DE102014209112A1

DE102014209112A1 - Ventileinrichtung für ein Haushaltsgerät, Haushaltsgerät und entsprechendes Verfahren

Info

Publication number: DE102014209112A1
Application number: DE102014209112.8A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Seidl; Tobias Rosin; Mircea Barbu; Marcello Cabaleiro Martins
Original assignee: BSH Hausgeraete GmbH
Current assignee: BSH Hausgeraete GmbH
Priority date: 2014-05-14
Filing date: 2014-05-14
Publication date: 2015-11-19
Also published as: WO2015173070A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ventileinrichtung (6) für ein Haushaltsgerät (1), mit einem Absperrelement (27) zum Steuern eines Flusses eines Fluids in einer Leitung (5) des Haushaltsgeräts (1), einem Antriebselement (20) zum Bewegen des Absperrelements (27) von einer Offenstellung, in welcher die Leitung (5) geöffnet ist, in eine Geschlossenstellung, in welcher die Leitung (5) durch das Absperrelement (27) abgesperrt ist, abhängig von einem Stromfluss (I) durch das Antriebselement (20), wobei das Antriebselement (20) mit einer Gleichspannungsquelle (12) elektrisch gekoppelt ist, zumindest einem mit dem Antriebselement (20) elektrisch gekoppelten Schaltelement (22) zur Steuerung des Stromflusses (I) durch das Antriebselement (20), und einer Steuereinrichtung (25) zur Ansteuerung des zumindest einen Schaltelements (22), wobei die Steuereinrichtung (25) dazu ausgelegt ist, zur Steuerung des Stromflusses (I) durch das Antriebselement (20) eine Folge von Ansteuerimpulsen (30) an das zumindest eine Schaltelement (22) abzugeben, wobei die Ventileinrichtung (6) Mittel zum Erfassen eines aktuellen Spannungswerts (V) einer durch die Gleichspannungsquelle (12) bereitgestellten Gleichspannung (VZK) aufweist und die Steuereinrichtung (25) dazu ausgelegt ist, eine Pulslänge (w) der Ansteuerimpulse (30) abhängig von dem aktuellen Spannungswert (V) einzustellen, und wobei die Steuereinrichtung (25) dazu ausgelegt ist, einen vorbestimmten Anzugsstrom (IA) zum Bewegen des Absperrelements (27) von der Geschlossenstellung in die Offenstellung bereitzustellen und die Pulslänge (w) der Ansteuerimpulse (30) zum Bereitstellen des Anzugsstroms (IA) abhängig von dem aktuellen Spannungswert (V) einzustellen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ventileinrichtung für ein Haushaltsgerät, mit einem Absperrelement zum Steuern eines Flusses eines Fluids in einer Leitung des Haushaltsgeräts, einem Antriebselement zum Bewegen des Absperrelements von einer Offenstellung, in welcher die Leitung geöffnet ist, in eine Geschlossenstellung, in welcher die Leitung durch das Absperrelement abgesperrt ist, abhängig von einem Stromfluss durch das Antriebselement, wobei das Antriebselement mit einer Gleichspannungsquelle elektrisch gekoppelt ist, einem mit dem Antriebselement elektrisch gekoppelten Schaltelement zur Steuerung des Stromflusses durch das Antriebselement, und einer Steuereinrichtung zur Ansteuerung des Schaltelements, wobei die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, zur Steuerung des Stromflusses durch das Antriebselement eine Folge von Ansteuerimpulsen an das Schaltelement abzugeben, wobei die Ventileinrichtung Mittel zum Erfassen eines aktuellen Spannungswerts einer durch die Gleichspannungsquelle bereitgestellten Gleichspannung aufweist und die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, eine Pulslänge der Ansteuerimpulse abhängig von dem aktuellen Spannungswert einzustellen. Die Erfindung betrifft außerdem ein Haushaltsgerät mit einer solchen Ventileinrichtung sowie ein Verfahren zum Steuern eines Flusses eines Fluids in einer Leitung eines Haushaltsgeräts.
Das Interesse richtet sich vorliegend insbesondere auf eine Ventileinrichtung, welche zum Absperren oder Steuern eines Flusses eines Fluids in einer Leitung eines Haushaltsgerätes dient. Eine derartige Ventileinrichtung kann beispielsweise für eine Waschmaschine oder einen Geschirrspüler verwendet werden. Solche Ventileinrichtungen für Haushaltsgeräte sind bereits aus dem Stand der Technik in vielfältiger Ausgestaltung bekannt. Diese Ventileinrichtungen können beispielsweise als Magnetventil ausgebildet sein. Ein solches Magnetventil umfasst ein Absperrelement in Form eines Ventilkolbens und ein Antriebselement in Form eines Elektromagneten. Mit dem Antriebselement kann das Absperrelement von einer Geschlossenstellung, in welcher die Leitung durch das Absperrelement abgesperrt ist und das Fluid nicht durch die Leitung strömen kann in eine Offenstellung, in welcher die Leitung geöffnet ist und das Fluid durch die Leitung strömen kann, bewegt werden.
Der Elektromagnet bzw. dessen Spule wird im Stand der Technik üblicherweise direkt mit einem Netzanschluss des Haushaltsgeräts gekoppelt und somit mit der Netzspannung betrieben. Die Magnetventile werden in diesem Fall mit einer Wechselspannung betrieben. Als Schaltelement zur Steuerung des Stromflusses durch die Spule wird ein Triac eingesetzt, welcher mit Hilfe eines entsprechenden Mikrocontrollers angesteuert wird. Als nachteilig an der Verwendung eines Triacs ist dabei der Umstand anzusehen, dass der Steueranschluss (Gate) des Triacs auf dem Bezugspotenzial des Versorgungsnetzes bzw. auf dem Neutral-Potenzial (N) liegen muss. Dies wiederum führt dazu, dass auch der Mikrocontroller auf diesem Bezugspotenzial liegt. Bei modernen Haushaltsgeräten muss dann eine galvanische Trennung zwischen dem Mikrocontroller und anderen Steuereinrichtungen gewährleistet werden, welche ein anderes elektrisches Bezugspotenzial aufweisen. So muss beispielsweise ein Motorsteuergerät zur Ansteuerung eines dreiphasigen bürstenlosen Gleichstrommotors bzw. einer Synchronmaschine vorzugsweise auf einem Bezugspotenzial liegen, welches von dem genannten Neutral-Potenzial des Versorgungsnetzes unterschiedlich ist. Um eine gegenseitige Kommunikation zwischen den verschiedenen Steuereinrichtungen zu ermöglichen, werden daher beispielsweise Optokoppler eingesetzt, welche für die erforderliche Galvanische Trennung sorgen.
Eine Abhilfe schafft hier die Verwendung einer Gleichspannungsquelle für die Ansteuerung des Magnetventils. Üblicherweise verwendete Magnetventile, welche für den Betrieb mit einer Wechselspannung ausgelegt sind, können auch mit einer Gleichspannung betrieben werden, solange diese in einem bestimmten Bereich liegt. Prinzipiell ist es bekannt, Magnetventile mittels einer pulsweitenmodulierten Spannung anzusteuern. Dies ist beispielsweise in der US 2010/0175001 A1 erwähnt.
Wird zur Versorgung einer Ventileinrichtung eine Gleichspannungsquelle verwendet, so ergibt sich jedoch die Problematik, dass die durch die Gleichspannungsquelle bereitgestellte Gleichspannung einbrechen kann, wenn die Energie an elektrische Verbraucher abgegeben wird. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn als Gleichspannungsquelle ein Kondensator eingesetzt wird und die Energie für die Spule oder andere Verbraucher dem Kondensator entnommen wird. Diese Entnahme der elektrischen Energie bewirkt dann einen Spannungsabfall am Kondensator, welcher dann wieder aufgeladen zur werden braucht. Das Aufladen des Kondensators ist wiederum abhängig von der aktuellen Phasenlage der Netzspannung. Diese Problematik wird noch dann verschärft, wenn mit der elektrischen Energie aus der Gleichspannungsquelle zusätzlich auch weitere Verbraucher versorgt werden. Wird der Transistor nun mit Ansteuerimpulsen vorbestimmter und konstanter Pulslänge angesteuert, so kann es vorkommen, dass die an die Spule abgegebene elektrische Energie bzw. Leistung insgesamt nicht ausreicht, um das Absperrelement in der Offenstellung zu halten. Gegebenenfalls ist ein betriebssicherer Betrieb des Haushaltsgeräts dann nicht möglich.
In diesem Zusammenhang beschreibt die US 4,838,037 A ein Magnetventil für einen Kältemittelkreislauf. Hierbei kann der Fluss des Kältemittels in dem Kältemittelkreislauf mit dem Magnetventil in Abhängigkeit von dem Signal eines Temperatursensors angepasst werden. Das Magnetventil wird in diesem Fall mittels Pulsweitenmodulation angesteuert, um den Durchfluss des Kältemittels durch das Ventil anzupassen. Darüber hinaus ist es vorgesehen, die elektrische Spannung, die von einer Spannungsquelle zum Versorgen des Magnetventils bereitgestellt wird, zu überwachen. In Abhängigkeit von der erfassten Spannung der Spannungsquelle wird das Tastverhältnis der Pulsweitenmodulation angepasst, um einen zuverlässigen Betrieb des Magnetventils zu ermöglichen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Lösung aufzuzeigen, wie bei einer Ventileinrichtung der eingangs genannten Gattung ein zuverlässiger und effizienter Betrieb ermöglicht werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Ventileinrichtung, durch ein Haushaltsgerät sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung und der Figuren.
Eine erfindungsgemäße Ventileinrichtung für ein Haushaltsgerät umfasst ein Absperrelement zum Steuern eines Flusses eines Fluids in einer Leitung des Haushaltsgeräts, ein Antriebselement zum Bewegen des Absperrelements von einer Offenstellung, in welcher die Leitung geöffnet ist, in eine Geschlossenstellung, in welcher die Leitung durch das Absperrelement abgesperrt ist, abhängig von einem Stromfluss durch das Antriebselement, wobei das Antriebselement mit einer Gleichspannungsquelle elektrisch gekoppelt ist, zumindest ein mit dem Antriebselement elektrisch gekoppeltes Schaltelement zur Steuerung des Stromflusses durch das Antriebselement, und eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung des zumindest einen Schaltelements, wobei die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, zur Steuerung des Stromflusses durch das Antriebselement eine Folge von Ansteuerimpulsen an das zumindest eine Schaltelement abzugeben, wobei die Ventileinrichtung Mittel zum Erfassen eines aktuellen Spannungswerts einer durch die Gleichspannungsquelle bereitgestellten Gleichspannung aufweist und die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, eine Pulslänge der Ansteuerimpulse abhängig von dem aktuellen Spannungswert einzustellen. Darüber hinaus ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, einen vorbestimmten Anzugsstrom zum Bewegen des Absperrelements von der Geschlossenstellung in die Offenstellung bereitzustellen und die Pulslänge der Ansteuerimpulse zum Bereitstellen des Anzugsstroms abhängig von dem aktuellen Spannungswert einzustellen.
Das Antriebselement ist dabei bevorzugt als Elektromagnet ausgebildet. Dieser Elektromagnet kann eine Spule umfassen, die von dem elektrischen Strom durchflossen wird. Durch die Festlegung der Pulslänge der aktuellen Ansteuerimpulse und somit des Anzugsstroms in Abhängigkeit von der aktuellen Spannungshöhe der Gleichspannung wird erreicht, dass die Pulslänge der Ansteuerimpulse stets an den aktuellen Spannungswert angepasst wird. Somit kann das Antriebselement unabhängig von der mit der Gleichspannungsquelle bereitgestellten Spannung mit einem konstanten Anzugsstrom betrieben werden. So kann die Pulslänge der Ansteuerimpulse bei einem geringeren Spannungswert größer als bei einem höheren Spannungswert eingestellt werden, um stets gewährleisten zu können, dass eine ausreichende Leistung an das Antriebselement abgegeben wird. Durch den konstanten Anzugsstrom kann das Absperrelement sicher und zuverlässig von der Geschlossenstellung in die Offenstellung bewegt werden. Damit kann garantiert werden, dass die Ventileinrichtung unabhängig von dem Spannungswert der Gleichspannungsquelle geöffnet werden kann und somit der Durchfluss des Fluids ermöglicht werden kann. Insgesamt wird somit ein betriebssicherer und zuverlässiger Betrieb der Ventileinrichtung ermöglicht.
Unter einem Haushaltsgerät wird vorliegend insbesondere ein wasserführendes Gerät verstanden, welches zur Haushaltsführung eingesetzt wird. Insbesondere ist das Haushaltsgerät ein Gerät zur Pflege von Wäschestücken, wie beispielsweise eine Waschmaschine, ein Waschtrockner oder ein Wäschetrockner. Das Haushaltsgerät kann auch ein Geschirrspüler sein. Mit der Ventileinrichtung kann insbesondere eine Flüssigkeitsströmung in zumindest einer Leitung des Haushaltsgeräts abgesperrt oder gesteuert werden. Beispielsweise kann die Ventileinrichtung in einem Wasserzulauf des Haushaltsgeräts verwendet werden.
Als Schaltelement kann insbesondere ein Halbleiterschalter verwendet werden, dessen Steueranschluss mit der Steuereinrichtung gekoppelt ist. Als Halbleiterschalter kann dabei beispielsweise ein PNP-Bipolartransistor und/oder ein NPN-Bipolartransistor und/oder ein N-MOSFET und/oder ein P-MOSFET und/oder ein IGBT verwendet werden.
In einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung das Schaltelement unter Verwendung einer Pulsweitenmodulation ansteuert. Dann kann die Steuereinrichtung eine aktuelles Tastverhältnisder Ansteuerimpulse abhängig von dem aktuellen Spannungswert einstellen. Bei den Ansteuerimpulsen kann es sich folglich um eine periodische Folge von Impulsen handeln, bei welcher das Verhältnis der Impulsdauer zur Periodendauer in Abhängigkeit von dem aktuellen Spannungswert eingestellt wird. Dies hat einerseits den Vorteil, dass die Folge von Ansteuerimpulsen somit ohne viel Aufwand mit der Netzspannung synchronisiert werden kann; andererseits kann eine solche Pulsweitenmodulation mit einer periodischen Folge von Impulsen ohne viel Aufwand implementiert werden, da die Frequenz der Ansteuerimpulse grundsätzlich konstant bleibt und lediglich das aktuelle Tastverhältnis abhängig von dem jeweils aktuellen Spannungswert eingestellt zu werden braucht.
Es erweist sich als besonders vorteilhaft, wenn die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, einen vorbestimmten Haltestrom zum Halten des Absperrelements in der Offenstellung bereitzustellen und die Pulslänge der Ansteuerimpulse zum Bereitstellen des Haltestroms abhängig von dem aktuellen Spannungswert einzustellen. Zum Öffnen der Ventileinrichtung kann das Antriebselement zunächst für eine vorbestimmte Zeitdauer mit dem Anzugsstrom versorgt werden. Wenn sich das Absperrelement in der Offenstellung befindet, kann das Antriebselement mit dem Haltestrom betrieben werden. Der Haltestrom kann dabei durch die Anpassung der Pulslänge der Ansteuerimpulse konstant gehalten werden. Der Haltestrom kann im Vergleich zu dem Anzugsstrom eine geringere Amplitude bzw. einen geringeren Effektivwert aufweisen. Somit kann ein zuverlässiger und energiesparender Betreib der Ventileinrichtung ermöglicht werden.
Es erweist sich als besonders vorteilhaft, wenn die Gleichspannungsquelle ein Zwischenkreiskondensator ist, welcher mit einem Ausgang eines Gleichrichters, insbesondere eines Vollbrückengleichrichters, gekoppelt ist, welcher zum Gleichrichten einer Netzspannung ausgebildet ist. Der Gleichrichter ist insbesondere einerseits mit Netzanschlüssen des Haushaltsgeräts und andererseits mit dem Zwischenkreiskondensator gekoppelt, so dass die durch den Gleichrichter gleichgerichtete Spannung an den Zwischenkreiskondensator abgegeben und dann mit dem Zwischenkreiskondensator geglättet wird. Am Zwischenkreiskondensator liegt somit eine gleichgerichtete und geglättete Netzspannung (Effektivwert) an, welche für die Ansteuerung der Ventileinrichtung genutzt werden kann. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass ein bei heutigen Haushaltsgeräten ohnehin bereits vorhandener elektrischer Zwischenkreis genutzt werden kann, um das Absperrelement in die Offenstellung zu bewegen bzw. in dieser Offenstellung zu halten. Es erübrigt sich somit der Einsatz von separaten Gleichspannungsquellen mit den damit verbundenen Nachteilen.
Bevorzugt ist mit derselben Gleichspannungsquelle, insbesondere mit dem genannten Zwischenkreiskondensator, zusätzlich auch ein Inverter gekoppelt, welcher zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung für einen elektrischen Antriebsmotor des Haushaltsgeräts aus der Gleichspannung ausgebildet ist. Es wird also gezielt die Gleichspannungsquelle genutzt, welche sonst zur Versorgung des Antriebsmotors dient. In diesem Zusammenhang kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Antriebsmotor ein mehrphasiger – insbesondere dreiphasiger – bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC) bzw. eine Synchronmaschine ist, sodass der Inverter aus der Gleichspannung mehrere Wechselspannungen für den Betrieb des Antriebsmotors erzeugt. Vorzugsweise dient dieser Antriebsmotor zum Antreiben einer Wäschetrommel des Haushaltsgeräts.
Es gilt vorzugsweise die Beziehung, dass je geringer die Gleichspannung an der Gleichspannungsquelle ist, desto größer die Pulslänge der Ansteuerimpulse eingestellt wird. Mit anderen Worten kann die Steuereinrichtung bei einem geringeren Spannungswert der Gleichspannung eine größere Pulslänge der Ansteuerimpulse als bei einem höheren Spannungswert einstellen, sodass die Pulslänge umgekehrt proportional zur Gleichspannung an der Gleichspannungsquelle ist. Durch eine solche Vorgehensweise kann stets gewährleistet werden, dass durch das Antriebselement im Mittel ein ausreichender elektrischer Strom fließt, welcher für einen sicheren Betrieb der Ventileinrichtung sorgt.
Um den Mittelwert des elektrischen Stroms durch das Antriebselement und somit die an das Antriebselement abgegebene Leistung konstant zu halten, kann die Steuereinrichtung die Pulslänge der Ansteuerimpulse umgekehrt proportional zum Quadrat des Spannungswerts der Gleichspannung einstellen. Eine ungewollte Verstellung des Absperrelements im Betrieb des Haushaltsgeräts kann somit sicher verhindert werden.
In der Steuereinrichtung kann beispielsweise eine Lookup-Tabelle abgelegt sein, welche die Abhängigkeit der Pulslänge von der Gleichspannung der Gleichspannungsquelle angibt. Die Steuereinrichtung kann dann die aktuelle Pulslänge unter Verwendung der Lookup-Tabelle einstellen. Die Einstellung der Pulslänge abhängig von dem aktuellen Spannungswert kann somit ohne viel Rechenleistung realisiert werden.
Zusätzlich zu dem genannten Schaltelement (nachfolgend als erstes Schaltelement genannt) kann die Ventileinrichtung auch zumindest ein weiteres Schaltelement (nachfolgend als zweites und drittes Schaltelement genannt) aufweisen, welches mit dem Antriebselement gekoppelt und insbesondere in Reihe zum ersten Schaltelement und zum Antriebselement elektrisch geschaltet ist. Die Steuereinrichtung kann so ausgelegt sein, dass zumindest während der Ansteuerimpulse des ersten Schaltelements das zweite Schaltelement geöffnet wird, sodass dieses zweite Schaltelement mit Ansteuerimpulsen angesteuert wird, welche mindestens die gleiche Pulslänge wie die Ansteuerimpulse des ersten Schaltelements aufweisen. Die Ansteuerimpulse des zweiten Schaltelements überlappen sich somit mit den Ansteuerimpulsen des ersten Schaltelements. Der Einsatz des zweiten Schaltelements hat Vorteile hinsichtlich der Betriebssicherheit: Bei Ausfall eines der Schaltelemente kann mit dem anderen Schaltelement verhindert werden, dass das Ansteuerelement – insbesondere eine Spule – mit einer Gleichspannung beaufschlagt wird. Wird ein Defekt bzw. ein Fehler eines der Schaltelemente durch die Steuereinrichtung detektiert, kann ein entsprechendes Warnsignal ausgegeben werden.
Es kann auch vorgesehen sein, dass durch die Steuereinrichtung eine aktuelle Phasenlage der Netzspannung erfasst und die Folge der Ansteuerimpulse abhängig von der Phase der Netzspannung erzeugt wird. Auf diese Weise kann die Folge der Ansteuerimpulse mit der Netzspannung synchronisiert werden, und es ist beispielsweise möglich, die Ansteuerimpulse dann zu erzeugen, wenn die Gleichspannungsquelle vollständig aufgeladen ist. Eine zu starke Entladung der Gleichspannungsquelle kann somit zuverlässig verhindert werden.
Ein erfindungsgemäßes Haushaltsgerät, insbesondere zur Pflege von Wäschestücken, umfasst eine Leitung sowie eine erfindungsgemäße Ventileinrichtung zum Steuern eines Flusses eines Fluids in der Leitung.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Steuern eines Flusses eines Fluids in einer Leitung eines Haushaltsgeräts mithilfe eines Absperrelements, welches abhängig von einem Stromfluss durch ein Antriebselement von einer Offenstellung, in welcher die Leitung geöffnet ist, in eine Geschlossenstellung bewegt wird, in welcher die Leitung durch das Absperrelement abgesperrt wird, wobei das Antriebselement mit einer Gleichspannung einer Gleichspannungsquelle beaufschlagt wird und der Stromflusses durch das Antriebselement mittels zumindest eines Schaltelements gesteuert wird, welches mittels einer Steuereinrichtung mit einer Folge von Ansteuerimpulsen angesteuert wird. Zudem wird ein aktueller Spannungswert der Gleichspannung erfasst und eine Pulslänge der Ansteuerimpulse wird durch die Steuereinrichtung abhängig von dem aktuellen Spannungswert eingestellt. Darüber hinaus wird mit der Steuereinrichtung ein vorbestimmter Anzugsstrom zum Bewegen des Absperrelements von der Geschlossenstellung in die Offenstellung bereitgestellt und die Pulslänge der Ansteuerimpulse zum Bereitstellen eines Anzugsstroms wird abhängig von dem aktuellen Spannungswert eingestellt.
Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Ventileinrichtung vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Haushaltsgerät sowie für das erfindungsgemäße Verfahren.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Alle vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder aber in Alleinstellung verwendbar.
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 in schematischer Darstellung ein Haushaltsgerät gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 in schematischer Darstellung eine Schaltungsanordnung mit einer Ventileinrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
3 eine zeitlicher Verlauf eines Stromflusses in einem Antriebselement der Ventileinrichtung.
Ein in 1 dargestelltes Haushaltsgerät 1 ist beispielsweise eine Waschmaschine. Das Haushaltsgerät 1 umfasst eine Wäschetrommel 2 zur Aufnahme von Wäschestücken, welche in einem Gehäuse 3 des Haushaltsgeräts 1 – und auch in einem nicht dargestellten Laugenbehälter – um eine horizontale Drehachse 4 drehbar gelagert ist. Die Wäschestücke können durch eine Öffnung in die Wäschetrommel 2 eingebracht werden, welche mittels einer Tür verschließbar ist. Zum Antreiben der Wäschetrommel 2 beinhaltet das Haushaltsgerät 1 einen elektrischen Antriebsmotor 7. Der Benutzer kann mit Hilfe einer Bedieneinrichtung 8 das gewünschte Betriebsprogramm des Haushaltgeräts 1 auswählen und den Betriebsprozess aktiveren.
Das Haushaltsgerät 1 umfasst zudem eine oder mehrere Leitungen 5 zum Führen eines Fluids, insbesondere Wasser. Vorliegend ist beispielhaft nur eine Leitung 5 dargestellt.
Um den Fluss des Fluids in der Leitung 5 steuern zu können, umfasst das Haushaltsgerät 1 eine Ventileinrichtung 6. Die Ventileinrichtung 6 kann insbesondere als Magnetventil ausgebildet sein. Die Ventileinrichtung 6 weist ein Absperrelement 27, welches mittels eines Antriebselements 20 bewegt werden kann, auf. Das Antriebselement 20 ist insbesondere als Spule bzw. als Elektromagnet ausgebildet, welche von einem elektrischen Strom durchflossen werden kann. Mit dem Antriebselement 20 kann das Absperrelement 27 von einer Offenstellung in eine Geschlossenstellung bewegt werden. Das Absperrelement 27 kann aus einem weichmagnetischen Material gebildet sein. Zudem kann das Absperrelement 27 als Ventilkolben oder als Membran ausgebildet sein, die durch eine Feder in der Geschlossenstellung gehalten wird. Die Ventileinrichtung 6 weist optional ein weiteres Absperrelement 27‘, welches mittels eines Antriebselements 20‘ bewegt werden kann, auf.
Eine Schaltungsanordnung, wie sie in 2 dargestellt ist, ist Bestandteil des Haushaltsgeräts 1 und umfasst die Ventileinrichtung 6. Das Haushaltsgerät 1 weist Netzanschlüsse 9, 10 auf, welche auf elektrischen Potenzialen L, N des Versorgungsnetzes liegen. Zwischen den Netzanschlüssen 9, 10 wird eine Netzspannung U_N bereitgestellt, welche eine Wechselspannung ist. Die Wechselspannung U_N wird mittels eines Gleichrichters 11 gleichgerichtet, welcher im Ausführungsbeispiel als Vollbrückengleichrichter mit vier Dioden ausgebildet ist. Ausgangsseitig ist der Gleichrichter 11 mit einem Zwischenkreiskondensator 12 gekoppelt, welcher die gleichgerichtete Spannung glättet. Eine Zwischenkreisgleichspannung V_ZK liegt zwischen einem Zwischenkreisknoten 13 einerseits und einem Bezugspotenzial 14 andererseits. Das Bezugspotenzial 14 ist ein von dem Neutral-Potenzial N verschiedenes elektrisches Potenzial. Der Zwischenkreiskondensator 12 stellt eine Gleichspannungsquelle im Sinne der vorliegenden Erfindung dar.
Im Ausführungsbeispiel ist der Antriebsmotor 7 eine dreiphasige Synchronmaschine bzw. ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC) mit Permanentmagneten. Wechselspannungen für die Statorwicklung werden dabei mittels eines Inverters 15 bereitgestellt, welcher einen Wechselrichter mit mehreren Transistoren umfasst und mit dem Zwischenkreisknoten 13 gekoppelt ist. Die Wechselspannungen für den Antriebsmotor 7 werden also aus der Zwischenkreisgleichspannung V_ZK bereitgestellt bzw. der Inverter 15 wird mit elektrischer Energie aus dem Zwischenkreiskondensator 12 versorgt. Der Inverter 15 wird dabei durch ein Motorsteuergerät 16 angesteuert. Dieses Motorsteuergerät 16 liegt auf dem Bezugspotenzial 14 und wird mit einer Versorgungsspannung versorgt, welche mittels eines Gleichspannungswandlers 17, beispielsweise eines Schaltnetzteils, aus der Zwischenkreisgleichspannung V_ZK bereitgestellt wird. Diese Versorgungsspannung kann beispielsweise 3,3 V oder 5 V betragen.
Die Ventileinrichtung 6 umfasst vorliegend ein erstes Magnetventil 28 und ein zweites Magnetventil 28’, wobei das zweite Magnetventil 28’ optional vorgesehen ist. Somit kann der Fluss des Fluids in einer ersten Leitung mit dem ersten Magnetventil 28 und der Fluss des Fluids in einer zweiten Leitung mit dem zweiten Magnetventil 28’ gesteuert werden. Alternativ dazu kann der Fluidfluss in der Leitung 5 an zwei unterschiedlichen Stellen mit dem ersten und dem zweiten Magnetventil 28, 28’ gesteuert werden. Das Antriebselement 20 der jeweiligen Magnetventile 28, 28’ ist mit einem Knoten 19 verbunden, auf welchem dasselbe elektrische Potenzial wie auf dem Zwischenkreisknoten 13 anliegt. Das Antriebselement 20 des ersten Magnetventils 28 ist andererseits über einen Knoten 21 sowie über eine Reihenschaltung aus einem ersten und einem zweiten Schaltelement 22, 23 mit dem Bezugspotenzial 14 gekoppelt. Es liegt also eine Reihenschaltung aus dem Antriebselement 20 und den Schaltelementen 22, 23 vor. Eine Freilaufdiode 24 verbindet den Knoten 21 mit dem Knoten 19 und ermöglicht somit einen Stromfluss durch das Antriebselement 20, wenn die Schaltelemente 22, 23 sperren. Das zweite Magnetventil 28’ ist elektrisch mit einem dritten Schaltelement 32 verbunden.
Im Ausführungsbeispiel sind die Schaltelemente 22, 23, 32 als NPN-Bipolartransistoren ausgebildet. Der Kollektor des ersten Schaltelements 22 ist dabei mit dem Knoten 21 verbunden; der Emitter des Schaltelements 22 ist mit dem Kollektor des zweiten Schaltelements 23 über den Knoten 18 verbunden. Der Emitter des zweiten Schaltelements 23 ist mit dem Bezugspotenzial 14 verbunden und liegt somit auf dem Bezugspotenzial 14. Der Emitter des dritten Schaltelements 32 ist mit dem Knoten 18 verbunden und der Kollektor des dritten Schaltelements 32 ist mit dem Knoten 33 verbunden. Der Knoten 33 ist einerseits mit dem Antriebselement 20 des zweiten Magnetventils 28’ und andererseits mit einer weiteren Freilaufdioden 24 elektrisch verbunden.
Zur Ansteuerung der Schaltelemente 22, 23, 32 ist eine Steuereinrichtung 25 in Form eines Mikrocontrollers vorgesehen, welche mit den Basisanschlüssen der Schaltelemente 22, 23, 32 verbunden ist und ebenfalls auf dem Bezugspotenzial 14 liegt. Eine Versorgungsspannung (beispielsweise 3,3 V oder 5 V) für die Steuereinrichtung 25 wird mittels eines Gleichspannungswandlers 26, beispielsweise eines Schaltnetzteils, erzeugt. Optional kann die Steuereinrichtung 25 auch integral mit dem Motorsteuergerät 16 ausgebildet sein, so dass die Steuereinrichtung 25 und das Motorsteuergerät 16 durch eine einzige Steuereinrichtung, insbesondere einen Mikrocontroller, gebildet sind.
Ein Stromfluss I durch das Antriebselement 20 bewirkt, dass das Absperrelement 27 von der Geschlossenstellung in die Offenstellung bewegt wird. Um die aktuelle Stellung des Absperrelements 27 überprüfen zu können, kann in den Magnetventilen 28, 28’ eine Erfassungseinrichtung vorgesehen sein, die mit der Steuereinrichtung 25 gekoppelt ist. Außerdem ist auch ein Knoten 29 zwischen dem Emitter des ersten Schaltelements 22 und dem Kollektor des zweiten Schaltelements 23 mit der Steuereinrichtung 25 gekoppelt, so dass auch ein Stromfluss durch die Schaltelemente 22, 23, 32 und somit die ordnungsgemäße Funktionsweise der Schaltelemente 22, 23, 32 überprüft werden kann. Zwischen die Steuereinrichtung 25 und die Schaltelemente 22, 23, 32 ist jeweils ein Kopplungskondensator C1, C2, C3 geschaltet. Durch die Kopplungskondensatoren C1, C2, C3 kann verhindert werden, dass die Schaltelemente 22, 23, 32 im Fall einer Fehlfunktion durchgehend aktiviert werden.
Das Schaltelement 22 wird durch die Steuereinrichtung 25 mit einer Folge von Ansteuerimpulsen 30 unter Verwendung einer Pulsweitenmodulation angesteuert. Das zweite Schaltelement 23 dient als Sicherheitsschaltelement und kann unabhängig von dem Schaltelement 22 angesteuert werden. Um die Ansteuerung des Antriebselements 20 freizugeben, kann das Sicherheitsschaltelement 23 synchron zum ersten Schaltelement 22 mit einer gleichen Folge von Ansteuerimpulsen oder alternativ mit längeren Impulsen angesteuert werden, so dass das zweite Schaltelement 23 mindestens während der gesamten Dauer der Ansteuerimpulse 30 des ersten Schaltelements 22 geöffnet ist. Alternativ kann das zweite Schaltelement 23 auch konstant durchgeschaltet werden. In letzterem Fall kann der Kopplungskondensator C2 entfallen. Um die Ansteuerung des Antriebselements 20 zu unterbinden und damit das Schalten des Magnetventils 28 zu verhindern, kann das Sicherheitsschaltelement 23 gesperrt werden.
Die Ansteuerung des Sicherheitsschaltelements findet dabei bevorzugt unabhängig von dem Schaltelement 22 durch einen in der Steuereinrichtung 25 realisierten Sicherheitsschaltkreis oder eine Softwarefunktion statt. Damit kann unabhängig von den Funktionsbefehlen für das Absperrelement 27 eine Sicherheitsfunktion realisiert werden.
Das optionale dritte Schaltelement 32 kann synchron zum ersten Schaltelement 22 mit derselben Folge von Ansteuerimpulsen 30 angesteuert werden. Alternativ kann das dritte Schaltelement 32 mit längeren oder kürzeren Impulsenunabhängig von dem ersten Schaltelement 22 angesteuert werden, um das Absperrelement 28‘ separat zu betätigen. In der dargestellten Schaltung unterliegt das zweite Schaltelement 32 jedoch ebenfalls der Freigabe durch dasselbe Sicherheitsschaltelement 23.
Die Ventileinrichtung 6 beinhaltet auch Mittel zur Erfassung des aktuellen Spannungswerts der Zwischenkreisgleichspannung V_ZK. Der aktuelle Spannungswert wird dabei durch die Steuereinrichtung 25 erfasst, welche zu diesem Zwecke beispielsweise einen separaten Messeingang (nicht dargestellt) aufweisen kann, welcher – beispielsweise über einen Spannungsteiler oder einen anderen Gleichspannungswandler – mit dem Zwischenkreisknoten 13 verbunden ist. Ergänzend oder alternativ kann die Erfassung des Spannungswerts der Zwischenkreisgleichspannung V_ZK über einen Versorgungseingang 31 erfolgen, über welchen der Steuereinrichtung 25 die oben genannte Versorgungsspannung zugeführt wird.
Es ist vorgesehen, dass das Tastverhältnis der Ansteuerimpulse 30 und somit die zeitliche Pulslänge der Ansteuerimpulse 30 in Abhängigkeit von dem aktuellen Spannungswert der Zwischenkreisgleichspannung V_ZK eingestellt wird. Dazu erfasst die Steuereinrichtung 25 fortlaufend bzw. kontinuierlich den jeweils augenblicklichen Spannungswert der Zwischenkreisgleichspannung V_ZK und steuert fortlaufend auch die Pulslänge der Ansteuerimpulse 30, welche fortlaufend an das erste Schaltelement 22 abgegeben werden, um das Absperrelement 27 im Betrieb des Haushaltsgeräts 1 fortlaufend in der Offenstellung zu halten. Dabei wird die an das Antriebselement 20 abgegebene elektrische Leistung über die Zeit konstant gehalten, indem die Pulslänge der Ansteuerimpulse 30 abhängig von dem aktuellen Spannungswert der Zwischenkreisgleichspannung V_ZK eingestellt bzw. an den aktuellen Spannungswert angepasst wird. Diese Anpassung sieht derart aus, dass die Pulslänge der Ansteuerimpulse 30 umgekehrt proportional zum Quadrat der Zwischenkreisgleichspannung V_ZK ist.
In 3 ist der Verlauf des Stromflusses I, der durch das Antriebselement 20 fließt, in Abhängigkeit von der Zeit t dargestellt. Zu einem Zeitpunkt T1 wird der Stromfluss I erhöht bis dieser zu einem Zeitpunkt T2 den Anzugsstrom I_A erreicht. Der Anzugsstrom I_A dient zum Bewegen des Absperrelements 27 von der Geschlossenstellung in die Offenstellung. Der Anzugsstrom I_A wird bis zu einem Zeitpunkt T3 an dem Antriebselement 20 angelegt. Nach dem Öffnen der Leitung 5 wird der Stromfluss I durch das Antriebselement 20 reduziert bis dieser zu einem Zeitpunkt T4 einen Haltestrom I_H erreicht. Dadurch, dass das Antriebselement 20 zunächst mit dem Anzugsstrom I_A betrieben wird, kann sichergestellt werden, dass das Magnetventil 28, 28’ zuverlässig öffnet. Wenn das Ventil geöffnet ist, kann die elektrische Stromstärke I auf den Haltestrom I_H reduziert werden. Damit kann verhindert werden, dass das Antriebselement 20 im Betrieb überhitzt wird. Anstelle des Stromflusses I kann auch eine elektrische Spannung, die an dem Antriebselement 20 anliegt, entsprechend angepasst werden.
Die Werte für den Anzugsstrom I_A und den Haltestrom I_H sowie die Zeitpunkte T1, T2, T3 und T4 sind für die jeweilige Ausführungsform des Magnetventils 28, 28’ vorbestimmt. Dabei werden der Anzugsstrom I_A und der Haltestrom I_H in den vorgegebenen Zeitbereichen konstant gehalten, indem die Pulslänge der Ansteuerimpulse 30 abhängig von dem aktuellen Spannungswert der Zwischenkreisgleichspannung V_ZK eingestellt wird. Alternativ zu der Darstellung gemäß 3 kann es auch vorgesehen sein, dass der Anzugsstrom I_A zu vorbestimmten Zeitpunkten mehrmals hintereinander in das Antriebselement 20 eingeprägt wird. Darüber hinaus kann auch der Zeitpunkt, an dem der Anzugsstrom I_A in das Antriebselement 20 eingeprägt wird, verändert werden.
Dadurch, dass das Antriebselement 20 nur für eine vorbestimmte Zeitdauer mit dem Anzugsstrom I_A betrieben wird, kann ein Magnetventils 28, 28’ verwendet werden, dass im Vergleich zu üblicherweise verwendeten Magnetventilen 28, 28’ für geringere elektrische Leistungen ausgelegt ist. Auf diese Weise können Material und Kosten eingespart werden. Zudem kann ein zuverlässiger und energieeffizienter Betrieb der Ventileinrichtung 6 garantiert werden. Weiterhin können Magnetventile 28, 28’ verwendet werden, die für einen Betrieb mit einer Wechselspannung ausgebildet sind.
Bezugszeichenliste

1: Haushaltsgerät
2: Wäschetrommel
3: Gehäuse
4: Drehachse
5: Leitung
6: Ventileinrichtung
7: elektrischer Antriebsmotor
8: Bedieneinrichtung
9, 10: Netzanschluss
11: Gleichrichter
12: Zwischenkreiskondensator
13: Zwischenkreisknoten
14: Bezugspotenzial
15: Inverter
16: Motorsteuergerät
17: Gleichspannungswandler
18: Knoten
19: Knoten
20, 20‘: Antriebselement
21: Knoten
22, 23: Schaltelement
24: Freilaufdiode
25: Steuereinrichtung
26: Gleichspannungswandler
27, 27‘: Absperrelement
28, 28’: Magnetventil
29: Knoten
30: Ansteuerimpulse
31: Versorgungseingang
32: Schaltelement
33: Knoten
C1, C2, C3: Kondensator
I: Stromfluss
I_A: Anzugsstrom
I_H: Haltestrom
L: elektrisches Potenzial
N: elektrisches Potenzial
T1, T2, T3, T4: Zeitpunkt
t: Zeit
U_N: Netzspannung
V_ZK: Zwischenkreisgleichspannung
w: Pulslänge

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2010/0175001 A1 [0004]
US 4838037 A [0006]

Claims

Ventileinrichtung (6) für ein Haushaltsgerät (1), mit: – einem Absperrelement (27) zum Steuern eines Flusses eines Fluids in einer Leitung (5) des Haushaltsgeräts (1), – einem Antriebselement (20) zum Bewegen des Absperrelements (27) von einer Offenstellung, in welcher die Leitung (5) geöffnet ist, in eine Geschlossenstellung, in welcher die Leitung (5) durch das Absperrelement (27) abgesperrt ist, abhängig von einem Stromfluss (I) durch das Antriebselement (20), wobei das Antriebselement (20) mit einer Gleichspannungsquelle (12) elektrisch gekoppelt ist, – zumindest einem mit dem Antriebselement (20) elektrisch gekoppelten Schaltelement (22) zur Steuerung des Stromflusses (I) durch das Antriebselement (20), und – einer Steuereinrichtung (25) zur Ansteuerung des zumindest einen Schaltelements (22, 23), wobei die Steuereinrichtung (25) dazu ausgelegt ist, zur Steuerung des Stromflusses (I) durch das Antriebselement (20) eine Folge von Ansteuerimpulsen (30) an das zumindest eine Schaltelement (22) abzugeben, wobei – die Ventileinrichtung (6) Mittel zum Erfassen eines aktuellen Spannungswerts (V) einer durch die Gleichspannungsquelle (12) bereitgestellten Gleichspannung (V_ZK) aufweist und die Steuereinrichtung (25) dazu ausgelegt ist, eine Pulslänge (w) der Ansteuerimpulse (30) abhängig von dem aktuellen Spannungswert (V) einzustellen, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (25) dazu ausgelegt ist, einen vorbestimmten Anzugsstrom (I_A) zum Bewegen des Absperrelements (27) von der Geschlossenstellung in die Offenstellung bereitzustellen und die Pulslänge (w) der Ansteuerimpulse (30) zum Bereitstellen des Anzugsstroms (I_A) abhängig von dem aktuellen Spannungswert (V) einzustellen.
Ventileinrichtung (6) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (25) dazu ausgelegt ist, einen vorbestimmten Haltestrom (I_H) zum Halten des Absperrelement (27) in der Offenstellung bereitzustellen und die Pulslänge (w) der Ansteuerimpulse (30) zum Bereitstellen des Haltestroms (I_H) abhängig von dem aktuellen Spannungswert (V) einzustellen.
Ventileinrichtung (6) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannungsquelle (12) ein Zwischenkreiskondensator ist, welcher mit einem Ausgang eines Gleichrichters (11), insbesondere eines Vollbrückengleichrichters, gekoppelt ist, der zum Gleichrichten einer Netzspannung (U_N) ausgebildet ist.
Ventileinrichtung (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit derselben Gleichspannungsquelle (12) ein Inverter (15) gekoppelt ist, welcher zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung für einen elektrischen Antriebsmotor (7) des Haushaltsgeräts (1) aus der Gleichspannung (V_ZK) ausgebildet ist.
Ventileinrichtung (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (25) dazu ausgelegt ist, bei einem geringeren Spannungswert (V) der Gleichspannung (V_ZK) eine größere Pulslänge (w) der Ansteuerimpulse (30) als bei einem höheren Spannungswert (V) einzustellen.
Ventileinrichtung (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (25) dazu ausgelegt ist, die Pulslänge (w) umgekehrt proportional zum Quadrat des Spannungswerts (V) einzustellen.
Ventileinrichtung (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Steuereinrichtung (25) eine Lookup-Tabelle abgelegt ist, welche die Abhängigkeit der Pulslänge (w) von der Gleichspannung (V_ZK) angibt, wobei die Steuereinrichtung (25) dazu ausgelegt ist, die Pulslänge (w) unter Verwendung der Lookup-Tabelle einzustellen.
Ventileinrichtung (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu dem zumindest einen Schaltelement (22) zumindest ein weiteres Schaltelement (23) mit dem Antriebselement (20) gekoppelt ist und die Steuereinrichtung (25) dazu ausgelegt ist, zumindest während der Ansteuerimpulse (30) des zumindest einen Schaltelements (22) das zumindest eine weitere Schaltelement (23) zu öffnen.
Ventileinrichtung (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (25) dazu ausgelegt ist, eine aktuelle Phasenlage einer Netzspannung (U_N) zu erfassen und die Folge der Ansteuerimpulse (30) abhängig von der Phase der Netzspannung (U_N) zu erzeugen.
Haushaltsgerät (1), insbesondere zur Pflege von Wäschestücken, mit einer Leitung (5) und mit einer Ventileinrichtung (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zum Steuern eines Flusses eines Fluids in einer Leitung (5) eines Haushaltsgeräts (1) mithilfe eines Absperrelements (27), welches abhängig von einem Stromfluss (I) durch ein Antriebselement (20) von einer Offenstellung, in welcher die Leitung (5) geöffnet ist, in eine Geschlossenstellung bewegt wird, in welcher die Leitung (5) durch das Absperrelement (27) abgesperrt wird, wobei das Antriebselement (20) mit einer Gleichspannung (V_ZK) einer Gleichspannungsquelle (12) beaufschlagt wird und der Stromflusses (I) durch das Antriebselement (20) mittels zumindest eines Schaltelements (22) gesteuert wird, welches mittels einer Steuereinrichtung (25) mit einer Folge von Ansteuerimpulsen (30) angesteuert wird, wobei ein aktueller Spannungswert (V) der Gleichspannung (V_ZK) erfasst wird und eine Pulslänge (w) der Ansteuerimpulse (30) durch die Steuereinrichtung (25) abhängig von dem aktuellen Spannungswert (V) eingestellt wird dadurch gekennzeichnet, dass mit der Steuereinrichtung (25) ein vorbestimmter Anzugsstrom (I_A) zum Bewegen des Absperrelements (27) von der Geschlossenstellung in die Offenstellung bereitgestellt wird und die Pulslänge (w) der Ansteuerimpulse (30) zum Bereitstellen des Anzugsstroms (I_A) abhängig von dem aktuellen Spannungswert (V) eingestellt wird.