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Die Erfindung betrifft ein vorsteuerbares Ventil, wie ein Magnetventil oder ein Sitzventil, mit einem Gehäuse, das einen Einlass / Eingang und einen Ausgang / Auslass besitzt, zwischen denen ein Ventilsitz vorhanden ist, der von einem Ventilkörper verschließbar ist, wobei ein Vorsteuerventilsitz von einem Vorsteuerventilkörper zum Verändern des Durchflusses eines Vorsteuerstroms verschließbar ist. Die Bewegung des Ventilkörpers und/oder des Vorsteuerventilkörpers werden durch die Einwirkung eines Hubmagneten / Magneten hervorgerufen. Der Vorsteuerventilkörper kann auch als Schließteil bezeichnet werden. Der Ventilkörper kann als Wirkkolben bezeichnet werden.
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Aus dem Stand der Technik sind bereits vorsteuerbare Ventile bekannt. So offenbart beispielsweise die
WO 2022/017566 A1 ein vorgesteuertes Kühlmittelventil, umfassend ein Ventilgehäuse mit einem Druckraum, einem im Druckraum verfahrbaren Schließkolben, der den Druckraum in einen Staudruckraum und einen Durchflussraum unterteilt, einen Kühlmittelzulauf und einen Kühlmittelablauf, die im Durchflussraum münden, einen Ventilsitz, der die Mündung des Kühlmittelzulaufs begrenzt und einen elektromagnetischen Aktuator mit einem Stößel, der bei bestromtem Aktuator den Schließkolben in Richtung des Ventilsitzes hubbetätigt, wobei die Verbindung des Kühlmittelzulaufs mit dem Durchflussraum bei dichtend am Ventilsitz anliegendem Schließkolben unterbrochen ist. Als besonders ist in dieser Patentanmeldung herausgestellt, dass ein an dem Kühlmittelzulauf, dem Staudruckraum und dem Durchflussraum angeschlossenes 3/2-Wegeventil mit einem vom Stößel betätigten Ventilkolben, der sich beim unbestromten Aktuator in seiner erste Schaltstellung befindet und dabei den Anschluss zum Kühlmittelzulauf sperrt und den Staudruckraum mit dem Durchflussraum verbindet, herausgestellt. Ferner ist als besonders relevant herausgestellt, dass sich beim bestromten Aktuator dieser in seiner zweiten Schaltstellung befindet und dabei den Anschluss zum Durchflussraum sperrt und den Kühlmittelzulauf mit dem Staudruckraum verbindet, wobei der Stößel den Schließkolben mittels des Ventilkolbens hubbetätigt.
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Im Bereich des Wärme-Managements und Thermo-Managements 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 Wettbewerber, die solche Ventile direktwirkend (über Hubmagnetkraft) anbieten, und auch Lösungen, die rein vorgesteuert (über Kraftunterstützung aus der Hydraulik) wirken. Es gibt also direktwirkende Ventile und vorgesteuerte Ventile. Direktwirkende Ventile erfordern eine Magnetkraft (Hub / Kraft), die je nach Anbindung variiert. Es sind hohe Schließdrücke und geringe Druckverlustbeiwerte gefragt, so 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 / die Stromaufnahme des Magneten entsprechend hoch definieren. Oberhalb eines gewissen hydraulischen Betriebspunktes funktionieren solche Steller dann nicht mehr, weil sie entweder ungewollt einen Schaltzustand verlassen oder aus einem Schaltzustand nicht mehr in den anderen wechseln können; hängt von der Anordnung des Schließkolbens relativ zur Dichtfläche und Strömungsrichtung ab.
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Vorgesteuerte Ventile hingegen, benötigen lediglich eine geringe Hubarbeit (Hub / Kraft), da diese nur eine Pilotöffnung bedienen und dadurch Staudruck aus der Schalthydraulik ausnutzen / steuern, 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 / Minimumstrom nicht schalten / ihren Zustand wechseln können. 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. Hier ist der jeweilige Mindestbetriebsdruck als Differenzdruck notwendig. Beim direkt gesteuerten Magnetventil ist ein Dichtelement mit einem Anker / Kern gekoppelt. Im stromlosen Zustand ist das Ventil häufig geschlossen und der Kern mit seiner Dichtung wird durch die Federkraft, unterstützt vom Mediumsdruck, auf den Ventilsitz gepresst. Der maximale Betriebsdruck und der Volumenstrom hängen direkt vom Sitzdurchmesser und der Magnetkraft ab. Liegt am Magnet eine Spannung an, wird der Anker häufig mit der Dichtung in die Magnetspule hineingezogen und das Ventil öffnet. Der maximale Betriebsdruck und der Volumenstrom hängen direkt von dem Sitzdurchmesser und der Magnetkraft ab. Bei vorgesteuerten Magnetventilen spricht man auch davon, dass das Vorsteuersystem als Verstärker wirkt, sodass mit einem Magneten mit geringer Kraft Fluide mit großen Volumenströmen bei höheren Drücken gesteuert werden können. Als Dichtelement für den Hauptsitz kommen sowohl Kolben als auch Membranen zum Einsatz. Somit erkennt man, dass die direkt wirkenden Ventile eine obere Betriebs- / Anbindungsgrenze besitzen, während die vorgesteuerten Ventile eine untere Betriebs- / Anwendungsgrenze besitzen.
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Es ist nicht auszuschließen, dass der Stand der Technik noch technische Schwachstellen aufweist, insbesondere solche, dass im Betrieb mit mäßigen oder übermäßigen Verunreinigungen im Kühlmedium, die Mechanik rund um ein Schließteil und/oder den Wirkkolben zum mechanischen Klemmen neigen mag, falls Partikel / Verunreinigungen sich in den ausbildenden Spalten und Wegstrecken befinden. Selbst bei Übertragung in andere Fluidanwendungsfälle, und Erweiterung der Betrachtung von Kühlsystemen auf andere hydraulische Systeme, könnten sich diese Nachteile zeigen. Diese Nachteile könnten zu dauerhaften Defekten der Komponenten führen. Da solch eine Komponente in der Erprobung vor einem Serienstart einen Schmutzdauerlauf bestehen muss und generell über die Lebensdauer im Fahrzeug auch fehlerfrei betreibbar sein muss, wäre es zielführend hier eine Verbesserung zu erreichen.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Nachteile aus dem Stand der Technik abzustellen oder wenigstens eine maßgebliche Verbesserung zu bewirken.
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Bei einem gattungsgemäßen vorsteuerbaren / vorgesteuerten (Kühlmittel-)Ventil wird dies erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zumindest ein vom Vorsteuerstrom in wenigstens einem Betriebsmodus zu durchfließender Filtereinsatz den Ventilsitz oder den Vorspannerventilsitz ausbildet. Auf diese Weise wird ein Schmutzfilter zur deutlichen Verbesserung in Sachen Schmutzempfindlichkeit des Mechaniksystems genutzt.
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Der dabei realisierte Partikelfilter ist als zweiteiliges System ausgeführt. An einem Magnetventileingang wird eine Hülse positioniert, die bisher nur als Dichtsitzhülse des Wirkkolbens dient (geschlossener Zustand des Magnetventils). Nun wird diese Hülse erweitert, um in einem verlängerten unteren Bereich ein Lochmuster auszubilden, welches die Strömung in einem Bypass Schmutz filtert. Diese Schmutzfilterung wird im Bereich eines Partikelfiltereingangs bewirkt. Die Definition des Lochmusters und speziell der Durchmesser der Löcher, ist auf eine anwendungstypische Schmutzpartikelgröße abzustimmen, sollte aber je nach Sättigungsmöglichkeiten so klein wie möglich ausgebildet werden. Weiterhin ist es möglich, speziell im geöffneten Zustand des Magnetventils, dass sich Schmutzpartikel - am Ventilsitz vorbeifließend Richtung Magnetventilausgang - an den Austrittsöffnungen des Wirkkolbens verfangen und dort in Richtung des oberen Teils des Wirkkolbens gespült werden und zum Klemmen führen. Deshalb wurde am Austritt des Wirkkolbens ebenfalls eine Hülse erweitert, die bisher nur eine Dichtfunktion des Schließteils übernahm, nun in einem unteren Bereich ebenfalls mit einem passenden Lochmuster versehen wurde, um Schmutz vom Wirkkolben fern zu halten. Dieses Lochmuster in der entsprechenden Hülse ist nun im Bereich eines Partikelfilterausgangs vorhanden. Das erfindungsgemäße hybridwirkende Magnetventil findet am besten Anwendung bei Kühlsystemanwendungen, kann jedoch auch bei anderen fluidführenden Systemen angewendet werden.
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Der Vorsteuerstrom wird durch einen Bypass geleitet. Der Bypass erstreckt sich dabei von einem Bereich im Eingang zu einem Bereich im Ausgang. Fluid im Eingang kann somit zum Ausgang am Vorsteuerventilkörper / Schließteil vorbei verbracht werden und Druck auf den Ventilkörper / den Wirkkolben in Richtung des Ventilsitzes aufbringen. Üblicherweise gibt es eine Schraubendruckfeder zwischen dem Gehäuse und dem Ventilkörper / Wirkkolben, die so ausgerichtet ist, dass sie den Ventilkörper in eine Öffnungsposition relativ zum Ventilsitz drückt. Üblicherweise gibt es auch auf den Vorsteuerventilkörper / das Schließteil einwirkende Schließteilfedern. Es kann sein, dass eine solche Schließteilfeder zwischen dem Gehäuse und dem Schließteil / dem Vorsteuerventilkörper nach Art einer Schraubendruckfeder eingesetzt ist.
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Vorteilhafte Ausführungsformen sind darüber hinaus in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert.
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So ist es von Vorteil, wenn ein erster Filtereinsatz den Ventilsitz stellt und/oder ein zweiter Filtereinsatz den Vorsteuerventilsitz stellt. Auf diese Weise kann eine Filterwirkung einerseits an einem Partikelfiltereingang und andererseits zusätzlich wieder alternativ an einem Partikelfilterausgang erreicht werden.
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Es hat sich bewährt, wenn der (erste und/oder zweite) Filtereinsatz als Hülse ausgebildet ist, die am Umfang Durchgangslöcher besitzt / besitzen. Insbesondere hat es sich bewährt, wenn gleichmäßig über den Umfang verteilte kreiszylindrische Löcher in beispielsweise vier Reihen, die ebenfalls zueinander gleich beabstandet sind, realisiert sind. Gerade für den zweiten Filtereinsatz reicht es jedoch häufig aus, nur eine Reihe an kreisrunden Löchern zu nutzen, wobei diese über den Umfang gesehen gleich verteilt sind. Ein Lochmuster mit vier Reihen gleichverteilter Löcher bietet sich für den Partikelfiltereingang an.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform ist auch dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl an Durchgangslöcher ein Lochmuster vorgeben, das auf die Geometrie der zu filternden Partikel und die im Betrieb zu erwartende Fluiddynamik abgestimmt ist.
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Die Fertigung wird vereinfacht, wenn der (erste und/oder zweite) Filtereinsatz einen zylindrischen Rohrabschnitt und einen daran distal anschließenden konvexen Flanschabschnitt zur geometrischen Bestimmung des Vorsteuer- / Ventilsitzes besitzt / besitzen.
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Eine Kraftsteigerung wird erreicht, wenn ein beispielsweise geschlitzter, vorzugsweise thermoplastischer Dichtring zwischen dem Ventilkörper und dem Gehäuse vorhanden ist, beispielsweise in einer Nut des Ventilkörpers gehalten und an einem Zylinder im Betrieb schleifend anliegend.
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Vorteilhaft ist es auch, wenn eine vorzugsweise elastomere Rollmembran zwischen dem Ventilkörper und dem Gehäuse vorhanden ist.
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Durch die genannten zwei Maßnahmen wird eine Vermeidung von Reduzierung des möglichen Staudruckniveaus durch ungewollte Leckage am Wirkkolben / Ventilkörper über Dichtelemente, wie einem Dichtring und/oder einer Rollmembran bewirkt. Es sei noch einmal darauf hingewiesen, dass bei hybriden, vorgesteuerten Ventilen vom Eingang des Magnetventils über den Bypass und das geöffnete Schließteil / den Vorspannventilkörper sich Staudruck auswirken kann auf den Wirkkolben, was eine Kraftkomponente zusätzlich zur hydraulischen Kraftwirkung aus dem Magneten zur Folge hat und sich positiv auf die hybride Wirkweise des Magnetventils auswirkt. Diese zusätzliche hydraulische Kraftwirkung ist bei gegebener hydraulischer Betriebsrandbedingung von der Fläche des Wirkkolbens und des sich ausbildenden Stauraums abhängig. Die vorliegende Erweiterung der Erfindung befasst sich somit mit der Optimierung des Staudrucks bei Vermeidung der Reduzierung des möglichen Staudruckniveaus durch ungewollte Leckage am Wirkkolben. Insbesondere zeigt sich dies positiv dann, wenn am Außenumfang des Wirkkolbens eine umlaufende Nut vorgesehen ist, in welcher ein geschlitzter, thermoplastischer Dichtring platziert wird. Der Dichtring weist dabei im verbauten Zustand eine radiale Vorspannung nach außen zum Innendurchmesser des Zylinders auf und dichtet dadurch entsprechend radial ab. Durch diese Vorspannung wird ebenso der angeschrägte Schlitzbereich des Dichtrings abgedichtet. Durch die Druckverhältnisse ober- und unterhalb des Dichtrings wird die Nut als möglicher Leckage-Pfad ebenfalls wirkungsvoll abgedichtet (Anlage des Dichtrings an einer Nutwange).
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Zur Abdichtung des Leckage-Pfads am Hemd des Wirkkolbens (hydraulische Kraftunterstützung erfolgt durch Druckunterschiede oberhalb / unterhalb des Wirkkolbens), kommt eine Rollmembran zum Einsatz, welche sich radial außen am oberen Teil des Zylinders verankert und radial innen am Hemd des Wirkkolbens befestigt wird. Bei Bewegung des Wirkkolbens rollt die Membran entsprechend geführt zwischen dem Zylinder und dem Hemd des Wirkkolbens ab und bildet eine absolute Dichtheit zwischen beiden Elementen aus.
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Die Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 ein erfindungsgemäßes vorsteuerbares / vorsteuerndes Ventil im Längsschnitt,
- 2 ein im Ventil nach 1 eingesetzter Filtereinsatz im Bereich eines Partikelfiltereingangs und/oder eines Partikelfilterausgangs nach Art einer gelochten Hülse, eines Siebs als Schmutzfang,
- 3 eine Vergrößerung der Darstellung aus 1,
- 4 eine Variante eines vorsteuerbaren Ventils mit einem geschlitzten Kolbenring zur Minderung der internen Leckage / optimierten Kolbenabdichtung, die durch Verwendung einer oder zweier gelochter Hülsen gemäß 2 im Sinne der Erfindung erweiterbar ist,
- 5 bis 7 eine Draufsicht, eine Seitenansicht und eine perspektivische Ansicht des als geschlitzter Kolbenring ausgebildeten Dichtrings, wie er in der Variante der 4 eingesetzt ist,
- 8 eine vergrößerte Darstellung der Variante aus 4,
- 9 eine Variante eines vorsteuerbaren Ventils, bei der eine Rollmembran zur Minderung der internen Leckage / optimierte Kolbenabdichtung eingesetzt ist, und die im Sinne der Erfindung durch Verwendung wenigstens einer Hülse nach 2 erweiterbar ist, und
- 10 eine Vergrößerung der Darstellung aus 9.
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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 ein erfindungsgemäßes vorsteuerbares Ventil / elektromagnetisch betätigbares Sitz-Magnetventil 1 dargestellt. Es besitzt ein Gehäuse 2. Das Gehäuse 2 besitzt einen Eingang / Einlass 3 für ein Fluid, wie Kühlmittel, beispielsweise Kühlflüssigkeit. Es gibt ebenfalls einen Ausgang / Auslass 4. Dazwischen ist ein Ventilsitz 5 vorhanden, welcher über einen Ventilkörper / Wirkkolben 6 verschließbar ist. Im Ventilkörper 6 ist auch ein Vorsteuerventilkörper / Schließteil 7 vorhanden. Der Vorsteuerventilkörper 7 ist zum dichtenden Verschließen eines Vorsteuerventilsitzes 8 vorgesehen. Erfindungsgemäß sind sowohl für einen Partikelfiltereingang 9 als auch für einen Partikelfilterausgang 10 ein Filtereinsatz 11, nämlich ein erster Filtereinsatz 12 und ein zweiter Filtereinsatz 13 eingesetzt. Erfindungsgemäß kann auch nur einer der beiden Filtereinsätze 11, also der erste Filtereinsatz 12 oder der zweite Filtereinsatz 13 Verwendung finden.
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Ein Hubmagnet 14 wirkt auf ein Stellteil 15 ein, was wiederum mechanisch auf den Vorsteuerventilkörper 7 und nachfolgend auf den Ventilkörper 6 einwirkt. Es gibt eine Schließteilfeder 16 und eine Wirkkolbenfeder 17. Das Gehäuse 2 bildet auch einen Bypass 18 aus.
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Im Filtereinsatz 11, beispielsweise dem ersten Filtereinsatz 12 oder dem zweiten Filtereinsatz 13, ist eine Vielzahl von Löchern, nämlich Durchgangslöchern 19 vorhanden.
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Wie in der Ausführungsform der 2 zu erkennen ist, besitzt beispielsweise der erste Filtereinsatz 12 vier Reihen an Durchgangslöchern 19. Die Durchgangslöcher 19 sind in einem speziellen Lochmuster 20 angeordnet.
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In den 4 bis 7 wird das Augenmerk auf einen Dichtring 21 gelenkt, der als geschlitzter Kolbenring in einer Nut 22 angeordnet ist und zum Schleifen an einem Zylinder 23 vorgesehen ist.
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Im Sinne der Erfindung ist eine Hülse 24 zumindest weiter nach unten in Richtung eines Partikelfiltereingangs 9 zu verlängern und als Filtereinsatz 11 zu verändern. Das gleiche gilt für eine Hülse 25, die in den Bereich eines Partikelfilterausgangs 10 zu verlängern und dort als Filtereinsatz 11 umzugestalten ist.
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In den 9 und 10 steht eine Rollmembran 26 im Fokus. Im Sinne der Erfindung sind auch die Hülsen 24 und 25 nach unten zu verlängern, nämlich in den Partikelfiltereingang 9 und den Partikelfilterausgang 10, um einen Filtereinsatz 11, also einen ersten Filtereinsatz 12 und einen zweiten Filtereinsatz 13 auszubilden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ventil
- 2
- Gehäuse
- 3
- Eingang / Einlass
- 4
- Ausgang / Auslass
- 5
- Ventilsitz
- 6
- Ventilkörper / Wirkkolben
- 7
- Vorsteuerventilkörper / Schließteil
- 8
- Vorsteuerventilsitz
- 9
- Partikelfiltereingang
- 10
- Partikelfilterausgang
- 11
- Filtereinsatz
- 12
- erster Filtereinsatz
- 13
- zweiter Filtereinsatz
- 14
- Hubmagnet
- 15
- Stellteil
- 16
- Schließteilfeder
- 17
- Wirkkolbenfeder
- 18
- Bypass
- 19
- Durchgangsloch
- 20
- Lochmuster
- 21
- Dichtring
- 22
- Nut
- 23
- Zylinder
- 24
- Hülse
- 25
- Hülse
- 26
- Rollmembran
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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