DE102017012108A1

DE102017012108A1 - Elektrohydraulisches Ventil und Verfahren zum Entwurf und zur Herstellung des Ventils

Info

Publication number: DE102017012108A1
Application number: DE102017012108.7A
Authority: DE
Inventors: Axel Müller; Michael Müller
Original assignee: Thomas Magnete GmbH
Current assignee: Thomas Magnete GmbH
Priority date: 2017-12-27
Filing date: 2017-12-27
Publication date: 2019-06-27
Anticipated expiration: 2037-12-28
Also published as: DE102017012108B4

Abstract

ElektromagnetKurzfassungAufgabe: Ein elektromagnetisch betätigtes Ventil soll bei sehr einfachem und kostengünstigem Aufbau eine Veränderung der Durchflussspezifikation durch eine Änderung von wenigen Bauteilen gestatten. Dabei soll die Dichtfunktion in der Ruhelage des Magnetankers durch eine druckdifferenzabhängige Selbstverstärkung der Dichtkraft verbessert werden.Lösung: Ein Einlass (3) für das Arbeitsfluid des Ventils (1) mündet in einen ersten den Magnetanker (5) zeitweise aufnehmenden Arbeitsraum (14), der über einen ersten Strömungskanal (11) mit einem zweiten Arbeitsraum (15) des Magnetankers (5) verbunden ist und über einen zweiten Strömungskanal (12) mit einem die Ventilhülse (7) umfassenden Ringraum (16) verbunden ist, wobei abhängig vom Hub des Ventilkolbens (6) bei einer Arbeitsposition des Magnetankers (5), bewirkt durch die stromdurchflossene Magnetspule (2), ein Durchlass von dem Ringraum (16) über mindestens eine Querbohrung (17) in der Ventilhülse (7) zu einem Auslass (4) geöffnet ist, und bei einer Ruheposition des Magnetanker (5), bewirkt durch ein Federmittel (19), der genannte Durchlass von dem Ventilkolben (6) geschlossen ist.Anwendung: Steuerung von verschiedenen Arbeitsflüssigkeiten, vorzugsweise von Brennstoffen, Reagenzien, Mineralöl und wasserhaltigen Flüssigkeiten für Heizungen, Abgasbehandlungsanlagen und Verbrennungsmotoren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ventil entsprechend dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs.
Stand der Technik:
Elektromagnetisch betätigte hydraulische Ventile sind bekannt und weit verbreitet, die Druckschriften DE 10 2006 030 543 A1 und DE 201 15 282 U1 beschreiben beispielsweise solche Ventile.
Für die Herstellkosten dieser Ventile ist es nachteilig, dass der Einlass und der Auslass für das Arbeitsmedium nicht in der Achse des Elektromagneten liegen. Auch die Lagerung des Magnetankers kann verbessert werden. Schließlich ist es nachteilig, dass bei einer Änderung der Spezifikation für den Durchfluss des Ventils mehrere Bauteile geändert werden müssen.
Aufgabe:
Gemäß dieser Erfindung soll ein elektromagnetisch betätigtes Ventil beschrieben werden, das bei sehr einfachem und kostengünstigem Aufbau eine Veränderung der Durchflussspezifikation durch eine Änderung von wenigen Bauteilen gestattet. Dabei soll die Dichtfunktion in der Ruhelage des Magnetankers durch eine druckdifferenzabhängige Selbstverstärkung der Dichtkraft verbessert werden.
Lösung:
Die auf die Vorrichtung gerichteten Aufgaben werden durch die Merkmale des ersten Anspruchs gelöst, ergänzt und weitergebildet durch die Merkmale der Unteransprüche 2 bis 9. Der abhängige Anspruch 10 beschreibt ein Verfahren zum Entwurf und zur Herstellung von Ventilen gemäß dieser Erfindung.
Das erfindungsgemäße elektromagnetische Ventil enthält zum Aufbau einer Magnetkraft mindestens eine Magnetspule, einen Magnetpol, ein Magnetjoch, und einen Magnetanker.
Eine Ventilhülse und ein mit dem Magnetanker stoffschlüssig, formschlüssig oder kraftschlüssig verbundener Ventilkolben bilden den Ventilteil der Vorrichtung.
Ein Einlass für das Arbeitsfluid des Ventils mündet in einen ersten den Magnetanker zeitweise aufnehmenden Arbeitsraum, der über einen ersten Strömungskanal mit einem zweiten Arbeitsraum des Magnetankers verbunden ist und über einen zweiten Strömungskanal mit einem die Ventilhülse umfassenden Ringraum verbunden ist.
Abhängig vom Hub des Ventilkolbens ergeben sich zwei Schaltpositionen:

• Bei einer Arbeitsposition des Magnetankers, bewirkt durch die stromdurchflossene Magnetspule gegen die Kraft eines Federmittels, ist ein Durchlass von dem Ringraum über mindestens eine Querbohrung in der Ventilhülse zu einem Auslass geöffnet,
• Bei einer Ruheposition des Magnetankers, bewirkt durch das Federmittel, schließt der Ventilkolben den genannten Durchlass.

Vorzugsweise ist der Durchlass von dem Ringraum zu dem Auslass einerseits von einer dynamisch abdichtenden Passung zwischen dem Ventilkolben und der Ventilhülse und andererseits von einer abdichtenden Berührung zwischen dem Ventilkolben und einem Ventilsitz steuerbar.
Dabei wirkt der Ventilsitz als ein Anschlag für den Ventilkolben, und eine zentrale Öffnung in dem Ventilsitz steht mit dem Auslass fluidisch in Verbindung.
Vorteilhafterweise wirkt der Druck am Auslass auf den Ventilkolben bei einer dichtenden Berührung zwischen dem Ventilkolben und dem Ventilsitz für das Ventil öffnend, und der Druck am Einlass wirkt auf den Magnetanker und den damit wirkverbundenen Ventilkolben für das Ventil schließend, wenn sich der Magnetanker in seiner Ruheposition befindet.
In einer vorteilhaften Ausführung ist der Magnetanker mit dem Ventilkolben stoffschlüssig oder formschlüssig fest verbunden und mittels der Ventilhülse beweglich gelagert.
Vorzugsweise ist die Ventilhülse ruhend in dem Magnetjoch gelagert.
In einer ersten vorteilhaften Ausführung ist eine dem Magnetpol zugewandte Stirnfläche des Magnetankers oder ein erstes Anschlagmittel, das den Hub des Magnetankers zum Magnetpol hin begrenzt, durchbrochen oder eingekerbt, damit der erste Strömungskanal und die fluidische Verbindung zwischen dem ersten Arbeitsraum und dem Einlass erhalten bleiben, wenn sich der Magnetanker bei einer Bestromung der Magnetspule dem Magnetpol nähert und sich der erste Arbeitsraum des Magnetankers verkleinert.
In einer zweiten Ausführung bewirken eine Längsbohrung in dem Magnetanker und/oder in dem Ventilkolben und mindestens eine damit verbundene Querbohrung in dem Ventilkolben eine fluidische Verbindung zwischen dem Einlass und dem zweiten Arbeitsraum des Magnetankers, unabhängig von dem Hub des Magnetankers. Damit bleiben der zweite Arbeitsraum des Magnetankers und der Einlass fluidisch verbunden, wenn sich der Magnetanker bei einer Bestromung der Magnetspule dem Magnetpol nähert und sich der erste Arbeitsraum des Magnetankers verkleinert.
Vorteilhafterweise ist das zweite Anschlagmittel am Auslass aus einem elastomeren Material hergestellt, dadurch ergibt sich eine dämpfende Wirkung, wenn der Ventilkolben in der Ruheposition des Magnetankers gegen den Anschlag des zweiten Anschlagmittels dichtend anschlägt.
Das Anschlagmittel wird durch ein Formelement des Magnetjochs in seiner Lage gehalten.
In einer anderen Bauform ist das zweite Anschlagmittel als elastomerummanteltes metallisches Bauteil ausgeführt.
Bei dem Entwurf und der Herstellung des erfindungsgemäßen Ventils wird der innere Durchmesser der Ventilhülse und der Durchmesser des Ventilkolbens entsprechend der Druckdifferenz zwischen dem Einlass und dem Auslass und/oder entsprechend dem in der Anwendung zu erwartenden Durchfluss durch das Ventil gewählt und ausgeführt, wobei das Magnetjoch, der Magnetpol und die Magnetspule nicht verändert werden müssen, solange die Kraft des Magneten für die Schaltfunktion ausreicht.
Vorteile:
Das erfindungsgemäße Ventil weist eine besonders gute Abdichtung des Fluidstroms im Ruhezustand des Magnetankers auf, weil der Fluidstrom zweifach abgedichtet wird, nämlich durch die Passung zwischen dem Ventilkolben und der Ventilhülse einerseits und durch das dichtende Anschlagen des Ventilkolbens auf das elastomere Anschlagmittel andererseits. Die letztere Abdichtung ist selbstverstärkend, weil bei einer höheren Druckdifferenz zwischen dem Einlass und dem Auslass die fluidische Kraft sich erhöht, mit der der Ventilkolben auf das Anschlagmittel gedrückt wird.
Wegen des elastomeren Anschlagmittel ergeben sich nur geringe Vibrationen und Geräusche beim Aufschlag des Ventilkolbens auf das Anschlagmittel. Schließlich weist das Ventil geringe Herstellkosten auf, weil der Einlass und der Auslass auf der Mittellinie des Elektromagneten liegen.
Anwendung:
Das erfindungsgemäße Ventil ist zur Steuerung von verschiedenen Arbeitsflüssigkeiten vorgesehen, vorzugsweise von Brennstoffen, Reagenzien Mineralöl und wasserhaltigen Flüssigkeiten für Heizungen, Abgasbehandlungsanlagen und Verbrennungsmotoren. Andere Anwendungen sollen nicht ausgeschlossen werden.
Bilder und beispielhafte Ausführung:

1 zeigt einen Schnitt der erfindungsgemäßen Hubkolbenpumpe in der ersten Ausführung mit einer Lage des Magnetankers in der Ruheposition.
2 zeigt einen weiteren Schnitt der Hubkolbenpumpe in der ersten Ausführung mit einer Lage des Magnetankers in der Arbeitsposition.
3 zeigt eine zweite Ausführung der Hubkolbenpumpe, bei einer Lage des Magnetankers in der Arbeitsposition.

Das elektromagnetische Ventil (1) gemäß 1 und 2 enthält eine Magnetspule (2), einen Magnetpol (8), ein Magnetjoch (9), einen Magnetanker (5), eine Ventilhülse (7) und einen mit dem Magnetanker (5) kraftschlüssig verbundenen Ventilkolben (6).
Der Einlass (3) für das Arbeitsfluid des Ventils (1) mündet in einen ersten den Magnetanker (5) zeitweise aufnehmenden Arbeitsraum (14), der über einen ersten Strömungskanal (11) mit einem zweiten Arbeitsraum (15) des Magnetankers (5) verbunden ist.
Der zweite Arbeitsraum ist auch über einen zweiten Strömungskanal (12) mit einem die Ventilhülse (7) umfassenden Ringraum (16) verbunden.
Abhängig vom Hub des Ventilkolbens (6) ist bei einer Arbeitsposition des Magnetankers (5), bewirkt durch die stromdurchflossene Magnetspule (2) gegen die Kraft eines Federmittels (19), ein Durchlass von dem Ringraum (16) über mindestens eine Querbohrung (17) in der Ventilhülse (7) zu einem Auslass (4) geöffnet.
Bei einer Ruheposition des Magnetanker (5), bewirkt durch ein Federmittel (19), verschließt der Ventilkolben (6) den genannte Durchlass.
Der Durchlass von dem Ringraum (16) zu dem Auslass (4) ist einerseits von einer dynamisch abdichtenden Passung zwischen dem Ventilkolben (6) und der Ventilhülse (7) und andererseits von einer abdichtenden Berührung zwischen dem Ventilkolben (6) und einem Ventilsitz (10) steuerbar.
Dabei wirkt der Ventilsitz (10) als ein Anschlag (13) für den Ventilkolben (6), und eine zentrale Öffnung (18) in dem Ventilsitz (10) steht mit dem Auslass (4) fluidisch in Verbindung.
Bei einer dichtenden Berührung zwischen dem Ventilkolben (6) und dem Ventilsitz (10) wirkt die Wirkfläche des Drucks am Auslass (4) auf den Ventilkolben (6) für das Ventil (1) öffnend und die für den Druck am Einlass (3) wirksame Wirkfläche auf den Magnetanker (5) und dem damit wirkverbundenen Ventilkolben (6) für das Ventil (1) schließend.
Der Magnetanker (5) ist mit dem Ventilkolben (6) fest verbunden und mittels der Ventilhülse (7) beweglich gelagert.
Die Ventilhülse (7) ist ruhend in dem Magnetjoch (9) gelagert.
Zur Aufrechterhaltung der fluidischen Verbindung zwischen dem Einlass (3) und dem ersten Arbeitsraum (14) ist die dem Magnetpol (8) zugewandte Stirnfläche des Magnetankers (5) oder ein erstes Anschlagmittel (20), das den Hub des Magnetankers (5) zum Magnetpol (8) hin begrenzt, durchbrochen oder eingekerbt.
Der Ventilkolben (6) schlägt in der Ruheposition des Magnetankers (5) gegen den Anschlag (13) eines zweiten Anschlagmittels (21) dichtend an, wobei das zweite Anschlagmittel (21) vorzugsweise aus einem elastomeren Material hergestellt ist.
In einer nicht dargestellten Ausführung ist das zweite Anschlagmittel (21) als elastomerummanteltes metallisches Bauteil ausgeführt.
In einer Ausführung gemäß 3 bewirken eine Längsbohrung (22) in dem Magnetanker (5) und eine damit verbundene Querbohrung (23) in dem Ventilkolben (6) eine fluidische Verbindung zwischen dem Einlass (3) und dem zweiten Arbeitsraum (15) des Magnetankers (5), unabhängig von dem Hub des Magnetankers (5).
Bezugszeichenliste

1.: Ventil
2.: Magnetspule
3.: Einlass
4.: Auslass
5.: Magnetanker
6.: Ventilkolben
7.: Ventilhülse
8.: Magnetpol
9.: Magnetjoch
10.: Ventilsitz
11.: Strömungskanal
12.: Strömungskanal
13.: Anschlag
14.: Arbeitsraum
15.: Arbeitsraum
16.: Ringraum
17.: Querbohrung
18.: Öffnung
19.: Federmittel
20.: Anschlagmittel
21.: Anschlagmittel
22.: Längsbohrung
23.: Querbohrung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102006030543 A1 [0002]
DE 20115282 U1 [0002]

Claims

Elektromagnetisches Ventil (1), mindestens eine Magnetspule (2), einen Magnetpol (8), ein Magnetjoch (9), einen Magnetanker (5), eine Ventilhülse (7) und einen mit dem Magnetanker (5) stoffschlüssig, formschlüssig oder kraftschlüssig verbundenen Ventilkolben (6) enthaltend, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einlass (3) für das Arbeitsfluid des Ventils (1) in einen ersten den Magnetanker (5) zeitweise aufnehmenden Arbeitsraum (14) mündet, der über einen ersten Strömungskanal (11) mit einem zweiten Arbeitsraum (15) des Magnetankers (5) verbunden ist und über einen zweiten Strömungskanal (12) mit einem die Ventilhülse (7) umfassenden Ringraum (16) verbunden ist, wobei abhängig vom Hub des Ventilkolbens (6) bei einer Arbeitsposition des Magnetankers (5), bewirkt durch die stromdurchflossene Magnetspule (2), ein Durchlass von dem Ringraum (16) über mindestens eine Querbohrung (17) in der Ventilhülse (7) zu einem Auslass (4) geöffnet ist, und bei einer Ruheposition des Magnetanker (5), bewirkt durch ein Federmittel (19), der genannte Durchlass von dem Ventilkolben (6) geschlossen ist.
Elektromagnetisches Ventil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchlass von dem Ringraum (16) zu dem Auslass (4) einerseits von einer dynamisch abdichtenden Passung zwischen dem Ventilkolben (6) und der Ventilhülse (7) und andererseits von einer abdichtenden Berührung zwischen dem Ventilkolben (6) und einem Ventilsitz (10) steuerbar ist, wobei der Ventilsitz (10) als ein Anschlag (13) für den Ventilkolben (6) wirkt, und wobei eine zentrale Öffnung (18) in dem Ventilsitz (10) mit dem Auslass (4) fluidisch in Verbindung steht.
Elektromagnetisches Ventil (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer dichtenden Berührung zwischen dem Ventilkolben (6) und dem Ventilsitz (10) die Wirkfläche des Drucks am Auslass (4) auf den Ventilkolben (6) für das Ventil (1) öffnend wirkt und die für den Druck am Einlass (3) wirksame Wirkfläche auf den Magnetanker (5) und dem damit wirkverbundenen Ventilkolben (6) für das Ventil (1) schließend wirkt, wenn sich der Magnetanker (5) in seiner Ruheposition befindet.
Elektromagnetisches Ventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetanker (5) mit dem Ventilkolben (6) fest verbunden ist und mittels der Ventilhülse (7) beweglich gelagert ist.
Elektromagnetisches Ventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilhülse (7) ruhend in dem Magnetjoch (9) gelagert ist.
Elektromagnetisches Ventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine dem Magnetpol (8) zugewandte Stirnfläche des Magnetankers (5) oder ein erstes Anschlagmittel (20), das den Hub des Magnetankers (5) zum Magnetpol (8) hin begrenzt, durchbrochen oder eingekerbt ist.
Elektromagnetisches Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Längsbohrung (22) in dem Magnetanker (5) und/oder in dem Ventilkolben (6) und mindestens eine damit verbundene Querbohrung (23) in dem Ventilkolben (6) eine fluidische Verbindung zwischen dem Einlass (3) und dem zweiten Arbeitsraum (15) des Magnetankers (5) unabhängig von dem Hub des Magnetankers (5) bewirken.
Elektromagnetisches Ventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkolben (6) in der Ruheposition des Magnetankers (5) gegen den Anschlag (13) eines zweiten Anschlagmittels (21) dichtend anschlägt, wobei das zweite Anschlagmittel (21) aus einem elastomeren Material hergestellt ist.
Elektromagnetisches Ventil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkolben (6) in der Ruheposition des Magnetankers (5) gegen den Anschlag (13) eines zweiten Anschlagmittels (21) dichtend anschlägt, wobei das zweite Anschlagmittel (21) als elastomerummanteltes metallisches Bauteil ausgeführt ist.
Verfahren zum Entwurf und zur Herstellung eines elektromagnetischen Ventils (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Durchmesser der Ventilhülse (7) und der Durchmesser des Ventilkolbens (6) entsprechend der Druckdifferenz zwischen dem Einlass (3) und dem Auslass (4) und/oder entsprechend dem in der Anwendung zu erwartenden Durchfluss durch das Ventil (1) gewählt und ausgeführt wird, wobei das Magnetjoch (9), der Magnetpol (8) und die Magnetspule (2) erhalten bleiben.