DE102014107599B3

DE102014107599B3 - Regelbare Magnetventilvorrichtung und Verwendung einer solchen

Info

Publication number: DE102014107599B3
Application number: DE102014107599.4A
Authority: DE
Inventors: Philipp Fangauer; Peter Vincon
Original assignee: ETO Magnetic GmbH
Current assignee: ETO Magnetic GmbH
Priority date: 2014-05-28
Filing date: 2014-05-28
Publication date: 2015-11-12
Anticipated expiration: 2034-05-29
Also published as: DE102014107599B9

Abstract

Die Erfindung betrifft eine regelbare Magnetventilvorrichtung mit einem als Reaktion auf eine Bestromung stationärer Spulenmittel zum Verändern eines Strömungsquerschnitts eines Fluids relativ zu einem stationären Ventilsitz (14) entlang einer axialen Richtung (10) bewegbaren Ventilkolben (12), wobei der Ventilsitz und der Ventilkolben im Bereich des Strömungsquerschnitts zumindest abschnittsweise entlang der axialen Richtung konusförmig ausgebildet sind, wobei eine den Ventilkolben (12) ausbildende Baugruppe entlang der axialen Richtung einen ersten Konusabschnitt (30) mit einem ersten Konuswinkel (a) und einen diesem in einer Fluidströmungsrichtung nachfolgenden zweiten Konusabschnitt (36) mit einem gegenüber dem ersten Konuswinkel stärker zu einer der axialen Richtung entsprechenden Mittelachse geneigten zweiten Konuswinkel (?) aufweist, wobei eine Außenkontur des Ventilsitzes so ausgebildet ist, dass ein erster Vorsprungsabschnitt (46, 48) des Ventilsitzes zum ersten Konusabschnitt (30) einen durch die Bewegung des Ventilkolbens strömungswirksam veränderbaren Spalt ausbildet und in einer den Strömungsquerschnitt verschließenden Verschlussposition des Ventilkolbens relativ zum Ventilsitz der erste Vorsprungsabschnitt des Ventilsitzes zum ersten Konusabschnitt beabstandet ist und ein zweiter Vorsprungsabschnitt (40) des Ventilsitzes (14) auf den zweiten Konusabschnitt (36) greift.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine regelbare Magnetventilvorrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Verwendung einer derartigen regelbaren Magnetventilvorrichtung.
Gattungsgemäß regelbare Magnetventilvorrichtungen sind als aus dem Stand der Technik allgemein bekannt vorauszusetzen; als Reaktion auf eine Bestromung stationärer Spulenmittel ist bei derartigen Vorrichtungen ein (als Anker ausgestalteter bzw. mit einem Anker verbundener oder zusammenwirkender) Ventilkolben entlang einer axialen Richtung bewegbar und verändert mit Bewegung relativ zu einem stationären Ventilsitz einen Strömungsquerschnitt für ein mit der Magnetventilvorrichtung zu steuerndes bzw. zu schaltendes Fluid. Zum Stand der Technik wird etwa auf die DE 10 2011 081 867 A1 , die DE 10 2007 052 602 A1 sowie die WO 98/40257 A1 verwiesen
Durch eine derartige – von der Bewegung bzw. einer Bewegungsposition des Ventilkolbens abhängige – Veränderung des Strömungsquerschnitts (Drosselquerschnitts) stellt sich entlang der Strömungsrichtung vor der Vorrichtung bei angenommenem festem Volumenstrom des strömenden Mediums ein bestimmter Druck ein, dessen Variation dann für geeignete Stellzwecke verwendet werden kann. Eine günstige Verwendung einer derartigen Vorrichtung liegt beispielsweise bei der Einstellung eines Kühlwasserstroms einer Wasserpumpe im Kraftfahrzeugumfeld als Reaktion auf eine Veränderung dieses Drucks.
Zur gesteuerten Veränderung des Strömungsquerschnitts ist es ferner als bekannt vorauszusetzen, einen strömungswirksamen Abschnitt des Ventilkolbens konisch bzw. kegel-(abschnitts-)förmig so auszugestalten, dass im Zusammenwirken mit einem Abschnitt des stationären Ventilsitzes ein strömungswirksam veränderbarer Spalt gebildet wird, dessen Spaltweite den Medium-Volumenstrom bestimmt. Im Fall einer bevorzugter radialsymmetrischen Ausgestaltung derartiger Magnetventilvorrichtungen (bezogen auf die entlang der axialen Richtung verlaufenden Mittelachse) entsteht entsprechend ein veränderbarer Ringspalt zur Variierung des Strömungsquerschnitts.
In Abhängigkeit von der geometrischen Ausgestaltung der Kegel- bzw. Konusform kann dabei das Verhalten der Magnetventilvorrichtung beeinflusst werden, etwa im Hinblick auf das Verhältnis zwischen dem (einlassseitigen) Druck am Ventil und dem zur Erzeugung der Anker- und damit Ventilkolbenbewegung anliegenden Steuerstroms. Dabei ist es generell wünschenswert, einen nutzbaren Bereich dieses Steuerstroms möglichst weit einzurichten, was zu einem entsprechend langen Bewegungshub des Ventilkolbens entlang der axialen Richtung führt. Im Rahmen der diskutierten Geometrie im Zusammenwirken mit dem Ventilsitz bedeutet dies jedoch, dass ein derartiger weiter Bereich des Steuerstroms – günstig für die Regeleigenschaften der Magnetventilvorrichtung – einen relativ spitzen Konus- bzw. Kegelwinkel des Ventilkolbens bedingt.
Die 3 zum vorstehend diskutierten, als generisch anzusehenden Stand der Technik verdeutlicht in der schematischen Längsschnittansicht diese geometrischen Verhältnisse: Ein entlang einer axialen Richtung einer Mittelachse 10 elektromagnetisch beweg- und antreibbarer Ventilkolben 12 bildet relativ zu einem stationären Ventilsitz 14 mit einem durch die Ventilkolbenbewegung veränderbaren (und verschließbaren) Ringspalt 16 einen Strömungsquerschnitt für in einen Einlassbereich 18 des Ventilsitzes einströmendes Fluid (durch das Ventil zu regelndes- bzw. zu schaltendes Medium) aus.
Um im Rahmen des nutzbaren Bereichs des Steuerstroms günstige Regeleigenschaften zu erreichen, ist die Bewegung des Ventilkolbens 12 langhubig dimensioniert, wobei ein mantelseitiger Konusabschnitt 20 die strömungswirksame Spaltveränderung bei der Ventilkolbenbewegung ermöglicht.
Allerdings ist ein in der gezeigten Weise spitzer Kegel- bzw. Konuswinkel des Konusabschnitts 20 von ca. 15°, bezogen auf die Mittelachse 10, bereits potenziell problematisch und gestattet keine signifikante weitere Verringerung (so dass der Hub des Ventilkolbens gleichermaßen begrenzt ist): Würde nämlich der Konuswinkel weiter verringert werden, besteht die Gefahr des Verklemmens bzw. der Selbsthemmung gegenüber dem zur Ausbildung des Spaltes 16 zusammenwirkenden Vorsprungsabschnitt 22 am Ventilsitz; unerwünschtes Ergebnis wäre ein unkontrollierbares und potenziell fehlerträchtiges Regel- und Schaltverhalten des als bekannt vorauszusetzenden Magnetventils. Darüber hinaus ist der Nachteil einer derartigen spitzen Konusform, dass entlang der Geometrie ein relativ starker Druckabfall des Fluids im geöffneten (d. h. deaktivierten) Zustand des Ventils auftritt. Auch dies ist aus Nutzersicht jedoch häufig unerwünscht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine regelbare Ventilvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 im Hinblick auf ihre Regel-, Verschluss- und Druckeigenschaften zu verbessern, dabei insbesondere zu bewirken, dass über einen (axial) vergrößerten Hubbereich des Ventilkolbens (entsprechend einem weiten Bereich des den Ventilkolben elektromagnetisch steuernden bzw. antreibenden Steuerstroms) die gewünschte Veränderung des Strömungsquerschnitts zuverlässig und reproduzierbar ermöglicht ist, gleichzeitig sollen Selbsthemmungs- und Klemmeffekte des Ventilkolbens am bzw. im Ventilsitz weitestmöglich vermieden werden, und es soll insbesondere ein Druckabfall entlang des Ventils (in axialer Richtung) bei unbestromten Spulenmitteln minimiert werden.
Die Aufgabe wird durch die regelbare Magnetventilvorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. Unabhängiger Schutz im Rahmen der Erfindung wird zudem beansprucht für eine Verwendung einer derartigen regelbaren Magnetventilvorrichtung zur Kühlwasserregelung, wobei eine Regelung eines Kühlwasserstroms einer Wasserpumpe eine bevorzugte Verwendung einer derartigen Kühlwasserregelung ist.
In erfindungsgemäß bevorzugter Weise ist zunächst der Ventilkolben mit einem ersten und einem zweiten Konusabschnitt versehen, welche entlang der axialen Richtung (und insoweit auch entlang der Fluidströmungsrichtung) beabstandet sind. Geometrisch ist dabei der zweite Konusabschnitt, in der Fluidströmungsrichtung dem ersten Konusabschnitt nachfolgend, bezogen auf die Mittelachse stärker geneigt als der erste Konuswinkel des ersten Konusabschnitts.
Zum strömungswirksamen Zusammenwirken mit dem so erfindungsgemäß ausgestalteten Ventilkolben ist der Ventilsitz nunmehr so ausgebildet, dass ein erster Vorsprungsabschnitt des Ventilsitzes zum ersten Konusabschnitt des Ventilkolbens einen variablen Spalt ausbildet, insoweit der durch das Ventil zu regelnde bzw. zu beeinflussende Strömungsquerschnitt durch die von einer axialen Position des Ventilkolbens abhängige Spaltweite dieses Spalts bestimmt wird. Die Relativgeometrie zwischen dem Ventilkolben und dem Ventilsitz, insbesondere im Zusammenwirken zwischen dem ersten Vorsprungsabschnitt und dem ersten Konusabschnitt, ist jedoch so ausgestaltet, dass in keiner Relativposition (bzw. Bewegungsposition des Ventilkolbens) zwischen diesen Abschnitten tatsächlich ein Verschluss des Strömungsquerschnitts auftritt; vielmehr verbleibt selbst in einem Verschlusszustand des Magnetventils eine vorbestimmte (minimale) Spaltweite zwischen dem ersten Vorsprungsabschnitt und dem ersten Konusabschnitt. Dagegen ist ein (geeignet entlang der Fluidströmungsrichtung nachfolgender) zweiter Vorsprungsabschnitt des Ventilsitzes so ausgestaltet, dass im Verschlusszustand dieser auf den zweiten Konusabschnitt des Ventilskolbens dichtend (verschließend) greift.
Da jedoch erfindungsgemäß der zweite Konusabschnitt stärker zur Mittelachse geneigt ist als der erste (primär strömungswirksame) Konusabschnitt des Ventilkolbens und für das Anliegen bzw. Verschließen ausschließlich der zweite Konusabschnitt wirksam ist, kann durch die erfindungsgemäß weniger spitze (stumpfere) Konus- bzw. Kegelausgestaltung ein potenziell nachteiliges Klemmen (Hemmung) zum Ventilsitz wirksam vermieden werden.
Dagegen ermöglicht der – deutlich spitzwinkligere – erste Konusabschnitt im Zusammenwirken mit dem am Ventilsitz ausgebildeten ersten Vorsprungsabschnitt einen langhubigen Stell- bzw. Regelbereich und ein entsprechendes feinfühliges Verändern des Strömungsquerschnitts in Abhängigkeit von einem potenziell großen Bereich des den Ventilkolben elektromagnetisch antreibenden Steuerstroms für die stationären Spulenmittel.
Im Ergebnis erreicht also ein scheinbarer konstruktiver Mehraufwand in der geometrischen Ausgestaltung des Zusammenwirkens zwischen Ventilkolben und Ventilsitz durch zwei dezidierte Konusabschnitte mit unterschiedlichen Konuswinkeln (wobei sowohl der Ventilkolben mit den Konusabschnitten, als auch die den Ventilsitz realisierende Baugruppe jeweils einstückig realisiert sein können) in überraschend einfacher Weise das Überwinden der eingangs zum Stand der Technik skizzierten Dimensionierungs- und Optimierungsproblematik; die vorliegende Erfindung gestattet damit das vorteilhafte Realisieren aller Vorteile der (ursprünglich einander potenziell entgegenstehenden) Geometrien.
Im Rahmen bevorzugter Weiterbildungen der Erfindung ist es dabei bevorzugt, in der axialen Richtung entlang des Ventilkolbens den ersten und den zweiten Konusabschnitt nicht einander unmittelbar benachbart vorzusehen, sondern zwischen diesen einen Kolbenverbindungsabschnitt auszubilden, welcher weiterbildungsgemäß zumindest abschnittsweise eine kleinere Neigung zur Mittelachse aufweist als der erste Konusabschnitt; in einer bevorzugten Realisierungsform dieses Kolbenverbindungsabschnitts verläuft dieser parallel zur Mittelachse, besitzt also (im Fall der rotationssymmetrischen Ausgestaltung der Vorrichtung) die Form eines zylindrischen Mantelabschnitts. Durch diese Maßnahme wird das Risiko einer Hemmung, insbesondere eines Verklemmens, am ersten Vorsprungsabschnitt des Ventilsitzes vorteilhaft weiter verringert.
Erfindungsgemäß weiterbildend ist auch am Ventilsitz zwischen dem ersten und dem zweiten Vorsprungsabschnitt ein Verbindungsabschnitt ausgebildet, welcher radial nach außen versetzt ist, weiter vorteilhaft einen Ringabsatz ausbildet und geeignet eine hohlzylindrische Innenform aufweisen kann. Weiterbildend und bevorzugt weist dieser Verbindungsabschnitt eine geringere Neigung zur Mittelachse auf als der erste Konusabschnitt und verläuft weiter bevorzugt parallel zur Mittelachse. An diesen Zwischen- bzw. Verbindungsabschnitt würde sich dann der erfindungsgemäße zweite Vorsprungsabschnitt anschließen, wobei dieser – wiederum bevorzugt – die Spitze eines Ringkonus bzw. Ringkegels als Öffnung des Ventilsitzes sein kann, dessen Kegel- bzw. Konuswinkel, relativ zum zweiten Konuswinkel des zweiten Konusabschnitts, noch weiter geneigt und entsprechend zusätzlich aufgeweitet ist, so dass ein definierter Anschlag des zweiten Vorsprungsabschnitts am zweiten Konusabschnitt für den Verschlusszustand des Ventils entsteht.

Claims

Regelbare Magnetventilvorrichtung mit einem als Reaktion auf eine Bestromung stationärer Spulenmittel zum Verändern eines Strömungsquerschnitts eines Fluids relativ zu einem stationären Ventilsitz (14) entlang einer axialen Richtung (10) bewegbaren Ventilkolben (12), wobei der Ventilsitz (14) und der Ventilkolben (12) im Bereich des Strömungsquerschnitts zumindest abschnittsweise entlang der axialen Richtung konusförmig ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine den Ventilkolben (12) ausbildende Baugruppe entlang der axialen Richtung einen ersten Konusabschnitt (30) mit einem ersten Konuswinkel (α) und einen diesem in einer Fluidströmungsrichtung nachfolgenden zweiten Konusabschnitt (36) mit einem gegenüber dem ersten Konuswinkel (α) stärker zu einer der axialen Richtung entsprechenden Mittelachse geneigten zweiten Konuswinkel (γ) aufweist, wobei eine Außenkontur des Ventilsitzes (14) so ausgebildet ist, dass ein erster Vorsprungsabschnitt (46, 48) des Ventilsitzes (14) zum ersten Konusabschnitt (30) einen durch die Bewegung des Ventilkolbens (12) strömungswirksam veränderbaren Spalt ausbildet und in einer den Strömungsquerschnitt verschließenden Verschlussposition des Ventilkolbens (12) relativ zum Ventilsitz (14) der erste Vorsprungsabschnitt des Ventilsitzes (14) zum ersten Konusabschnitt (30) beabstandet ist und ein zweiter Vorsprungsabschnitt (40) des Ventilsitzes (14) auf den zweiten Konusabschnitt (36) greift.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die den Ventilkolben (12) ausbildende Baugruppe zwischen dem ersten (30) und dem zweiten (36) Konusabschnitt einen Kolbenverbindungsabschnitt (33) aufweist, der zumindest abschnittsweise eine geringere Neigung zur Mittelachse aufweist als der erste Konusabschnitt (30).
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz (14) zwischen dem ersten (46, 48) und dem zweiten (40) Vorsprungsabschnitt einen Verbindungsabschnitt (44) aufweist, der zumindest abschnittsweise eine geringere Neigung zur Mittelachse aufweist, als der zweite Konusabschnitt (36).
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsabschnitt (44) einen Ringabsatz (46) ausbildet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Konuswinkel zwischen 10 und 15° beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Konuswinkel (γ) zwischen 20° und 80° beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die den Ventilsitz (14) ausbildende Baugruppe einen dem ersten Vorsprungsabschnitt (46, 48) in der Fluidströmungsrichtung vorgelagerten, aufgeweiteten Einlassabschnitt (18) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die den Ventilsitz (14) ausbildende Baugruppe einen dem zweiten Vorsprungsabschnitt (40) in der Fluidströmungsrichtung nachfolgenden dritten Konusabschnitt (42) aufweist, dessen Konuswinkel zumindest abschnittweise stärker geneigt als der zweite Konuswinkel (γ) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkolben (12) einen dem ersten Konusabschnitt (30) in der Fluidströmungsrichtung vorgelagerten Ventilkolbenspitzenabschnitt (32) aufweist, der zumindest abschnittsweise stärker (β) geneigt ist, als der erste Konuswinkel.
Verwendung der regelbaren Magnetventilvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Kühlwasserregelung einer Wasserpumpe.