Bezeichnung der Erfindung
Fluidschaltventil, insbesondere Sitzventil Beschreibung
Gebiet der Erfindung Die Erfindung betrifft ein Fluidschaltventil, insbesondere ein Sitzventil.
Hintergrund der Erfindung
Elektromagnetisch betätigte Fluidschaltventile werden in vielfältigen Anwendungen zum Steuern von Fluidströmen im Automobilbereich eingesetzt. In der einfachsten Ausführung hat ein Fluidschaltventil zwei Fluidanschlüssen und zwei Schaltstellungen. Mit solchen Ventilen wird zum Beispiel ein Fluidstrom für eine Kühlungsanwendung zugeschaltet oder unterbrochen, beispielweise für die Kolbenkühlung einer Brennkraftmaschine.
Man unterscheidet nach der Gestaltung des Hydraulikteils zwei Grundbauformen von Fluidschaltventilen: Schieberventile und Sitzventile. Ferner können Fluidschaltventile nach der Richtung der Druckmittelzuführung in Ventile mit Druckversorgung„von der Seite" (radial) und„von vorne" (axial) unterteilt werden.
Wenn die Druckversorgung bzw. die Druckmittelzuführung eines Ventils von der Seite erfolgt (quer zu einer Axialrichtung des etwa zylinderförmigen Ventilgehäuses) und das Druckmittel in einer Axialrichtung abgeführt wird, werden in der Regel Schieberventile eingesetzt. Deren Nachteile sind, dass enge Passungstoleranzen zwischen dem Ventilgehäuse und einem Schieber erforderlich sind, so dass solche Ventile relativ teuer und schmutzempfindlich sind. Zudem entstehen Leckagen im Spalt zwischen dem Schieber und dem Ventilgehäuse.
Eine andere Ausführungsform eines Ventils ist das s.g. Sitzventil. Bekannte Sitzventile haben in der Regel eine Druckversorgung in axialer Richtung, d.h. in der Bewegungsrichtung des Schließkörpers, und eine Abführung des Druckmittels in radialer Richtung. Sitzventile sind jedoch für anspruchsvolle Regelungsaufgaben weniger geeignet. Zudem sind die Einbaumöglichkeiten bekannter Sitzventile aufgrund der oben beschriebenen Strömungsführung beschränkt.
In der DE 199 33 363 A1 ist eine Vorrichtung zur Kühlung der Kolben einer Brennkraftmaschine mit Öl beschrieben, wobei ein Ventil in einer Hauptversorgungsleitung, die zu einem Schmierölkreis gehört, vorgesehen ist.
Aus der DE 10 2005 010 234 A1 ist eine Kolbenkühlung für eine Brennkraftmaschine bekannt, die eine Olspritzdüse aufweist, die mit einem Olverteilerkanal verbunden ist. Der Olverteilerkanal hat einen Anschluss an einen Schmierölkanal, aus dem von einem Schaltventil in Abhängigkeit von Betriebsparametern gesteuert Schmieröl in den Olverteilerkanal eingespeist wird. Der Anschluss zwischen dem Ölverteilungskanal und dem Schmierölkanal ist dabei als Aufnahmebohrung für das Schaltventil ausgebildet.
Der Aufbau eines magnetisch betätigten Fluidschaltventils ist z.B. aus der DE 10 2007 033 060 A1 zu entnehmen.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfachen Aufbau eines Fluidschaltventils für eine radiale Zuführung des Druckmittels zu ermöglichen.
Lösung der Aufgabe
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Fluidschaltventil, insbesondere Sitzventil, umfassend ein Ventilgehäuse, in dem ein Zuführkanal mit einem Einlass und ein Abführkanal mit einem Auslass für ein Druckmittel aus-
gebildet sind, die strömungstechnisch miteinander verbunden sind, sowie umfassend einen im Ventilgehäuse angeordneten Schließkörper, der in einer Axialrichtung zwischen einer geöffneten Position und einer geschlossenen Position verstellbar ist und in der geschlossenen Position die strömungstechnische Ver- bindung zwischen dem Zuführkanal und dem Abführkanal unterbricht, wobei der Zuführkanal sich im Wesentlichen in einer Radialrichtung erstreckt und durch eine innere Trennwand vom Abführkanal getrennt ist, der den Zuführkanal umgibt und sich im Wesentlich in der Axialrichtung erstreckt. Ein einfacher Aufbau des Fluidschaltventils, bei dem insbesondere auf eine Rückstellfeder verzichtet wird, ist durch die spezielle Anordnung des Zuführkanal und des Abführkanal zueinander gewährleistet. Durch den sich im Wesentlichen radial erstreckenden Zuführkanal wird das Druckmittel, beispielsweise Öl, radial ins Ventilgehäuse zugeführt. Etwa mittig im Ventilgehäuse erfolgt der Richtungswechsel des Druckmittels und es wird in Axialrichtung über den Abführkanal abgeführt. Der Zuführkanal erstreckt sich dabei in Radialrichtung bis etwa der Mitte des Ventilgehäuses. Das Ende des Zuführkanals ist im Ventilgehäuse durch die Trennwand begrenzt. In diesem Bereich ist das Ventilgehäuse als ein doppelwandiges Gehäuse ausgebildet. Alternativ ist auch eine einwan- dige Ausführung des Ventilgehäuses möglich, bei der die innere Trennwand vorhanden ist und auf eine umgebende Außenwand des Ventilgehäuses verzichtet wird, sondern das Ventil ist radial durch die Wandung einer Einbaubohrung begrenzt, in der das Ventil im Betrieb angeordnet ist. In Strömungsrichtung betrachtet verläuft der Abführkanal hinter der Trennwand angrenzend an den Übergangsbereich. Der Abführkanal ist ein- oder mehrteilig ausgebildet, erstreckt sich im Wesentlich axial und mündet vorderseitig in den Auslass. Der Abführkanal umschließt dabei den Zuführkanal insbesondere kreisbogenförmig. Im Bereich der Trennwand liegen somit im Betrieb des Ventils zwei Druckmittelströme vor, die in verschiedene Richtungen fließen: der radial fließende Strom im Zuführkanal bis zur Trennwand und hinter der Trennwand der axial fließende Strom im Abführkanal.
Bevorzugt ist ein Ventilsitz für den Schließkörper axial oberhalb des Zuführkanals angeordnet. Im Hinblick auf eine strömungstechnisch besonders günstige Umlenkung des Druckmittels ist der Ventilsitz für den Schließkörper nicht auf der Höhe des Zuführkanals angeordnet, sondern axial oberhalb der Zufüh- rungsleitung bzw. des Einlasses positioniert. Der Richtungswechsel des Druckmittels von radialer in axialer Richtung erfolgt dabei oberhalb des Zuführkanals, an der Stelle, wo sich der Ventilsitz befindet. Der Vorteil hierbei ist, dass der Druck des Druckmittels benutzt werden kann, um den Schließkörper axial vom Ventilsitz anzuheben und es somit in die offene Position zu bringen und zu halten.
Das Druckmittel strömt innerhalb des Ventilgehäuses durch insgesamt drei Bereiche. Das Druckmittel wird radial von der Seite des Ventilgehäuses in den Zuführkanal eingeleitet, wobei der radiale Zuführkanal sich bis unterhalb des Ventilsitzes erstreckt. Es folgt ein Übergangsbereich, in dem der Ventilsitz angeordnet ist. Im Übergangsbereich ändert das Druckmittel seine Strömungsrichtung zuerst axial„nach oben", um den Schließkörper anzuheben, bis es schließlich den sich axial erstreckenden Abführkanal erreicht hat und in diesem dritten Bereich axial „nach unten" fließt. Die Trennwand erstreckt sich vom Grund des Zuführkanals axial nach oben bis zum Bereich des Ventilsitzes. Die Höhe der Trennwand oberhalb des Zuführkanals definiert dabei den Teil des Übergangsbereichs, in dem das Druckmittel axial nach oben strömt.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wirkt eine Stößelstange derart mit einem Elektromagneten zusammen, dass bei einer Bestromung des Elektromagneten die Stößelstange den Schließkörper in der geschlossenen Position hält. Auch bei Störungen im Betrieb des Elektromagneten wird somit gewährleistet, dass beispielsweise eine Kühlfunktion mit dem Druckmittel weiterhin gegeben ist, da im unbestromten Zustand des Elektromagneten der Schließ- körper durch die Druckkraft des Druckmittels in die geöffnete Position angehoben wird und das Druckmittel durch das Ventil fließen kann.
Im Hinblick auf eine besonders einfache Montage und Führung des Schließkörpers ist dieser gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung einstückig mit der Stößelstange ausgebildet. Der Schließkörper und die Stößelstange wurden dabei im selben Herstellungsschritt aus demselben Material, insbeson- dere aus Kunststoff, hergestellt. Alternativ sind der Schließkörper und die Stößelstange zwei separate Bauelemente, die vor dem Einsatz im Ventil zusammengefügt wurden und somit eine Einheit bilden. Hierbei kann der Schließkörper aus einem harten, verschleißfesten Material bestehen. Bevorzugt ist im Ventilgehäuse eine Anzahl von Rippen zur Führung des Schließkörpers vorgesehen. Insbesondere sind mindestens drei Rippen vorgesehen, die jeweils den gleichen Abstand zueinander aufweisen. Die Rippen ragen radial nach innen und sind derart dimensioniert, dass der Schließkörper von den Rippen geführt wird. Die Rippen erstrecken sich vom Ventilsitz axial nach oben (d.h. in entgegengesetzter Richtung des Abführkanals) auf eine Länge, die an die axiale Bewegungsbahn des Schließkörpers beim Öffnen und Schließen des Ventils angepasst ist. Die Rippen dienen außerdem zum Versteifen des Ventilgehäuses. Vorzugsweise ist das Ventilgehäuse gusstechnisch hergestellt. Das Ventilgehäuse ist z.B. in einem Spritzgu ssverfahren aus Kunststoff oder in einem Druckgussverfahren aus Metall hergestellt. Kunststoff zeichnet sich durch Gewichtsvorteile aus und eignet sich zudem besonders gut für die filigrane Ausbildung des doppelwandigen Ventilgehäuses. Alternativ ist auch eine Anfertigung des Ventilgehäuses aus Metall möglich, was bei hohen Betriebsdrücken besonders vorteilhaft ist. Zur Ausbildung des Gehäuses eignet sich in diesem Fall insbesondere eine Herstellung aus Aluminium- oder Zinkdruckguss.
Zweckdienlicherweise ist der Schließkörper als eine Kugel, ein Kugelsegment, einen Kegel oder einen Kegelstumpf ausgebildet. Die Kugel ist insbesondere aus einem Metall, wie z.B. Stahl, ausgebildet und stellt insbesondere ein von der Stößelstange separates Bauelement dar. Kugeln sind kostengünstig und mit hoher Härte und guter Genauigkeit erhältlich. Alternativ hat der Schließkör-
per auf der zum Ventilsitz gerichteten Seite die Form eines Kugelsegments, eines Kegels oder eines Kegelstumpfes.
Bei größeren Fluidströmen kann ein Ventil mit einer Kugel als Schließkörper instabil werden, da sich die Strömung an die Kugel anlegt und schwankende Kräfte in Richtung Ventilsitz entstehen, was die Kugel zum Schwingen bringt. Durch eine spezielle Profilierung des Schließkörpers kann die Strömung des Druckmittels bei geöffnetem Ventil beeinflusst werden. Um ein Anlegen der Strömung an den Schließkörper zu vermeiden, weist dieser vorteilhafterweise eine umlaufende Abrisskante auf. Beispielsweise ist bei einem kugelsegment- förmigen Schließkörper die Abrisskante im äußeren Bereich um den Umfang des Kugelsegments ausgebildet.
Weiterhin von Vorteil ist, dass die Abrisskante bevorzugt als einen Kragen aus- gebildet ist, der eine zu einer konvexen Fläche des Schließkörpers gegenläufige Profilierung aufweist. Wenn der Schließkörper als eine Kugel, ein Kugelsegment, einen Kegel oder einen Kegelstumpf ausgebildet ist, weist er stets eine zum Ventilsitz hin gerichtete konvexe Fläche auf. Entsprechend weist der um die konvexe Fläche insbesondere umlaufende Kragen eine konkave Form auf.
Durch den Winkel und Länge des Kragens wird die Auftriebskraft auf den Schließkörper gezielt beeinflusst und für den jeweiligen Anwendungsfall optimiert. Vorzugsweise weist der Schließkörper einen sich axial erstreckenden, an die Abrisskante anliegenden Führungszylinder auf. Der Führungszylinder erstreckt sich von der Abrisskante axial nach oben und bildet eine Art Hülse um die Stößelstange. Mit Hilfe des Führungszylinders wird der Schließkörper besonders sicher entlang der Rippen geführt und ein Kippen des Schließkörpers wird ver- hindert.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht auf ein Magnetventil,
Fig. 2 einen Schnitt durch die Ebene A-A gemäß Fig. 1 ,
Fig. 3 einen Querschnitt durch die Ebene B-B gemäß Fig. 1 ,
Fig. 4 einen Querschnitt durch die Ebene C-C gemäß Fig. 1 ,
Fig. 5 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsvariante eines
Magnetventils,
Fig. 6 eine Vergrößerung eines Schließkörpers gemäß Fig. 5, und
Fig. 7 eine dritte Ausführungsvariante eines Magnetventils. In den Figuren sind gleich wirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung In den Figuren 1 bis 4 ist eine erste Ausführungsvariante eines Fluidschaltven- tils dargestellt, welches sich in einer hier nicht näher gezeigten Einbaubohrung eines Maschinenelements befindet. Das Fluidschaltventil ist in diesem Ausführungsbeispiel als ein Sitzventil 2 ausgebildet und wird nachstehend einfach als Sitzventil bezeichnet.
Das Sitzventil 2 weist ein Ventilgehäuse 4 auf, in dem ein Einlass 6 und ein Auslass 8 für ein Druckmittel, wie z.B. Öl, ausgebildet sind. Der Einlass 6 auf der Druckseite ist für eine Zuführung des Öls in einer Radialrichtung R angeordnet, was in Fig. 2 durch den Pfeil P angedeutet ist. Im Gehäuse 4 strömt das Öl zuerst in Radialrichtung R entlang eines Zuführkanals 0 bis es einen Übergangsbereich 12 erreicht hat, in dem ein Ventilsitz 14 für einen kugelförmigen Schließkörper 16a angeordnet ist. Der Ventilsitz 14 befindet sich dabei in Axialrichtung A betrachtet oberhalb des Einlasses 6 und somit auch oberhalb des
Zuführkanals 10. Das Ventil 2 ist in Fig. 2 in einer geschlossenen Position dargestellt, bei der der Schließkörper 16a auf dem Ventilsitz 14 sitzt. Durch den Druck des Öls wird im Betrieb des Ventils 2 der Schließkörper 16a angehoben und schwebt in der geöffneten Position des Ventils 2 in einem Aufnahmeraum 18 über dem Ventilsitz 14. Schließlich gelangt das Öl in einen axialen Abführkanal 20, der in den Auslass 8 mündet. Die axiale Abführung des Öls ist in Fig. 2 durch den Pfeil W angedeutet.
Der Schließkörper 16a ist im gezeigten Ausführungsbeispiel eine Kugel aus Stahl. Eine Stößelstange 22 wird von einem hier nicht näher gezeigten Elektromagneten bewegt und drückt auf die Kugel 16a. Die Stößelstange 22 ist derart an den Elektromagneten angekoppelt, dass im bestromten Zustand des Elektromagneten die Stößelstange 22 die Kugel 16a nach unten in den Ventilsitz 14 drückt. Im unbestromten Zustand des Elektromagneten muss das Druckmittel je nach Einbaulage die Gewichtskraft und Reibungskraft der beweglichen Teile des Ventils 2 überwinden, damit das Ventil 2 geöffnet wird.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Ventilgehäuse 4 aus Kunststoff ausgebildet. Zur Versteifung des Gehäuses 4 sowie zur Führung der Kugel 16a sind drei Rippen 24 im Aufnahmebereich 18 vorgesehen, die aus Fig. 3 ersichtlich sind. Die Rippen 24 erstrecken sich axial entlang des gesamten Aufnahmeraums 18. Sie ermöglichen eine axiale Bewegung der Kugel 16a und verhindern ein Verlagern ihrer Bewegungsbahn in Radialrichtung R.
Zwischen dem Abführkanal 20 und dem Zuführkanal 10 ist eine Trennwand 26 vorgesehen. Das Ventilgehäuse 4 ist somit doppelwanding ausgebildet und weist eine zylinderförmige, äußere Gehäusewand 28 und die innere Trennwand 26 auf, wobei die innere Trennwand 26 in Wesentlichen konzentrisch zur äußeren Gehäusewand 28 verläuft und im Bereich des Zuführkanals 10 radial offen ist. Wie aus dem Querschnitt des Ventilgehäuses 4 in Fig. 4 ersichtlich, umfasst der Abführkanal 20 mehrere Ringsegmente.
In Fig. 5 ist eine zweite Ausführungsvariante eines Ventils 2 gezeigt. Diese Ausführungsvariante unterscheidet sich von der ersten Ausführung des Ventils 2 lediglich durch den Schließkörper 16b. Der Schließkörper 16b, dessen detaillierten Aufbau aus Fig. 6 ersichtlich ist, ist im zweiten Ausführungsbeispiel ein Kugelsegment 30, das einteilig mit der Stößelstange 22 ausgebildet ist und aus dem gleichen Material wie die Stößelstange 22, d.h. aus Kunststoff, besteht. Die Stößelstange 22 und der Schließkörper 16b bilden eine vorgefertigte Einheit und sind untrennbar. Das Strömungsverhalten des Öls kann durch die Geometrie des Schließkörpers 16b beeinflusst werden. Aus hydrodynamischen Gründen ist daher um den Umfang des Kugelsegments 30 eine umlaufende Abrisskante 32 ausgebildet Die Abrisskante 32 verhindert, dass die Strömung dem weiteren Verlauf des Schließkörpers 16b folgt und dabei unerwünschte hydrodynamische Kräfte er- zeugt werden, die das Ventil 2 instabil machen. Ein umlaufender Kragen 34 im Bereich der Abrisskante 32 weist ein zum konvexen Kugelsegment 30 gegenläufiges Profil auf, d.h. der Kragen 34 ist als eine konkave Wölbung ausgestaltet. Der Winkel, unter dem die Strömung auf die Abrisskante 32 auftrifft, bestimmt dabei die Strömungseigenschaften, die durch einen geeignet gewählten Winkel an den Anwendungsfall anpasst werden können.
In Fig. 7 ist eine dritte Ausführungsvariante eines Ventils 2 gezeigt, die sich durch ihren topfförmigen Schließkörper 16c von den beiden vorstehend beschriebenen Varianten unterscheidet. Der Schließkörper 16c ist hierbei eben- falls an seiner Unterseite als ein Kugelsegment 30 ausgestaltet. Der Schließkörper 16c und die Stößelstange 22 sind jedoch zwei separate Bauteile. Die Stößelstange 22 ist beispielsweise aus Kunstsoff und der Schließkörper 16c metallisch, z.B. aus Stahl. Im Hinblick auf eine bessere Führung des Schließkörpers 16c ist dieser durch einen sich axial nach oben erstreckenden Füh- rungszylinder 36 ergänzt, der beim Anheben und Herunterlassen des Schließkörpers 16c entlang der Rippen 24 gleitet.
Prinzipiell sind die unterschiedlichen Geometrien der Abrisskante 32 in Fig. 5 und Fig. 7 austauschbar. Wird der Schließkörper in Fig. 7 aus einem harten Material ausgeführt, sind kleine Fasen oder Rundungen am oberen und unteren Ende des zylindrischen Führungszylinders 36 erforderlich, um ein Beschä- digen der Führungsrippen 24 zu vermeiden.
Liste der Bezugszahlen
Sitzventil
4 Ventilgehäuse
6 Einlass
8 Auslass
10 Zuführkanal
12 Übergangsbereich
14 Ventilsitz
16a,b,c Schließkörper
18 Aufnahmeraum
20 Abführkanal
22 Stößelstange
24 Rippe
26 Trennwand
28 Gehäusewand
30 Kugelsegment
32 Abrisskante
34 Kragen
36 Führungszylinder
A Axialrichtung
P Pfeil
R Radialrichtung
W Pfeil