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Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisch betätigbares 3/2-Wege-Sitzventil zum Verbringen von Fluid, wie Flüssigkeiten, etwa Kühlflüssigkeiten. Mit solchen Wegeventilen werden die Richtungen des Volumenstroms, das heißt die Ausfahrrichtung eines Zylinders und durch Start-Stopp-Befehle die Weglänge des Hubs gesteuert. Die elektromagnetische Betätigbarkeit wird durch einen Magnethubkolben gewährleistet, der mit elektrischem Strom versorgbar ist.
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Ähnliche Sitzventile sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt. So offenbart beispielsweise die WO 2022/ 017 566 A1 ein vorgesteuertes 3/2-Wege-Kühlmittelventil.
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Im Bereich des Thermomanagements bei Kraftfahrzeugen sind einfache, kostengünstige und leicht industrialisierbare Stellorgane gefragt. Speziell 3/2-Wegeventile sind in Zeiten der xEV (Elektromobilität) vom Markt gewünscht. Es gibt solche Ventile direktwirkend über Hubmagnetkraft und auch Lösungen, die rein vorgesteuert über Kraftunterstützung aus der Hydraulik wirken. Direktwirkende Ventile erfordern eine Magnetkraft, die je nach Anbindung variiert. Bei hohen Schließdrücken und geringen Druckverlustbeiwerten müsste der Hub- und/oder der Dichtdurchmesser groß gewählt werden, was hohe Ansprüche an die Hubmagnetarbeit stellt und somit die Größe, das Gewicht, die Kosten und die Stromaufnahme des Magneten entsprechend hoch definieren. Oberhalb eines gewissen hydraulischen Betriebspunkts funktionieren solche Steller dann nicht mehr, weil sie entweder ungewollt einen Schaltzustand verlassen oder aus einem Schaltzustand nicht mehr in den anderen wechseln können; das hängt von der Anordnung des Schließkolbens relativ zur Dichtfläche und Strömungsrichtung ab.
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Vorgesteuerte Ventile hingegen benötigen lediglich eine geringe Hubarbeit, da diese nur eine Pilotöffnung bedienen und dadurch Staudruck aus der Schalthydraulik ausnutzen, mit Hilfe dessen der eigentliche Stellvorgang ausgeführt wird. Ein entscheidender Nachteil hierbei ist jedoch, dass diese Stellkraft erst ab gewissen hydraulischen Betriebsbedingungen, die abhängig von der Vorspannkraft beteiligter Rückstellfedern und den Dichtdurchmessern sind, funktionieren, also beispielsweise bei abgeschalteter Fluidpumpe ihren Zustand wechseln können.
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Für direkt gesteuerte Magnetventile ist also festzuhalten, dass für die Schaltfunktion keine Mindestbetriebs- bzw. Differenzdrücke vorhanden sein müssen, denn sie arbeiten von 0 bar an. Für vorgesteuerte Ventile ist festzuhalten, dass sie nach dem Differenzdruckprinzip arbeiten und den Druck des Mediums zum Öffnen und Schließen des Ventilsitzes ausnutzen.
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Aus der
DE 42 01 442 A1 ist ein direkt betätigtes 3-Wege-Druckregelventil bekannt.
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Die
US 10 634 257 B2 offenbart ein Proportionalventil.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Verbesserung beider Ventilarten zu erreichen und die bekannten Nachteile zu mindern oder vollständig auszuräumen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein elektromagnetisch betätigbares 3/2-Wege-Sitzventil mit:
- - einem Gehäuse, das einen hydraulischen Eingang, einen ersten hydraulischen Ausgang und einen zweiten hydraulischen Ausgang festlegt,
- - einem ersten Wirkkolben, der den ersten hydraulischen Ausgang schaltbar öffnet und verschließt,
- - einem zweiten Wirkkolben, der den zweiten hydraulischen Ausgang schaltbar öffnet und verschließt,
- - einem den ersten Wirkkolben hubbeweglich durchdringenden ersten Schließteil zum gezielten Zuleiten von unter Staudruck im Eingang befindlichem Fluid zum ersten Wirkkolben,
- - und einem den zweiten Wirkkolben hubbeweglich durchdringenden zweiten Schließteil zum gezielten Zuleiten vom unter Staudruck im Eingang befindlichen Fluid zum zweiten Wirkkolben,
wobei ein auf die Schließteile wirkender Magnethubkolben ein gezieltes Öffnen und Verschließen der Ausgänge bewirkt.
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Zum Verschließen fährt dabei der jeweilige Wirkkolben auf einen Ventilsitz und dichtet diesen ab. Beim Öffnen verfährt der jeweilige Wirkkolben aus dem jeweiligen Ventilsitz und öffnet den Durchgang für das Fluid. Der Staudruck des im Eingang befindlichen Fluids wird zum Vorsteuern eingesetzt.
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Es wird also eine Lösung eines hybridwirkenden Magnetventils vorgestellt, das die Betriebsarten direktwirkender Ventile und vorgesteuerter Ventile vereint und beide beschränkten Betriebsbereiche zu einem uneingeschränkten Betriebsbereich zusammenfasst. Dies hat den großen Vorteil, dass die Anforderungen an den Hubmagneten deutlich reduziert werden können gegenüber direktwirkenden Varianten und der hydraulische Einsatzbereich im Gegensatz zu vorgesteuerten Varianten nach unten hin nicht mehr limitiert ist. Die obere hydraulische Einsatzgrenze ist praktisch bei gleicher Magnetcharakteristik höher gegenüber einer direkt wirkenden Bauweise. Es können trotz kleiner Magnethübe ergo direkte Auswirkungen auf das Kostenniveau des Hubmagneten und durch groß gewählte Dichtdurchmesser vorteilhafte Druckverluste für die geöffneten Stellungen erzeugt werden. Das Kraftniveau des Hubmagneten kann gering gewählt werden. Es hängt im Wesentlichen nur von den Federvorspannungen ab, die wiederum von der gewünschten oberen hydraulischen Betriebsgrenze abhängen, insgesamt jedoch auf deutlich reduziertem Niveau befindlich sind. Dies hat wiederum direkte Auswirkungen auf das Kostenniveau des Hubmagneten. Mit anderen Worten kann ein kostengünstiger Hubmagnet eingesetzt werden.
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Das vorgestellte Wirkprinzip ist geradezu geeignet für 3/2-Wegventile, also solche Ventile mit drei Anschlüssen und zwei Schaltstellungen (1 E/2A-A1 offen/A2geschlossen +A1 geschlossen/A2offen).
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Das vorliegende Ventil kann in allen gängigen Fluidkreisläufen zum Einsatz kommen.
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Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert.
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Eine Schließteilfeder kann Druck auf die Schließteile aufbringen, eine erste Wirkkolbenfeder kann Druck auf den ersten Wirkkolben aufbringen und eine zweite Wirkkolbenfeder kann Druck auf den zweiten Wirkkolben aufbringen. Auf diese Weise kann einfach vorgegeben werden, ob der jeweilige Wirkkolben in seiner Null-Stellung den für ihn vorgesehenen jeweiligen Ventilsitz verschließt oder offen hält. Die Default-Konfiguration ist somit gezielt vorgebbar.
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Die Federsteifigkeiten der ersten Wirkkolbenfeder, der zweiten Wirkkolbenfeder und der Schließteilfeder können aufeinander und/oder auf den Staudruck so abgestimmt sein, dass das gezielte Öffnen und Verschließen der Ausgänge durch den Einsatz des Magnethubkolbens bewirkbar ist.
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Die Federn können so eingebaut sein, dass sie den jeweiligen ihnen zugeordneten Wirkkolben oder das jeweilige ihnen zugeordnete Schließteil auf einen Ventilsitz, diesen verschließend, drücken. Dabei können das Schließteil stangenartig ausgebildet und die Federn als Druckfedern ausgebildet sein. Insbesondere ist die Ausgestaltung der Druckfedern als Schraubenfedern denkbar.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schließteilfeder eine größere Federkraft besitzt als die zweite Wirkkolbenfeder.
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Wenn ein dem zweiten Schließteil zugewandtes Ende des ersten Schließteils an einem dem ersten Schließteil zugewandten Ende des zweiten Schließteils lose anliegt, so kann sichergestellt werden, dass nur Druck von dem einen Schließteil auf das andere Schließteil übertragbar ist, nicht aber Zug. Zwangsbewegungen und dadurch bedingte Zwangsschaltungen lassen sich ergo verhindern.
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Wenn das erste Schließteil und/oder das zweite Schließteil einen Vordrucksteuerfluidverschlussbereich besitzen, so hat dies direkte Auswirkungen auf den Hubmagneten derart, dass die Anforderungen an diesen geringer werden. Er kann dann kostengünstiger gestaltet werden.
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Besonders effizient ist es dabei, wenn der Vordrucksteuerfluidverschlussbereich als kugeliger oder sphärischer oder kugelabschnittsartiger Bereich ausgebildet ist.
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Vorteile stellen sich auch ein, wenn die Vorspannkraft der ersten Wirkkolbenfeder und der zweiten Wirkkolbenfeder gleich groß oder alternativ unterschiedlich sind, das heißt, dass die erste Wirkkolbenfeder eine größere Steifigkeit besitzt als die zweite Wirkkolbenfeder oder die zweite Wirkkolbenfeder eine größere Vorspannkraft besitzt als die erste Wirkkolbenfeder.
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Dergestalt ist es auch von Vorteil, wenn die Vorspannkräfte der Schließteilfeder und der ersten Wirkkolbenfeder gleich groß sind. Andere Varianten lassen sich realisieren, wenn diese beiden Vorspannkräfte unterschiedlich groß sind, insbesondere wenn die Schließteilfeder eine größere Vorspannkraft besitzt als die erste Wirkkolbenfeder oder umgekehrt.
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Die Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe einer Zeichnung näher erläutert, in der ein erfindungsgemäßes elektromagnetisch betätigtes 3/2-Wege-Sitzventil in verschiedenen Schaltstellungen dargestellt ist. Es zeigen:
- 1 das Sitzventil in einer ersten Stellung, in der der Magnet nicht betätigt ist,
- 2 das Sitzventil in einer zweiten Schaltstellung, nämlich am Beginn des Schaltvorgangs, bei dem der Magnet betätigt ist,
- 3 das Sitzventil am Ende der ersten Schaltstellung, in der der Magnet betätigt ist,
- 4 das zweite Ende einer nachfolgenden Schaltstellung, in der der Magnet betätigt ist,
- 5 der Beginn der Rückhubstellung des Sitzventils, bei der der Magnet nicht betätigt ist,
- 6 das Ende der Rückhubstellung des Sitzventils, wobei der Magnet nicht betätigt ist,
- 7 die Rückkehr zur Grundstellung des Sitzventils, in der der Magnet nicht betätigt ist.
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Die in den 1 bis 7 dargestellten Konfigurationen sind jeweils nacheinander eingenommen, wobei auf die Konfiguration der 7 wieder die Konfiguration der 1 folgt.
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Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen nur dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist eine erste Ausführungsform eines elektromagnetisch betätigbaren 3/2-Wege-Sitzventils 1 dargestellt. Es besitzt ein Gehäuse 2, das einen hydraulischen Eingang 3, einen ersten hydraulischen Ausgang 4 und einen zweiten hydraulischen Ausgang 5 definiert. Ein erster Wirkkolben 6 und ein zweiter Wirkkolben 7 sind zum dichtenden Verschließen eines Ventilsitzes 8 bzw. 9 vorgesehen. Wenn der jeweilige Wirkkolben 6, 7 in seiner Verschlussposition ist, dann ist der jeweilige Ausgang 4, 5 verschlossen. Es gibt ein erstes Schließteil 10 und ein zweites Schließteil 11, die stangenförmig sind. Das Schließteil 10 durchdringt den Wirkkolben 6 und das Schließteil 11 durchdringt den Wirkkolben 7, wobei es an beiden Schließteilen 10 und 11 Vordrucksteuerfluidverschlussbereiche 12 bzw. 13 gibt.
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Eine Schließteilfeder 14 ist so eingebaut, dass sie den ballig ausgebildeten Vordrucksteuerfluidverschlussbereich 13 auf einen Steuerventilsitz 15 drückt. Der Vordrucksteuerfluidverschlussbereich 13 mit seiner ebenfalls balligen / kugeligen / sphärischen Kontur ist zum Verschließen eines anderen Steuerventilsitzes 16 vorgesehen. Im vorliegenden Fall ist jeder der Steuerventilsitze 15 und 16 zweiteilig. Die ballige Kontur ist zwischen den beiden Teilen des jeweiligen Steuerventilsitzes 15 oder 16 angeordnet.
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Es gibt ferner eine erste Wirkkolbenfeder 17 und eine zweite Wirkkolbenfeder 18. Die Wirkkolbenfedern 17 und 18 sind so eingebaut, dass sie den jeweiligen Wirkkolben 6 oder 7 in eine geöffnete Position zwingen. Durch einen ersten Bypass 19 bzw. einen zweiten Bypass 20 kann bei geeigneter Stellung des Vordrucksteuerfluidverschlussbereichs 12 bzw. 13 auf dem ersten Schließteil 10 bzw. dem zweiten Schließteil 11 der Staudruck des Fluids im Eingang 3 genutzt werden, um den jeweiligen Wirkkolben 6 oder 7 in seine Verschlussposition zu zwingen.
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Das letztliche Verstellen bedingt ein Magnethubkolben 21 als Teil eines Hubmagneten 22.
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Das Gehäuse 2 besitzt zumindest zwei Gehäusehälften 23 und 24. Auf der Seite des ersten Wirkkolbens 6 gibt es einen ersten Adapter 25 und auf der Seite des zweiten Wirkkolbens 7 gibt es einen zweiten Adapter 26. Ferner gibt es einen Halter 27, auf dessen gegenüberliegender Seite es auch einen Verschlussdeckel 28 gibt.
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Das Sitzventil 1 umfasst in seiner äußeren Gestalt das Gehäuse 2 mit den zwei Gehäusehälften 23 und 24, die an einem Ende den Adapter 25 aufnehmen, der wiederum den Hubmagneten 22 aufnimmt, bzw. die am anderen Ende den Adapter 26 aufnehmen, der wiederum den Verschlussdeckel 28 aufnimmt. Außerdem sind je nach Ausgestaltung der hydraulische Eingang 3 und die zwei hydraulischen Ausgänge 4 und 5 in das Gehäuse 2 integriert oder zu montieren. Außerdem wird mittels des Halters 27 das gesamte Sitzventil 1 an seine Umgebung angebunden.
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Im Inneren des Ventils1 befinden sich die funktionalen Komponenten, nämlich die Schließteile 10 und 11, die Wirkkolben 6 und 7 sowie die Schließteilfeder 14 und die Wirkkolbenfedern 17, 18 sowie die Bypässe 19, 20, die den Eingang 3 zu den jeweiligen Räumen oberhalb der jeweiligen Wirkkolben 6 bzw. 7 verbinden.
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Den Figuren sind die jeweiligen Schaltzustände zu entnehmen. 1 zeigt die Grundstellung, in der der Magnet nicht betätigt ist. Dabei ist der zurückgelegte Schließteilweg 0 mm und der von den Wirkkolben 6, 7 zurückgelegte Kolbenweg ist 3 bzw. 0 mm. Das bedeutet, dass der erste Wirkkolben 6 auf seiner Null-Position aus dichtender Anlage im jeweiligen Ventilsitz um 3 mm ausgefahren ist und der zweite Wirkkolben 7 in seiner Null-Position, also den Ventilsitz abdichtend um 0 mm verfahren ist.
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Der Hubmagnet 222 ist nicht bestromt und die Schließteile 10 und 11 werden durch die Schließteilfeder 14 in ihre rechte Anlage gedrückt. Dadurch ist auf der rechten Seite der Wirkkolben 6 nicht mit Staudruck aus dem Eingang 3 über den Bypass 19 versorgt, da der kugelige Bereich am Schließteil 10 zum Adapter 25 abdichtet. Somit ist der Ausgang 4 offen geschaltet, während auf der linken Seite die umgekehrte Situation herrscht: Das Schließteil 11 wurde ebenfalls durch die Vorspannkraft der Schließteilfeder 14 nach rechts gedrückt (loser druckkraftübertragender Stoßkontakt der Schließteile 10 und 11), womit es in seinem kugeligen Bereich 13 auf den Dichtsitz 15 im Wirkkolben 7 drückt und im gleichen Augenblick dadurch die Vorsteuerkraftwirkung auslöst (Staudruck aus dem Eingang 3 wird über den Bypass 20 bis oberhalb des Wirkkolbens 7 ermöglicht) und der Wirkkolben 7 sich in seine Dichtsitzanlage zur Gehäusehälfte 24 bewegt. Der Ausgang 5 ist somit hydraulisch unterstützt geschlossen, selbst bei Wegfall des Volumenstroms/Staudrucks (z.B. abgeschaltete Pumpe) bleibt dieser Ausgang 5 geschlossen, wenn die Vorspannkraft der Schließteilfeder 14 höher gewählt wird als die der Wirkkolbenfeder 18.
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2: Schaltstellung (Beginn), Magnet betätigt: Der Schließteilweg beträgt 1 mm, d.h. die Schließteile 10, 11 sind um 1 mm (nach links) verfahren. Der Kolbenweg ist 3/0 mm, d.h. der erste Wirkkolben 6 ist um 3 mm verfahren und der zweite Wirkkolben 7 ist um 0 mm verfahren.
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3: Schaltstellung (Ende1), Magnet betätigt: Der Schließteilweg beträgt 4 mm und der Kolbenweg beträgt 3/3 mm.
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4: Schaltstellung (Ende2), Magnet betätigt: Der Schließteilweg beträgt 4 mm und der Kolbenweg beträgt 0/3 mm.
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Nun soll die Schaltstellung gewechselt werden, d.h. der Ausgang 4 soll geschlossen und der Ausgang 5 soll geöffnet werden. Dazu werden der Hubmagnet 22 bestromt und die Schließteile 10, 11 nach links bewegt. Auf der rechten Seite wird nun dem Staudruck aus dem Eingang 3 über den Bypass 19 erlaubt, in den Raum oberhalb des Wirkkolbens 6 zu gelangen und somit die Vorsteuerwirkung auf der rechten „1-er“-Seite auszulösen, den Wirkkolben 6 zum einen direktwirkend aus der Bewegung des Hubmagneten 22 bzw. präziser des Magnethubkolbens 21, und zum anderen aus der hydraulischen Kraftunterstützung bis in seinen Dichtsitz in der Gehäusehälfte 23 zu treiben. Der Ausgang 4 ist nun geschlossen.
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In den gleichen Momenten bzw. Bewegungen fand auf der linken „2er“-Seite Folgendes statt. Die Bewegung des Schließteils 10 nach rechts wurde auf das Schließteil 11 übertragen und somit wurde der staudruckdichte Raum oberhalb des Wirkkolbens 7 geöffnet und die hydraulische Vorsteuerung wurde beendet. Der Wirkkolben 7 wurde nun zum einen durch die Druckverhältnisse am Dichtsitz des Wirkkolbens 7 zu seiner Gehäusehälfte 24 (Druckverhältnisse bzgl. Eingang 3 zu Ausgang 5) und zum anderen aus der Vorspannung der Wirkkolbenfeder 18 in seine linke/offene Lage zurückgetrieben und der Ausgang 5 ist nun geöffnet. Dabei unterbindet der kugelige Bereich 13 an Schließteil 11 in seiner Dichtsitzanlage zum Adapter 26, dass die hydraulische Staudruckwirkung auf den linken Wirkkolben 7 wirken kann. Um diese Schaltstellung zu halten, benötigt es einer dauerhaften Bestromung des Hubmagneten 22.
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5: Rückhubstellung (Beginn), Magnet nicht betätigt: Der Schließteilweg beträgt 3 mm und der Kolbenweg beträgt 0/3 mm.
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6: Rückhubstellung (Ende), Magnet nicht betätigt: Der Schließteilweg beträgt 0 mm und der Kolbenweg beträgt 3/3 mm.
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7: Grundstellung, Magnet nicht betätigt: Der Schließteilweg beträgt 0 mm und der Kolbenweg beträgt 3/0 mm.
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Die 5 bis 7 zeigen den erneuten Wechsel der Schaltstellung zurück in die oben beschriebene Ausgangsstellung, d.h. Ausgang 4 ist geöffnet und Ausgang 5 ist geschlossen. Hierzu wird die Bestromung des Hubmagneten 22 beendet. Was folgt, ist umgekehrt bzw. gespiegelt zu dem, was oben im Bereich „Grundstellung, Magnet nicht betätigt (Schließteilweg = 0 mm, Kolbenweg = 3/0 mm)“ beschrieben wurde. Die Schließteilfeder 14 drückt die Schließteile 10 und 11 in ihre Anlage nach rechts. Auf der rechten „1er“-Seite wird dadurch die hydraulische Vorsteuerung bzw. deren Kraftwirkung aufgegeben und der Wirkkolben 6 bewegt sich zum einen aus den hydraulischen Druckverhältnissen an seinem Dichtsitz zur Gehäusehälfte 23 (Druckverhältnisse bzgl. 3 zu 4), zum anderen aus der Vorspannung der Wirkkolbenfeder 6. Der Ausgang 4 ist nun wieder geöffnet, während zeitgleich auf der linken „2er“-Seite die Vorsteuerung auf den Wirkkolben 7 über die Anlage des kugeligen Bereichs 13 des Schließteils 11 aktiviert wurde und der Wirkkolben 7 dadurch in seine Dichtsitzanlage zur Gehäusehälfte 24 getrieben wird und der Ausgang 5 nun wieder geschlossen wurde. Diese Stellung erfordert keine Bestromung des Hubmagneten 22.
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Bei Verlassen der Vorsteuerwirkung bzw. einer geschlossenen Stellung entlädt sich der Staudruck oberhalb des jeweiligen Wirkkolbens 6 bzw. 7 stets über die T-förmige Bohrungsanordnung durch das Innere des jeweiligen Wirkkolbens 6 bzw. 7 in den jeweiligen Ausgang 4 bzw. 5.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sitzventil
- 2
- Gehäuse
- 3
- Eingang
- 4
- erster hydraulischer Ausgang
- 5
- zweiter hydraulischer Ausgang
- 6
- erster Wirkkolben
- 7
- zweiter Wirkkolben
- 8
- Ventilsitz
- 9
- Ventilsitz
- 10
- erstes Schließteil
- 11
- zweites Schließteil
- 12
- Vordrucksteuerfluidverschlussbereich
- 13
- Vordrucksteuerfluidverschlussbereich
- 14
- Schließteilfeder
- 15
- Steuerventilsitz
- 16
- Steuerventilsitz
- 17
- erste Wirkkolbenfeder
- 18
- zweite Wirkkolbenfeder
- 19
- erster Bypass
- 20
- zweiter Bypass
- 21
- Magnethubkolben
- 22
- Hubmagnet
- 23
- Gehäusehälfte
- 24
- Gehäusehälfte
- 25
- erster Adapter
- 26
- zweiter Adapter
- 27
- Halter
- 28
- Verschlussdeckel
