Una válvula solenoide es una válvula operada electromecánicamente .
Las válvulas solenoides difieren en las características de la corriente eléctrica que utilizan, la fuerza del campo magnético que generan, el mecanismo que utilizan para regular el fluido y el tipo y las características del fluido que controlan. El mecanismo varía desde actuadores de acción lineal y tipo émbolo hasta actuadores de armadura pivotante y actuadores de balancín. La válvula puede utilizar un diseño de dos puertos para regular un flujo o utilizar un diseño de tres o más puertos para cambiar los flujos entre puertos. Se pueden colocar varias válvulas solenoides juntas en un colector .
Las electroválvulas son los elementos de control más utilizados en el campo de los fluidos . Su función es cerrar, liberar, dosificar, distribuir o mezclar fluidos. Se encuentran en muchas áreas de aplicación. Las electroválvulas ofrecen una conmutación rápida y segura, una alta fiabilidad, una larga vida útil, una buena compatibilidad con los medios de los materiales utilizados, un bajo consumo de control y un diseño compacto.
Existen muchas variaciones en el 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 , entonces los puertos están aislados. Si la válvula está abierta cuando el solenoide no está energizado, entonces la válvula se denomina normalmente abierta (NO). De manera similar, si la válvula está cerrada cuando el solenoide no está energizado, entonces la válvula se denomina normalmente cerrada (NC). [1] También hay diseños de 3 vías y más complicados. [2] 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 solenoide pequeño puede generar una fuerza limitada. Una relación aproximada entre la fuerza de solenoide requerida F s , la presión del fluido P y el área del orificio A para una válvula solenoide de acción directa es: [3]
Donde d es el diámetro del orificio. Una fuerza de solenoide típica podría ser 15 N (3,4 lbf ) . Una aplicación podría ser un gas de baja presión (por ejemplo, 10 psi (69 kPa)) con un diámetro de orificio pequeño (por ejemplo, 3 ⁄ 8 in (9,5 mm) para un área de orificio de 0,11 in 2 (7,1 × 10 −5 m 2 ) 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 NO) o permitir el flujo (si es NC). 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 relación con otros tipos de válvulas solenoides. [4]
Si la presión del fluido es alta 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 . [1] Este diseño utiliza el fluido presurizado en sí mismo para aplicar las fuerzas necesarias para accionar la válvula, con el solenoide como un "piloto" que dirige 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 funcionarán en absoluto sin suficiente presión de fluido y son más susceptibles a obstruirse si el fluido tiene impurezas sólidas. [4]
Una válvula solenoide de acción directa normalmente opera en 5 a 10 milisegundos. Las válvulas operadas por piloto son ligeramente más lentas; dependiendo de su tamaño, los valores típicos varían de 15 a 150 milisegundos. [2]
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 válvula de rociador popular de 3 ⁄ 4 pulgadas y 150 psi, diseñada para sistemas residenciales de 24 V CA (50-60 Hz), tiene una entrada momentánea de 7,2 VA y un requisito de potencia de retención de 4,6 VA. [5] Comparativamente, una válvula industrial de 1 ⁄ 2 pulgada y 10 000 psi, diseñada para sistemas de 12, 24 o 120 V CA en aplicaciones criogénicas y de fluidos de alta presión, tiene una entrada de 300 VA y una potencia de retención de 22 VA. [6] Ninguna válvula enumera una presión mínima requerida para permanecer cerrada en el estado sin energía.
Si bien existen múltiples variantes de diseño, a continuación se presenta un desglose detallado de una válvula solenoide operada por piloto típica. Pueden utilizar sellos de metal o sellos de goma, y también pueden tener interfaces eléctricas para permitir un control fácil.
El diagrama de la derecha muestra el diseño de una válvula básica, que controla el flujo de agua en este ejemplo. La mitad superior muestra la válvula en su estado cerrado. Una corriente de entrada de agua presurizada entra en A. B es un diafragma elástico y encima de él hay un resorte que lo empuja hacia abajo. El diafragma tiene un orificio en el centro que permite que fluya una cantidad muy pequeña de agua. Esta agua llena la cavidad C, de modo que la presión es aproximadamente igual en ambos lados del diafragma. Sin embargo, el agua presurizada en la cavidad C actúa a través de un área mucho mayor del diafragma que el agua en la entrada A. De la ecuación , la fuerza de la cavidad C que empuja hacia abajo es mayor que la fuerza de la entrada A que empuja hacia arriba, y el diafragma permanece cerrado.
El diafragma B permanecerá cerrado mientras el pequeño paso de drenaje D permanezca bloqueado por un pasador, que es controlado por el solenoide E. En una válvula normalmente cerrada, suministrar una corriente eléctrica al solenoide elevará el pasador mediante fuerza magnética, y el agua en la cavidad C se drena a través del paso D más rápido de lo que el orificio del pasador puede rellenarlo. Menos agua en la cavidad C significa que la presión en ese lado del diafragma cae, cayendo proporcionalmente también la fuerza. Con la fuerza descendente de la cavidad C ahora menor que la fuerza ascendente de la entrada A , el diafragma es empujado hacia arriba, abriendo así la válvula. El agua ahora fluye libremente de A a F. Cuando el solenoide se desactiva y el paso D se cierra, el agua una vez más se acumula en la cavidad C , cerrando el diafragma una vez que la fuerza descendente 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 por un resorte, el paso D está abierto y la cavidad C nunca puede llenarse lo suficiente, lo que abre el diafragma B y permite un flujo sin obstrucciones. Al suministrar una corriente eléctrica al solenoide, el pasador se empuja a una posición cerrada, lo que bloquea el paso D , lo que permite que el agua se acumule en la cavidad C y, en última instancia, cierra el diafragma B.
De esta manera, una válvula solenoide operada por piloto puede conceptualizarse como dos válvulas que trabajan juntas: una válvula solenoide de acción directa que funciona como el "cerebro" para dirigir el "músculo" de una válvula principal mucho más poderosa que se activa neumática o hidráulicamente . Es por eso que las válvulas operadas por piloto no funcionarán sin una diferencia de presión suficiente entre la entrada y la salida, el "músculo" debe ser lo suficientemente fuerte como para empujar contra el diafragma y abrirlo. Si la presión en la salida aumenta por encima de la de la entrada, la válvula se abriría independientemente del estado del solenoide y la válvula piloto.
Los diseños de válvulas solenoides tienen muchas variaciones y desafíos.
Componentes comunes de una válvula solenoide: [7] [8] [9] [10]
El núcleo o émbolo es el componente magnético que se mueve cuando se activa el solenoide. 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 está activada, los resortes mantendrán el núcleo en su posición normal.
La tuerca del conector también es coaxial.
El tubo central contiene y guía el núcleo. También retiene la tuerca de obturación y puede sellar el fluido. Para optimizar el movimiento del núcleo, el tubo central debe ser no magnético. Si el tubo central fuera magnético, ofrecería una ruta de derivación para las líneas de campo. [11] En algunos diseños, el tubo central es una carcasa metálica cerrada producida por embutición profunda . Este diseño simplifica los problemas de sellado porque el fluido no puede escapar del recinto, pero el diseño también aumenta la resistencia de la ruta magnética porque la ruta magnética debe atravesar el espesor del tubo central dos veces: una vez cerca de la tuerca de obturación y otra cerca del núcleo. En algunos otros diseños, el tubo central no está cerrado sino que es un tubo abierto que se desliza sobre un extremo de la tuerca de obturación. Para retener la tuerca de obturación, el tubo puede estar engarzado a la tuerca de obturación. Un sello de junta tórica entre el tubo y la tuerca de obturación evitará que el fluido 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 resina epoxi. La bobina también tiene un marco de hierro que proporciona una baja resistencia a la trayectoria magnética.
El cuerpo de la válvula debe ser compatible con el fluido; los materiales comunes son latón, acero inoxidable, aluminio y plástico. [12]
Los sellos deben ser compatibles con el fluido.
Para simplificar los problemas de sellado, la tuerca del tapón, 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 del núcleo debe ser no magnético para pasar el campo del solenoide a través de la tuerca del tapón y el núcleo. La tuerca del tapón 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 tanto magnéticas como no magnéticas. [13] Por ejemplo, una válvula solenoide puede usar acero inoxidable 304 para el cuerpo, acero inoxidable 305 para el tubo del núcleo, acero inoxidable 302 para los resortes y acero inoxidable 430 F (un acero inoxidable magnético [14] ) para el núcleo y la tuerca del tapón. [1]
Son posibles muchas variaciones de la válvula básica unidireccional de un solenoide descrita anteriormente:
Las válvulas solenoides se utilizan en sistemas neumáticos e hidráulicos de potencia fluida para controlar cilindros, motores de potencia fluida o válvulas industriales de mayor tamaño. 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 en la máquina. También se utilizan a menudo en los gatillos de las pistolas de paintball para accionar la válvula de percutor de CO2 . Las válvulas solenoides suelen denominarse 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 calibración y prueba, circuitos de control de plantas piloto, sistemas de control de procesos y varias aplicaciones de fabricantes de equipos originales. [15]
En 1910, ASCO Numatics se convirtió en la primera empresa en desarrollar y fabricar la válvula solenoide. [16] [17]
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