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Die Erfindung betrifft ein Hubventil mit einem Aktor, einem Strömungsgehäuse mit einem Einlass und einem Auslass, einem Ventilsitz zwischen dem Einlass und dem Auslass, einem axial verschiebbaren Regelkörper, der mittels des Aktors auf den Ventilsitz absenkbar ist und vom Ventilsitz abhebbar ist, einem Umströmungskörper und einem Federelement, durch welches der Regelkörper axial vorgespannt ist.
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Hubventile sind Ventile, bei denen der Regelkörper translatorisch von seinem Ventilsitz abgehoben beziehungsweise auf diesen abgesenkt wird, um eine Strömung eines Fluids zu regeln oder abzusperren beziehungsweise freizugeben.
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Derartige Hubventile werden in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet. Im Automobilbereich können sie als Kühlwasserventile aber auch als Hydraulikventile, Luft- oder Abgasventile verwendet werden.
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Bei Verwendung im Kühlwasserbereich sind koaxial durchströmte Ventile bekannt geworden, die als Schaltventile den Kühlwasserstrom absperren oder freigeben. Diese axial durchströmten Ventile weisen häufig einen strömungstechnisch günstig geformten Umströmungskörper auf, durch dessen Form der Druckverlust reduziert wird und der gleichzeitig als Ventilsitz dient. So kann die aufzubringende Pumpleistung möglichst gering gehalten werden 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.
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Ein derartiges elektromagnetisch betätigtes Koaxialventil mit einem Umströmungskörper ist beispielswiese aus der
DE 10 2016 112 408 A1 bekannt. Dieses Ventil weist ein als Schließkörper dienendes Rohr auf, welches einstückig mit dem Anker des Elektromagneten hergestellt ist und sich durch den Kern zum entgegengesetzten axialen Ende des Elektromagneten erstreckt. Durch Betätigung des Elektromagneten wird das Rohr vom Ventilsitz, der am Umströmungskörper ausgebildet ist, abgehoben. Durch eine Federkraft erfolgt das Aufsetzen des Rohres auf den Ventilsitz zum Sperren der Strömung. Der Umströmungskörper ist im 2-Komponenten Spritzgießverfahren einstückig mit einem äußeren Ring hergestellt, der über Stege mit dem Umströmungskörper verbunden ist. Durch Einklemmen des Rings zwischen einen Anschlussstutzen und das Gehäuse des Elektromagneten erfolgt die Befestigung des Umströmungskörpers.
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Nachteilig an einem solchen Ventil ist es, dass die Montage des Aktors und insbesondere die Anordnung des Federelementes im Aktor sehr schwierig ist. Zusätzlich erfolgt eine Belastung des Umströmungskörpers bei Auflage des Regelkörpers auf den Ventilsitz. Zur zuverlässigen Abdichtung wird dabei eine Kraft auf die Stege ausgeübt, die die Haltbarkeit des Umströmungskörpers einschränken können.
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Es stellt sich daher die Aufgabe, ein Hubventil bereit zu stellen, welches bei möglichst geringem Druckverlust einfach zu montieren ist, eine hohe Lebensdauer aufweist und hohe Durchflussraten ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch ein Hubventil mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.
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Dadurch, dass der Einlass axial zur Bewegungsachse des Regelkörpers des Hubventils angeordnet ist und der Ventilsitz über Stege mit dem Umströmungskörper verbunden ist, wird im geöffneten Zustand des Ventils eine strömungsoptimierte Struktur zur Minderung des Druckverlustes geschaffen, da der Fluidstrom bei geöffnetem Hubventil zwischen den Stegen hindurchströmt und anschließend durch den Umströmungskörper sanft von der axialen Einströmrichtung umgelenkt wird, um entweder die Spule zu umströmen oder direkt radial auszuströmen, ohne dass Querschnittssprünge oder Kanten vorhanden sind, die zu einer vermehrten Wirbelbildung führen würden. Dennoch ist der Aufbau des Ventils einfach, da das Hubventil durch einfaches axiales Ineinanderstecken der Einzelteile montiert werden kann und Bauteile vorhanden sind, die mehrere Funktionen erfüllen, so dass auch die Anzahl der Montageschritte verringert wird. Gleichzeitig wird durch die Anordnung des Ventilsitzes außerhalb des Umströmungskörpers eine Belastung der Stege beim Schließen des Hubventils vermieden, wodurch die Lebensdauer erhöht wird.
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Vorzugsweise ist der Aktor ein Elektromagnet mit einer Spule, einem Kern, Rückschlusselementen und einem Anker, der mit dem Regelkörper verbunden ist, wobei der Regelkörper durch Bestromung der Spule in Richtung des Ventilsitzes belastet ist und durch das Federelement in Öffnungsrichtung belastet ist. Entsprechend ist zur Öffnung kein Energieaufwand erforderlich. Es wird ein zuverlässig arbeitender einfach montierbarer Aktor geschaffen.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Federelement zwischen dem Regelkörper und dem Umströmungskörper eingespannt ist. Durch diese Anordnung wird die Montage deutlich vereinfacht, da die Feder außerhalb des Elektromagneten im gut zugänglichen Bereich verbaut werden kann.
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In einer weiteren bevorzugten Ausbildung der Erfindung ist der Ventilsitz axial beabstandet zum Umströmungskörper angeordnet, wodurch trotz der Verwendung des feststehenden Umströmungskörpers eine große Durchströmungsfläche bei geöffnetem Ventil freigegeben werden kann, so dass sich das Ventil auch für große Durchflüsse eignet.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn der Ventilsitz mit den Stegen und dem Umströmungskörper einstückig im Zwei-Komponentenspritzgießverfahren hergestellt ist. Dies erleichtet einerseits die Montage und andererseits kann eine optimale Elastizität des Ventilsitzes und Festigkeit der Stege sichergestellt werden.
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Dabei ist der Ventilsitz vorzugsweise aus einem elastischen Kunststoff hergestellt, wodurch die Dichtigkeit im geschlossenen Zustand des Ventils sichergestellt wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Umströmungskörper rotationssymmetrisch ausgebildet und weist eine Anströmfläche auf, die sich von der Mittelachse in Bezug auf eine Ebene durch den Ventilsitz konkav nach radial außen erstreckt. Durch die Achssymmetrie werden Einbaufehler vermieden. Die konkave Anströmfläche sorgt für eine sanfte Umlenkung der Strömung In radialer Richtung, so dass der Druckverlust durch Verringerung des Strömungswiderstandes im geöffneten Zustand im Vergleich zu bekannten Ventilen deutlich reduziert werden kann.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn an einer zur Anströmfläche entgegengesetzten axialen Seite des Umströmungskörpers eine ringförmige Ausnehmung ausgebildet ist, gegen deren axiales Ende das Federelement anliegt. Diese Ausnehmung dient als Auflage und Führung des Federelementes, welches entsprechend in seiner Position festgelegt wird und zusätzlich gegen ein Knicken bei Belastung geschützt wird.
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In einer Weiterführung der Erfindung ist der Umströmungskörper mit dem Ventilsitz und einem Stützring einstückig ausgebildet, wobei der Stützring axial auf einem Absatz eines Einlassstutzens des Hubventils aufliegt. Der Stützring wird dabei beispielsweise aus einem festen Thermoplasten gebildet, so dass eine ausriechende Stabilität vorhanden ist.
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Vorzugsweise sind am Absatz des Einlassstutzens zwei ringförmige Axialnuten ausgebildet, in die entsprechende ringförmige Vorsprünge des Ventilsitzes beziehungsweise des Stützringes ragen. Der gesamte Körper bestehend aus dem Ventilsitz, dem Umströmungskörper und dem Stützring kann durch die Nuten somit in seiner Lage axial und radial festgelegt werden und einfach am Einlassstutzen montiert werden. Eine Fehlmontage wird entsprechend ausgeschlossen.
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Vorteilhafterweise ragt das Federelement an seinem vom Umströmungskörper abgewandten Ende in eine ringförmige Ausnehmung des Regelkörpers und liegt gegen ein axiales Ende der Ausnehmung an. Diese Ausnehmung dient zur Aufnahme und Führung des Federelementes an diesem Ende, so dass ein Knicken oder eine Fehlmontage des Federelementes ausgeschlossen werden. Des Weiteren kann die Montage durch einfaches axiales Ineinanderstecken erfolgen.
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Der Regelkörper weist vorteilhaft eine über den Umfang geschlossene Seitenwand auf, die den Umströmungskörper im geschlossenen Zustand des Hubventils radial umgibt. Entsprechend wird der Regelkörper im geschlossenen Zustand des Ventils über den Umströmungskörper gestülpt und mit den Enden der Seitenwände auf dem Ventilsitz abgesetzt.
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Ergänzend hierzu kann der Regelkörper eine Wandfläche aufweisen, die im geschlossenen Zustand gegen eine zum Aktor weisende Fläche des Umströmungskörpers anliegt. Diese Wandfläche kann insbesondere die axial den Regelkörper begrenzende Fläche beziehungsweise Teile dieser Fläche sein. So wird die axiale Baulänge minimiert und Schwingungen des Umströmungskörpers im geschlossenen Zustand verhindert.
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Bei einem derartigen Hubventil ist vorzugsweise der Auslass entweder radial zur Bewegungsachse des Regelkörpers des Hubventils angeordnet oder axial zur Bewegungsachse des Regelkörpers des Hubventils angeordnet, wobei der Aktor umströmt ist. Für beide Versionen findet eine sanfte Umlenkung des Fluidstroms am Umströmungskörper statt, um diesen entweder direkt zum radialen Auslass zu führen oder um den Aktor herumzuführen.
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Es wird somit ein Hubventil, insbesondere Kühlmittelabsperrventil für eine Verbrennungskraftmaschine, geschaffen, welches optimale Strömungsverhältnisse bei geöffnetem Ventil durch den Umströmungskörper und daraus folgend geringe Strömungswiderstände und Druckverluste sicherstellt. Zusätzlich wird eine deutlich vereinfachte Herstellung und Montage bei dichtem Verschluss erreicht, da die Bauteile des Ventils vollständig durch axiales Ineinanderschieben montierbar sind und Bauteile verwendet werden, welche mehrere Funktionen in einem zu montierenden Teil ineinander vereinen.
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Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hubventils ist in der Figur dargestellt und wird im Folgenden beschrieben.
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Die 1 zeigt eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Hubventils in stromlos offener Version in geschnittener Darstellung.
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Die 2 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Umströmungskörpers mit Ventilsitz des Hubventils aus 1.
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Das erfindungsgemäße Hubventil weist einen Aktor 10 in Form eines Elektromagneten auf, der in einem Gehäuse 12 angeordnet ist. Der Elektromagnet besteht aus einer Spule 14, die auf einen Spulenträger 16 gewickelt ist, sowie Rückschlusselementen 18, 20, 22, welche durch zwei an den axialen Enden des Spulenträgers 16 angeordnete Rückschlussbleche 18, 20 sowie ein die Spule 14 umgebendes Joch 22 gebildet werden. Im Innern des Spulenträgers 16 beziehungsweise des Gehäuses 12 ist eine Hülse 24 befestigt, in deren Innern ein Kern 26 des Elektromagneten befestigt ist und in der ein Anker 28 des Elektromagneten gleitbeweglich angeordnet ist. Zur Bestromung der Spule 14 ist am Gehäuse 12 ein Stecker ausgebildet, dessen elektrische Kontaktfahnen sich durch das Gehäuse 12 zur Spule 14 erstrecken.
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Der Kern 26 weist eine radial innere Durchgangsöffnung 30 auf, durch die eine Ventilstange 32 ragt, die am Anker 28 anliegt und an deren entgegensetzten axialen Ende ein Regelkörper 34 ausgebildet ist, der mit dem Anker 28 bei Bestromung der Spule 14 entlang einer Bewegungsachse, die der Mittelachse des Elektromagneten entspricht, bewegt wird. Entsprechend ist der Kern 26 in dieser Ausführung zwischen dem Anker 28 und dem Regelkörper 34 angeordnet.
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Der Regelkörper 34 korrespondiert mit einem Ventilsitz 36, der in einem Strömungsgehäuse 38 angeordnet Ist, welches einen axialen Einlass 40 und einen radialen Auslass 42 aufweist, zwischen denen der Ventilsitz 36 angeordnet ist. Der Ventilsitz 36 ist über Stege 44 mit einem Umströmungskörper 46 verbunden, wobei zwischen den Stegen 44 Durchströmungsöffnungen 48 ausgebildet sind. Die Stege 44 verlaufen zunächst nach radial innen und im weiteren Verlauf mit einer zusätzlichen Komponente in axialer Richtung zum Aktor 10. Die Stege 44 erstrecken sich bis an eine Anströmfläche 50 des Umströmungskörpers 46, der einstückig mit den Stegen 44 hergestellt ist. Der Umströmungskörper 46 Ist ein rotationssymmetrischer Körper von dessen zentralem Anströmpunkt 52 auf der Mittelachse M sich dessen Anströmfläche 50 konkav in Bezug auf eine durch den Ventilsitz 36 aufgespannte Ebene erstreckt, so dass bei geöffnetem Hubventil das axial einströmende Fluid sanft mit wachsender Komponente in radialer Richtung zum radialen Auslass 42 umgelenkt wird.
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Im Strömungsgehäuse 38 ist ein Stützrings 58 befestigt. Dieser Stützring 58 ist einteilig im Zwei-Komponentenspritzgussverfahren mit dem Ventilsitz 36, den Stegen 44 und dem Umströmungskörper 46 hergestellt, wobei die Stege 44, der Umströmungskörper 46 und der Stützring 58 aus einem festeren Kunststoff, wie beispielswiese einem Thermoplasten, bestehen, während der Ventilsitz 36 aus einem elastischen Kunststoff, wie einem Elastomer, besteht, um eine zuverlässige Dichtwirkung bei Auflage des Regelkörpers 34 zu erreichen. Der Stützring 58 weist zwei ringförmige, sich in axialer Richtung vom Aktor 10 wegweisende Vorsprünge 60, 62 auf, die jeweils in eine korrespondierende ringförmige Axialnut 64, 66 ragen, die an einem Absatz 68 am Strömungsgehäuse 38 ausgebildet sind. Entsprechend kann die Einheit aus Umströmungskörper 46, Stegen 44, Ventilsitz 36 und Stützring 58 radial durch die beiden Vorsprünge 60, 62 am Einlassstutzen 56 gehalten werden.
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Am zur Anströmfläche 54 entgegengesetzten und damit zum Aktor 10 weisenden Fläche 70 des Umströmungskörpers 46 ist eine ringförmige Ausnehmung 72 ausgebildet, in der ein Ende eines als Schraubenfeder ausgebildeten Federelementes 74 aufgenommen wird, deren entgegengesetztes Ende in eine ringförmige Ausnehmung 76 am Regelkörper 34 beziehungsweise zwischen Ventilstange 32 und Regelkörper 34 ragt. Das Federelement 74 ist zwischen den beiden Enden dieser ringförmigen Ausnehmungen 72, 76 vorgespannt angeordnet, so dass der Regelkörper 34 in Richtung des Ankers 28 belastet wird und gegen diesen gedrückt wird. Dies bedeutet, dass bei Nichtbestromung der Spule 14 der Regelkörper 34 durch die Federkraft vom Ventilsitz 36 abgehoben wird. Es handelt sich somit um ein stromlos offenes Ventil.
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Der Regelkörper 34 weist eine über den Umfang geschlossene Seitenwand 78 auf, deren Außenfläche zylindrisch geformt ist und deren axiales Ende, welches auf den Ventilsitz 36 aufsetzbar ist, spitz zuläuft. Diese Seitenwand 78 ist über eine Wandfläche 80 mit der Ventilstange 32 verbunden, die den Regelkörper 34 axial begrenzt und deren zum Umströmungskörper 46 weisende Fläche bei geschlossenem Hubventil gegen die zum Aktor 10 weisende Fläche 70 des Umströmungskörpers 46 anliegt. So werden die Stege 44 im geschlossenen Zustand durch den Druck am Einlass 40 nicht stetig belastet. Die Höhe der Seitenwand 78 wird so gewählt, dass das zum Ventilsitz 36 weisende Ende im geöffneten Zustand des Ventils näher zum Aktor 10 angeordnet ist als die Anströmfläche 54 des Umströmungskörpers 46, so dass die Strömung am Regelkörper 34 vorbeigeleitet wird.
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Neben den Vorteilen im Betrieb, wie ein verringerter Druckverlust im geöffneten Zustand durch die Form des Umströmungskörpers, ergeben sich vor allem Vorteile in der Montage, da diese der Reihe nach durch Ineinanderschieben montiert werden können. So kann das Strömungsgehäuse am Aktor befestigt werden und anschließend die Feder in die Ausnehmung des Regelkörpers gesteckt werden. Durch Einlage des Umströmungskörpers mit dem Ventilsitz und dem Dichtring in den Einlassstutzen und anschließendem Aufsetzen des Einlassstutzens gegen das Strömungsgehäuse ist dieses abgedichtet und das Federelement wird zwischen dem Regelkörper und dem Umströmungskörper vorgespannt. Dies bedeutet, dass der Umströmungskörper einerseits seine Funktion zur Strömungsleitung mit geringem Druckverlust erfüllt und zusätzlich eine Dichtaufgabe erfüllt, einen Ventilsitz zur Abdichtung zur Verfügung stellt und die Anlagefläche zum Einspannen der Feder bietet. Auf diese Weise wird die Montage erheblich vereinfacht.
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Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich des vorliegenden Hauptanspruchs nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist, sondern verschiedene Modifikationen möglich sind. So kann beispielsweise statt des dargestellten radialen Auslasses auch ein axialer Auslass am zum Einlass entgegengesetzten Ende des Aktors gewählt werden, wobei die Spule beziehungsweise der Aktor dann nach der radialen Umlenkung am Umströmungskörper vollständig umströmt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016112408 A1 [0005]
