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Die Erfindung betrifft ein Magnetventil gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie es ganz allgemein aus dem Stand der Technik bekannt ist.
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Derartige Magnetventile umfassen einen Ventilkörper und einen Ventilsitz. Der Ventilkörper ist längs einer Verfahrachse zwischen einer Schließstellung und einer Offenstellung verfahrbar.
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Der Ventilsitz ist als zylindrisches Bauteil ausgeführt. Ein erster Medienkanal in Form einer Bohrung ist zentral im Sitzbauteil angebracht und schließt stirnseitig mit einem Mündungsbereich ab. Zweite Medienkanäle sind im Wesentlichen axial verlaufend und radial benachbart zu dem ersten Medienkanal im Sitzbauteil angeordnet.
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Der Ventilkörper liegt in der Schließstellung mit einem Sitzkörper an dem Ventilsitz an und verschließt den Mündungsbereich des ersten Medienkanals. In der Offenstellung ist der Ventilkörper vom Ventilsitz abgehoben und gibt dadurch den Mündungsbereich des ersten Medienkanals frei.
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Magnetventile werden für verschiedenste Aufgaben in der Hydraulik eingesetzt.
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Magnetventile aus dem Stand der Technik bestehen häufig aus zwei separaten Baugruppen, nämlich aus der die Ventilfunktion ermöglichenden Ventilbaugruppe und dem die Ventilbaugruppe betätigenden elektromechanischen Aktor. Die Ventilbaugruppe und der Aktor sind in einer axialen Aneinanderreihung kaskadiert zu dem vollständigen Magnetventil zusammengefügt.
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Aus der vorangemeldeten, jedoch nachveröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen
DE 10 2022 108 928.2 ist ein hoch integriertes Schnellschaltventil bekannt, bei dem der Ventilkörper im Aktuator weitgehend integriert ist. Gegenüber der vorstehend beschriebenen kaskadierten Anordnung gelingt es, ein Magnetventil in äußerst kompakter Bauweise zu realisieren.
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Obwohl sich derartige Magnetventile in der Praxis bewährt haben, besteht weiterer Optimierungsbedarf. Beispielsweise hat es sich als problematisch erwiesen, eine ausreichende Genauigkeit für die Leistungseinstellung bei digital hydraulischen Pumpenreglern zu erzielen. Bei kleinen nominellen Volumenströmen gelingt es häufig nicht, die erforderliche Dynamik zu realisieren, wie dies beim Einsatz im Zusammenhang mit rein mechanischen Regelungen möglich ist. Die aktuell verwendeten Ventile sind meist druckausgeglichen, ermöglichen somit keine integrierte DBV-Funktion. Bisherige Lösungsansätze zielen auf die Erhöhung der Rückstellkraft des Schließelements durch Erhöhung der Federvorspannung und der Federsteifigkeit ab. Durch die Steigung der Federkraft wird allerdings die Öffnungsdynamik verschlechtert, auch muss die Aktorkraft erhöht werden, was letztlich zu einer Vergrößerung des Bauraums führt.
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Der Schlüssel zur Lösung dieser Problematik liegt in der Erkenntnis, dass das Medium infolge der Anordnung der Medienkanäle eine Umlenkung von annähernd 180° erfährt und hierdurch eine Kraft auf das Schließelement ausübt, die beispielsweise im Falle des eingangs beschriebenen „normally closed“-Ventils entgegen der Feder und damit öffnend wirkt.
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Die vorliegende Erfindung basiert nun auf der Idee, die infolge der Strömungsumlenkung erzeugte Kraft weitgehend innerhalb des Ventilsitzes aufzunehmen.
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Konkret gelingt dies dadurch, dass das Sitzbauteil des Ventilsitzes eine Umlenkkammer für das Medium aufweist. Die Umlenkkammer erstreckt sich in axialer Richtung zwischen einer stirnseitigen Umlenkwandung und dem Mündungsbereich des ersten Medienkanals. In radialer Richtung erfasst sie die zweiten Medienkanäle. Die Umlenkwandung besitzt eine Durchführungsbohrung für einen Schließstößel des Ventilkörpers, wobei der Schließstößel die Durchführungsbohrung axial durchsetzt und in die Umlenkkammer eintaucht. Der Schließstößel trägt endseitig den Sitzkörper, der den Mündungsbereich des ersten Medienkanals verschließt.
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Beim Abheben des Sitzkörpers vom Ventilsitz stellt sich ein Ringspalt zwischen dem Sitzkörper und dem Ventilsitz ein, durch den das Medium hindurchtritt. Das aus dem ersten Medienkanal austretende Medium trifft zumindest teilweise auf die Umlenkwandung auf und wird von dort in Richtung der zweiten Medienkanäle umgelenkt. Bei einer Durchströmung in Gegenrichtung, d. h. beim Austreten des Mediums aus den zweiten Medienkanälen wird dieses beim Auftreffen auf die Umlenkwandung umgelenkt in Richtung des ersten Medienkanals.
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Damit wird erreicht, dass die aus der Umlenkung resultierende Kraft weitgehend direkt von einer Umlenkwandung bzw. vom Sitzbauteil selbst aufgenommen wird. Mit Ausnahme des Sitzkörpers werden weder der Ventilkörper im Übrigen noch der Anker von dem Mediumfluss nennenswert beaufschlagt. Im Ergebnis kann die Auswirkung der Strömung auf die Schließkraft der Feder weitgehend neutralisiert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Umlenkwandung als Durchführungsscheibe ausgebildet, die stirnseitig in das Sitzbauteil eingesetzt oder axial am Sitzbauteil angebracht ist. Dies ermöglicht eine konstruktiv einfache Realisierung der Umlenkkammer dadurch, dass an dem Anker zugewandten Ende der Ventilsitz eine entsprechend geeignet dimensionierte Bohrung aufweist, die stirnseits mit der Durchführungsscheibe abgeschlossen wird.
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Zwischen der Durchführungsbohrung und dem Schließstößel kann ein radialer Ringspalt vorgesehen sein, der in allgemein bekannten Weise zur Realisierung eines Druckausgleichs einen Teil des Mediums hindurchtreten lässt.
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Ebenso kann der Mündungsbereich des Sitzbauteils als Sitzblende ausgebildet sein, die in das Sitzbauteil eingesetzt ist. Auch in diesem Fall ergeben sich fertigungsbedingte Vorteile. So kann das Ventilvolumen durch eine entsprechend angepasste Sitzblende auf einfache Weise skaliert werden.
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Der Sitzkörper kann die Form einer Kugel, eines Kugelsegments, eines Kegels oder eines Kegelstumpfs aufweisen, wodurch sich die Strömung durch den sich einstellenden Ringspalt in der Offenstellung des Ventils gezielt einstellen lässt.
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Eine besonders kompakte Bauweise lässt sich dadurch realisieren, dass der Ventilkörper im Inneren eines als Hohlzylinder ausgeführten Ankers integriert ist. Mit diesem radial geschachtelten Aufbau ist ein hoch integriertes Magnetventil geschaffen, welches äußerst kompakt gestaltet werden kann und gleichzeitig ein fein steuerbares Ansprechverhalten besitzt.
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Zur Betätigung kann das Magnetventil einen Anker und ein Polrohr umfassen. Der Anker ist beispielsweise in dem Polrohr zwischen einer ersten und einer zweiten Endlage axial verschieblich gelagert. Der Anker nimmt im stromlosen Zustand die erste Endlage ein. Bei Bestromung wird er in Richtung der zweiten Endlage verschoben, wodurch der Ventilkörper aus der Schließstellung in Richtung zur Offenstellung verfährt.
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Häufig werden derartige Magnetventile als sogenannte „normally closed“-Ventile ausgeführt, bei denen im stromlosen Zustand der Mündungsbereich des ersten Medienkanals geschlossen gehalten wird. Hierfür wird der Ventilkörper durch eine Feder in die Schließstellung gezwungen.
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Mit diesem radial geschachtelten Aufbau ist ein hoch integriertes Magnetventil geschaffen, welches gegenüber den Magnetventilen aus dem Stand der Technik sehr viel kompakter gestaltet werden kann. Der Aktor hat somit den Ventilkörper weitgehend integriert, wodurch sich die Bauhöhe des Magnetventils und auch die bewegte Masse erheblich reduzieren lässt, ohne die Magnetkraft und damit einhergehend die Schaltcharakteristik negativ zu beeinträchtigen.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigen:
- 1 ein erfindungsgemäßes Magnetventil im Axialschnitt,
- 2 eine vergrößerte Detailansicht im Bereich des Ventilkörpers und dessen Umgebung im axialen Halbschnitt,
- 3 Magnetventil gemäß 1 in einer Ausführungsvariante.
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1 zeigt ein Magnetventil 1, welches als normally closed 2/2-Wege-Sitzventil mit Druckbegrenzungsfunktion ausgeführt ist.
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Das Magnetventil 1 weist ein Polrohr 10 auf, welches das Magnetventil 1 in axialer Richtung vollständig durchsetzt und nicht nur die für die Betätigung erforderliche Aktorik, sondern auch die für die Ventilfunktion relevanten Bauteile trägt. Das Polrohr 10 besitzt ein amagnetischen Teil 11, welcher für eine magnetische Entkopplung sorgt.
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Eine Spule 40 ist in einem Spulengehäuse 20 aufgenommen, welches radial außenliegend in Bezug auf das Polrohr 10 aufgeschoben und abgestützt ist. In axialer Richtung wird das Spulengehäuse 20 von einem Sicherungselement 30 in Form einer Mutter gesichert, welche im Eingriff mit einem im oberen Abschnitt des Polrohrs 10 angebrachten Gewindeabschnitt 13 ist.
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Am gegenüberliegenden Ende ist im Polrohr 10 eine Aufnahmebohrung 15 vorgesehen, in der ein Anker 80 längs einer Verfahrachse A axial verschieblich gelagert ist. Die Aufnahmebohrung 15 nimmt darüber hinaus einen Ventilsitz 53 in Form eines zylindrischen Sitzbauteils 50 auf, das mit dem Polrohr 10 über einen ein Gewinde tragenden Abschnitt 18 verschraubt ist.
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Das Sitzbauteil 50 besitzt als Medienanschlusskanal einen ersten Kanal 51 in Form einer Bohrung, die das Sitzbauteil 50 zentral axial durchsetzt und stirnseitig in einen Mündungsbereich 54 übergeht. Weiterhin sind zweite Kanäle 52 vorhanden, die einen weiteren Medienkanal bilden, und axial verlaufend und radial benachbart zu dem ersten Kanal 51 im Sitzbauteil 50 angeordnet sind.
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Der Anker 80 ist hohlzylinderförmig ausgestaltet und nimmt einen Ventilkörper 60 axial verschieblich auf. Der Ventilkörper 60 weist einen Schließstößel 61 auf, der stirnseitig einen Sitzkörper 62 trägt, der auf den Mündungsbereich 54 des Ventilsitzes 53 gerichtet ist.
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Der Ventilkörper 60 wird von einer Feder 70 in Richtung auf den Ventilsitz 53 vorgespannt. Hierzu ist die Feder 70 im Polrohr 10 in einer Aufnahmebohrung 17 aufgenommen und axial abgestützt.
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Im Sitzbauteil 50 ist eine Umlenkkammer 55 für das Medium ausgebildet. Die Umlenkkammer 55 erstreckt sich in axialer Richtung zwischen einer stirnseitigen Umlenkwandung 56 und dem Mündungsbereich 54 des ersten Kanals 51. In radialer Richtung erstreckt sich die Umlenkkammer 55 soweit nach außen, dass es die zweiten Kanäle 52 erfasst. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Umlenkwandung 56 einstückig mit dem Sitzbauteil 50 ausgebildet.
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Die Umlenkwandung 56 weist eine Durchführungsbohrung 57 auf, die von dem Schließstößel 61 des Ventilkörpers 60 axial durchsetzt wird und mit dem stirnseitig angebrachten Sitzkörper 62 in die Umlenkkammer 55 eintaucht.
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Nachfolgend wird der Funktionsablauf beim Öffnungs- und beim Schließvorgang anhand der 1 und 2 erläutert.
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Der Ventilkörper 60 befindet sich in der Darstellung gemäß 1 und 2a in der Schließstellung.
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Für den Öffnungsvorgang wird das Magnetventil 1 bestromt, worauf hin der Anker 80 nach oben verfährt und den Ventilkörper 60 gegen die Wirkung der Feder 70 nach oben mitnimmt und schließlich zur Anlage an einem als Hubbegrenzung dienenden Axialabschnitt 16 des Polrohrs 10 bringt. Damit wird die in 2b dargestellte Position erreicht. Zwischenstellungen können mit einer geeigneten Ansteuerstrategie des Magneten angefahren werden.
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Der Sitzkörper 62 ist nun vollständig von dem Ventilsitz 53 abgehoben und das Fluid kann an dieser Stelle aus dem ersten Kanal 51 aus dem Mündungsbereich 54 ausströmen und wird von dem Sitzkörper 62 radial abgelenkt. Das Fluid trifft gegenüberliegend auf die Umlenkwandung 56 auf, wird von dort umgelenkt in Richtung der zweiten Kanäle 52 und kann schließlich von dort abströmen.
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Aus der Darstellung gemäß 2b ist unmittelbar ersichtlich, dass die durch das Strömungsmedium infolge der Umlenkung erzeugten Kräfte durch das Sitzbauteil 50 an der Umlenkwandung 56 aufgenommen werden. Lediglich ein geringer Teil der Strömungskräfte wirkt auf den Ventilkörper 60 und damit einhergehend auf die Feder 70, wodurch das Ventil weitgehend unabhängig von den durch die Umlenkung des Mediums erzeugten Kräften zuverlässig schließt.
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Analog ergeben sich die geschilderten Vorteile auch bei umgekehrter Strömungsrichtung, d. h. einer Zuströmung des Mediums durch die zweiten Kanäle 52 mit der Umlenkung an der Umlenkwandung 56 und der Abströmung durch den ersten Kanal 51. In diesem Fall unterstützen die Fluidkräfte den Schließvorgang des Ventils zusätzlich.
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Der Ventilkörper 60 befindet sich in der Darstellung gemäß 2b in der Offenstellung. Um das Magnetventil 1 wieder zu schließen, wird die Bestromung abgeschaltet, wodurch der Ventilkörper 60 durch die Feder 70 in Richtung des Ventilsitzes 53 gezwungen wird. Am Ende des Schließvorgangs trifft der Sitzkörper auf den Ventilsitz 53 auf und verschließt damit den Mündungsbereich 54 des ersten Kanals 51.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß 3 unterscheidet sich von demjenigen aus 1 lediglich in der konstruktiven Ausgestaltung der Umlenkkammer 55. Die in 3 dargestellten Bauteile und Bauteilabschnitte sind korrespondierend zu der Darstellung gemäß 1 bezeichnet und haben auch die gleiche Bedeutung. Insoweit wird auf die Ausführungen zu 1 verwiesen.
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Die Abweichung in dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 bezieht sich nun konkret darauf, dass die Umlenkwandung 56 als separate Durchführungsscheibe 58 ausgebildet ist, die stirnseitig in das Sitzbauteil 50 eingesetzt ist.
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Gegenüberliegend ist der Mündungsbereich 54 als separate Sitzblende 59 ausgebildet, die ebenfalls in das Sitzbauteil 50 eingesetzt ist.
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Die Ausbildung der Durchführungsscheibe 58 und der Sitzblende 59 als separate Bauteile hat zum einen fertigungsbedingte Vorteile mit der Möglichkeit der Ventilskalierung. Darüber hinaus kann durch Variation der Geometrie der Durchführungsbohrung 57 in Verbindung mit der Durchmesserwahl des Schließstößels 61 einerseits sowie der Gestaltung des Ventilsitzes 53 in Verbindung mit dem Sitzkörper 62 auf einfache Art und Weise eine Variation der Strömungsverhältnisse erreicht werden, so dass unter Beibehaltung der Bauteile im Übrigen ein breites Spektrum an Ansprechverhalten des Magnetventils umsetzbar ist.
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So ist es nicht nur möglich, die gegen die Feder 70 wirkenden, strömungsbedingten Kräfte zu reduzieren, sondern diese auch vollständig zu neutralisieren. Auch ist die Generierung von umgekehrt wirkenden Strömungskräften zur Unterstützung der Federkraft möglich. Diese basiert auf Druckdifferenzen in der Umlenkkammer 55 und dem Bereich um den Anker 80 herum, welche den Ventilkörper 60 in Richtung des Ventilsitzes 53 drücken. Dies ermöglicht eine höhere Dynamik und ein feinfühligeres Ansprechverhalten. Diese gezielte Beeinflussung wird auch als „Fluidkraft shaping“ bezeichnet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Magnetventil
- 10
- Polrohr
- 11
- amagnetischer Polrohrteil
- 13
- Gewindeabschnitt
- 15
- Aufnahmebohrung
- 16
- Axialabschnitt
- 17
- Aufnahmebohrung
- 18
- Gewindeabschnitt
- 20
- Spulengehäuse
- 30
- Sicherungselement
- 40
- Spule
- 50
- Sitzbauteil
- 51
- erster Kanal
- 52
- zweiter Kanal
- 53
- Ventilsitz
- 54
- Mündungsbereich
- 55
- Umlenkkammer
- 56
- Umlenkwandung
- 57
- Durchführungsbohrung
- 58
- Durchführungsscheibe
- 59
- Sitzblende
- 60
- Ventilkörper
- 61
- Schließstößel
- 62
- Sitzkörper
- 70
- Feder
- 80
- Anker
- A
- Verfahrachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012019193 A1 [0006]
- US 5271599 A [0006]
- US 5002253 A [0006]
- DE 102022108928 [0008]
