DE102007023659B4

DE102007023659B4 - Ventil

Info

Publication number: DE102007023659B4
Application number: DE200710023659
Authority: DE
Inventors: Rolf Dr. Graf
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2007-05-22
Filing date: 2007-05-22
Publication date: 2009-06-10
Anticipated expiration: 2027-05-23
Also published as: DE102007023659A1

Abstract

Ventil, insbesondere Rückschlagventil, mit einem Zuführkanal, der über einen Ventilsitz in eine Ventilkammer mündet, die mit einem Abführkanal verbunden ist, mit einem Ventilglied, das zum Verschließen des Ventildurchgangs vom Zuführkanal zum Abführkanal auf dem Ventilsitz aufsetzbar und bei Überschreiten eines bestimmten Drucks im Zuführkanal von dem Druck im Zuführkanal entgegen der Schließkraft einer Schließfeder vom Ventilsitz abhebbar ist, wobei die Schließfeder mit ihrem einen Ende fest angeordnet ist und mit ihrem anderen Ende das Ventilglied beaufschlagt, wobei wenigstens ein durch einen Magneten erzeugter Magnetkreis vorhanden ist, durch den in der Schließstellung des Ventilgliedes eine erhöhte Schließkraft auf das Ventilglied einwirkbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfelder zumindest zweier Magnete (11, 14) entgegengerichtet sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Ventil, insbesondere Rückschlagventil, mit einem Zuführkanal, der über einen Ventilsitz in eine Ventilkammer mündet, die mit einem Abführkanal verbunden ist, mit einem Ventilglied, das zum Verschließen des Ventildurchgangs vom Zuführkanal zum Abführkanal auf dem Ventilsitz aufsetzbar und bei Überschreiten eines bestimmten Drucks im Zuführkanal von dem Druck im Zuführkanal entgegen der Schließkraft einer Schließfeder vom Ventilsitz abhebbar ist, wobei die Schließfeder mit ihrem einen Ende fest angeordnet ist und mit ihrem anderen Ende das Ventilglied beaufschlagt, wobei wenigstens ein durch einen Magneten erzeugter Magnetkreis vorhanden ist, durch den in der Schließstellung des Ventilgliedes eine erhöhte Schließkraft auf das Ventilglied einwirkbar ist.
Bei Ventilen ist es bekannt, dass das Ventilglied durch die Schließkraft der Schließfeder auf den Ventilsitz gedrückt wird. Bei Überschreiten eines bestimmten Drucks im Zuführkanal wird die Schließkraft der vorgespannten Schließfeder überwunden und das Ventilglied vom Ventilsitz abgehoben. Bei Unterschreiten des bestimmten Drucks wird das Ventilglied von der Schließfeder wieder auf den Ventilsitz gepresst.
Beim Öffnen des Ventils wird der von dem Ventilglied freigegebene Querschnitt bei inkompressiblem Fluid mit steigendem Durchfluss größer. Um diesen größeren Querschnitt zu erzielen, muss die Druckfeder stärker komprimiert werden. Dazu muss die durch das Fluid auf das Ventilglied wirkende Kraft zunehmen. Das bedeutet, dass die Druckdifferenz zwischen Zuführkanal und Abführkanal zunimmt. Diese Zunahme der Druckdifferenz ist oft nicht erwünscht.
Gewünscht wird ein Druckabfall von möglichst Null für beliebige Durchflussmengen und im geschlossenen Zustand des Ventils eine Leckage von Null.
Der Druckabfall in Strömungsrichtung hängt wesentlich von der Kraft der Schließfeder ab. Diese Kraft nimmt beim Öffnen des Ventils linear oder nicht linear zu.
Das bedeutet, dass die Federkraft mit steigender Einfederung zunimmt. Es bedeutet aber auch, dass die Schließkraft, mit der das Ventilglied auf den Ventilsitz zu beaufschlagt wird, bei geschlossenem Ventil am geringsten ist.
Dies kann dazu führen, dass das Ventil auch bei Druckbeaufschlagung in Öffnungsrichtung, welche geringer ist als der bestimmte Öffnungsdruck, bereits Mikroleckagen aufweist. Die Ursache einer Mikroleckage ist u. a. eine nicht hinreichende elastische Verformung der gesamten Kontaktfläche zwischen Ventilglied und Ventilsitz. Eine solche Deformation der gesamten Kontaktfläche ist aber bei jedem Schließvorgang notwendig. Tritt sie nicht ein, bleiben mikroskopische Spalte, die dann zur entsprechenden Leckage führen.
Wird das Ventil mit einem nur geringen Druck in Sperrrichtung betrieben, kann es entsprechend ebenso zu Mikroleckagen in Rückströmrichtung kommen.
Um die Mikroleckagen zu minimieren, müsste die Federkraft der Schließfeder erhöht werden, was wiederum den Druckabfall in Durchflussrichtung erhöhen würde.
Aus der DE 100 11 674 A1 , der DE 10 2006 006 627 B3 , der WO 98/57082 A1 , der WO 2007/1044744 A1 und der DE 2 043 252 A ist ein Ventil der eingangs genannten Art bekannt.
Aus der EP 1 229 277 A1 ist ein Ventil zur Fluidsteuerung bekannt, das eine elektromagnetisch umschaltbare Ventilscheibe aufweist, die bei einem Schaltvorgang eine Kippbewegung ausführt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Ventil der eingangs genannten Art zu schaffen, das eine Reduzierung und eine Erhöhung der Schliesskraft ermöglicht und durch das ohne Steigung des Druckabfalls in Durchflussrichtung im geschlossenen Zustand Mikroleckagen zumindest weitgehend vermieden werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Magnetfelder zumindest zweier Magnete entgegengerichtet sind.
Durch diese Ausbildung kann bei Wirksamkeit nur des einen Magneten eine erhöhte Schließkraft und bei Wirksamkeit beider Magnete eine Reduzierung der zusätzlichen Schließkraft erreicht werden.
Dabei wirkt in der Schließstellung zu der in dieser Position ihre geringste Kraft in Schließrichtung aufweisenden Schließfeder zusätzlich noch die Kraft eines Magneten, so dass das Ventilglied mit erhöhter Kraft gegen den Ventilsitz beaufschlagt ist und so Mikroleckagen vermieden werden. Mit Abheben des Ventilgliedes vom Ventilsitz reduziert sich bereits nach einem kurzen Öffnungshub des Ventilglieds die auf das Ventilglied einwirkende Magnetkraft bis zumindest weitgehend auf Null, so dass bei dem weiteren Öffnungshub nur noch die Schließfeder mit moderater Kraft auf das Ventilglied wirkt.
Da die Federkraft moderat ausgelegt werden kann, ist auch der Druckabfall in Durchflussrichtung des Ventils auf einem geringen Niveau.
Sind dabei die Magnetfelder der beiden Magnete gleichgroß, so neutralisieren sich dann die Magnetkräfte.
Eine solche Ausbildung ist dann von Vorteil, wenn die nicht-lineare Kennlinie aus Magnetkreis und mechanischer Schließfe der nicht zu jedem Zeitpunkt erwünscht ist. Die Nichtlinearität kann z. B. dann unerwünscht sein, wenn sie das Auftreten von Schwingungen im Ventil begünstigen kann. Dies kann bei geringer Dämpfung des Feder-Masse-Systems aus Ventilglied, mechanischer Schließfeder und Magnetkraft eintreten.
Durch Nutzung der magnetischen Feldkraft eines Dauermagnetfeldes nur in den Zeiten, zu denen die erhöhten Schließkräfte durch die Magnetfeldkräfte auch wirklich benötigt werden, ist dieses Problem lösbar.
Dies ist z. B. der Fall, wenn ein System in einem Ruhezustand eine Druckhaltefunktion durch das Ventil benötigt und somit auf die Schließkräfte zur Verbesserung der Dichtheit angewiesen ist. Im aktiven Zustand kann die Dichtheit dann von untergeordneter Bedeutung und die magnetische Feldkraft verzichtbar sein.
Zumindest einer der Magnete kann ein Dauermagnet oder auch ein Elektromagnet sein, wobei die Feldkräfte des Dauermagnets in Schließrichtung gerichtet sind.
Ohne das Erfordernis aufwendiger und/oder zusätzlicher Bauteile können durch den Magnetkreis oder durch die Magnetkreise auf das einen magnetisch leitfähigen oder einen magnetisierten Werkstoff enthaltende Ventilglied oder auf ein am Ventilglied angeordnetes Bauteil in Schließrichtung gerichtete Magnetkräfte einwirkbar sein.
Zu einem geringen Bauraumbedarf führt es, wenn der Ventilsitz den Magnet bildet, wobei sein Magnetkreis auf das einen magnetisch leitfähigen oder einen magnetisierten Werkstoff enthaltende Ventilglied in Schließrichtung einwirkbar ist.
In einfacher, keine bestimmte Einbaulage erfordernder Ausbildung kann das Ventilglied kugelförmig ausgebildet sein.
Es ist aber auch möglich, dass das Ventilglied plattenförmig ausgebildet ist.
Um die Dichtwirkung noch weiter zu erhöhen, kann die an dem Ventilsitz anlegbare Oberfläche des Ventilglieds und/oder die Oberfläche des Ventilsitzes, an der das Ventilglied anlegbar ist, aus einem elastischen Werkstoff bestehen.
Zum Einstellen der Höhe der auf das Ventilglied einwirkenden Magnetkraft, wie z. B. zum Kalibrieren des Ventils, kann zumindest einer der Magnete axial zum Ventilsitz verstellbar sein.
Bei Verwendung eines Elektromagneten lässt sich dessen Magnetkraftkennlinie und der erforderliche Öffnungsdruck des Ventils zusätzlich dynamisch verändern.
Sind die Magnetfelder mehrerer Magnete gleichgerichtet, kann die Magnetkraft der einzelnen Magnete verringert werden.
Damit erhält man ein schaltbares Magnetsystem, das in Ruhezeiten keine Energieaufnahme erfordert, aber bei Benötigung die erforderlichen Feldkräfte auf das Ventilglied zur Verfügung stellt.
Dies ist insbesondere bei Systemen mit temporärer Batterieversorgung wie z. B. in Kraftfahrzeugen von Vorteil, bei denen im Betrieb der dann vorhandene Energieverbrauch durch den Elektromagneten nur eine untergeordnete Rolle spielt, da dann die Lichtmaschine die Energieversorgung übernimmt.
In einfacher Ausbildung ist die Schließfeder eine Druckfeder, insbesondere eine Schraubendruckfeder.
Ein nur geringer Bauraum ist erforderlich, wenn einer oder mehrere der Magnete ringförmig ausgebildet sind und den Bereich des Zuführkanals und/oder den Bereich der Ventilkammer und/oder den Bereich des Abführkanals umschließen.
Ist die Spule des Elektromagneten in Abhängigkeit von der Position des Ventilglieds bestrombar, so ist eine aktive Bedämpfung des Ventilglieds bei durchströmtem Ventil möglich, so dass mechanische Schwingungen im Ventil unterdrückt werden können.
Dazu kann die Position des Ventilglieds von einer Sensorik erfassbar und ein entsprechendes Positionssignal einer Ansteuerelektronik des Elektromagneten zugeführt sein, wobei durch die Ansteuerelektronik die Bestromung der Spule des Elektromagneten entsprechend in Richtung und Stärke ansteuerbar ist, wobei die Spule des Elektromagneten mit gegenüber der mechanischen Zeitkonstante des zumindest aus Ventil und Druckfeder bestehenden Schließsystems geringeren Taktzeiten getaktet bestrombar sein kann und die Spule ein Sensorelement der Sensorik bildet, von dem in den Bestromungspausen die Position des Ventilglieds erfassbar ist.
Die Position kann entsprechend der Impedanz der Spule oder aber entsprechend der Induktionsspannung an der Spule erfassbar sein.
Ausführungsbeispiele sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Ventils nach dem Stand der Technik im Schnitt,
2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Ventils nach dem Stand der Technik im Schnitt,
3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Ventils im Schnitt,
4 ein Diagramm der auf das Ventilglied einwirkenden Kraft über den Weg des Ventilgliedes des Ventils nach den 1 und 2.
Die dargestellten Ventile sind Rückschlagventile insbesondere für ein hydraulisches Fluid, mit einem zylindrischen Ventilgehäuse 1, das eine Ventilkammer 2 aufweist.
An einer Seite des Ventilgehäuses 1 ist ein zylindrischer Einlassstutzen 3 angeordnet, durch den ein Zuführkanal 4 in die Ventilkammer 2 mündet. Dem Einlassstutzen 3 gegenüberliegend ist an dem Ventilgehäuse 1 ein Auslassstutzen 5 angeordnet, durch den ein Abführkanal 6 in die Ventilkammer 2 mündet.
Die Mündung des Zuführkanals 4 in die Ventilkammer 2 ist als kegeliger Ventilsitz 7 ausgebildet, auf den ein kugelförmiges Ventilglied 8 den Zuführkanal 4 dicht verschließend aufsetzbar ist.
Das in der Ventilkammer 2 frei beweglich angeordnete Ventilglied 8 ist von einer vorgespannten Schraubendruckfeder 9 zur Auflage auf den Ventilsitz 7 kraftbeaufschlagt, wobei die Schraubendruckfeder 9 mit ihrem einen Ende an dem Ventilglied 8 in Anlage und mit ihrem anderen Ende an einer Ringschulter 10 des Ventilgehäuses 1 abgestützt ist.
Ein ringförmiger, axial zur Durchströmrichtung 12 magnetisierter Dauermagnet 11 umschließt in den 1 und 3 den Einlassstutzen 3 und in 2 das Ventilgehäuse 1 im Bereich des Ventilsitzes 7.
Der von dem Dauermagneten 11 erzeugte Magnetkreis wirkt auf das aus einem magnetisch leitfähigen oder magnetisierten Werkstoff bestehende Ventilglied 8 und beaufschlagt dieses in Schließrichtung auf den Ventilsitz 7 zu.
Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der ringförmige Dauermagnet 11 axial zur Durchströmrichtung 12 verschiebbar einstellbar auf dem Ventilgehäuse 1 angeordnet, so dass durch Verschieben des Dauermagneten 11 die auf das Ventilglied 8 wirkende Magnetkraft verändert werden kann, womit z. B. eine Kalibrierung des Ventils möglich ist.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 3 ist der Bereich des Dauermagneten 11 von der bestrombaren Spule 13 eines Elektromagneten 14 umschlossen, um die außen ein Magnetjoch 15 geführt ist, dessen eines Ende zu dem Nordpol 16 und dessen anderes Ende zum Südpol 17 des Dauermagneten 11 führt.
Bei einer Bestromung der Spule 13 des Elektromagneten 14 wird ein dem Magnetfeld des Dauermagneten 11 entgegengesetztes Magnetfeld gleicher Stärke erzeugt, so dass sich die Magnetfeder neutralisieren.
In 4 ist ein Diagramm der auf das Ventilglied 8 in Schließrichtung wirkenden Kraft F über den Weg s des Ventilglieds 8 ausgehend von seiner auf dem Ventilsitz 7 aufliegenden Schließposition dargestellt.
Das Ventilglied 8 ist von der Schraubendruckfeder 9 und der Magnetkraft des Dauermagneten 11 in Schließrichtung beaufschlagt.
Die Kennlinie 18 der Schraubendruckfeder 9 ist mit durchgezogener Linie, die Kennlinie 19 des Dauermagneten in strichpunktierter Linie und die aus den Kennlinien 18 und 19 kombinierte Kennlinie 20 ist mit unterbrochener Linie dargestellt.
Weiterhin ist mit einer unterbrochenen senkrechten Linie 21 die Vorspannkraft eingetragen, mit der das Ventilglied 8 in seiner Schließposition beaufschlagt ist.
Wie zu erkennen ist, wirkt die Kraft des Dauermagneten 11 nur in einem ersten Bereich des Öffnungshubes des Ventilgliedes 8. Damit ergibt sich eine Addition von Federkraft der Schraubendruckfeder 9 und Magnetkraft des Dauermagneten 11 nur in diesem ersten Bereich.
Anschließend ist nur noch die Schraubendruckfeder 9 wirksam.
Da in diesem ersten Bereich die Magnetkraft des Dauermagneten 11 stark degressiv und die Kraft der Schraubendruckfeder 9 nur moderat linear ansteigend ist, wirkt auf das Ventilglied 8 in der Schließstellung eine hohe Schließkraft, die nach dem Abheben des Ventilglieds 8 vom Ventilsitz sich schnell reduziert um dann ausschließlich in die von der Schraubendruckfeder 9 erzeugte Kraftkomponente überzugehen.
Durch eine Verschiebung der Abstützebene der Schraubendruckfeder 9 am Ventilgehäuse 1 kann auch die Vorspannkraft, mit der das Ventilglied auf dem Ventilsitz 7 beaufschlagt wird, geändert werden.

1: Ventilgehäuse
2: Ventilkammer
3: Einlaßstutzen
4: Zuführkanal
5: Auslaßstutzen
6: Abführkanal
7: Ventilsitz
8: Ventilglied
9: Schraubendruckfeder
10: Ringschulter
11: Dauermagnet
12: Durchströmrichtung
13: Spule
14: Elektromagnet
15: Magnetjoch
16: Nordpol
17: Südpol
18: Kennlinie Druckfeder
19: Kennlinie Dauermagnet
20: kombinierte Kennlinie
21: senkrechte Linie

Claims

Ventil, insbesondere Rückschlagventil, mit einem Zuführkanal, der über einen Ventilsitz in eine Ventilkammer mündet, die mit einem Abführkanal verbunden ist, mit einem Ventilglied, das zum Verschließen des Ventildurchgangs vom Zuführkanal zum Abführkanal auf dem Ventilsitz aufsetzbar und bei Überschreiten eines bestimmten Drucks im Zuführkanal von dem Druck im Zuführkanal entgegen der Schließkraft einer Schließfeder vom Ventilsitz abhebbar ist, wobei die Schließfeder mit ihrem einen Ende fest angeordnet ist und mit ihrem anderen Ende das Ventilglied beaufschlagt, wobei wenigstens ein durch einen Magneten erzeugter Magnetkreis vorhanden ist, durch den in der Schließstellung des Ventilgliedes eine erhöhte Schließkraft auf das Ventilglied einwirkbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfelder zumindest zweier Magnete (11, 14) entgegengerichtet sind.
Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfelder der beiden Magnete (11, 14) gleichgroß sind.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Magnete ein Dauermagnet (11) und der andere der Magnete ein Elektromagnet (14) ist, wobei die Feldkräfte des Dauermagnets (11) in Schließrichtung gerichtet sind.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Magnetkreis oder durch die Magnetkreise auf das einen magnetisch leitfähigen oder einen magnetisierten Werkstoff enthaltende Ventilglied (8) oder auf ein am Ventilglied angeordnetes Bauteil in Schließrichtung gerichtete Magnetkräfte einwirkbar sind.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz einen der Magnete bildet, wobei sein Magnetkreis auf das einen magnetisch leitfähigen oder einen magnetisierten Werkstoff enthaltende Ventilglied in Schließrichtung einwirkbar ist.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilglied (8) kugelförmig ausgebildet ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilglied plattenförmig ausgebildet ist.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die an dem Ventilsitz anlegbare Oberfläche des Ventilglieds und/oder die Oberfläche des Ventilsitzes, an der das Ventilglied anlegbar ist, aus einem elastischen Werkstoff besteht.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Magnete axial zum Ventilsitz (7) verstellbar ist.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Magnete ein Dauermagnet (11) ist.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Magnete ein Elektromagnet (14) ist.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfelder mehrerer Magnete gleichgerichtet sind.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schließfeder eine Druckfeder ist.
Ventil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckfeder eine Schraubendruckfeder (9) ist.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einer oder mehrere der Magnete (11, 14) ringförmig ausgebildet sind und den Bereich des Zuführkanals (4) und/oder den Bereich der Ventilkammer (2) und/oder den Bereich des Abführkanals (6) umschließen.
Ventil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (13) des Elektromagneten (14) in Abhängigkeit von der Position des Ventilglieds (8) bestrombar ist.
Ventil nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Ventilglieds von einer Sensorik erfassbar und ein entsprechendes Positionssignal einer Ansteuerelektronik des Elektromagneten zuführbar ist, wobei durch die Ansteuerelektronik die Bestromung der Spule des Elektromagneten entsprechend in Richtung und Stärke ansteuerbar ist.
Ventil nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule des Elektromagneten mit gegenüber der mechanischen Zeitkonstante des zumindest aus Ventilglied und Druckfeder bestehenden Schließsystems geringeren Taktzeiten getaktet bestrombar ist und die Spule ein Sensorelement der Sensorik bildet, von dem in den Bestromungspausen die Position des Ventilglieds erfassbar ist.
Ventil nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Position entsprechend der Impedanz der Spule erfassbar ist.
Ventil nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Position entsprechend der Induktionsspannung an der Spule erfassbar ist.