Elektromagnetventil

Die Erfindung betrifft ein Elektromagnetventil für ein Kraftfahrzeug mit einem Gehäuse, das einen axialen Einlass und einen radialen Auslass aufweist, einem ersten Ventilsitz zwischen dem Einlass und dem Auslass, der am Gehäuse ausgebildet ist, und einem Regelkörper, der mittels eines elektromagnetischen Aktors mit einer ersten Auflagefläche auf den ersten Ventilsitz absetzbar und vom ersten Ventilsitz abhebbar ist.

Solche elektromagnetisch zu betätigenden Ventile werden in Kraftfahrzeugen beispielsweise als Schubumluftventile, Kühlmittelschaltventile, Ölventile oder Abgasventile eingesetzt. Bei der Verwendung als Kühlmittelventil müssen dabei zum Teil sehr große Volumenströme freigegeben werden können, um eine ausreichende Versorgung des Antriebsmotors mit Kühlmittel sicherstellen zu können. Dies bedeutet, dass große Durchströmungsquerschnitte zur Verfügung gestellt werden müssen, was jedoch dazu führt, dass der entstehende Staudruck auf eine große Fläche am Regelkörper wirkt, was zu deutlich erhöhten notwendigen Schließ- und Haltekräften führt. Diese Kräfte sind nur durch sehr große und kostenintensive Elektromagneten aufzubringen oder durch druckkraftausgeglichene Ventile zu verringern.

Ein derartiges druckkraftausgeglichenes Ventil wird beispielsweise in der DE 10 2015 101 477 Al beschrieben. Dieses Ventil weist einen elektromagnetischen Aktor mit einem Kern, einem Anker, einer Spule sowie Rückschlusselementen zum Schließen des magnetischen Kreises auf. Der Kern weist eine Durchgangsöffnung auf, durch welche eine Ventilstange von einem axial beweglichen Anker zu einem Regelkörper ragt, der auf der zum Anker entgegengesetzten Seite des Kerns angeordnet ist und mit einem Ventilsitz zusammenwirkt. Bei Bestromung der Spule wird der Anker zum Kern gezogen und somit der Regelkörper auf den Ventilsitz gedrückt. Wird die Bestromung beendet, drückt eine Druckfeder den Anker vom Kern weg, so dass der Regelkörper vom Ventilsitz abgehoben wird. Zur Verringerung der Stellkräfte weist dieses Ventil eine Durchgangsbohrung im Regelkörper auf, über die der Einlass des Ventils stetig mit der vom Einlass weg weisenden Seite der Bewegungseinheit, bestehend aus dem Anker und dem Regelkörper, verbunden ist, wodurch diese Bewegungseinheit kraftausgeglichen ist. Dies ist allerdings nur dann zu erreichen, wenn die Rückseite des Regelkörpers zum Auslass zuverlässig abgedichtet ist und ein ausreichend schneller Druckausgleich im Ventil erfolgt. Beides führt jedoch zu steigenden Kosten bei der Herstellung und der Montage des Ventils oder schränkt dessen Haltbarkeit vor allem bei einer Verwendung im Kühlmittelbereich ein, da die auftretenden Verschmutzungen zu einer Schwergängigkeit der Ventile und zu einem Abnutzen der Dichtungen führen kann, was lediglich durch entsprechend hochwertige verwendete Materialien verhindert werden kann.

Es stellt sich daher die Aufgabe, ein robustes und kostengünstiges Elektromagnetventil mit möglichst kleinem Elektromagneten zu schaffen, dessen Funktionsfähigkeit auch bei auftretenden Verschmutzungen gegeben ist, so dass die Beweglichkeit des Regelkörpers zuverlässig aufrechterhalten wird und sowohl eine zuverlässige dauerhafte Abdichtung als auch eine Freigabe großer Durchströmungsquerschnitte ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird durch ein Elektromagnetventil mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Elektromagnetventil weist ein Gehäuse auf, an dem ein axialer Einlass und ein radialer Auslass ausgebildet sind. Dabei ist unter radial und axial lediglich eine Anströmrichtung im Bereich des zu regelnden Durchströmungsquerschnitts also stromaufwärts und stromabwärts des Regelkörpers zu verstehen. Zwischen dem Einlass und dem Auslass ist ein erster Ventilsitz am Gehäuse ausgebildet, der einen Durchströmungsquerschnitt radial umgibt. Des Weiteren weist das Elektromagnetventil einen Regelkörper auf, der mittels eines elektromagnetischen Aktors mit einer ersten Auflagefläche auf den ersten Ventilsitz absetzbar und vom ersten Ventilsitz abhebbar ist, indem der Regelkörper mit einem Anker des Elektromagneten bewegungsgekoppelt wird. Entsprechend ändert der Regelkörper seine Position zum Ventilsitz in Abhängigkeit der Bestromung des Elektromagneten, bei dem der Anker bei Bestromung in Richtung eines Kerns verschoben wird. Die Gegenbewegung erfolgt aufgrund einer Federkraft, die zumindest indirekt auf den Regelkörper oder den Elektromagneten wirkt. Erfindungsgemäß ist axial zwischen dem axial bewegbaren Regelkörper und dem Einlass ein Umströmungskörper befestigt, an den ein zweiter Ventilsitz ausgebildet ist, gegen den der Regelkörper mit einer zweiten Auflagefläche bewegt werden kann. Durch den Umströmungskörper wird der auf den Regelkörper wirkende Staudruck vom Einlass reduziert, da keine direkte senkrechte Anströmung des Regelkörpers erfolgt, da dieser im Strömungsschatten des Umströmungskörpers angeordnet ist. So können größere Querschnitte realisiert werden, da die durch den Druck entstehende Öffnungskraft auf den Regelkörper verringert wird. Des Weiteren wird durch den zweiten Ventilsitz die Fläche, auf die die Druckdifferenz zwischen dem Einlass und dem Auslass wirkt, deutlich verringert, so dass zum Halten des Elektromagnetventils in der geschlossenen Position eine geringere Kraft notwendig ist, wodurch ebenfalls der Elektromagnet kleiner und kostengünstiger gebaut werden kann. Der Umströmungskörper weist eine strömungsleitende Funktion auf, durch die der bei der Umlenkung entstehende Druckabfall minimiert wird.

Vorzugsweise weist der Regelkörper einen ringförmigen Vorsprung auf, der sich axial in Richtung des ersten Ventilsitzes erstreckt und der die erste Auflagefläche bildet, so dass der Regelkörper den Umströmungskörper im geschlossenen Zustand radial umgibt. Entsprechend kann ein großer Umströmungskörper realisiert werden, der große Querschnitte des Regelkörpers abschirmt. Auch kann der Umströmungskörper bei einem derartigen Regelkörper axial versetzt zum ersten Ventilsitz angeordnet werden, wodurch ebenfalls große Querschnitte bei gleichzeitig allmählicher Umlenkung realisiert werden können.

Des Weiteren ist der erste Ventilsitz vorteilhafterweise zumindest axial verformbar. So wird eine sehr gute Abdichtung erreicht.

So sollte vorzugsweise im geöffneten Zustand des Elektromagnetventils der axiale Abstand zwischen dem zweiten Ventilsitz und der zweiten Auflagefläche des Regelkörpers geringfügig größer sein als der Abstand zwischen dem ersten Ventilsitz und der ersten Auflagefläche des Regelkörpers, denn dann kann auch der Regelkörper zunächst mit seiner ersten Auflagefläche gegen den ersten Ventilsitz verfahren werden und durch eine Weiterbewegung unter elastischer Verformung des ersten Ventilsitzes auch der zweite Ventilsitz verschlossen werden. In diesem Fall kann mit deutlich weiteren Toleranzen gefertigt und montiert werden, wodurch Kosten eingespart werden.

Zusätzlich ist es vorteilhaft, wenn der zweite Ventilsitz im radial äußeren Bereich des Umströmungskörpers angeordnet ist, da in diesem Fall die Fläche, auf die der Differenzdruck zwischen dem Einlass und dem Auslass im geschlossenen Zustand des Elektromagnetventils wirkt, minimiert ist.

Vorzugsweise wird die zweite Auflagefläche durch einen elastischen Dichtring gebildet, so dass auch Leckagen über den zweiten Ventilsitz vermieden werden, da eine hohe Dichtigkeit durch die mögliche Verformung erreicht wird. Eine besonders einfache Montage ergibt sich, wenn der Regelkörper eine Radialnut aufweist, in der der elastische Dichtring angeordnet ist. So kann der Dichtring einfach in die Nut beim Zusammenbau eingelegt werden. Auch wäre es denkbar, den Regelkörper zweiteilig auszuführen und den Dichtring zwischen den beiden Teilen einzuklemmen. Der Regelkörper kann entweder separat oder einteilig mit der Ventilstange hergestellt werden, auf die der Anker wirkt.

Vorzugsweise ist im Regelkörper zumindest eine Durchgangsöffnung ausgebildet, die radial innerhalb der zum zweiten Ventilsitz korrespondierenden Auflagefläche des Regelkörpers angeordnet ist und über die die beiden axialen Seiten des Regelkörpers miteinander verbunden sind. Durch diese Durchgangsöffnung wird sichergestellt, dass beim Schließen des zweiten Ventilsitzes keine Gegenkraft durch ein eingeschlossenes zu komprimierendes Volumen zwischen dem Umströmungskörper und dem Regelkörper erzeugt wird, was bei Regelung eines inkompressiblen Mediums zu einem Pumpeffekt führen könnte.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen dem Umströmungskörper und dem Regelkörper eine Druckfeder eingespannt, durch die die Gegenkraft zur elektromagnetischen Kraft realisiert wird. Das Einspannen an dieser Position statt innerhalb des Elektromagneten erleichtert die Montage und verringert die Anzahl oder Komplexität der verwendeten Bauteile.

Um diese Druckfeder sicher aufzunehmen und gegen ein Knicken zu schützen, ist an der zum Einlass entgegengesetzten Seite des Umströmungskörpers eine Ausnehmung ausgebildet, in der die Druckfeder aufgenommen ist.

Der Umströmungskörper wird vorzugsweise über Stege am Gehäuse befestigt, zwischen denen Durchströmungsquerschnitte ausgebildet sind, über die der Einlass mit dem Auslass verbindbar ist. Diese Stege können dünn ausgeführt werden, so dass große Durchströmungsquerschnitte realisierbar sind.

Auch ist es vorteilhaft, wenn eine axiale Projektionsfläche der zum Einlass weisenden Anströmfläche des Umströmungskörpers im Wesentlichen den gleichen Querschnitt aufweist wie ein Einlasskanal unmittelbar stromaufwärts des Umströmungskörpers, da in dieser Ausführungsform der gesamte Regelkörper vor einer direkten axialen Anströmung vom Einlassstutzen aus abgeschirmt wird und somit auch der auf ihn wirkende Staudruck minimiert wird, was zu verringerten Schließkräften führt.

Das Gehäuse weist bevorzugt einen Einlassstutzen auf, der einteilig mit dem Umströmungskörper ausgebildet ist. Dies verringert die Montagekosten, da der Umströmungskörper bei Anschluss des Einlassstutzens automatisch mit montiert wird. Des Weiteren wird die relative Position dieser Bauteile zueinander festgelegt, wodurch bei der Montage entstehende Versätze vermieden werden. Insbesondere kann auf diese Art und Weise sichergestellt werden, dass die beiden Ventilsitze in parallelen Ebenen ausgebildet sind, wodurch ein dichter Verschluss ermöglicht wird.

In einer weiterführenden Ausbildung der Erfindung ist der axial verformbare erste Ventilsitz durch eine elastische Dichtung gebildet, die zwischen dem Einlassstutzen und einem Strömungsgehäuseteil des Gehäuses angeordnet ist. So wird eine besonders einfache Montage des Ventilsitzes und des Einlassstutzens sichergestellt.

Das erfindungsgemäße Elektromagnetventil ist entsprechend kostengünstig herzustellen, da die zu verwendenden Toleranzen relativ groß gewählt werden können, die Anzahl der Komplexität der Bauteile gering ist, der Montageaufwand reduziert ist und ein kleiner Aktor verwendet werden kann, da die auf die Bewegungseinheit, bestehend aus Anker und Regelkörper, wirkenden Kräfte im Vergleich zu bekannten, nicht kraftausgeglichenen Ventilen deutlich reduziert wird. Des Weiteren können große Durchströmungsquerschnitte bei kleinen Strömungswiderständen realisiert werden.

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Elektromagnetventils, welches insbesondere als Kühlmittelventil verwendet werden kann, ist in der Figur dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.

Die Figur zeigt eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Elektromagnetventils in geschnittener Darstellung.

Das erfindungsgemäße Elektromagnetventil besteht aus einem elektromagnetischen Aktor 10, der sich aus einer Spule 12, welche über einen Stecker 14 mit Strom versorgt werden kann, und die auf einen Spulenträger 16 gewickelt ist sowie aus einem feststehenden Kern 18 und einem axial beweglichen Anker 20, welche beide aus ferromagnetischem Material bestehen. Der elektromagnetische Kreis wird durch ein die Spule 12 radial umgebendes Joch 22 und zwei Rückschlusselemente 24 an den axialen Enden der Spule 12 geschlossen. Der Aktor 10 weist ein äußeres Aktorgehäuse 26 aus Kunststoff auf.

Im Innern des Spulenträgers 16 ist eine topfförmige Gleithülse 28 angeordnet, in der der Anker 20 axial geführt wird und welche ein Eindringen von dem zu regelnden Medium in die Spule verhindert, indem die Gleithülse 28 an der einen Seite einen geschlossenen Boden 30 aufweist, gegen den der Anker 20 in einer seiner Endpositionen anliegt, und deren Mantelfläche 32 sich durch den gesamten Elektromagneten erstreckt und an der zum Boden 30 entgegengesetzten Seite radial innen gegen einen Dichtring 34 anliegt, der radial außen gegen das Aktorgehäuse 26 anliegt, mit dem der umspritzt ist. Gegen den Anker 20 liegt axial eine Ventilstange 36 an, die durch eine Durchgangsbohrung 38 im Kern 18 ragt und an deren zum Anker 20 entgegengesetzten Ende ein Regelkörper 42 ausgebildet ist. Am Regelkörper 42 ist ein sich axial erstreckender ringförmiger Vorsprung 46 ausgebildet, dessen axiales Ende der als Auflagefläche 48 dient, mit der der Regelkörper 42 auf einen ersten Ventilsitz 50 aufsetzbar ist, der an einem Gehäuse 52 des Elektromagnetventils angeordnet ist.

Dieses Gehäuse 52 besteht aus dem Aktorgehäuse 26, einem Strömungsgehäuseteil 54, welches am Aktorgehäuse 26 befestigt ist und einen radialen Auslass 56 aufweist, sowie einem Einlassstutzen 57, der einen axialen Einlass 58 aufweist und in dem ein Einlasskanal 59 ausgebildet ist. Dieser Einlassstutzen 57 wird unter Zwischenlage einer elastischen Dichtung 60, die den ersten axial verformbaren Ventilsitz 50 bildet, auf dem die erste Auflagefläche 48 des Regelkörpers 42 im geschlossenen Zustand aufliegt, gegen und in das Strömungsgehäuseteil 54 geschoben und dort befestigt.

Einteilig mit dem Einlassstutzen 57 ist ein Umströmungskörper 62 ausgebildet, der über drei Stege 64 am stromabwärtigen Bereich des Einlassstutzens 57 befestigt ist, wobei sich die Stege 64 vom zum ersten Ventilsitz 50 radial innen liegenden Bereich aus schräg nach innen in Richtung des Aktors 10 erstrecken, so dass der ringförmige Vorsprung 46 weiterhin ungehindert auf den Ventilsitz 50 aufsetzbar ist, wobei der Regelkörper 42 in diesem Zustand den Umströmungskörper 62 radial umgibt.

Der Umströmungskörper 62 weist eine zum Einlass 58 gewandte Anströmfläche 66 auf, welche rotationssymmetrisch ausgebildet ist, wobei der Mittelpunkt der Anströmfläche 66 am weitesten in den Einlasskanal 59 ragt und sich die Anströmfläche 66 im Weiteren mit einer in radialer Richtung wachsenden Komponente erstreckt. Die radiale Ausdehnung des Umströmungskörpers 62, der axial zwischen dem Regelkörper 42 und den Einlass 58 angeordnet ist, oder anders ausgedrückt eine Projektionsfläche des Umströmungskörpers 62 bei axialer Ansicht, entspricht etwa dem Querschnitt des Einlasskanals 59, so dass der Regelkörper 42 vor dem strömenden Medium bei geöffnetem Elektromagnetventil abgeschirmt wird. Dabei wird die Strömung allmählich von ihrer rein axialen Strömungsrichtung entlang der Anströmfläche 66 in radialer Richtung umgelenkt und kann bei geöffnetem Elektromagnetventil durch die Zwischenräume zwischen den Stegen 64, welche Durchströmungsquerschnitte 68 bilden, zum Auslass 56 strömen.

Durch diese Abschirmung wird die zum Schließen benötigte Kraft des Elektromagneten deutlich verringert, da der direkt auf den Regelkörper 42 senkrecht wirkende Staudruck durch den zwischenliegenden Umströmungskörper 62 reduziert wird und eine direkte Anströmung des Regelkörpers 42 großenteils verhindert wird.

Um zusätzlich nun auch die benötigte Haltekraft im geschlossenen Zustand gering zu halten, wird in einer inneren Radialnut 44 des Regelkörpers 42 ein elastischer Dichtring 70 eingeklemmt, der bei vollständig geschlossenem Elektromagnetventil als zweite Auflagefläche 72 dient und auf einem zweiten Ventilsitz 74 aufliegt, der an einer vom Einlass 58 abgewandten Seite des Umströmungskörpers 62 im radial äußeren Bereich des Umströmungskörpers 62 angeordnet ist. Dies hat zur Folge, dass bei geschlossenem Ventil, der Fluiddruck vom Einlass 58 lediglich auf eine Ringfläche des Regelkörpers 42 zwischen den beiden Auflageflächen 48, 72 wirken kann, wodurch die insgesamt auf den Regelkörper 42 wirkende Kraft im geschlossenen Zustand des Elektromagnetventils deutlich reduziert wird. Dies bedeutet, dass die Wirkfläche verringert wird, je näher die zweite Auflagefläche 72 radial zur ersten Auflagefläche 48 angeordnet wird. Um auch zu verhindern, dass das Medium im radial Innern des Regelkörpers 42 zwischen dem Regelkörper 42 und dem Umströmungskörper 62 komprimiert beziehungsweise unter Druck gesetzt wird, was bei inkompressiblen Medien zu einer deutlich erhöhten Öffnungskraft und einem Pumpeffekt führen würde, ist im radial inneren der zweiten Auflagefläche 72 am Regelkörper 42 eine Durchgangsöffnung 75 ausgebildet, durch welche das im Zwischenraum vorhandene Medium aus diesem Raum ausströmen kann.

Im Raum axial zwischen dem Umströmungskörper 62 und dem Regelkörper 42 ist auch zentral eine Druckfeder 76 eingespannt, die in einer Ausnehmung 78 an einer vom Einlass 58 abgewandten Seite des Umströmungskörpers 62 ausgebildet ist, und durch die der Regelkörper 42 mit der Ventilstange 36 stetig gegen den Anker 20 belastet wird, so dass bei Nichtbestromung der Spule 12 durch die Druckfeder 76 der Regelkörper 42 und der Anker 20 in die Offenstellung verschoben werden, in welcher die Auflageflächen 48, 72 von den Ventilsitzen 50, 74 abgehoben sind.

Zum Schließen des Elektromagnetventils wird die Spule 12 bestromt, so dass der Anker 20 entgegen der Kraft der Druckfeder 76 zum Kern 18 gezogen wird und die Ventilstange 36 mit dem Regelkörper 42 zum ersten Ventilsitz 50 bewegt wird, bis der Regelkörper 42 mit seiner ersten Auflagefläche 48 auf dem ersten Ventilsitz 50 aufliegt. Durch die axiale Verformbarkeit der Dichtung 60 beziehungsweise des ersten Ventilsitzes 50 kann der Regelkörper 42 mit dem Anker 20 geringfügig weiterbewegt werden, bis auch die zweite Auflagefläche 72 auf dem zweiten Ventilsitz 74 aufliegt. Entsprechend ist im geöffneten Zustand des Elektromagnetventils der Abstand zwischen dem ersten Ventilsitz 50 und der ersten Auflagefläche 48 geringfügig kleiner gewählt als zwischen dem zweiten Ventilsitz 74 und der zweiten Auflagefläche 72, wodurch mit großen Toleranzen gefertigt und montiert werden kann und dennoch eine dichte Auflage an beiden Ventilsitzen 50, 74 realisiert werden kann. Das dargestellte erfindungsgemäße Elektromagnetventil kann entsprechend kostengünstig gefertigt und montiert werden und weist einen geringen Stromverbrauch und eine geringe Baugröße auf, da der Aktor aufgrund der reduzierten benötigten Stell- und Haltekräfte mit einer kleinen

Spule gefertigt werden kann. Dennoch können große Volumenströme auch bei inkompressiblen Medien geregelt werden.

Es sollte deutlich sein, dass im Vergleich zum beschriebenen Ausführungsbeispiel verschiedene Modifikationen des Ventils möglich sind.

So kann die Druckfeder auch zwischen dem Anker und dem Kern platziert werden oder das Ventil als stromlos geschlossenes Ventil aufgebaut werden. Auch kann beispielsweise der Umströmungskörper als separates Bauteil im Gehäuse fixiert werden oder der Regelkörper einteilig ausgeführt werden oder an der Ventilstange befestigt werden. Auch die vorhandenen

Gehäuseteilungen können geändert werden.