Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektromagnetische Ventilvorrichtung nach dem Oberbegriff des Hautpanspruchs. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein System aufweisend eine derartige elektromagnetische Ventilvorrichtung.

Elektromagnetische Aktoren, bei welchen eine als Reaktion auf eine Bestromung stationärer Spulenmittel relativ zu stationären Kernmitteln bewegbare Ankereinheit eine Ventilschiebereinheit antreibt und, entsprechend einer jeweiligen Stellposition, die Ventilfunktionalität bewirkt, sind aus dem Stand der Technik allgemein bekannt. So werden etwa Pneumatik- oder Hydraulikventile auf diese Weise hergestellt. Nicht zuletzt aufgrund ihrer einfachen konstruktiven Realisierung, ihrer großserientauglichen Fertigbarkeit und ihrer mechanischen Zuverlässigkeit sind daher gattungsgemäße Ventilvorrichtungen für eine große Vielzahl von Anwendungen gängig, wobei Verwendungen im Zusammenhang mit dem Schalten bzw. Steuern von Fluid in einem Fahrzeug- bzw. automotiven Kontext bevorzugt sind, gleichwohl der Einsatz jedoch nicht auf dieses technische Gebiet beschränkt ist.

Verbunden mit dem Großserieneinsatz derartiger gattungsgemäßer Ventilvorrichtung ist eine entsprechend großserientaugliche, kostengünstige Herstellbarkeit, wobei insbesondere das oberbegriffliche Aktorgehäuse, in der bevorzugten Ausführungsform als bauliche Einheit modulartig realisiert, die Vorraussetzung für hohe Fertigungsstückzahlen bei hoher und reproduzierbarer Qualität anbietet. Auch die damit verbundene Einheit bestehend aus Ventilgehäuse und Ventilschieberbaugruppe ist konstruktiv und in der Herstellung bewährt, wobei jedoch, bei üblicher Realisierung beider Baugruppen aus einem geeignet durch spanende Bearbeitungsverfahren bearbeiteten Metallmaterial, hierdurch auch ein beträchtlicher Her- Stellungsaufwand steckt, nicht zuletzt durch das jeweils notwendige stückweise Bearbeiten einzelner Werkstücke. Dabei ist es teilweise auch bereits bekannt, die Ventilschieberbaugruppe aus einem polymeren Material herzustellen, allerdings ist gerade im vorliegenden Gebiet der Proportionalventile unter dem Gesichtspunkt langer Standzeiten und entsprechenden Dichtigkeitserfordernissen ein Nicht-Metallmaterial häufig unzureichend.

Hinzu kommt ein prinzipielles Problem einer als bekannt vorauszusetzenden Realisierung der gattungsbildenden elektromagnetischen Ventilvorrichtungen aus gegeneinander beweglichen metallischen Baugruppen als Ventilgehäuse bzw. Ventilschieber, dass das verwendete Metallmaterial durch beschränkte Bearbeitungs- und Fertigungsmöglichkeiten nicht beliebig im Hinblick auf die Fluidanschlüsse, insbesondere den üblicherweise mantelseitig am Ventilgehäuse vorzusehenden Arbeitsanschluss, ausgestaltet werden konnten.

So zeigt etwa die Fig. 3 (a) einen gestuft-zylindrischen Bohrungs- Längsschnitt durch einen typischen Arbeitsanschluss A als zweiten Flui- danschluss in einem Mantelbereich eines Ventilgehäuses mit benachbart zugeordnetem Entlüftungsanschluss T, in welchem Gehäuse dann innenseitig eine Ventilschieberbaugruppe bewegbar geführt ist. Eine jeweilige Bohrung 15 ist außenseitig durch Fräsen einer Nut 17 aufgeweitet, gleichwohl wird das Fluid-Strömungsverhalten (Durchflussverhalten) durch diesen Anschluss im Wesentlichen durch die zylindrische Bohrung bestimmt. Teilfigur 3 (b) zeigt die mantelseitige Draufsicht. Ein zugehöriges Durchfluss-/Positionsdiagramm verdeutlicht die Teilfigur 3 (c) zu diesem angenommenen Stand der Technik; hier ist ein typischer Durchflusswert Q (etwa in Liter/min) durch einen solchen Ventil-Fluidanschluss aufgetragen über der der Verschiebeposition (Ventilschieberposition) relativ zum Ventilgehäuse, wie sich hier durch den die Spulenmittel bestromenden Anker- ström (I) repräsentiert ist. Bei einem typischen 3/2-Ventil, d.h. aus drei vorgesehenen Fluidanschlüssen mit einem (weiteren) Druckanschluss (P) und einem Tank- bzw. Entlüftungsanschluss (T), ergibt sich das gezeigte, paraboloid-ähnliche Verhalten, wobei die jeweiligen Endbereiche linksseitig die vollständige Öffnung des Druckanschlusses zum Arbeitsanschluss (A) und im rechtseitigen Bereich die vollständige Öffnung des Arbeitsanschlusses zum Entlüftungsanschluss verdeutlichen, während im mittleren Bereich der Grafik ein Umschalten bzw. ein jeweiliges Ändern des Öff- nungs- und Sperrbetriebs erfolgt.

Während etwa der in Fig. 3 (c) gezeigte Verlauf bereits geeignet für viele Erfordernisse ist, besteht gleichwohl gelegentlich das Bedürfnis, ein anderes Durchflussverhalten im Hinblick auf die Ventilschieberposition zu erzeugen, was auch schon im als bekannt vorauszusetzenden Stand der Technik durch Modifikation der den Fluidanschluss realisierenden Bohrung geschieht. Exemplarisch zeigt daher etwa die Fig. 4 zum Stand der Technik eine abweichende Fluid-Durchflussgeometrie, hier in Form einer zentrischen Bohrung, welche jedoch (radial) beidseitig von Nuten 17, 17' aufgeweitet ist (Längsschnitt (a) und Draufsicht (b)). Ein typisches Durch- fluss-/Positions-(Strom-)Verhalten zeigt die zugehörige Grafik der Fig. 4 (c); in Variation des vorbeschriebenen Falls von Fig. 3 lässt sich durch eine Kontur gemäß Fig. 4 ein annähernd linearer Kurvenverlauf erreichen.

Nach wie vor sind gleichwohl diese Möglichkeiten der Beeinflussung der Durchflussgeometrie bei mechanischer Bearbeitung von typischerweise aus einem Aluminium- oder Stahlmaterial realisierten Ventilgehäusen im Bereich des Fluidanschlusses bzw. der Fluidanschlüsse material- und technologiebedingt begrenzt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine gattungsbildende elektromagnetische Vorrichtung im Hinblick auf ihre Fluidflusseigenschaf- ten insbesondere am zweiten Fluidanschluss (Arbeitsanschluss) zu verbessern, dabei insbesondere diesen zweiten Fluidanschluss flexibler in seiner Durchflusskontur und damit insbesondere auch flexibler in seinem Durchflussverhalten bezogen auf die gegenüberstehende Ventilschieberbaugruppe auszugestalten, wobei eine derartige flexible Ausgestaltung mit geringem konstruktivem Aufwand, gleichwohl einfach anpassbar und bedürfnisgerecht für eine große Anzahl von Anwendungen geschehen soll.

Die Aufgabe wird durch die elektromagnetische Ventilvorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen in der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. Zusätzlicher Schutz im Rahmen der Erfindung wird beansprucht für ein System, aufweisend eine erfindungsgemäße elektromagnetische Ventilvorrichtung mit mindestens zwei der erfindungsgemäßen Ventilgehäusen, welche, etwa in der Art eines Baukastens oder Baukastensystems, gegeneinander austauschbar und so ausgebildet sind, dass voneinander verschiedene Fluid- Durchflusskonturen in diesen Ventilgehäusen realisiert sind.

Erfindungsgemäß vorteilhaft ist es nämlich zunächst vorgesehen, das Ventilgehäuse aus einem Kunststoffmaterial vorzusehen und durch ein Spritzgießverfahren herzustellen. Auf diese Weise kann dann mit ansonsten bekannten Technologien der Kunststoff-Sp tzgießtechnik insbesondere auch die Fluid-Durchflusskontur nicht-zylindrisch und so ausgestaltet werden, dass damit das (von der Ventilschieberposition abhängige) Durchflussverfalten durch den zweiten Fluidanschluss geeignet angepasst bzw. vorbestimmt werden kann, und zwar über Fluidanschlussgeometrien, welche insbesondere mit gängigen Technologien der Metallbearbeitung nicht oder nur mit einem unverhältnismäßig hohem Aufwand realisierbar sind: Zwar wird nicht verkannt, dass auch komplexe und insbesondere nicht-zylindrische Fluid-Durchflusskonturen in Aluminium- oder Stahlmaterial, etwa auch unter Nutzung komplexer Fertigungstechnologien wie Erodieren oder ECM-Bohren, hergestellt werden können; diese Ansätze ma- chen dann jedoch die elektromagnetischen Ventilvorrichtungen im vorliegenden technischen Gebiet unwirtschaftlich und ungeeignet für die beabsichtigte Großserienfertigung und damit für das Erfordernis, mit geringsten Fertigungskosten die Ventiltechnologie zu realisieren.

Damit erweitert die vorliegende Erfindung das Einsatzspektrum weitgehend standardisierter bzw. standardisierbarer (üblicherweise als 3/2- oder 4/3-Proportionalventil ausgebildeter) elektromagnetischer Ventilvorrichtungen auf Einheiten, die entsprechend jeweiligen Einsatz-Erfordernissen kostengünstig, gleichwohl flexibel in ihrer Durchflusseigenschaft ange- passt werden können, nämlich dergestalt, dass (lediglich) ein jeweils erforderliches Ventilgehäuse mit der vorgesehenen Fluid- Durchflussgeometrie des betreffenden Fluidanschlusses mit einem zugehörigen Kunststoffsp tzgießwerkzeug ausgestaltet wird, woraufhin dann entsprechend große Stückzahlen auch kostengünstig seriengefertigt werden können.

Dabei ist das erfindungsgemäße Kunststoffmaterial prinzipiell entsprechend der Erfordernisse des geplanten Einsatzes zu wählen. Gleichwohl hat es sich im Rahmen bevorzugter Weiterbildungen der Erfindung für einen Automobil-Kontext als bevorzugt herausgestellt, einen thermoplastischen Werkstoff - etwa PPS - mit einem Glasfaseranteil zwischen 20 und 40 Gew.-% auszuwählen, wobei diese vorteilhafte Realisierung kostengünstiges Material mit vorteilhaften Fertigungs- und Belastungseigenschaften im Ventilbetrieb verbindet.

Im Rahmen bevorzugter Weiterbildungen der Erfindung ist es vorteilhaft, den ersten Fluidanschluss des Druckanschlusses, stirnseitig des Ventilgehäuses und damit bevorzugt entlang der axialen Richtung vorzusehen, während der zweite Fluidanschluss (und ggf. weitere Fluidanschlüsse) an einem seitlichen Gehäusebereich, insbesondere einem Mantelbereich, des Ventilgehäuses vorgesehen ist.

Vorteilhaft im Rahmen der Erfindung wirken ferner Kraftspeichermittel auf die Ventilschieberbaugruppe und/oder die Ankermittel, sodass eine Rückstellkraft in die eingeschobene bzw. zurückgezogene Ankerposition entsteht. Entsprechend realisiert die vorliegende Erfindung ein stromlos geöffnetes (NO = normally open) Ventil im Hinblick auf einen Fluidfluss vom Druck- zum Arbeitsanschluss. Die die Kraftspeichermittel vorteilhaft realisierende Druckfeder ist vorteilhaft und weiterbildend stirnseitig und/oder in einem zu den Ankermitteln entgegengesetzten axialen Endbereich der Ventilschieberbaugruppen an diese angreifend vorgesehen, wobei es diesbezüglich dann wiederum erfindungsgemäß vorteilhaft ist, eine derartige Druckfeder anderenends von einem gegenüberliegenden Abschnitt bzw. Widerlager des Ventilgehäuses abzustützen.

Besonders bevorzugt ist die Realisierung der vorliegenden Erfindung als 3/2-Proportionalventil, wobei zu diesem Zwecke ein weiterer (dritter) An- schluss vorgesehen ist, welcher weiter bevorzugt in einem seitlichen Bereich des Ventilgehäuses, benachbart dem zweiten Fluidanschluss in Richtung auf die Ankermittel, vorgesehen ist. Durch geeignete Ausgestaltung insbesondere der Ventilschieberbaugruppe lässt sich dabei eine Funktionalität dergestalt erzeugen, dass bei der den Fluidpfad zwischen dem ersten und dem zweiten Fluidanschluss öffnenden axialen Position der Ventilschieberbaugruppe (also im unbestromten Zustand) die Ventilschieberbaugruppe einen weiteren Fluidpfad von dem zweiten zum zusätzlichen dritten Fluidpfad sperrt. Dagegen würde die Ventilschieberbaugruppe (durch entsprechende Ein- bzw. Ausformung) so ausgebildet sein, dass bei einer Bestromung und Bewegung der Ankermittel aus der zurückgezogenen Position mit dem Schließen des Fluidpfades zwischen dem ersten und dem zweiten Fluidanschluss der weitere Fluidpfad (zwei- ter zum dritten Fluidanschluss) geöffnet wird. Diese Funktionalität eines Proportionalventils ist auch prinzipiell mögliche als 2/2-Ventil, also lediglich mit dem ersten und dem zweiten Fluidanschluss, alternativ wiederum auch als 4/3-Ventil, dergestalt, dass dem Arbeitsanschluss mantelseitig benachbart ein zweiter (weiterer) Arbeitsanschluss vorgesehen ist.

Während es zudem, wiederum unter den diskutierten Gesichtspunkten einer Großserienfertigung, günstig ist, die Spulenmittel zusammen mit den stationären Kernmitteln in einem Ankergehäuse als bauliche Einheit (Modul) vorzusehen, kann es gleichwohl alternativ weiterbildend vorteilhaft und sinnvoll sein, etwa einen Spulenträger der erfindungsgemäßen Spulenmittel einstückig mit dem erfindungsgemäßen Ventilgehäuse auszugestalten, wiederum im Rahmen des erfindungsgemäßen Spritzgießens, sodass auf diese Weise dann zusätzliche Herstellungs- bzw. Werkstoffkostenvorteile entstehen.

Im Hinblick auf eine besonders günstige und vorteilhafte Realisierung der erfindungsgemäßen nicht-zylindrischen Fluid-Durchflusskontur hat es sich im Rahmen von Weiterbildungen der Erfindung als vorteilhaft und bevorzugt herausgestellt, dies in einer axialen Richtung schlitzartig erstreckend auszubilden, was wiederum besonders geeignet und vorteilhaft durch die Spritzgießtechnik ermöglicht ist. Eine derartige, schlitzartige und sich axial erstreckende Geometrie kann wiederum weiterbildend durch seitliche und sich damit quer zur axialen Richtung erstreckende Aufweitungen ergänzt sein, etwa im mittleren Bereich, sodass eine Kontur eines Kreuzes aus der mantelseitigen Draufsicht entsteht, alternativ durch ein- oder beidseits endseitige Aufweitungen, in der Art einer T- bzw. Doppel-T-Kontur, entsprechend dem gewünschten Fluid-Durchflussverhalten durch die Fluid- Durchflusskontur. Im Ergebnis entsteht durch die vorliegende Erfindung in überraschend einfacher und eleganter Weise eine Anpassbarkeit der gattungsgemäßen und bereits großserientaugliche Ventiltechnologie an besondere und flexible Bedürfnisse des Durchflussverhaltens, insbesondere betreffend den zweiten Fluidanschluss (Arbeitsanschluss), wobei die vorliegende Erfindung insbesondere, in der Art eines Baukastens und insoweit realisiert durch das erfindungsgemäße System, auch Kombinationen des Aktorgehäuses mit verschiedenen vorkonfigurierten Ventilgehäusen (mit entsprechend angepasster Fluid-Durchflusskontur) ermöglicht.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in eine schematische Längsschnittansicht der elektromagnetischen Ventilvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung in NO-Konfiguration, wobei die Fig. 1 den unbestromt-geöffneten Zustand zeigt;

Fig. 2 in Teilfiguren (a) und (b) eine Fluid-Durchflusskontur

(Durchflussgeometrie) des zweiten Fluidanschlusses als Arbeitsanschluss mantelseitig am Ventilgehäuse der Fig. 1 in Längsschnittansicht (a) bzw. Draufsicht (b), mit zugehörigem Durchflussverhalten Q für jede der Konturen T, A in Abhängigkeit von der Schieberposition in Teilfigur (c);

Fig. 3, Fig. 4 alternative, als aus dem Stand der Technik bekannt vorausgesetzte Fluid-Durchflusskonturen in metallischen Ventilgehäusen gemäß jeweiligen Teilbildern (a) und (b) und jeweils zugehörigem Durchfluss-Positionsdiagramm in Teilbild (c). Die Fig. 1 verdeutlicht in der Art einer schematischen Längsschnittansicht den prinzipiellen Aufbau einer (weitgehend radialsym metrisch um eine sich horizontal erstreckende Längsachse realisierten) Ventilvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. So weist eine bevorzugt modulartig aufgebaute Aktorbaugruppe 10, in der Ansicht der Fig. 1 umrandet von der linksseitig gezeigten gestrichelten Linie, Ankermittel auf, welche einen Ankerkörper 12 und einen daran fest ansitzenden, im Durchmesser verringerten Ankerstößel 14 aufweisen. Diese Ankermittel sind entlang der axialen Richtung (d.h. entlang der horizontal verlaufenden Symmetrielinie in Fig. 1 ) der gezeigten zurückgezogenen bzw. eingeschobenen Ankerposition durch Bestromung einer stationären Spuleneinheit 16 in eine ausgeschobene Position (in Richtung nach rechts in der Fig. 1 ) bewegbar, wobei ein elektromagnetisch erzeugter Flusskreis für diese Ankerbewegung von einem Kern- bzw. Jochabschnitt 18, einem mantelseiti- gen, magnetisch leitenden Gehäuseabschnitt 20 sowie einem linksseitig- stirnseitigen Deckel- bzw. Jochabschnitt 22 geschlossen wird, so dass entlang Pfeilrichtung in Fig. 1 die Aktorbewegung bei der Bestromung erfolgt.

Diese modulartige Aktoreinheit 10 wirkt zusammen mit einer die Ventil- Fluidanschlüsse P (als typischem Druckanschluss), A (als Arbeitsan- schluss) sowie T (als Belüftungsanschluss) ausbildenden Ventilgehäuseeinheit 24 (symbolisch durch die rechtsseitige gestrichelte Umrandung in der Fig. 1 gezeigt), in welcher die Anschlüsse P, A sowie T als Öffnungen in einem polymeren, sich entlang der axialen Richtung langgestreckten Ventilgehäuse 26 gebildet sind. Im Inneren dieses Ventilgehäuses 26 ist eine Ventilschieberbaugruppe 28 axial bewegbar geführt, welche sich an einem linksseitigen Ende 30 (Stirnfläche) von einer äußeren Stirnfläche des Ankerstößelabschnitts 14 berührend abstößt, ohne dass die Baugruppen 14 und 28 fest miteinander verbunden sind. Eine im rechtsseitigen Endbereich der Ventilschieberbaugruppe 28 vorgesehene und sich von einem stirnseitigen Endbereich (im Bereich des Druckanschlusses P) abstoßende Druckfeder 32 spannt die Ventilschieberbaugruppe 28 gegen die Ankermittel 12, 14 (genauer: gegen die endseitige Stirnfläche des Ankerstößelabschnitts 14) vor.

Auf die so aufgebaute und schematisch in Fig. 1 gezeigte Weise ist ein 3/2-Ventil realisiert, nämlich ein Ventil, bei welchem durch Bewegung der Ankermittel 12, 14 und entsprechend Antreiben der Ventilschieberbaugruppe 28 zwei Stellpositionen mit Zwischenpositionen als Proportionalventil stell- bzw. ansteuerbar sind, und wobei die gezeigte Technologie einen sogenannten stromlos offenen Zustand (NO) darstellt, nämlich einen geöffneten Fluidkanal zwischen dem stirnseitig am Ventilgehäuse vorgesehenen (ersten) Fluidanschluss P und dem benachbarten, mantelseitig am Ventilgehäuse 26 vorgesehenen (zweiten) Fluidanschluss als Arbeitsanschluss A; der gebogene Pfeil 34 symbolisiert diesen im dargestellten unbestromten Zustand der Spulenmittel 16 geöffneten Fluidpfad 34.

Das gezeigte Ventil weist drei Fluidanschlüsse auf; neben den bereits diskutierten und den (ersten) Fluidpfad 34 ausbildenden Anschlüssen P und A ist ein dritter, axial dem Arbeitsanschluss (zweiten Fluidanschluss) in Richtung auf die Aktoreinheit 10 benachbart vorgesehener dritter Fluidanschluss, hier als Entlüftungsanschluss T, vorgesehen, welcher durch geeignete Ausbildung bzw. Profilierung der Ventilschieberbaugruppe im Betriebszustand der Fig. 1 (unbestromte Spuleneinheit, damit Fluidpfad 34 P-A geöffnet) den weiteren Fluidpfad A-T verschließt. Dagegen würde, bei erfolgter Bestromung der Spulenmittel 16 und dadurch bewirkter Rechtsbewegung der Ankermittel 12, 14 und mithin der Mitnahme der Ventilschieberbaugruppe 28 nach rechts gegen die Rückstellwirkung der Druckfeder 32, eine Vertiefung bzw. Ausnehmung 36 mantelseitig an der Ventilschieberbaugruppe so positioniert, dass beim Verschließen des ersten Fluidpfades (Pfeilrichtung 34 unterbrochen) statt dessen eine Fluidkom- munikation zwischen A und T ermöglicht ist.

Entsprechend wird die in Fig. 1 gezeigte Technologie auch als stromlos geöffnete (NO = normally open) Ventilausbildung, bezogen auf P-A, bezeichnet.

Die Fig. 2 zeigt, insoweit schematisch analog zu den vorstehend diskutierten Beispielen der Fig. 3 bzw. der Fig. 4, eine vorteilhafte Ausgestaltung der nicht-zylindrischen Fluid-Durchflusskontur im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 . Es wird aus den Teilansichten (a) und (b) deutlich, dass in der Art einer Kreuzkontur mit einem durchgehenden Längsschlitzabschnitt (40) und einer mittleren Aufweitung (42) für jede der Konturen T, A das komplexe, abschnittsweise unterschiedliche und entsprechend mehrfach geknickte Durchflussverhalten der Fig. 2 (c) entsteht, nämlich insbesondere die vorteilhafte (und für verschiedenste Anwendungsfälle günstig nutzbare) Eigenschaft, im Hinblick auf die Fluidflüsse P-A bzw. A-T jeweils ein mehrstufiges bzw. nicht-lineares Regelverhalten umzusetzen, dergestalt, dass im Hinblick auf den Mittelbereich (Übergang zwischen beiden Kurven) durch die entsprechend flacheren Kurvenabschnitte von Q ein feinfühliges Regeln möglich ist, während in Richtung auf die jeweiligen Endbereiche dann der Durchfluss im Hinblick auf den Maximalwert ansteigt bzw. dann wieder verflacht.

Die vorliegende Erfindung ist weder auf die gezeigte 3/2-Konfiguration beschränkt, noch etwa auf die konkrete Ausgestaltung der Kontur gemäß Fig. 2. Vielmehr umfasst die Erfindung jegliche denkbare Fluid- Durchflusskontur, welche sich von einer durch Bohren erzeugten zylindrischen Kontur unterscheidet und somit insbesondere ein flexibles und bestimmbares Durchflussverfahren für verschiedenste Anwendungsfälle ermöglicht.