ES2229566T3 - Valvula de solenoide. - Google Patents
Valvula de solenoide.Info
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Abstract
Válvula de solenoide, que comprende: - un elemento de núcleo (10) que tiene una bobina (12) para magnetizar dicho elemento de núcleo (10); y un componente (14) que tiene, como mínimo, un imán permanente (16) para definir una primera y una segunda zonas de polo magnético de dicho componente (14); están dispuestos dicho componente (14) y dicho elemento de núcleo (10) de modo que resulta posible un desplazamiento relativo entre dicho componente (14) y dicho elemento de núcleo (10); medios de tope (18, 20) para limitar el desplazamiento relativo de dicho elemento de núcleo (10) y dicho componente, entre una primera y una segunda posiciones límites de tope; estando dispuestos dichos medios de tope (18, 20) de modo que - en dicha primera posición límite de tope (L) está localizada una zona de polo de dicho elemento de núcleo (10), en dicha primera zona de polo magnético de dicho componente y está empujado hacia dichos medios de tope (18) para proporcionar dicha primera posición límite de tope por la magnetización de dicho imán permanente (16), y - en dicha segunda posición límite de tope (R) está localizada dicha zona de polo de dicho elemento de núcleo (10) en dicha segunda zona de polo magnético de dicho componente (14) y está empujado hacia dichos medios de tope (20) para proporcionar dicha segunda posición de tope por la magnetización de dicho imán permanente (16); - una cámara de válvula (22) está provista de una entrada (24) y una serie de salidas (26); y - un elemento de válvula (28, 30) localizado en dicha cámara de válvula (22) es desplazable para acoplar selectivamente dicha entrada (24) con, como mínimo, una de dichas salidas (26); y - están provistos medios (28) para que accionen dicho elemento de válvula (28, 30) por medio de dicho desplazamiento relativo de dicho elemento de núcleo (10) y dicho componente.
Description
Válvula de solenoide.
La presente invención se refiere a una válvula de
solenoide para control, por ejemplo, del suministro de fluido
refrigerante en los refrigeradores de varios compartimientos que
tienen una nevera y un congelador, y utilizan únicamente un solo
compresor.
Los refrigeradores para aplicaciones domésticas o
comerciales están diseñados, habitualmente, para proporcionar en el
mismo aparato un compartimiento congelador y un compartimiento
refrigerador. Esto se consigue al emplear dos circuitos de
refrigeración independientes con dos compresores o un único circuito
de refrigeración con un compresor trabajando en conjunto con una
válvula de solenoide que tiene la función de desviar el refrigerante
al compartimiento que requiere enfriamiento. Para ahorrar espacio,
limitar el consumo de energía y disminuir el coste del aparato, la
solución de un único compresor con una válvula de desviación es la
solución preferente, aunque, como se explica más adelante, presenta
algunas limitaciones con respecto a un sistema con dos
compresores.
La figura 1 describe un sistema típico de
refrigeración que comprende un único compresor (100), un condensador
(102), un primer evaporador (104), colocado por ejemplo, en el
compartimiento congelador, y un segundo evaporador (106), colocado
por ejemplo, en el compartimiento refrigerador.
Como se muestra en la figura 1, una válvula de
solenoide (108) desvía el fluido refrigerante desde la salida del
condensador (102) al evaporador del congelador (104) o al evaporador
del refrigerador (106) a través de las restricciones capilares (110)
o (112), respectivamente. La válvula de solenoide (108) es accionada
a través de un elemento de accionamiento (114) tal como una bobina
magnética, y el suministro de corriente a la bobina se controla
mediante una unidad de control (116).
La primera posición de funcionamiento de la
válvula (108) es una primera posición de trabajo indicada en la
figura 1 mediante una línea continua (a), en la que la salida del
condensador (102) se conecta al primer evaporador (104). Otra línea
a trazos (b) en la figura 1 se refiere a una segunda posición de
trabajo en la que la salida del condensador (102) se conecta al
segundo evaporador (106).
La figura 1 representa una aplicación en la que
los dos evaporadores (104), (106) se alimentan independientemente
con refrigerante dependiendo de la posición de trabajo de la válvula
de solenoide.
Tal como se muestra en la figura 1, en la primera
posición de trabajo, el fluido refrigerante se expande en el primer
evaporador (104) a través de los conductos (110), (118), y regresa
al compresor (100) por las trayectorias (120), (122). En la segunda
posición de trabajo, el fluido se expande en el segundo evaporador
(106) a través de los conductos (112), (124) y regresa al compresor
por las trayectorias (126), (122).
Una aplicación alternativa no mostrada
explícitamente en la figura 1 es una en la que ambos evaporadores
(104) y (106) se alimentan con refrigerante en cascada en la primera
posición de trabajo. En este caso, puede que ambos evaporadores no
puedan ser operados independientemente.
Sin embargo, el sistema de refrigeración mostrado
en la figura 1 presenta la desventaja de no permitir el suministro
simultáneo de refrigerante a ambos, al primero y al segundo
evaporadores (104) y (106). Se requiere a menudo en las aplicaciones
la necesidad de enfriamiento simultáneo de los compartimientos del
congelador y del refrigerador, y por ello, el suministro simultáneo
de refrigerante. Esto representa una limitación del sistema
compresor.
Además, en el documento
US-A-5.394.131, se describe un
accionamiento magnético biestable con una armadura montada,
consistente en un imán permanente de grado elevado en forma de disco
con dos piezas de polo conformadas adecuadamente y desplazables
lateralmente fuera de la bobina, transversalmente a su eje interior,
una pieza de polo anular electromagnética entre dos piezas de polo
de tope electromagnético.
Además, en el documento DE 41 17 958 A1, se
describe una válvula magnética que tiene una cámara de válvula y un
pistón de válvula, que son desplazables entre dos elementos de tope
para abrir y/o cerrar, como mínimo, una abertura de válvula.
Además, en el documento
US-A-5.226.627, se describe una
válvula magnética que tiene una cámara de válvula, como mínimo, con
una abertura de válvula, un componente de válvula adaptado para
cerrar y liberar, como mínimo, la abertura en su posición de
contacto. La válvula magnética comprende además un elemento de
actuación desplazable entre dos posiciones extremas en la cámara de
válvula y actuando el componente de válvula también como un imán
permanente asociado con el elemento de actuación y sosteniendo el
elemento de actuación en las posiciones extremas.
Además, en el documento
US-A-3.379.214, se describe un
conjunto de válvula, que incluye un cuerpo que tiene una entrada y
una salida y un paso de flujo, incluyendo una cámara de válvula
entre ellos. En el cuerpo está soportado un único electroimán, y el
elemento de válvula de la cámara de válvula es desplazable entre una
primera y una segunda posiciones de control de flujo para controlar
el flujo del fluido.
Además, en el documento
US-A-4.577.832, se describe un
aparato de accionamiento giratorio que presenta una camisa tubular
en la cual un estator tiene un par de piezas de polo separadas
circunferencialmente y un rotor que tiene un par de piezas de polo
separadas radialmente. El rotor o el estator se fabrican en forma de
imán permanente. El aparato presenta una bobina para magnetizar el
otro de dichos rotor y estator.
Además, en el documento
US-A-4.546.338, se describe un
aparato de accionamiento giratorio adecuado para utilizar en una
válvula de control de flujo dotada de una válvula de rotor,
giratoria, montada en un alojamiento. La válvula de rotor está
conectada a un componente de imán permanente. Están previstos medios
de tope para permitir un movimiento giratorio limitado del rotor
entre una primera posición y una segunda posición.
Además, en el documento
US-A-4.647.009, se describe un
dispositivo de accionamiento giratorio electromagnético que incluye
un rotor de imán permanente dispuesto en un orificio formado en un
bloque de núcleo de estator taladrado, hecho de material
magnético.
Visto lo anterior, el objetivo de la invención es
proporcionar una válvula de solenoide que permita alimentar
diferentes evaporadores, o individualmente, o simultáneamente.
Según la presente invención, este objetivo se
consigue a través de una válvula de solenoide de tres estados que
tiene las características de la
\hbox{reivindicación
1.}
Por consiguiente, según la presente invención, se
implementa una válvula de solenoide de tres estados utilizando un
elemento de núcleo que tiene una bobina para magnetizar dicho
elemento de núcleo. Además, un componente con un imán permanente,
como mínimo, que define una primera y una segunda zonas de polo
magnético está dispuesto con respecto al elemento de núcleo de modo
que es posible un movimiento relativo entre el componente con el
imán permanente y el elemento de núcleo.
Además, la válvula de solenoide comprende medios
de tope para limitar el movimiento relativo del elemento de núcleo y
el componente con un imán permanente, como mínimo, entre una primera
y una segunda posiciones límites de tope. Según la presente
invención, se mantienen estables diferentes posiciones de trabajo en
la válvula de solenoide sin otro suministro de energía a la bobina
en el elemento de núcleo que, en otras palabras, recibe tensión
solamente para desplazar el elemento con el imán o imanes
permanentes.
No es necesario ningún suministro de energía para
mantener este componente en una de las varias posiciones de trabajo.
Según la presente invención, esto se consigue porque en cada una de
las diferentes posiciones de trabajo, el flujo del campo magnético
del imán permanente se cierra por el elemento de núcleo, que se
mantiene por consiguiente en un estado estable.
Además, los medios de tope limitan el movimiento
relativo del elemento de núcleo y el componente, entre unaprimera y
una segunda posiciones límites de tope. En cada posición de tope,
el componente que tiene un imán permanente, como mínimo, se
desplaza ligeramente fuera de la posición de equilibrio relativa en
que el flujo de su campo magnético se cierra completamente sobre el
elemento de núcleo. Por consiguiente, existe la tendencia del
componente que tiene el imán o imanes permanentes a desplazarse a
su posición de equilibrio. Sin embargo, como el componente con un
imán o imanes permanentes, hace contacto con los medios de tope,
hay generada una fuerza o par en cada una de las primera y segunda
posiciones límites de tope.
Funcionalmente, el componente con el imán
permanente se desplaza con relación al elemento de núcleo a la
primera posición límite de tope a través del suministro de un
impulso de corriente con una primera polaridad apropiada a la bobina
del elemento de núcleo. Además, el componente con el imán permanente
se desplaza funcionalmente a la segunda posición límite de tope a
través del suministro de un impulso de corriente con una polaridad
opuesta a la polaridad asignada para el primer límite de posición de
tope. En caso de que el componente con el imán permanente se deba
desplazar a una tercera posición entre la primera y segunda
posiciones límites de tope, ello se consigue a través del suministro
a la bobina de una secuencia de impulsos de polaridades
alternas.
Por consiguiente, en otras palabras, las
diferentes posiciones de trabajo se seleccionan generalmente al
excitar la bobina con impulsos cortos, positivos o negativos,
generados en una unidad de control, para llevar el elemento de
válvula de la primera a la tercera posiciones de trabajo. En
particular, la tercera posición de trabajo se obtiene a través del
suministro a la bobina de una secuencia corta de impulsos alternos
de energía calibrada. En este caso, la cantidad de energía para
conseguir la tercera posición de trabajo se determina como una
función de las características de inercia y de autorresonancia de la
válvula de solenoide.
Según una realización preferente de la presente
invención, el componente con el imán permanente está dotado de
extensiones de polo en contacto con los polos del imán permanente
para conseguir una interacción optimizada entre el imán permanente y
el elemento de núcleo.
Todavía según otra realización preferente de la
presente invención, la válvula de solenoide utiliza un rotor como
componente con un imán permanente, y elementos de núcleo con dos
piezas de polo separadas enfrentadas una a otra, para formar un
espacio rotor para acomodación del rotor. Preferentemente, las
extensiones de polo en contacto con los polos del imán permanente se
extienden más allá del imán permanente en una dirección radial del
rotor.
Esta realización preferente de la invención
permite aplicar el principio básico indicado anteriormente a una
disposición giratoria de una válvula de solenoide. En particular, la
geometría de las piezas de polo y las extensiones de polo son
importantes para determinar la dirección y la magnitud del par
generado en el rotor por las piezas de polo en condiciones
estacionarias y en caso de que se energice la bobina.
Además, típicamente hay previsto un eje en forma
de barra, integrado con el rotor cilíndrico para girar con el rotor,
de modo que el eje se extiende al interior de la cámara de válvula y
tiene un elemento de sellado para cerrar, como mínimo, una de las
salidas en la cámara de válvula, en conformidad con la posición del
rotor.
Una característica de esta realización
preferente, que implementa una válvula de solenoide de tipo
giratorio, es la baja fricción durante el movimiento y por
consiguiente la reducción de la posibilidad de "pegado" o, en
otras palabras, la posibilidad de no desplazarse a la posición de
trabajo deseada debido a una fricción excesiva.
Según otra realización preferente de la presente
invención, el componente se implementa como un elemento deslizante
adaptado para llevar a cabo un movimiento linealalterno relativo al
elemento de núcleo. En este caso, las extensiones de polo del
elemento deslizante comprenden, por ejemplo, una primera parte en
forma de U y una segunda parte en forma de U, contenida en la
primera parte en forma de U, y estando dispuestas las partes en
forma de U en contacto con caras de polo relacionadas del imán
permanente.
Por consiguiente, esta otra realización
preferente de la presente invención permite un movimiento lineal en
lugar del giratorio, dentro de la válvula de solenoide.
Según otra realización preferente,
independientemente del movimiento giratorio o lineal del elemento
con el imán permanente, este elemento de imán permanente es una
pieza sinterizada realizada con
Ne-Fe-B
(neodimio-hierro-boro).
Preferentemente, combinaría en una pieza única la función del imán
permanente, la extensión de polo, el rotor y el eje unido al rotor,
haciendo posible la reducción del número de piezas de, por ejemplo,
cuatro a una. Esto se puede conseguir utilizando material plástico
cargado con ferrita que sería magnetizado a continuación. Con este
tipo de funcionalidad combinada debe prestarse atención a la
compatibilidad química del suministro, por ejemplo, fluidos de
refrigerante y/o lubricación utilizados en el sistema para evitar su
polución y/o la degradación del material plástico de la válvula.
Según otra realización preferente, los materiales
adecuados para la pieza única que tiene una serie de funciones son,
por ejemplo, familias de materiales de plásticos de
poli-oxi-metileno (POM) o
poli-aril-etercetona.
En lo que sigue, las realizaciones preferentes,
que no deben interpretarse como restringiendo el alcance de la
presente invención, serán descritas haciendo referencia a los
dibujos adjuntos, en los que:
la figura 1 muestra un diagrama esquemático de un
sistema refrigerador de compresor único, que tiene dos evaporadores
que se suministran independientemente uno de otro;
la figura 2 muestra el principio básico que
fundamenta las diferentes realizaciones de la presente
invención;
la figura 3 muestra una construcción básica para
una válvula de solenoide del tipo giratorio según una primera
realización preferente de la presente invención;
la figura 4 muestra una primera posición estable
de trabajo en la válvula de solenoide del tipo giratorio, mostrada
en la figura 3;
la figura 5 muestra una segunda posición estable
de trabajo en la válvula de solenoide del tipo giratorio, mostrada
en la figura 3;
la figura 6 muestra una tercera posición estable
de trabajo en la válvula de solenoide del tipo giratorio, mostrada
en la figura 3;
la figura 7 muestra la estructura básica de una
válvula de solenoide del tipo de movimiento lineal, según una
segunda realización preferente y además, una primera posición
estable de trabajo de esta válvula de solenoide del tipo de
movimiento lineal;
la figura 8 muestra una segunda posición estable
de trabajo de la válvula de solenoide del tipo de movimiento lineal,
mostrada en la figura 7;
la figura 9 muestra una tercera posición estable
de trabajo de la válvula de solenoide del tipo de movimiento lineal,
mostrada en la figura 7;
la figura 10 muestra un primer circuito para
proporcionar el impulso alterno de energía calibrada para la
activación de las válvulas de solenoide, según la presente
invención;
la figura 11 muestra un segundo circuito de
control para el suministro de corrientes alternas para la activación
de las válvulas de solenoide, según la presente invención; y
la figura 12 muestra un tercer circuito de
control para el suministro de impulsos alternos para la activación
de las válvulas de solenoide, según la presente invención.
La figura 2 muestra el principio básico que
fundamenta las válvulas de solenoide según las diferentes
realizaciones de la presente invención; debe observarse que mientras
la figura 2 se refiere a un tipo giratorio de válvula de solenoide,
el principio básico descrito con respecto a ella puede ser también
fácilmente adaptado a una válvula de solenoide del tipo de
movimiento lineal, tal como se indica más adelante.
Tal como se muestra en la figura 2, el enfoque
que fundamenta la presente invención depende de tres posiciones
estables o estados de equilibrio de una disposición que comprende,
como mínimo, un elemento de núcleo (10) que tiene una bobina (12) y
un componte (14) que tiene un imán permanente (16). El imán
permanente define unas primera y segunda zonas de polo magnético (N)
y (S), respectivamente, del componente (14). Además, el componente
(14) y el elemento de núcleo (10) están dispuestos de modo que es
posible un desplazamiento relativo entre el componente (14) y el
elemento de núcleo (10).
Como muestra la figura 2, esta disposición
permite tres posiciones estables de trabajo. En la primera posición
mostrada en la parte izquierda, el flujo del campo magnético del
imán permanente (16) se cierra por la parte inferior del elemento de
núcleo (10), mientras las zonas de polo (N) y (S) del imán
permanente están dispuestas simétricamente con respecto al eje
central del elemento de núcleo.
Además, en la segunda posición de trabajo
mostrada en la parte central de la figura 2, el flujo del campo
magnético del imán permanente (16) está cerrado, de modo que se
cierra de nuevo por el elemento de núcleo, sin embargo, con una
primera zona de polo, por ejemplo, el polo (N) que tiende a
alinearse con el eje central del elemento de núcleo (10).
Adicionalmente, en la tercera posición estable de
trabajo mostrada en la parte derecha de la figura 2, el flujo del
campo magnético está también cerrado sobre el elemento de núcleo
(10), sin embargo, esta vez con la otra pieza de polo magnético, por
ejemplo, el polo (S) que tiende a alinearse con el eje central del
elemento de núcleo.
Es importante observar que todas estas tres
posiciones de trabajo se mantienen sin un suministro continuo de
energía a la bobina (12). La razón de la bobina (12) es conseguir
una transición entre las diferentes posiciones de trabajo. Hasta
este momento, era necesario excitar temporalmente la bobina para
conseguir una magnetización del elemento de núcleo (10) que no se
mantenía permanentemente.
Una opción podría ser, por ejemplo, para una
transición desde la posición de trabajo de la izquierda a la
posición de trabajo central, que la pieza de polo del elemento de
núcleo (10) se cambie temporalmente a polo (S) de modo que sea
atraída la zona de polo magnético (N) del imán permanente (16).
De forma equivalente, para conseguir una
transición entre las posiciones de trabajo de la izquierda y de la
derecha mostradas en la figura 2, la parte inferior del elemento de
núcleo (10) debería ser magnetizada temporalmente a un polo
magnético (N.) para atraer la zona de polo magnético (S) del imán
permanente (16).
Todavía además, debería mencionarse que las tres
diferentes posiciones de trabajo mostradas en la figura 2 tienen una
tendencia natural a conseguir una posición estable en la que no se
ejercen otras fuerzas o pares sobre el componente con el imán
permanente.
No obstante, para las aplicaciones indicadas
anteriormente con respecto a la técnica anterior de la presente
invención, podría ser necesario que, en particular, en las
posiciones de trabajo del centro y de la derecha, el componente con
el imán permanente no sea mantenido solamente en una estado estable
sino también que ejerza una cierta fuerza o par sobre otros
elementos de la construcción de la válvula de solenoide.
Por esta razón, puede estar previsto un tope
izquierdo o primero (18), y un tope derecho o segundo (20). Estos
topes (18), (20) permiten limitar el movimiento del componente (14)
con imán permanente de modo que, en las posiciones de trabajo
central y de la derecha el componente (14) no se mueve del estado
actual de equilibrio pero es detenido bruscamente antes de que
alcance este estado.
Asimismo, permanecerá una tendencia del
componente (14) a desplazarse además al estado de equilibrio
mostrado en la posición del centro y de la derecha de la figura 2.
Esta tendencia a desplazarse dará como resultado, además, un par que
se ejerce a través del componente (14) sobre los elementos de la
construcción que están conectados a él.
En lo que sigue, el principio básico indicado en
la figura 2 se describirá con mayor detalle para una válvula de
solenoide del tipo rotor y del tipo de movimiento lineal. A lo largo
de la siguiente descripción, aquellos elementos que están
relacionados con los descritos con respecto a la figura 2, se
denominarán utilizando los mismos números de referencia para
facilitar la explicación.
Como se muestra en la figura 3, la válvula de
solenoide del tipo rotor comprende un elemento de núcleo (10) y la
bobina (12) para la excitación del elemento de núcleo (10). Además,
se dispone una cámara de válvula (22) a la que se suministra fluido
a través de una entrada (24). El fluido puede luego dejar la cámara
de válvula (22) a través de una primera salida (26) y una segunda
salida de válvula (no mostrada explícitamente en la figura 3).
Tal como también se muestra en la figura 3, el
componente (14) con el imán permanente (16) (visible en la figura 4)
está conectado mediante un eje (28), que presenta un elemento de
sellado (30) unido a él, para cerrar las salidas de la cámara de
válvula de acuerdo con la posición de trabajo del rotor (14).
Finalmente, para cambiar las posiciones de
trabajo diferentes, el elemento de núcleo se excita a través de la
bobina (12) mediante el suministro de corriente a ella, a través de
los terminales (32), (34), respectivamente.
Las figuras 4 y 5 muestran otros detalles de la
válvula de solenoide del tipo rotor, con una vista en sección
transversal a través de la válvula de solenoide. Además, las figuras
4 a 6 se refieren a las posiciones de trabajo diferentes del
componente (14) con el imán permanente (16).
Tal como se muestra en las figuras 4 a 6 para la
válvula de solenoide del tipo rotor, el elemento de núcleo (10)
presenta una estructura específica con dos piezas de polo separadas,
enfrentadas una a otra para formar un espacio rotor entre ellas,
para acomodar el componente (14) con el imán permanente.
En este caso, el componente (14) es un rotor que
comprende el imán permanente (16). Además, el rotor (14) comprende
extensiones de polo (34), (36) en contacto con los polos del imán
permanente (16) para conseguir una interacción optimizada entre el
imán permanente (16) y el elemento de núcleo (10).
El elemento de núcleo (10) tiene dos piezas de
polo separadas (10-1), (10-2),
enfrentadas una a otra, para formar un espacio para el rotor entre
ellas para recibir el rotor. Asimismo, las extensiones de polo (34),
(36) se extienden más allá del imán permanente y tienen dos rebajes
cóncavos que están opuestos diametralmente. La forma de los rebajes
y las extensiones de polo se eligen de modo que la válvula de
solenoide se optimiza con respecto a ciertas condiciones de
funcionamiento, por ejemplo, el par que debería ejercerse sobre el
elemento de sellado para cerrar cada una de las salidas de la
cámara.
Funcionalmente, la válvula de solenoide del tipo
rotor que tiene la estructura mostrada en la figura 3, tiene tres
posiciones estables de trabajo mostradas en las figuras 4 a 6. En
particular, cada una de las posiciones de trabajo mostradas en las
figuras 4 a 6 corresponden a las posiciones de trabajo izquierda,
central y derecha mostradas en la figura 2.
Sin embargo, mientras en la figura 2 el principio
básico de la presente invención ha sido explicado con el elemento de
núcleo teniendo sólo un polo, según la válvula de solenoide del tipo
rotor, se disponen dos piezas de polo para incrementar la magnitud
de par que puede ser ejercido a través del componente con el imán
permanente.
Tal como ya se ha indicado anteriormente con
respecto a la figura 2, las posiciones de trabajo diferentes
mostradas en las figuras 4 a 6 difieren en el camino en que el flujo
del campo magnético concatena el circuito magnético. Para
identificar mejor las varias posiciones de trabajo se ha añadido un
punto negro a un extremo del imán permanente (16).
La primera posición de trabajo se relaciona con
la posición de trabajo izquierda mostrada en la figura 2, en la que
el flujo magnético del imán permanente (16) se concatena por el polo
único del elemento de núcleo, esto es, a través de
(10-1) y (10-2).
Además, según la posición de trabajo mostrada en
la figura 5, el componente (14) tiene su giro horario limitado por
el elemento de sellado (30) que se apoya contra una de las salidas
de la cámara de la válvula mostrada en la figura 3. Con la bobina
sin tensión, el flujo del imán permanente (16) fluye del lado
inferior al superior como muestran las flechas de la figura 5, es
decir, en la dirección sur/norte.
Debido a que el rotor es forzado a parar por el
elemento de sellado (30) en un ángulo (\alpha1) con respecto al
eje vertical, el flujo magnético resulta algo desviado del punto de
equilibrio que corresponderá a las líneas de flujo magnético
discurriendo a lo largo de una línea recta de norte a sur.
Esto constituye una medida deliberada para
generar un par en sentido horario para asegurar que el elemento de
sellado (30) mantiene cerrada la salida correspondiente, con una
magnitud dada de fuerza. Además, en caso de que se excite la bobina,
por ejemplo, mediante una corriente que genera una pieza de polo
superior con polaridad sur y una pieza de polo inferior con
polaridad norte, puede ser generado un par horario aún más fuerte
que mantiene el componente (14) en la posición que se muestra en la
\hbox{figura 5.}
La figura 6 representa la situación
correspondiente a la posición de trabajo central mostrada en la
figura 2, con la sola diferencia de que en este caso el par se
genera en sentido antihorario para cerrar otra de las salidas de la
cámara de la válvula mostrada en la figura 3.
Invirtiendo la polaridad de la corriente de la
bobina (12), las piezas de polo superior e inferior del elemento de
núcleo (10) también invertirán su polaridad magnética sometiendo al
elemento con el imán permanente a un giro horario o antihorario
debido al efecto de atracción/repulsión que las piezas de polo
(10-1), (10-2) ejercen sobre las
extensiones de polo (34), (36).
En consecuencia, el rotor (14) toma la posición
ilustrada en una u otra de las figuras 5 y 6, en cuyo momento se
puede terminar la excitación de la bobina. En ambas posiciones, el
elemento de sellado (30) descansa contra las salidas de la válvula
para parar en uno u otro de los ángulos (\alpha1) ó (\alpha2),
con relación al eje vertical. En ambas posiciones se consigue una
fuerza del elemento de sellado (30) contra cada salida de la cámara
de válvula para mantener deliberadamente el flujo de las líneas de
flujo magnético desviadas para generar un par horario o antihorario
sobre el elemento de sellado.
Tal como se muestra en la figura 4 y se ha
indicado anteriormente, el rotor (14) puede tomar también una
tercera posición de trabajo que corresponde a la posición izquierda
mostrada en la figura 2, que está entre las mostradas en las figuras
4 y 6. En esta posición de trabajo central, el imán permanente (16)
está orientado sustancialmente en vertical con las líneas de flujo
magnético que se concatenan por las piezas de polo adyacentes
(10-1), (10-2). En esta posición de
trabajo, ambas salidas de válvula están abiertas permitiendo que se
suministre el fluido a la cámara de válvula y luego pueda salir a
través de ambas salidas de la válvula, al mismo tiempo.
A continuación, se explicará una válvula de
solenoide según el tipo de movimiento lineal y segunda realización
de la presente invención, haciendo referencia a las figuras 7 a 9.
En estas figuras 7 a 9, las unidades funcionales que tienen la misma
función, según se ha indicado anteriormente, se denominan utilizando
los mismos números de referencia.
Tal como se muestra en la figura 7, el elemento
de válvula (14) es un elemento deslizante adaptado para llevar a
cabo el movimiento lineal alterno relativo al elemento de núcleo
(10), en la cámara de válvula (22). Para la válvula de solenoide del
tipo de movimiento lineal, la extensión de polo del elemento
deslizante comprende una primera parte (38) en forma de U y una
segunda parte (40) en forma de U, que sale al exterior con la
primera parte (38) en forma de U. Las partes (38), (40) en forma de
U están en contacto con las caras de polo del imán permanente (16).
El elemento de núcleo (10) comprende un yugo (10) que lleva la
bobina (12) y el extremo del yugo en forma de U está encarado con el
extremo de las extensiones de polo (34), (40) en forma de U, del
componente con el imán permanente.
Tal como se muestra en la figura 7, en la
posición central de la válvula de solenoide, el flujo magnético
generado a través del imán permanente es guiado a la pieza de polo
del yugo (10) por medio de las partes (38), (40) en forma de U,
respectivamente, y cierra por medio de las piezas de polo único
(10-1), (10-2) del yugo, sin
suministro de energía a la bobina (12).
Tal como se muestra en la figura 8, para llevar
la válvula de solenoide y el elemento de válvula comprendido en ella
a la posición con la salida izquierda cerrada de la cámara de
válvula (22), el yugo se magnetiza de modo que la pieza de polo
(10-1) presenta, por ejemplo, polaridad S y la pieza
de polo (10-2) presenta polaridad N. En
consecuencia, en el lado izquierdo se ejerce una fuerza de atracción
sobre la parte (38) en forma de U, superior, y una fuerza de
repulsión sobre la parte inferior (40) en forma de U. Por
consiguiente, en el lado derecho se ejerce una fuerza de repulsión
entre la pieza de polo (10-1) del yugo (10) y la
parte superior (38) en forma de U relacionada y otra fuerza de
atracción en la parte inferior (40) en forma de U. Una vez el
elemento de válvula se desplaza a una posición en la que la salida
izquierda se cierra, no se suministrará más energía a la bobina (12)
y el flujo magnético se cerrará a lo largo de la línea de trazos
mostrada en la figura 8, para mantener esta posición como posición
estable de trabajo.
Los mismos principios indicados con respecto a la
figura 8 se aplican a la figura 9 relativos a la salida derecha
cerrada de la cámara de válvula (22). La única diferencia es que en
este caso las piezas de polo (10-1) y
(10-2) presentan polaridades magnéticas invertidas
para el desplazamiento del componente (14) al lado derecho.
De nuevo, una vez que se ha cerrado la salida
derecha de la válvula, el flujo del campo magnético generado por el
imán permanente (16) se cierra a lo largo de la línea de trazos
mostrada en la figura 9 para mantener la posición de trabajo sin más
suministro de energía a la bobina (12).
En lo que sigue, se explicarán diferentes
enfoques para controlar el suministro de impulsos a la bobina (12)
para una transición del componente (14) entre las diferentes
posiciones de trabajo, tanto para la válvula de solenoide de tipo
rotor como para la de tipo de movimiento lineal.
Un impulso de corriente alterna se envía a la
bobina (12) para llevar el componente (14) con el imán permanente
(16) a la posición central de trabajo, según el lado izquierdo de la
figura 2, arrancando de una de estas posiciones estables mostradas
en la parte central y en la parte derecha de la figura 2. La energía
del impulso alterno se calibra de modo que sea bastante fuerte para
desplazar el componente (14) desde una de las posiciones estables
mostradas en el lado central y derecho de la figura 2 (o de forma
equivalente, en las figuras 5, 6 y figuras 8, 9, respectivamente)
pero suficientemente débil para excluir un desplazamiento completo
desde una de las posiciones de trabajo izquierda o derecha, y
viceversa. Esto significa que, la energía será suficientemente débil
para permitir una oscilación alrededor de la posición central, en
cuyo momento se termina el suministro de impulsos alternos, con el
componente (14) estabilizado en la posición central mostrada en las
figuras 4 y 7.
Además, la duración de la potencia y energía de
los impulsos alternos es una función de la inercia del componente
(14), es decir, del rotor o del elemento de deslizamiento, y también
de la autoresonancia de la válvula de solenoide. Debido a que el
rotor o el elemento de deslizamiento tienen la tendencia a
estabilizarse en la posición central de trabajo, los parámetros de
los impulsos alternos permiten tolerancias francamente amplias. Otro
factor adicional que estabiliza la posición es el efecto dinámico
del flujo de fluido en la posición central simultáneamente a través
de ambas salidas actuando como un amortiguador para extinguir las
oscilaciones residuales si todavía las hubiera.
Se explicarán ejemplos de impulsos alternos de
energía calibrada y un circuito de control correspondiente para su
generación haciendo referencia a las figuras 10 a 12.
La figura 10 muestra un circuito de control
adaptado para la provisión de un selector convencional que permite
alcanzar progresivamente tensiones decrecientes o impulsos de
corriente en onda completa. En la posición (A), se dirige sólo un
impulso positivo al diodo (D1) y pasa a través del condensador (C1),
y se impiden otros impulsos de corriente en tanto se carga el
condensador (C1). Además, en la posición (B), se puede mandar un
solo impulso negativo al diodo (D2) y a continuación a través del
condensador (C2). De nuevo, se evitan otros impulsos de corriente en
tanto se carga el condensador (C2). Finalmente, en la posición (C),
se envían impulsos de corriente alterna para energizar la bobina. La
amortiguación de las amplitudes de los impulsos de corriente alterna
se consigue a través de un termistor PCT calentado y reduciendo la
corriente a un valor despreciable después de un tiempo corto. Esto
da como resultado una tendencia progresivamente reducida a oscilar
alrededor de la posición central.
Otra opción mostrada en la figura 11 se refiere a
un controlador electrónico en el que una bobina (L) se acciona con
corriente alterna a través de los tiristores (T1) y (T2). En la
posición (A), la unidad de control activa una sola semionda
positiva. En la posición (B), la unidad de control activa una sola
semionda negativa. En la posición (C), por accionar los tiristores
(T1), (T2) se envían semiondas alternas divididas en secuencia, de
modo que la energía se calibra a través de una selección de la
temporización en la que se accionan los tiristores (T1), (T2).
Otra opción para el control electrónico se
muestra en la figura 12 y se refiere a una bobina (L) accionada
mediante corriente continua a través de un puente FET de
transistores de efecto campo. En la posición (A), se genera un
impulso positivo por accionamiento de los transistores (A) y (D) de
efecto campo. En este caso, la longitud del impulso se determina
selectivamente a través de un circuito lógico. Asimismo, en posición
(B), se genera un impulso negativo por accionamiento de los
transistores (B) y (C) de efecto campo. De nuevo, la longitud del
impulso se determina selectivamente a través de un circuito lógico.
Finalmente, en la posición (C), se accionan impulsos alternos
positivos/negativos en secuencia. De nuevo, la longitud del impulso,
la frecuencia y la duración se determinan por un circuito lógico
para enviar una magnitud calibrada de energía.
Independientemente de las distintas realizaciones
indicadas anteriormente, el imán permanente puede realizarse con una
pieza sinterizada, por ejemplo, de
Ne-Fe-B
(neodimio-hierro-boro) o con una
sola pieza de plástico cargada con ferrita que combina las funciones
de imán permanente y las extensiones asociadas de polo magnético.
Los materiales cargados de ferrita conocidos por su estabilidad
química son, por ejemplo, familias de plásticos de
poli-oxi-metileno (POM) o
poli-aril-eteracetona.
Asimismo, independientemente de las distintas
realizaciones indicadas anteriormente, el funcionamiento de la
válvula de solenoide se obtiene excitando la bobina con impulsos
cortos de corriente, cuya naturaleza positiva, negativa, o alterna
define la posición del elemento de válvula una vez se le quita la
tensión a la bobina.
Claims (15)
1. Válvula de solenoide, que comprende:
un elemento de núcleo (10) que tiene una bobina
(12) para magnetizar dicho elemento de núcleo (10); y
un componente (14) que tiene, como mínimo, un
imán permanente (16) para definir una primera y una segunda zonas de
polo magnético de dicho componente (14);
están dispuestos dicho componente (14) y dicho
elemento de núcleo (10) de modo que resulta posible un
desplazamiento relativo entre dicho componente (14) y dicho elemento
de núcleo (10);
medios de tope (18, 20) para limitar el
desplazamiento relativo de dicho elemento de núcleo (10) y dicho
componente, entre una primera y una segunda posiciones límites de
tope;
estando dispuestos dichos medios de tope (18, 20)
de modo que
- en dicha primera posición límite de tope (L)
está localizada una zona de polo de dicho elemento de núcleo (10),
en dicha primera zona de polo magnético de dicho componente y está
empujado hacia dichos medios de tope (18) para proporcionar dicha
primera posición límite de tope por la magnetización de dicho imán
permanente (16), y
- en dicha segunda posición límite de tope (R)
está localizada dicha zona de polo de dicho elemento de núcleo (10)
en dicha segunda zona de polo magnético de dicho componente (14) y
está empujado hacia dichos medios de tope (20) para proporcionar
dicha segunda posición de tope por la magnetización de dicho imán
permanente (16);
- una cámara de válvula (22) está provista de una
entrada (24) y una serie de salidas (26); y
- un elemento de válvula (28, 30) localizado en
dicha cámara de válvula (22) es desplazable para acoplar
selectivamente dicha entrada (24) con, como mínimo, una de dichas
salidas (26); y
- están provistos medios (28) para que accionen
dicho elemento de válvula (28, 30) por medio de dicho desplazamiento
relativo de dicho elemento de núcleo (10) y dicho componente
(14);
caracterizada porque dicha válvula de
solenoide es una válvula de solenoide de tres estados,
estando dispuestos dicho elemento de núcleo (10)
y dicho componente (14) de modo que existe una tercera posición de
tope (M) de dicho elemento de núcleo (10) y dicho componente (14),
en cuya posición
- dicha zona de polo de dicho elemento de núcleo
(10) está situada parcialmente en dicha primera zona de polo
magnético de dicho componente (14) y parcialmente en dicha segunda
zona de polo magnético de dicho componente (14) de modo que dicha
tercera posición relativa se estabiliza porque el flujo magnético de
dicho imán permanente (16) se cierra por dicho elemento de
núcleo.
2. Válvula de solenoide de tres estados, según la
reivindicación 1, caracterizada porque el componente (14)
está provisto también de extensiones de polo (34, 36) en contacto
con los polos de dicho imán permanente (16) para conseguir una
interacción optimizada entre el imán permanente (16) y el elemento
de núcleo (10).
3. Válvula de solenoide de tres estados, según la
reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque el componente (14)
es un rotor.
4. Válvula de solenoide de tres estados, según la
reivindicación 3, caracterizada porque dicho elemento de
núcleo (10) tiene dos piezas de polo separadas
(10-1, 10-2) enfrentadas una a otra
para formar un espacio rotor entre ellas, para acomodar el
rotor.
5. Válvula de solenoide de tres estados, según la
reivindicación 4, caracterizada porque dichas extensiones de
polo (34, 36) en contacto con dichos polos de dicho imán permanente
(14) se extienden más allá del imán permanente (16) en una dirección
radial del rotor.
6. Válvula de solenoide de tres estados, según
una de las reivindicaciones 3 a 5, caracterizada porque dicho
elemento de válvula incluye un eje (28) unido al rotor (14) para
girar con el rotor, extendiéndose dicho eje en la cámara de válvula
(22), y teniendo un elemento de sellado (30) para cerrar, como
mínimo, una de dichas salidas de dicha cámara de válvula (22) de
acuerdo con la posición de dicho rotor.
7. Válvula de solenoide de tres estados, según la
reivindicación 6, caracterizada porque dicho elemento de
sellado (30) y dicha cámara de válvula (22) están dispuestas de modo
que el desplazamiento de dicho rotor está limitado entre dicha
primera y dicha segunda posiciones límites de tope, por medio de
dicho elemento de sellado (30), que se apoya contra dichas salidas
respectivas (26) de dicha cámara de válvula (22), constituyendo de
esta manera dicha salidas (26) dichos medios de tope (18, 20).
8. Válvula de solenoide de tres estados, según la
reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque dicho componente
(14) es un elemento deslizante adaptado para llevar a cabo un
movimiento alterno lineal con relación a dicho elemento de núcleo
(10).
9. Válvula de solenoide de tres estados, según la
reivindicación 8, dependiente de la reivindicación 2,
caracterizada porque dichas extensiones de polo de dicho
elemento deslizante (14) comprenden una primera parte (38) en forma
de U y una segunda parte (40) en forma de U acomodada dentro de
dicha primera parte en forma de U, estando dispuestas dichas partes
en forma de U en contacto con las caras de polo respectivas de dicho
imán permanente (16).
10. Válvula de solenoide de tres estados, según
la reivindicación 9, caracterizada porque dicho elemento de
núcleo (10) comprende un yugo en forma de U que lleva la bobina
(12), estando encarados los extremos de dicho yugo en forma de U con
los extremos de dichas extensiones de polo en forma de U de dicho
componente.
11. Válvula de solenoide de tres estados, según
una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizada porque el
imán permanente (16) está formado de metal de ferrita cerámica.
12. Válvula de solenoide de tres estados, según
una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizada porque el
componente (16) está formado de
poli-oxi-metileno (POM).
13. Válvula de solenoide de tres estados, según
una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizada porque el
componente (16) está formado de
poli-aril-etercetona (PEKEKK).
14. Método de funcionamiento de una válvula de
solenoide de tres estados, según cualquiera de las reivindicaciones
anteriores, comprendiendo las etapas:
a) desplazar el componente (14) con relación al
elemento de núcleo (10) a dicha primera posición límite de tope (L)
a través del suministro a la bobina (12) de un impulso de corriente
con una primera polaridad;
b) desplazar el componente (14) con relación al
elemento de núcleo (10) a dicha segunda posición límite de tope (R)
a través del suministro a dicha bobina (12) de un impulso de
corriente con una polaridad opuesta a dicha primera polaridad; y
c) desplazar dicho componente (14) con relación a
dicho elemento de núcleo (10) a dicha tercera posición entre dichas
primera y segunda posiciones límites de tope a través del suministro
a dicha bobina (12) de una secuencia de impulsos con polaridad
alterna y de magnitud calibrada de energía;
d) suspender el suministro de energía a la bobina
(12) una vez que el componente (14) ha alcanzado la primera posición
límite de tope (L), la segunda posición límite de tope (R), o la
tercera posición de tope.
15. Método de funcionamiento de una válvula de
solenoide de tres estados, según la reivindicación 14,
caracterizado porque el suministro de una secuencia de
impulsos con polaridad alterna y magnitud calibrada de energía se
consigue a través de un termistor PTC.
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