andere Konstruktionselemente des Solenoidventils ausgeübt werden.
Aus diesem Grund kann ein linker oder erster Stopper 18 und ein rechter oder zweiter Stopper 20 vorgesehen sein. Diese Stopper 18, 20 ermöglichen das Einschränken der Bewegung des Elements 14 mit dem Permanentmagneten, so dass in der Mitten- und am weitesten rechts liegenden Arbeitsposition das Element 14 nicht in den tatsächlichen Gleichgewichtszustand bewegt wird, sondern kurz vor Erreichen dieses Zustands gestoppt wird.
Weiterhin gibt es eine Tendenz des Elements 14, sich weiter in den Gleichgewichtszustand zu bewegen, der in 2 in der Mitte und an der am weitesten rechts liegenden Position gezeigt ist. Diese Tendenz für eine weitergehende Bewegung führt im Ergebnis zu einem Drehmoment, das über das Element 14 auf diese Konstruktionselemente ausgeübt wird, die hiermit verbunden sind.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im folgenden wird das Grundprinzip, das mit Bezug auf die 2 herausgestellt ist, detaillierter für ein Solenoidventil des Rotortyps und des Linearbewegungstyps beschrieben. Über die folgende Beschreibung werden diejenigen Elemente, die mit den im Zusammenhang mit der 2 beschriebenen im Zusammenhang stehen, unter Verwendung derselben Bezugszeichen für eine einfache Beschreibung bezeichnet.
Wie in 3 weiter gezeigt, enthält das Solenoidventil des Rotortyps ein Kernelement 10 und die Spule 12 zum Erregen des Kernelements 10. Ferner ist eine Ventilkammer 22 vorgesehen, in die Fluid über einen Einlass 24 zugeführt wird. Das Fluid kann dann die Ventilkammer 22 über einen ersten Auslass 26 und einen zweiten Ventilauslass (in 3 nicht explizit gezeigt) verlassen.
Wie in 3 ebenso gezeigt, ist das Element 14 mit dem Permanentmagneten 16 (sichtbar in 4) über eine Welle 28 mit einem Abdichtelement 30 verbunden, das hieran zum Schließen der Auslässe der Ventilkammer angebracht ist, in Übereinstimmung mit der Arbeitsposition des Rotors 14.
Schließlich wird zum Ändern der unterschiedlichen Arbeitspositionen das Kernelement über die Spule 12 jeweils über die Zufuhr eines Stroms über die Anschlüsse 32, 33 erregt.
Die 4 bis 5 zeigt weitere Details des Solenoidventils des Rotortyps mit einer Querschnittsansicht durch das Solenoidventil. Ferner betreffen die 4 bis 6 die unterschiedlichen Arbeitspositionen des Elements 14 mit dem Permanentmagneten 16.
Wie in den 4 bis 6 für das Solenoidventil vom Rotortyp gezeigt, hat das Kernelement 10 eine spezifische Struktur mit zwei getrennten Polstücken, die einander gegenüberliegen, zum Bilden eines Rotorraums hierzwischen, zum Aufnehmen des Elements 14 mit dem Permanentmagneten.
Hier ist das Element 14 ein Rotor mit dem Permanentmagneten 16. Ferner enthält der Rotor 14 Polerstreckungen 34, 36 in Kontakt mit den Polen des Permanentmagneten 16 zum Erzielen einer optimierten Wechselwirkung zwischen dem Permanentmagneten 16 und dem Kernelement 10.
Das Kernelement 10 hat zwei getrennte Polstücke 10-1, 10-2, die einander gegenüberliegen, zum Bilden eines Rotorraums hierzwischen, zum Aufnehmen des Rotors. Weiterhin erstrecken sich die Polerstreckungen 34, 36 hinter den Permanentmagneten, und sie weisen zwei konkave Vertiefungen auf, die einander diametral gegenüberliegen. Die Form der Vertiefungen und der Polerstreckungen ist so gewählt, dass das Solenoidventil im Hinblick auf bestimmte Betriebsbedingungen optimiert ist, beispielsweise das Drehmoment, das auf das Abdichtelement zum Fließen irgendeiner der Kammerauslässe auszuüben ist.
Betriebsgemäß hat das Solenoidventil des Rotortyps mit der in 3 gezeigten Struktur drei stabile Arbeitspositionen, die in den 4 bis 6 gezeigt sind. Insbesondere entspricht jede der in den 4 bis 6 gezeigten Arbeitspositionen der am weitesten links vorliegenden, der mittleren, und der am weitesten rechts vorliegenden Arbeitsposition, wie in 2 gezeigt.
Während jedoch in 2 das Grundprinzip der vorliegenden Erfindung erläutert wurde, wobei das Kernelement lediglich einen Pol gemäß dem Solenoidventil vom Rotortyp aufwies, sind zwei Polstücke vorgesehen, zum Erhöhen des Umfangs an Drehmoment, das über das Element mit dem Permanentmagneten ausgeübt werden kann.
Wie bereits oben im Hinblick auf die 2 herausgestellt, unterscheiden sich die unterschiedlichen Arbeitspositionen, gezeigt in den 4 bis 6, in der Weise, wie der magnetische Feldfluss in dem magnetischen Kreis concateniert bzw. zusammengefügt ist. Zum besseren Identifizieren der zahlreichen Arbeitspositionen ist ein schwarzer Punkt an einem Ende des Permanentmagneten 16 ergänzt.
Die erste Arbeitsposition betrifft die in 2 gezeigte am weitesten links liegende Arbeitsposition, wo sich der magnetische Fluss des Permanentmagneten 16 über die einzelnen Pole des Kernelements schließt, d.h. über 10-1 und 10-2.
Ferner ist gemäß der in 5 gezeigten Arbeitsposition die Drehung im Uhrzeigersinn des Elements begrenzt durch das Abdichtelement 30, das gegen einen der Ventilkammerauslässe anliegt, der in 3 gezeigt ist. Wenn die Spule nicht erregt ist, fließt der Fluss des Permanentmagneten 16 von der unteren zu der oberen Seite, wie anhand der Pfeile in 5 gezeigt, d.h. in der Richtung Süd/Nord.
Da der Rotor durch das Dichtelement 30 zum Stoppen bei einem Winkel α1 im Hinblick auf die Vertikalachse gezwungen wird, ist der Magnetfluss geringfügig gegenüber dem Gleichgewichtspunkt verzerrt, was Magnetflusslinien entspricht, die entlang einer geraden Linie von Norden nach Süden verlaufen.
Dies ist ein absichtliches Mittel zum Erzeugen eines Drehmoments im Uhrzeigersinn zum Gewährleisten, dass das Dichtelement 30 den entsprechenden Auslass mit einem vorgegebenen Kraftumfang geschlossen hält. Ferner kann in dem Fall der Erregung der Spule, z.B. durch einen Strom zum Erzeugen eines oberen Polstücks mit Südpolarität und eines unteren Polstücks mit Nordpolarität, ein noch stärkeres Drehmoment im Uhrzeigersinn erzeugt werden, unter Haltung des Elements 14 in der in 5 gezeigten Position.
Die 6 zeigt die Situation entsprechend der in 2 gezeigten mittleren Arbeitsposition, wobei hier die einzige Differenz darin besteht, dass das Drehmoment in einer Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn erzeugt wird, zum Schließen des anderen den Auslässe der in 3 gezeigten Ventilkammer.
Durch Invertieren der Strompolarität in der Spule 12 invertieren auch die oberen und unteren Polstücke des Kernelements 12 ihre Magnetpolarität, wodurch das Element mit dem Permanentmagneten einer Drehung im oder entgegen dem Uhrzeigersinn unterzogen wird, aufgrund der anziehenden/abstoßenden Wirkung, die die Polstücke 10-1, 10-2 auf die Polerstreckungen 34, 36 ausüben.
Im Ergebnis nimmt der Rotor 14 die entweder in der 5 oder 6 dargestellte Position ein, und zu diesem Punkt kann die Spulenerregung beendet werden. In beiden Positionen ruht das Dichtelement 30 gegen die Ventilauslässe zum Stoppen bei einem Winkel von entweder α1 oder α2 relativ zu der Vertikalachse. In beiden Positionen wird eine Kraft des Dichtelements 30 gegen jeden Auslass der Ventilkammer erzielt durch absichtliches Halten des Flusses der Magnetflusslinien in verzerrter Weise zum Erzeugen eines Drehmoments im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn auf das Abdichtelement.
Wie in 4 gezeigt und bereits oben herausgestellt, kann er Rotor 14 auch eine dritte Arbeitsposition einnehmen, entsprechend der in 2 gezeigten am weitesten links liegenden Position, und diese liegt zwischen denjenigen, die in der 4 und 6 gezeigt sind. In dieser mittleren Arbeitsposition ist der Permanentmagnet 16 im wesentlichen vertikal orientiert, und die Magnetflusslinien schließen sich um angrenzende Polstücke 10-1, 10-2. In dieser Arbeitsposition sind beide Ventilauslässe geöffnet, wodurch das Fluid in die Ventilkammer zugeführt werden kann und dann über beide Ventilauslässe zu derselben Zeit ausströmen kann.
Nachfolgend wird ein Solenoidventil gemäß dem Linearbewegungstyp und der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Hinblick auf die 7 bis 9 beschrieben. In diesen 7 bis 9 sind Funktionseinheiten mit derselben Funktion, wie oben herausgestellt, unter Verwendung derselben Bezugszeichen bezeichnet.
Wie in 7 gezeigt, ist das Ventilelement 14 ein Gleitelement ausgebildet zum Ausführen einer linearen Hin- und Herbewegung relativ zu dem Kernelement 10 in der Ventilkammer 22. Für das Solenoidventil des Linearbewegungstyps enthält die Polerstreckung des Gleitelements einen ersten U-förmigen Teil 38 und einen zweiten U-förmigen Teil 40, vorstehend zur Außenseite des ersten U-förmigen Teils 38. Die U-förmigen Teile 38, 40 sind in Kontakt mit den Polflächen des Permanentmagneten 16. Das Kernelement 10 enthält ein U-förmiges Joch 10 zum Führen der Spule 12, und das Ende des U-förmigen Jochs liegt dem Ende der U-förmigen Teile 38, 40 des Elements mit dem Permanentmagneten gegenüber.
Wie in 7 gezeigt, wird in der Mittenposition des Solenoidventils der durch den Permanentmagneten erzeugte Magnetfluss zu dem Polstück des Jochs 10 jeweils über die U-förmigen Teile 38, 40 geführt, und er schließt sich über die einzelnen Polstücke 10-1, 10-2 des Jochs ohne Zuführen von Energie zu der Spule 12.
Wie in 8 gezeigt, wird, um das Solenoidventil und das hierin enthaltende Ventilelement in die Position zu bringen, in der der linke Auslass der Ventilkammer 22 geschlossen ist, das Joch so magnetisiert, dass das Polstück 10-1 beispielsweise S-Polarität hat und das Polstück 10-2 N-Polarität hat. Demnach wird bei der linken Seite eine Anziehungskraft auf den oberen U-förmigen Teil 38 und eine abstoßende Kraft auf den unteren U-förmigen Teil 40 ausgeübt. Demnach wird bei der rechten Seite eine abstoßende Kraft zwischen dem Polstück 10-1 und dem Joch 10 und dem entsprechenden oberen U-förmigen Teil 38 ausgeübt, und ferner eine anziehende Kraft auf den unteren U-förmigen Teil 40. Sobald das Ventilelement in eine Position bewegt ist, wo der linke Auslass geschlossen ist, wird keine weitere Energie der Spule 12 zugeführt, und der Magnetfluss schließt sich entlang der in 8 gezeigten strichlierten Linie zum Halten dieser Position als stabiler Arbeitsposition.
Dieselben Prinzipien, wie sie oben im Hinblick auf die 8 herausgestellt sind, gelten für die 9 im Zusammenhang mit dem geschlossenen rechten Auslassventil 22. Die einzige Differenz besteht darin, dass hier Polstücke 10-1 und 10-2 umgekehrte magnetische Polaritäten haben, für eine Bewegung des Elements 14 zu der rechthändigen Seite.
Wiederum schließt, sobald der rechte Ventilauslass Geschwindigkeit ist, der durch den Permanentmagneten 16 erzeugte Magnetfeldfluss sich entlang der in 9 gezeigten strichlierten Linie zum Halten der Arbeitsposition ohne weiterer Zufuhr der Energie zu der Spule 12.
Nachfolgend werden unterschiedliche Vorgehensweisen zum Steuern der Zufuhr von Pulsen zu der Spule 12 erläutert, für einen Übergang des Elements 14 zwischen den unterschiedlichen Arbeitspositionen, sowohl für das Solenoidventil des Rotortyps als auch des Linearbewegungstyps.
Es wird ein Wechselstrompuls zu der Spule 12 gesendet, um das Element 14 mit dem Permanentmagneten 16 in die mittlere Arbeitsposition gemäß der linken Seite der 2 zu bringen, Starten von einer dieser stabilen Positionen, die in dem mittleren Teil und dem rechten Teil der 2 gezeigt sind. Die Energie des Wechselpulses ist so kalibriert, dass er stark genug ist, um das Element 14 weg von einer seiner stabilen Positionen zu bewegen, gezeigt in der Mitte und der rechten Seite der 2 (oder äquivalent jeweils in 5, 6 und 8, 9), jedoch schwach genug, um ein vollständiges Übergehen von einer der linken oder rechten Arbeitspositionen und umgekehrt auszuschließen. Dies bedeutet, dass die Energie schwach genug ist, dass ein Oszillieren um die Mittelposition zugelassen ist, und bei diesem Punkt wird die Zufuhr der abwechselnden Pulse terminiert, wobei sich das Element 14 in der in den 4 und 7 gezeigten Mittelposition stabilisiert.
Ferner ist eine Dauer der Leistung und Energie der Wechselpulse eine Funktion der Trägheit des Elements 14, d.h. des Rotors oder des Gleitelements, und ebenso der Eigenresonanz des Solenoidventils. Da der Rotor und das Gleitelement die Tendenz haben, sich bei der mittleren Arbeitsposition zu stabilisieren, können die Parameter der Wechselpulse relativ große Toleranzen aufweisen. Ein zusätzlicher Positionsstabilisierungsfaktor ist die dynamische Wirkung des Fluids, das in der Mittelposition gleichzeitig über beide Auslässe fließt, mit der Wirkung als Dämpfer zum Abdämpfen von Restschwingungen, wenn sie immer noch vorliegen.
Beispiele von Wechselpulsen mit kalibrierter Energie und einer entsprechenden Steuerschaltung für deren Erzeugung werden unter Bezug auf die 10 bis 12 erläutert.
Die 10 zeigt eine Steuerschaltung, ausgebildet für das Bereistellen einer üblichen Auswahlvorrichtung, die das Erzielen von fortlaufend abnehmenden Spannungs- oder Strompulsen in einer Vollwelle zulässt. Bei einer Position A wird ein einzelner positiver Puls über die Diode D1 geführt, und er geht über den Kondensator C1 und ferner werden weitere Strompulse verhindert, während der Kondensator C1 geladen ist. Ferner kann in einer Position B ein einziger negativer Puls über die Diode D2 gehen und dann über den Kondensator C2. wiederum werden weitere Strompulse bei Laden des Kondensators C2 verhindert. Schließlich werden in der Position C Wechselstrompulse zum Erregen der Spule gesendet. Die Dämpfung der Amplituden der Wechselstrompulse wird durch einen PTC-Thermistor erzielt, der sich aufwärmt und den Strom zu einem vernachlässigten Wert nach einer kurzen Zeit reduziert. Dies führt im Ergebnis zu einer sich fortschreitend reduzierenden Tendenz für eine Schwingung um die Mittenposition.
Eine andere Option, die in 11 gezeigt ist, betrifft einen elektronischen Controller, wo eine Spule L mit einem Wechselstrom über Thyristoren T1 und T2 getrieben ist. Gemäß der Position A wird eine einzige positive Halbwelle durch die Steuereinheit getriggert. In der Position B wird eine einzige negative Halbwelle durch eine Steuereinheit getriggert. In einer Position C werden abwechselnde aufgeteilte Halbwellen durch Triggern der Thyristoren T1, T2 in Folge so gesendet, dass die Energie kalibriert ist, durch die Auswahl der zeitlichen Einteilung, mit der die Thyristoren T1, T2 getriggert sind.
Eine andere Option für die elektronische Steuerung ist in 12 gezeigt, und sie betrifft eine Spule L, getrieben mit Gleichstrom über eine Feldeffekttransistor-FET-Brücke. In einer Position A wird ein positiver Puls erzeugt, durch Triggern der Feldeffekttransistoren A und D. Hier wird die Pulslänge selektiv über die Logik bestimmt. Weiterhin wird in einer Position B ein negativer Puls erzeugt, durch Triggern der Feldeffekttransistoren B und C. Wiederum wird die Pulslänge selektiv über die Logik bestimmt. Schließlich werden in einer Position C abwechselnde positive/negative Pulse in Folge getriggert. Wiederum wird die Pulslänge, die Frequenz und die Dauer durch die Logik so bestimmt, dass eine kalibrierte Menge an Energie gesendet wird.
Unabhängig von den zahlreichen, oben herausgestellten Ausführungsformen, kann er Permanentmagnet ein gesintertes Teil sein, beispielsweise hergestellt aus Ne-Fe-B (Neodym-Eisen-Bor) oder einem einzigen Plastikteil belegt mit Ferrit zum Kombinieren der Funktionen des Permanentmagneten und zugewiesener Magentpolerweiterungen. Ferrit-beschlagene Materialien, die für ihre chemische Stabilität bekannt sind, sind beispielsweise Plastikmaterialien der Poly-Oxy-Methylen (POM) oder Poly-Aryl-Etherketon-Familien.
Weiterhin wird, unabhängig von den oben herausgestellten zahlreichen Ausführungsformen, der Betrieb des Solenoidventils durch Erregen der Spule mit kurzen Strompulsen bewirkt, deren positive, negative und abwechselnde Natur die Position des Ventilelements definiert, sobald die Spule entregt ist.

Claims

Solenoidventil, enthaltend: ein Kernelement (10) mit einer Spule (2) zum Magnetisieren des Kernelements (10); und ein Element (14) mit zumindest einem Permanentmagneten (16) zum Definieren eines ersten und eines zweiten Magnetpolgebiets des Elements (14); wobei das Element (14) und das Kernelement (10) so ausgebildet sind, dass eine Relativbewegung zwischen dem Element (14) und dem Kernelement (10) möglich ist; eine Stoppervorrichtung (18, 20) zum Begrenzen der Relativbewegung des Kernelements (10) und des Elements zwischen einer ersten und einer zweiten Grenzstopp-Position; wobei die Stoppervorrichtung (18, 20) so ausgebildet ist, dass – in der ersten Grenzstoppposition (L) ein Polgebiet des Kernelements (10) in dem ersten Magnetpolgebiet des Elements angeordnet ist und zu der Stoppervorrichtung (18) zum Bilden der ersten Grenzstoppposition durch die Magnetisierung des Permanentmagneten (16) gedrängt ist, und – in der zweiten Grenzstoppposition (R) das Polgebiet des Kernelements (10) in dem zweiten Magnetpolgebiet des Elements (14) angeordnet ist und zu der Stoppervorrichtung (20) zum Bilden der zweiten Stoppposition durch die Magnetisierung des Permanentmagneten (16) gedrängt ist; – eine Ventilkammer (22), versehen mit einem Einlass (24) und einer Vielzahl von Auslässen (26); und – einem Ventilelement (28, 30), beweglich angeordnet in der Ventilkammer (22), zum selektiven Koppeln des Einlasses (24) mit zumindest einem der Auslässe (26); und – eine Vorrichtung (28), vorgesehen zum Betätigen des Ventilelements (28, 30) mittels der Relativbewegung des Kernelements (10) und dem Element (14); dadurch gekennzeichnet, dass das Solenoidventil ein Solenoidventil mit drei Zuständen ist, das Kernelement (10) und das Element (14) so ausgebildet sind, dass eine dritte Stoppposition (M) des Kernelements (10) und des Elements (14) existiert, und in dieser Position – das Polgebiet des Kernelements (10) partiell in dem ersten Magnetpolgebiet des Elements (14) und partiell in dem zweiten Magnetpolgebiet des Elements (14) so angeordnet ist, dass die dritte Relativposition dadurch stabilisiert ist, dass der Magnetfluss des Permanentmagneten (16) über das Kernelement geschlossen ist.
Dreifachzustand-Solenoidventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (14) ferner vorgesehen ist mit einer Polerweiterung (34, 36) in Kontakt zu den Polen des Permanentmagneten (16) zum Erzielen einer optimierten Wechselwirkung zwischen dem Permanentmagneten (16) und dem Kernelement (10).
Dreifachzustand-Solenoidventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (14) ein Rotor ist.
Dreifachzustand-Solenoidventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kernelement (10) zwei getrennte Polstücke (10-1, 10-2) einander gegenüberliegend aufweist, zum Bilden eines Rotorraums hierzwischen für die Aufnahme des Rotors.
Dreifachzustand-Solenoidventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Polerweiterungen (34, 36) in Kontakt zu den Polen des Permanentmagneten (14) sich über den Permanentmagneten (16) entlang einer Radialrichtung des Rotors erstrecken.
Dreifachzustand-Solenoidventil nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement eine Welle (28) angebracht an dem Rotor (14) für eine Drehung mit dem Rotor enthält, dass die Welle sich in die Ventilkammer (22) erstreckt und dass es ein Abdichtelement (30) zum Schließen zumindest eines der Auslässe der Ventilkammer (22) in Übereinstimmung mit der Position des Rotors aufweist.
Dreifachzustand-Solenoidventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Abdichtelement (30) und die Ventilkammer (22) so ausgebildet sind, dass die Bewegung des Rotors begrenzt ist zwischen der ersten und der zweiten Grenzstoppposition mittels dem Dichtelement (30), angrenzend an jeweilige Auslässe (26) der Ventilkammer (22, wodurch die Auslässe (26) somit die Stoppervorrichtung (18, 20) bilden.
Dreifachzustand-Solenoidventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (14) ein Gleitelement ist, angepasst zum Ausführen einer Hin- und Her-Linearbewegung relativ zu dem Kernelement (10).
Dreifachzustand-Solenoidventil nach Anspruch 8, abhängig von Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Polerweiterungen des Gleitelements (14) einen ersten U-förmigen Teil (38) und einen zweiten U-förmigen Teil (40) aufgenommen in dem ersten U-förmigen Teil aufweisen, und dass die U-förmigen Teile in Kontakt zu jeweiligen Polflächen des Permanentmagneten (16) ausgebildet sind.
Dreifachzustand-Solenoidventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kernelement (10) ein U-förmiges Joch enthält, das die Spule (12) trägt, wobei die Enden des U-förmigen Jochs in Enden der U-förmigen Polerweiterung des Elements gegenüberliegen.
Dreifachzustand-Solenoidventil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (16) aus Metallkeramikferrit gebildet ist.
Dreifachzustand-Solenoidventil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (16) aus Poly-Oxy-Methilen (POM) gebildet ist.
Dreifachzustand-Solenoidventil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (16) aus Poly-Aryletherketon (PEKEKK) gebildet ist.
Verfahren zum Betreiben eines Dreifachzustand-Solenoidventils nach einem der vorangehenden Ansprüche, enthaltend die Schritte: (a) Bewegen des Elements (14) relativ zu dem Kernelement (10) in die erste Grenzstoppposition (L) durch Zuführen eines Strompulses mit einer ersten Polarität zu der Spule (12); (b) Bewegen des Elements (14) relativ zu dem Kernelement (10) in die zweite Grenzstoppposition (R) durch Zuführen eines Stromimpulses mit einer Polarität entgegengesetzt zu der ersten Polarität zu der Spule (12); und (c) Bewegen des Elements (14) relativ zu dem Kernelement (10) in die dritte Stoppposition zwischen der ersten und der zweiten Grenzstoppposition durch Zuführen einer Folge von Impulsen mit abwechselnder Polarität und einer kalibrierten Menge an Energie zu der Spule (12); (d) Entregen der Spule (12), sobald das Element (14) die erste Grenzstoppposition (L), die zweite Grenzstoppposition (R ) oder die dritte Stoppposition erreicht hat.
Verfahren zum Betreiben eines Dreifachzustand-Solenoidventils nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr einer Folge von Impulsen mit einer Polarität und kalibrierter Menge an Energie über einen PTC-Thermistor erzielt wird.