DE102016112410A1 - Axially permeable fluid valve - Google Patents
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Abstract
Axial durchströmbare Fluidventile, insbesondere Kühlmittelabsperrventile mit einem Elektromagneten (10), der eine Spule (14), einen Kern (26) und eine durchströmbare Ankereinheit (49) sowie magnetische Rückschlusselemente (18, 20, 22) aufweist, einem Gehäuse (12), in dem der Elektromagnet (10) angeordnet ist, einem Einlassstutzen (60), der an einem ersten axialen Ende des Gehäuses (12) befestigt ist und in dem ein Umströmungskörper (78) angeordnet ist, der einen Ventilsitz (58) aufweist, einem Auslassstutzen (70), der an einem entgegengesetzten axialen Ende des Gehäuses (12) befestigt ist, einer Auflagefläche (57) an einem axialen Endabschnitt (54, 56) der Ankereinheit (49), welche mit dem Ventilsitz (58) zusammenwirkt und einer Druckfeder (38), über die die Ankereinheit (49) in Richtung des Ventilsitzes (58) belastet ist, sind bekannt. Um ein solches Ventil bei gleichbleibender zu erzeugender Magnetkraft kleiner bauen zu können, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die axial durchströmbare Ankereinheit (49) am Innenumfang eine Einschnürung (50) aufweist, welche einen sich stromabwärts stetig verringernden Innendurchmesser aufweist.Axially permeable fluid valves, in particular Kühlmittelabsperrventile with an electromagnet (10) having a coil (14), a core (26) and a flow-through armature unit (49) and magnetic return elements (18, 20, 22), a housing (12), wherein the solenoid (10) is disposed, an inlet port (60) fixed to a first axial end of the housing (12) and having a bypass body (78) disposed therein having a valve seat (58), an outlet port (70) fixed to an opposite axial end of the housing (12), a bearing surface (57) at an axial end portion (54, 56) of the anchor unit (49) which cooperates with the valve seat (58) and a compression spring (58). 38), via which the armature unit (49) is loaded in the direction of the valve seat (58) are known. In order to be able to build such a valve smaller with constant magnetic force to be generated, the invention proposes that the axially flow-through armature unit (49) on the inner circumference has a constriction (50) which has a continuously decreasing downstream inner diameter.
Description
Die Erfindung betrifft ein axial durchströmbares Fluidventil, insbesondere Kühlmittelabsperrventil mit einem Elektromagneten, der eine Spule, einen Kern und eine durchströmbare Ankereinheit sowie magnetische Rückschlusselemente aufweist, einem Gehäuse, in dem der Elektromagnet angeordnet ist, einem Einlassstutzen, der an einem ersten axialen Ende des Gehäuses befestigt ist und in dem ein Umströmungskörper angeordnet ist, der einen Ventilsitz aufweist, einem Auslassstutzen, der an einem entgegengesetzten axialen Ende des Gehäuses befestigt ist und einer Auflagefläche an einem axialen Endabschnitt der Ankereinheit, welche mit dem Ventilsitz zusammenwirkt.The invention relates to an axial flow-through fluid valve, in particular Kühlmittelabsperrventil with an electromagnet having a coil, a core and a flow-through armature unit and magnetic return elements, a housing in which the electromagnet is arranged, an inlet nozzle, which at a first axial end of the housing is mounted and in which a Umströmungskörper is arranged, which has a valve seat, an outlet port which is fixed to an opposite axial end of the housing and a bearing surface at an axial end portion of the armature unit, which cooperates with the valve seat.
Derartige Fluidventile werden auch als Koaxialventile, Hydraulikventile oder Kühlwasserabsperrventile bezeichnet. Diese Fluidventile dienen beispielswiese zur Abschaltung oder Freigabe eines Kühlmittelweges in einem Kraftfahrzeug, um einerseits eine möglichst schnelle Aufheizung der durchströmbaren Aggregate sicherzustellen und andererseits deren Überhitzung zu verhindern. Um eine solche Applikation möglichst kostengünstig ausführen zu können, muss einerseits eine möglichst druckverlustarme Durchströmung des Fluidventils sichergestellt werden, um die aufzubringende Pumpleistung möglichst gering zu halten und andererseits der Stromverbrauch des Fluidventils, welches üblicherweise elektromagnetisch betätigt wird, möglichst gering gehalten werden, um keine zusätzliche Energie zu verbrauchen. Aus diesen Gründen werden Koaxialventile verwendet, welche trotz eines kleinen benötigten Bauraums und geringer Herstellkosten aufgrund reduzierter Strömungsumlenkungen einen geringen Druckverlust erzeugen und gleichzeitig einen ausreichend großen Durchströmungsquerschnitt zur Verfügung stellen. Durch die geringen Baugrößen und daraus folgend kleinen und leichten beweglichen Teilen, ist auch der Stromverbrauch dieser Fluidventile relativ gering. Such fluid valves are also referred to as coaxial valves, hydraulic valves or Kühlwasserabsperrventile. These fluid valves are used, for example, to shutdown or release a coolant path in a motor vehicle, on the one hand to ensure the fastest possible heating of the flow-through aggregates and on the other hand to prevent their overheating. In order to be able to carry out such an application as inexpensively as possible, it is necessary, on the one hand, to ensure that the fluid valve flows as low as possible in order to minimize the pumping power to be applied and, on the other hand, to minimize the power consumption of the fluid valve, which is normally actuated electromagnetically To consume energy. For these reasons, coaxial valves are used, which despite a small space requirement and low production costs due to reduced flow deflections produce a low pressure drop and at the same time provide a sufficiently large flow area available. Due to the small sizes and consequent small and light moving parts, the power consumption of these fluid valves is relatively low.
Ein derartiges Koaxialventil ist beispielswiese aus der
Bei diesen bekannten Koaxialventilen wird, um einen ausreichenden Durchströmungsquerschnitt zur Verfügung stellen zu können, eine relativ große Masse bewegt, da eine zur Verstellung ausreichende Magnetkraft nur dann erzeugt wird, wenn entweder eine große Spule mit den entsprechenden Stromflüssen oder eine ausreichende Masse des Ankers zur Verfügung gestellt werden. Beides führt zu vergrößerten notwendigen Bauräumen. Des Weiteren weist das beschriebene Ventil den Nachteil auf, dass ein Kleben des Ankers am Kern nach Ende der Bestromung nur durch eine sehr starke Druckfeder zu verhindern ist, wodurch wiederum die Baugröße steigt, da eine dementsprechende Magnetkraft zur Überwindung der Federkraft ebenfalls zur Verfügung gestellt werden muss.In these known coaxial valves, in order to provide a sufficient flow cross-section can, a relatively large mass moves, as sufficient for adjusting a magnetic force is only generated when either a large coil with the corresponding current flows or a sufficient mass of the anchor available be put. Both leads to enlarged necessary space. Furthermore, the valve described has the disadvantage that sticking of the armature to the core after the end of the energization is to be prevented only by a very strong compression spring, which in turn increases the size, since a corresponding magnetic force to overcome the spring force are also provided got to.
Es stellt sich daher die Aufgabe, ein axial durchströmbares Fluidventil bereit zu stellen, welches mit reduzierter Magnet- und Federkraft zuverlässig schaltbar ist und einen möglichst geringen Bauraum bei ausreichend hoher Durchflussrate benötigt. It is therefore the object to provide an axially flow-through fluid valve ready, which is reliable switchable with reduced magnetic and spring force and requires the least possible space at sufficiently high flow rate.
Diese Aufgabe wird durch ein axial durchströmbares Fluidventil mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.This object is achieved by an axial flow-through fluid valve having the features of the main claim 1.
Dadurch, dass die axial durchströmbare Ankereinheit am Innenumfang eine Einschnürung aufweist, welche einen sich stromabwärts stetig verringernden Innendurchmesser aufweist, wird bei gleichbleibendem Einströmquerschnitt mit sehr geringen Druckverlusten zusätzlicher Raum zur Erhöhung der Ankermasse und damit der wirkenden Magnetkraft geschaffen, wodurch das Fluidventil kleiner gebaut werden kann. Die Einschnürung schließt sich unmittelbar an einem zylindrischen Abschnitt und größten Innendurchmesser an, welcher sich im Folgenden stromabwärts jeweils weiter verringert, bis der Abschnitt der Einschnürung beendet ist und sich im Folgenden ein zylindrischer Abschnitt mit dem kleinsten Durchmesser der Einschnürung weiter erstreckt. Insbesondere kann es sich somit um eine kegelschnittförmige Verengung handeln, aber auch leicht konvexe oder konkave Einschnürungen sind denkbar.Characterized in that the axially flow-through armature unit has a constriction on the inner circumference, which has a continuously decreasing downstream inner diameter, additional space for increasing the armature mass and thus the acting magnetic force is created at constant Einströmquerschnitt with very low pressure losses, whereby the fluid valve can be made smaller , The constriction immediately follows a cylindrical portion and largest inner diameter, which further downstream each further reduced until the portion of the constriction is completed and in the following extends a cylindrical portion with the smallest diameter of the constriction on. In particular, it may thus be a conical constriction, but also slightly convex or concave constrictions are conceivable.
Vorzugsweise ist in Strömungsrichtung betrachtet hinter der Einschnürung an der Ankereinheit eine umfängliche Erweiterung ausgebildet, die als konischer Diffusor wirkt und somit zu einer Druckrückgewinnung aus der im engen Durchmesser erhöhten kinetischen Energie führt. Auf diese Weise kann der Gesamtdruckverlust im Vergleich zu einer Version ohne Erweiterung reduziert werden.Preferably, viewed in the flow direction behind the constriction on the armature unit, a circumferential extension is formed, which acts as a conical diffuser and thus leads to a pressure recovery from the kinetic energy increased in the narrow diameter. In this way, the total pressure loss can be reduced compared to a version without extension.
In einer vorteilhaften Ausführung weist die Ankereinheit einen magnetisierbaren Anker und ein am Anker befestigtes durchströmbares Rohr auf, welches durch den Kern ragt. Dieses Rohr ist aus einem nicht magnetisierbaren Material, so dass es zur Fluidführung innerhalb des Kerns des Elektromagneten genutzt werden kann. Dies erleichtert auch die Montage und das Gewicht der bewegbaren Ankereinheit. In an advantageous embodiment, the armature unit has a magnetizable armature and a flow-through pipe fixed to the armature, which projects through the core. This tube is made of a non-magnetizable material, so that it can be used for fluid guidance within the core of the electromagnet. This also facilitates the assembly and weight of the movable anchor unit.
In einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung weist die Ankereinheit an ihren beiden axialen Endabschnitten einen gleichen Durchmesser auf, wobei die beiden ringförmigen axialen Enden als Auflageflächen nutzbar sind, welche mit dem Ventilsitz zusammenwirken. Auf diese Weise kann der Einlassstutzen wahlweise an beiden Seiten des Elektromagneten angeordnet werden, so dass das Ventil sowohl als stromlos offenes Ventil als auch als stromlos geschlossenes Ventil aufgebaut werden kann. Auch ist es denkbar, den Durchmesser der beiden Endabschnitte verschieden zu dimensionieren und auf diese Weise gewünschte Durchflusskurven einzustellen.In a preferred embodiment of the invention, the armature unit at its two axial end portions of a same diameter, wherein the two annular axial ends are usable as bearing surfaces which cooperate with the valve seat. In this way, the inlet nozzle can optionally be arranged on both sides of the electromagnet, so that the valve can be constructed both as a normally open valve and as a normally closed valve. It is also conceivable to dimension the diameter of the two end sections differently and to set desired flow curves in this way.
Vorzugsweise liegt das Rohr axial gegen den Anker an und ist in einer ringförmigen Aufnahme am Innenumfang des Ankers befestigt, wodurch ein stetiger linearer Übergang zwischen dem Rohr und dem Anker geschaffen wird, was zusätzliche Druckverluste vermeidet.Preferably, the tube abuts axially against the armature and is secured in an annular receptacle on the inner circumference of the armature, providing a continuous linear transition between the tube and the armature, which avoids additional pressure losses.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung ist die Einschnürung im Anker und die Erweiterung im Rohr ausgebildet oder die Einschnürung im Rohr und die Erweiterung im Anker ausgebildet. So können ein Teil des Kerns und die Druckfeder radial innerhalb des größten Durchmessers der Ankereinheit, nämlich im Bereich des kleineren Durchmessers angeordnet werden und dennoch die Ankereinheit zum Kern montiert werden, wodurch die Baugröße verringert werden kann.In a particularly advantageous embodiment, the constriction in the anchor and the extension is formed in the pipe or the constriction in the pipe and the extension formed in the anchor. Thus, a part of the core and the compression spring can be arranged radially within the largest diameter of the armature unit, namely in the area of the smaller diameter, and yet the armature unit can be mounted to the core, whereby the size can be reduced.
Vorzugsweise ist die Ankereinheit in einer Hülse geführt, welche den Kern umgibt, wobei ein inneres der Hülse gegenüber dem Einlassstutzen im geschlossenen Zustand des Fluidventils abgedichtet ist und ein Raum zwischen dem Anker und dem Kern eine fluidische Verbindung zum Auslassstutzen aufweist. Während im geöffneten Zustand in kürzester Zeit nach Beginn der Öffnung durch die Spalte ein Druckausgleich über die beweglichen Teile des Fluidventils sichergestellt wird, wird durch diese Bauform auch ein Druckgleichgewicht in axialer Richtung über die beweglichen Teile sichergestellt, so dass eine geringere Betätigungskraft zur Öffnung des Ventils erforderlich ist. Zusätzlich werden Leckagen von der Druckseite zur Saugseite zuverlässig vermieden.Preferably, the armature unit is guided in a sleeve which surrounds the core, wherein an inner of the sleeve is sealed against the inlet port in the closed state of the fluid valve and a space between the armature and the core has a fluidic connection to the outlet port. While in the open state in the shortest possible time after the opening of the opening through the column pressure compensation via the moving parts of the fluid valve is ensured by this design, a pressure equilibrium in the axial direction on the moving parts ensures, so that a lower actuation force to open the valve is required. In addition, leakage from the pressure side to the suction side are reliably avoided.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn am Kern eine zum Anker weisende Anlagefläche ausgebildet ist, gegen die eine Druckfeder anliegt, deren entgegengesetztes Ende gegen ein axiales Ende des Ankers anliegt, wobei die Druckfeder axial zwischen der Erweiterung und der Einschnürung der Ankereinheit angeordnet ist. Die Feder kann somit platzsparend auf dem kleineren Durchmesser der Ankereinheit angeordnet werden, wodurch sich der radiale Bauraum reduziert. Furthermore, it is advantageous if a contact surface facing the armature is formed on the core against which bears a compression spring whose opposite end bears against an axial end of the armature, wherein the compression spring is arranged axially between the extension and the constriction of the armature unit. The spring can thus be arranged to save space on the smaller diameter of the anchor unit, whereby the radial space is reduced.
Wenn die Druckfeder das Rohr unmittelbar radial umgibt, kann das Rohr gleichzeitig als Führung der Feder genutzt werden, so dass ein Knicken der Feder im Betrieb ausgeschlossen werden kann.If the compression spring surrounds the tube directly radially, the tube can be used at the same time as a guide of the spring, so that a buckling of the spring can be excluded during operation.
Vorzugsweise weist der Kern eine radial innere ringförmige Ausnehmung auf, in der die Druckfeder angeordnet ist und die durch die Anlagefläche der Druckfeder am Kern axial begrenzt ist, wodurch die Feder zum Öffnen oder Schließen des Fluidventils keinen zusätzlichen Bauraum benötigt.Preferably, the core has a radially inner annular recess in which the compression spring is arranged and which is axially limited by the contact surface of the compression spring on the core, whereby the spring for opening or closing the fluid valve requires no additional space.
Zusätzlich ist es vorteilhaft, wenn die Druckfeder mit ihrem zum Kern entgegengesetzten axialen Ende gegen einen ringförmigen Vorsprung am Ende des Ankers anliegt, der bei Bestromung des Elektromagneten zumindest teilweise in die ringförmige Ausnehmung des Kerns eintaucht. Durch eine derartige Ausbildung wird die Anziehungskraft zwischen Anker und Kern bei gleichbleibender Bestromung erhöht, so dass eine kleinere Spule verwendet werden kann, um eine gleiche Betätigungskraft zu erzeugen.In addition, it is advantageous if the compression spring rests with its core to the opposite axial end against an annular projection at the end of the armature, which at least partially immersed in energizing the electromagnet in the annular recess of the core. Such a design increases the force of attraction between the armature and the core while maintaining current, so that a smaller coil can be used to produce the same actuating force.
Des Weiteren weist der Anker vorzugsweise eine Radialnut auf, in der ein nicht magnetisierbarer Anschlagring angeordnet ist, gegen den der Kern im bestromten Zustand des Elektromagneten anliegt. Entsprechend bleibt ein geringer Abstand zwischen dem Kern und dem Anker auch in der bestromten Stellung erhalten, wodurch ein Haften des Ankers am Kern zuverlässig unabhängig von der Lage des Ventilsitzes zu einem Schließglied verhindert wird.Furthermore, the armature preferably has a radial groove in which a non-magnetizable stop ring is arranged, against which the core rests in the energized state of the electromagnet. Accordingly, a small distance between the core and the armature is maintained even in the energized position, whereby a sticking of the armature to the core is reliably prevented regardless of the position of the valve seat to a closing member.
Es wird somit ein axial durchströmbares Fluidventil, insbesondere Kühlmittelabsperrventil für eine Verbrennungskraftmaschine, geschaffen, welches bei geringem Druckverlust sehr wenig Bauraum benötigt, insbesondere indem eine ausreichende Ankermasse zur Erzeugung einer ausreichenden elektromagnetischen Kraft zur Verfügung gestellt wird. Der elektromagnetische Kreis kann dann entsprechend klein ausgelegt werden, wodurch sowohl der Energieverbrauch als auch die Herstellkosten gesenkt werden. Thus, an axially flow-through fluid valve, in particular a coolant shut-off valve for an internal combustion engine, is created, which requires very little installation space with low pressure loss, in particular by providing a sufficient armature mass for generating a sufficient electromagnetic force. The electromagnetic circuit can then be designed correspondingly small, whereby both the energy consumption and the production costs are reduced.
Zwei Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer axial durchströmbarer Fluidventile, sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden anhand Ihrer Verwendung als Kühlwasserabsperrventil beschrieben.Two embodiments of inventive axially throughflow fluid valves are shown in the figures and will be described below with reference to their use as a cooling water shutoff valve.
Das erfindungsgemäße, axial durchströmbare Fluidventil, welches für Kühlkreisläufe von Verbrennungsmotoren, Hybrid- oder Elektrofahrzeugen verwendet werden kann, weist einen Elektromagneten
Der Kern
Im radial inneren Bereich des ringförmigen Vorsprungs
Erfindungsgemäß erstreckt sich die Ankereinheit
Die voneinander weg weisenden Endabschnitte
Diese Ausführung der Ankereinheit
Das Gehäuse
Der Auslassstutzen
Der Einlassstutzen
Der Umströmungskörper
Der Umströmungskörper
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der
Der Lippendichtring
Bei der Ausführung gemäß
Dieser Aufbau führt bei beiden Ausführungsbeispielen dazu, dass ein Raum
Durch diesen Aufbau kann der Einlassstutzen
Die besondere Form der Ankereinheit erfüllt mehrere Funktionen. Einerseits wird ein relativ großer Einströmquerschnitt für das zu fördernde Fluid bereitgestellt, welches im Folgendem mit sehr geringem Druckverlust die Ankereinheit durchströmen kann. Der Druckverlust an der Einschnürung wird teilweise wieder durch die folgende Erweiterung kompensiert. Als besonderer Vorteil ist jedoch der durch diesen Abschnitt verringerten Durchmessers gewonnene Bauraum zu sehen. Dieser wird einerseits genutzt, um die Druckfeder unterzubringen und andererseits um den zum Kern weisenden Abschnitt des Ankers mit einem größeren Volumen und somit einer größeren Masse herstellen zu können, was zur Folge hat, dass die magnetischen Kräfte bei gleicher Spulengröße deutlich verstärkt werden. So kann mit gleicher eingebrachten Energie eine höhere Anziehungskraft zwischen Kern und Anker erzeugt werden, was je nach Verwendung entweder dazu dienen kann, die Anpresskräfte zu erhöhen oder dazu dienen kann, den Energieverbrauch zu senken. Für gleiche zu erzeugende Schaltkräfte kann das Fluidventil entsprechend kleiner gebaut werden, wodurch Bauraum eingespart wird. Der sanfte Übergang im Bereich der Einschnürung sorgt für eine Strömungsgleichrichtung in diesem Bereich und reduziert zuvor vorhandene Wirbel.The special shape of the anchor unit fulfills several functions. On the one hand, a relatively large inflow cross section is provided for the fluid to be delivered, which in the following can flow through the armature unit with very low pressure loss. The pressure loss at the constriction is partially compensated again by the following extension. As a particular advantage, however, the space obtained by this section reduced diameter space to see. This is used on the one hand to accommodate the compression spring and on the other hand to be able to produce the core-facing portion of the armature with a larger volume and thus a larger mass, with the result that the magnetic forces are significantly increased with the same coil size. Thus, with the same introduced energy, a higher force of attraction between core and armature can be generated, which, depending on use, can either serve to increase the contact forces or serve to reduce energy consumption. For equal switching forces to be generated, the fluid valve can be built correspondingly smaller, whereby space is saved. The smooth transition in the area of the constriction ensures a flow rectification in this area and reduces previously existing vortex.
Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich des vorliegenden Hauptanspruchs nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern verschiedene Modifikationen möglich sind. Beispielsweise müssen die beiden Auflageflächen nicht unbedingt gleich sein, sondern können sich gegebenenfalls zur Einstellung der Druckverlustkurven voneinander unterscheiden. Auch kann bei dem in
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