Válvula de solenoide

Una válvula solenoide es una válvula operada electromecánicamente.

Las válvulas solenoides difieren en las características de la corriente eléctrica que utilizan, la intensidad del campo magnético que generan, el mecanismo que utilizan para regular el fluido y el tipo y características del fluido que controlan. El mecanismo varía desde actuadores de acción lineal tipo émbolo hasta actuadores de armadura pivotante y actuadores basculantes. La válvula puede usar un diseño de dos puertos para regular un flujo o usar un diseño de tres o más puertos para cambiar flujos entre puertos. Se pueden colocar varias válvulas solenoides juntas en un colector.

Las válvulas solenoides son los elementos de control más utilizados en fluídica. Sus tareas son cerrar, liberar, dosificar, distribuir o mezclar fluidos. Se encuentran en muchas áreas de aplicación. Los solenoides ofrecen conmutación rápida y segura, alta confiabilidad, larga vida útil, buena compatibilidad media de los materiales utilizados, baja potencia de control y diseño compacto.

Operación

Hay muchas variaciones de diseño de válvulas. Las válvulas comunes pueden tener muchos puertos y rutas de fluido. Una válvula de 2 vías, por ejemplo, tiene 2 puertos; si la válvula está abierta, entonces los dos puertos están conectados y el fluido puede fluir entre los puertos; si la válvula está cerrada, los puertos están aislados. Si la válvula está abierta cuando el solenoide no está energizado, entonces la válvula se denomina normalmente abierta (N.A.). De manera similar, si la válvula está cerrada cuando el solenoide no está energizado, entonces la válvula se denomina normalmente cerrada (N.C.). También hay diseños de 3 vías y más complicados. Una válvula de 3 vías tiene 3 puertos; conecta un puerto a cualquiera de los otros dos puertos (normalmente un puerto de suministro y un puerto de escape).

Las válvulas solenoides también se caracterizan por su funcionamiento. Un pequeño solenoide puede generar una fuerza limitada. Una relación aproximada entre la fuerza requerida del solenoide F_s, la presión del fluido P y el área del orificio A para una válvula solenoide de acción directa es:

Fs=PAlternativa Alternativa A=Pπ π d2/4{displaystyle F_{s}=P*A=Ppi d^{2}/4

Donde d es el diámetro del orificio. Una fuerza típica de un solenoide podría ser de 15 N (3,4 lb_f). Una aplicación podría ser un gas de baja presión (p. ej., 10 psi (69 kPa)) con un diámetro de orificio pequeño (p. ej., 3⁄8 pulgadas (9,5 mm) para un área de orificio de 0,11 pulgadas² (7,1 ×10⁻⁵ m²) y una fuerza aproximada de 1,1 lbf (4,9 N)).

Si la fuerza requerida es lo suficientemente baja, el solenoide puede accionar directamente la válvula principal. Estas se denominan simplemente válvulas solenoides de acción directa. Cuando se suministra electricidad, la energía eléctrica se convierte en energía mecánica, moviendo físicamente una barrera para obstruir el flujo (si es N.O.) o permitir el flujo (si es N.C.). A menudo se utiliza un resorte para devolver la válvula a su posición de reposo una vez que se corta la energía. Las válvulas de acción directa son útiles por su simplicidad, aunque requieren una gran cantidad de energía en comparación con otros tipos de válvulas solenoides.

Si las presiones del fluido son altas y el diámetro del orificio es grande, es posible que un solenoide no genere suficiente fuerza por sí solo para accionar la válvula. Para resolver esto, se puede utilizar un diseño de válvula solenoide operada por piloto. Este diseño utiliza el propio fluido presurizado para aplicar las fuerzas necesarias para accionar la válvula, con el solenoide como "piloto" dirigir el fluido (consulte la subsección siguiente). Estas válvulas se utilizan en lavavajillas, sistemas de riego y otras aplicaciones donde se desean grandes presiones y/o volúmenes. Los solenoides operados por piloto tienden a consumir menos energía que los de acción directa, aunque no funcionan en absoluto sin suficiente presión de fluido y son más susceptibles a obstruirse si el fluido tiene impurezas sólidas.

Una válvula solenoide de acción directa normalmente funciona en 5 a 10 milisegundos. Las válvulas operadas por piloto son ligeramente más lentas; Dependiendo de su tamaño, los valores típicos oscilan entre 15 y 150 milisegundos.

El consumo de energía y los requisitos de suministro del solenoide varían según la aplicación y están determinados principalmente por la presión del fluido y el diámetro del orificio. Por ejemplo, una popular válvula de aspersor de 3⁄4pulgadas y 150 psi , diseñado para sistemas residenciales de 24 VCA (50–60 Hz), tiene una irrupción momentánea de 7,2 VA y un requisito de potencia de mantenimiento de 4,6 VA. Comparativamente, una válvula industrial de 1⁄2pulgadas de 10,000 psi, destinada Para sistemas de 12, 24 o 120 VCA en aplicaciones criogénicas y de fluidos a alta presión, tiene una irrupción de 300 VA y una potencia de retención de 22 VA. Ninguna válvula indica una presión mínima requerida para permanecer cerrada en el estado sin energía.

Operado por piloto

Si bien existen múltiples variantes de diseño, a continuación se muestra un desglose detallado de una válvula solenoide operada por piloto típica. Pueden usar sellos metálicos o sellos de goma y también pueden tener interfaces eléctricas para permitir un control sencillo.

El diagrama a la derecha muestra el diseño de una válvula básica, controlando el flujo de agua en este ejemplo. La mitad superior muestra la válvula en su estado cerrado. Un flujo de entrada de agua presurizada entra en A. B es un diafragma elástico y por encima es un manantial empujando hacia abajo. El diafragma tiene un agujero a través de su centro que permite que una cantidad muy pequeña de agua fluya a través. Este agua llena la cavidad C para que la presión sea aproximadamente igual en ambos lados del diafragma. Sin embargo, el agua presurizada en cavidad C actúa a través de un área mucho mayor del diafragma que el agua en la entrada A. De la ecuación F=PAlternativa Alternativa A{displaystyle F=P*A}, la fuerza de cavidad C empujar hacia abajo es mayor que la fuerza de la entrada A empujando hacia arriba, y el diafragma permanece cerrado.

El diafragma B permanecerá cerrado mientras el pequeño conducto de drenaje D permanezca bloqueado por un pasador, que está controlado por el solenoide E. En una válvula normalmente cerrada, al suministrar una corriente eléctrica al solenoide se elevará el pasador mediante fuerza magnética y el agua de la cavidad C se drena a través del conducto D más rápido que el orificio. puede recargarlo. Menos agua en la cavidad C significa que la presión en ese lado del diafragma cae, lo que proporcionalmente también disminuye la fuerza. Ahora que la fuerza hacia abajo de la cavidad C es menor que la fuerza hacia arriba de la entrada A, el diafragma se empuja hacia arriba, abriendo así la válvula. El agua ahora fluye libremente de A a F. Cuando se desactiva el solenoide y se cierra el paso D, el agua se vuelve a acumular en la cavidad C, cerrando el diafragma una vez que la fuerza hacia abajo ejercida es lo suficientemente grande.

Este proceso es el opuesto para una válvula operada por piloto normalmente abierta. En ese caso, el pasador se mantiene abierto naturalmente mediante un resorte, el pasaje D está abierto y la cavidad C nunca puede llenarse lo suficiente, empujando el diafragma para abrirlo. B y permitiendo un flujo sin obstrucciones. Al suministrar una corriente eléctrica al solenoide, se empuja el pasador a una posición cerrada, bloqueando el paso D, permitiendo que el agua se acumule en la cavidad C y, finalmente, cerrando el diafragma B.

De esta manera, se puede conceptualizar una válvula solenoide operada por piloto como dos válvulas que trabajan juntas: una válvula solenoide de acción directa que funciona como el "cerebro" para dirigir el "musculo" de una válvula principal mucho más potente que se realiza neumática o hidráulicamente. Es por eso que las válvulas operadas por piloto no funcionarán sin una diferenciación de presión suficiente entre entrada y salida, el "musculo" necesita ser lo suficientemente fuerte para empujar hacia atrás contra el diafragma y abrirlo. Si la presión en el aumento de salida por encima de la entrada, la válvula se abriría independientemente del estado de la válvula solenoide y piloto.

Componentes

Los diseños de válvulas Solenoid tienen muchas variaciones y desafíos.

Componentes comunes de una válvula solenoide:

• Solenoid subassembly
  • Retención de clip (a.k.a. clip de bobina)
  • Bobina Solenoide (con vía de retorno magnético)
  • Tubo de núcleo (a.k.a. tubo de armadura, tubo de émbolo, tubo de válvula solenoide, manga, montaje guía)
  • Enchufe (a.k.a. núcleo fijo)
  • Coil de afeitado (a.k.a. anillo de afeitado)
  • Manantial básico (a.k.a. contra primavera)
  • Core (a.k.a. plunger, armature)
• Tubo de núcleo–bón
• Bonnet (a.k.a. cover)
• Bonnet – diafragma – sello corporal
• Primavera colgante
• Backup washer
• Diafragma
  • Agujero colgado
• Disk
• Cuerpo de válvula
  • Asiento

El núcleo o el émbolo es el componente magnético que se mueve cuando el solenoide es energizado. El núcleo es coaxial con el solenoide. El movimiento del núcleo hará o romperá los sellos que controlan el movimiento del fluido. Cuando la bobina no esté energizada, los muelles mantendrán el núcleo en su posición normal.

La tuerca también es coaxial.

El tubo central contiene y guía el núcleo. También conserva el tapón y puede sellar el líquido. Para optimizar el movimiento del núcleo, el tubo central necesita ser no magnético. Si el tubo del núcleo fuera magnético, entonces ofrecería un camino de punta para las líneas de campo. En algunos diseños, el tubo central es una cáscara de metal cerrada producida por el dibujo profundo. Tal diseño simplifica los problemas de sellado porque el fluido no puede escapar del recinto, pero el diseño también aumenta la resistencia del camino magnético porque el camino magnético debe atravesar el espesor del tubo del núcleo dos veces: una vez cerca del tapón y una vez cerca del núcleo. En algunos otros diseños, el tubo de núcleo no está cerrado sino un tubo abierto que se desliza sobre un extremo del tapón. Para retener el tapón, el tubo puede ser reprimido al tapón. Un sello O-ring entre el tubo y el tapón evitará que el fluido se escape.

La bobina del solenoide consta de muchas vueltas de alambre de cobre que rodean el tubo central e inducen el movimiento del núcleo. La bobina suele estar encapsulada en epoxi. La bobina también tiene una estructura de hierro que proporciona una baja resistencia al camino magnético.

Materiales

El cuerpo de la válvula debe ser compatible con el fluido; Los materiales comunes son latón, acero inoxidable, aluminio y plástico.

Los sellos deben ser compatibles con el fluido.

Para simplificar los problemas de sellado, la tuerca obturadora, el núcleo, los resortes, el anillo de sombreado y otros componentes a menudo están expuestos al fluido, por lo que también deben ser compatibles. Los requisitos presentan algunos problemas especiales. El tubo central debe ser no magnético para pasar el campo del solenoide hasta la tuerca y el núcleo. La tuerca y el núcleo necesitan un material con buenas propiedades magnéticas, como el hierro, pero el hierro es propenso a la corrosión. Se pueden utilizar aceros inoxidables porque vienen en variedades magnéticas y no magnéticas. Por ejemplo, una válvula solenoide puede usar acero inoxidable 304 para el cuerpo, acero inoxidable 305 para el tubo central, acero inoxidable 302 para los resortes y acero inoxidable 430 F (un acero inoxidable magnético) para el núcleo y la tuerca macho.

Tipos

Son posibles muchas variaciones en la válvula básica, unidireccional y de un solo solenoide descrita anteriormente:

• válvulas de uno o dos suelas;
• corriente directa o corriente alterna potenciada;
• diferentes formas y posiciones;

Usos comunes

Las válvulas solenoides se utilizan en sistemas neumáticos e hidráulicos de potencia fluida, para controlar cilindros, motores de potencia fluida o válvulas industriales más grandes. Los sistemas de riego automático por aspersión también utilizan válvulas solenoides con un controlador automático. Las lavadoras y lavavajillas domésticos utilizan válvulas solenoides para controlar la entrada de agua a la máquina. También se utilizan a menudo en disparadores de pistolas de paintball para accionar la válvula de martillo de CO₂. Las válvulas solenoides generalmente se denominan simplemente "solenoides".

Las válvulas solenoides se pueden utilizar para una amplia gama de aplicaciones industriales, incluido el control general de encendido y apagado, bancos de pruebas y calibración, circuitos de control de plantas piloto, sistemas de control de procesos y diversas aplicaciones de fabricantes de equipos originales.

Historia y desarrollo comercial

En 1910, ASCO Numatics se convirtió en la primera empresa en desarrollar y fabricar la válvula solenoide.