DE3905969A1 - Elektromagnetisch ansteuerbares ventil und kraftfahrzeugkabinenheizkreis mit einem derartigen ventil - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektromagnetisch ansteu­ erbares Ventil, durch das sich die Durchflußmenge eines Mediums beeinflussen läßt. Ferner bezieht sich die Erfin­ dung auf eine Raumluftheizung für ein Kraftfahrzeug, bei dem ein erfindungsgemäßes Ventil Anwendung findet.

Durch die US-PS 40 91 348 ist ein elektromagnetisch ansteu­ erbares Ventil bekanntgeworden, welches eine Tauchankeranord­ nung enthält. Ein mit dem Anker verbundener Stift drückt bei Spulenerregung gegen ein bewegliches, federbelastetes Ventilteil und hebt dieses Ventilteil von einer Dichtfläche ab, wodurch der Durchflußkanal geöffnet wird. Eintritts- und Austrittskanal sind bei dem Ventil versetzt angeord­ net. Ferner ist die Tauchankeranordnung relativ raumgrei­ fend, so daß diese Ventilanordnung für einige Anordnungen nachteilig oder ungeeignet ist.

Die mit der Erfindung zu lösende Aufgabe wird darin gesehen, ein kostengünstig herstellbares elektromagnetisch ansteuerba­ res Ventil anzugeben, welches keine mechanischen Verschleiß­ teile aufweist, sich leicht und in kurzen Zeitfolgen elek­ trisch ansteuern läßt, wenig Raum beansprucht und insbeson­ dere für eine Temperatursteuerung und -regelung für Fahrzeug­ kabinen geeignet ist. Die beschriebenen Nachteile bekannter Ventile sollen vermieden werden.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein elektromagnetisch an­ steuerbares Ventil zur Beeinflussung der Durchflußmenge mit einer im Durchflußkanal angeordneten Durchtrittsöff­ nung, die durch ein im Durchflußkanal beweglich angeordne­ tes magnetisch wirksames Dichtglied verschließbar ist. Das Dichtglied liegt dabei im Einflußbereich einer Magnetspule und verändert bei Erregung der Magnetspule seine Lage und damit auch den Durchflußquerschnitt der Durchflußöffnung. Es handelt sich somit um eine mechanisch verschließbare Ventilart, bei der keine mechanische Betätigungsvorrich­ tung zur Durchflußregulierung erforderlich ist. Vielmehr läßt sich die Durchflußmenge durch ein elektrisches Sig­ nal, das an die Magnetspule anzulegen ist, regulieren. Das magnetisch wirksame Dichtglied besteht vorzugsweise ganz oder teilweise aus einem ferromagnetischen Material, wie beispielsweise Eisen oder Ferrit. Der Aufbau des erfin­ dungsgemäßen Ventils ist sehr einfach und billig zu reali­ sieren. Er weist keine mechanischen Verschleißteile auf. Das Ventil läßt sich leicht ansteuern und spricht schnell an, so daß hohe Schaltzyklen möglich sind.

Vorzugsweise ist der Ventilkörper hülsenförmig ausgebildet, wobei Ein- und Austritt des Durchflußkanals miteinander fluchten. Die Magnetspule weist konzentrisch um den Ventil­ körper verlaufende Windungen auf. Diese Anordnung ist sehr raumsparend und läßt sich in einen vom Strömungsmedium durchströmten Kanal mühelos integrieren.

Um die auf das Dichtglied wirkende magnetische Anziehungs­ kraft zu erhöhen, ist es zweckmäßig, innerhalb des Quer­ schnittes der Magnetspule einen als Magnetjoch dienenden ferromagnetischen Körper anzuordnen, wodurch eine Flußkon­ zentration eintritt. Der ferromagnetische Körper kann bei­ spielsweise ein zylinderförmig ausgebildeter Eisenkern sein, der zwischen Durchflußkanal und Magnetspule angeordnet ist. Eine weitere Flußkonzentration im Bereich des Dichtgliedes läßt sich dadurch erreichen, daß das Eisenjoch als ringför­ miger Hohlkörper ausgebildet ist, in dessen Innern die Mag­ netspule angeordnet ist, wobei der Hohlkörper einen zum Dichtglied ausgerichteten, kreisförmigen Luftspalt aufweist.

Die den Spulenquerschnitt umgebenden Magnetlinien verlaufen damit weitgehend im Eisenjoch und sind im kreisförmigen Spalt gebündelt, wodurch eine hohe Magnetkraft erzeugt wird.

Es ist von Vorteil, den Durchflußkanal im Bereich der Aus­ trittsöffnung im Querschnitt zu verjüngen, so daß sich ei­ ne innerhalb des Querschnittes befindliche Ringschulter ergibt, die als Dichtfläche für das Dichtglied dient. Die Ringschulter kann dabei abgerundet ausgebildet sein. Bei unerregter Spule wird das Dichtglied infolge des Durchström­ druckes gegen die Ringschulter gedrückt, so daß das Ventil geschlossen bleibt.

Um ein einwandfreies Schließen des Ventils bei unerregter Magnetspule zu gewährleisten, ist es ferner zweckmäßig, das Dichtglied mit einer Kraft zu beaufschlagen, die es gegen die Austrittsöffnung drückt. Hierzu ist beispiels­ weise eine Feder geeignet. Ferner kann bei geeigneter Aus­ richtung des Ventils auch die Gewichtskraft des Dichtglie­ des ausgenützt werden.

Es ist von Vorteil, wenn das Ventil im geöffneten Zustand einen möglichst geringen Strömungswiderstand aufweist. Da­ her schlägt eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung vor, das Dichtglied strömungsgünstig auszubilden. Als ein­ fache geometrische Form kommt zum Beispiel eine Kugel in Betracht. Besonders vorteilhaft sind solche Profile, die eine möglichst laminare Strömung erlauben.

Das Dichtglied soll einerseits geeignet sein, den Durch­ trittskanal zu verschließen, andererseits soll es auf das Magnetfeld der Spule ansprechen. Daher ist die Verwendung eines eisenhaltigen Abdichtmaterials, wie beispielsweise eine Gummi-Ferrit-Mischung vorteilhaft.

Das Dichtglied kann in vorteilhafter Weise jedoch auch so ausgebildet sein, daß es einen zur Spule bzw. zum Spulen­ joch ausgerichteten ferromagnetischen Teil und einen zur abzudichtenden Durchtrittsöffnung weisenden Dichtungsteil aufweist.

Vorzugsweise enthält hierbei das Dichtglied einen ferro­ magnetischen Zylinder, der mit einem topfförmigen mit ei­ ner Dichtfläche versehenen Ventilkörper verbunden ist. Der topfförmige Ventilkörper kann aus Kunststoff, z.B. aus PVC bestehen, während der Zylinder ein Eisenteil ist.

Es hat sich herausgestellt, daß die Anziehungseigenschaf­ ten verbessert werden können, wenn der als Magnetjoch die­ nende Zylinder wenigstens zwei in Strömungsrichtung verlau­ fende Schlitze enthält, die zur Austrittsseite des Ventils hin offen sind.

Zur Durchflußregelung von Fahrzeugkabinenheizungen sind mechanische Betätigungsvorrichtungen bekannt, die eine von Hand verstellbare Drosselklappe enthalten. Die für die Tem­ peratureinstellung erforderliche Betätigungsvorrichtung ist aufwendig bezüglich Herstellung und Montage und über­ dies relativ störanfällig. Der Heizkreis muß so angeordnet werden, daß die Drosselklappe in der Nähe des von Hand zu betätigenden Organs liegt. Eine automatische Regelung ist hierbei nicht möglich.

Eine weitere, mit der Erfindung zu lösende Aufgabe wird daher in der Angabe einer Raumluftheizung für Fahrzeugka­ binen gesehen, die sich aufgrund elektrischer Stell- oder Meßwerte einstellen läßt.

Diese weitere Aufgabe wird dadurch gelöst, daß im Heizmit­ telkreislauf der Raumluftheizung ein erfindungsgemäßes Ven­ til, wie es oben beschrieben wurde, Verwendung findet. Die­ ses Ventil ist durch ein elektrisches Ausgangssignal eines Raumluftthermostaten ansteuerbar, so daß sich eine automa­ tische Temperatursteuerung oder -regelung ergibt. Der Raum­ luftthermostat schaltet z.B. bei Unterschreiten einer vor­ gebbaren Temperatur einen elektrischen Steuerkreis, der eine Gleichstromquelle mit der Magnetspule verbindet, so daß das Dichtglied infolge der Magnetkraft angezogen wird und die Durchtrittsöffnung freigibt.

Eine derartige Raumheizung ist relativ einfach in ihrem Aufbau, kostengünstig in der Herstellung, und sie bietet erhöhten Komfort gegenüber bekannten Raumheizungen für Kraftfahrzeuge, bei denen bisher aus Kostengründen auf die Verwendung mechanisch gesteuerter Ventile für eine Tempera­ turregelung verzichtet wurde.

Ein weiteres vorteilhaftes Anwendungsgebiet für erfindungs­ gemäße, elektromagnetisch ansteuerbare Ventile ist bei der Motortemperatursteuerung gegeben. Die Motortemperatur soll möglichst in einem definierten Temperaturintervall von bei­ spielsweise 85 bis 95°C gehalten werden. Dies wird dadurch erreicht, daß die Motortemperatur gemessen wird und der Meßwert zur Steuerung des in den Kühlmittelkreislauf inte­ grierten erfindungsgemäßen Ventils herangezogen wird.

Anhand der Zeichnung, die zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigt, sollen die Erfindung, sowie weitere Vor­ teile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung erläu­ tert und näher beschrieben werden.

Es zeigt:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Heizmittelkreislauf mit einem erfindungsgemäßen, elektrisch an­ steuerbaren Ventil in schematischer Darstel­ lung,

Fig. 2 eine weitere Ausführungsart eines erfindungs­ gemäßen Ventils, und

Fig. 3 einen geschlitzten ferromagnetischen Körper.

Der in Fig. 1 dargestellte Heizmittelkreislauf besteht im wesentlichen aus einem Heizer 10, einem steuerbaren Ventil 12 und Verbindungsleitungen 14, 16, die den Heizer 10 mit einer nicht dargestellten Verbrennungskraftmaschine verbin­ den. Der Heizmittelkreislauf enthält Wasser, welches im Motorblock der Verbrennungskraftmaschine erhitzt wird und durch die Verbindungsleitung 14 dem Heizer 10 zugeführt wird. Im Heizer 10 wird Frischluft erwärmt und durch einen Ventilator 18 in die Fahrzeugkabine geblasen. Das Wasser verläßt den Heizer, tritt durch das Ventil 12 und wird durch die Verbindungsleitung 16 zur Verbrennungskraftmaschine zurückgeleitet, wo sich der Kreislauf schließt. Die Umwäl­ zung des Wassers kann durch eine im Kreislauf befindliche, nicht dargestellte Wasserpumpe erfolgen.

Das Ventil 12 dient der Steuerung der Heizmitteldurchfluß­ menge. Es ist in die zur Verbrennungskraftmaschine führen­ de Rücklaufleitung 16 integriert und im wesentlichen senk­ recht angeordnet, so daß es von oben nach unten durchströmt wird. Der Ventilgehäusekörper 20 besteht aus zwei zylinder­ förmig ausgebildeten, unmagnetischen Teilen 21, 23, die dichtend ineinander geschoben sind. Er weist einen zwischen der Eintrittsöffnung 22 und der Austrittsöffnung 24 liegen­ den Bereich 26 mit erweitertem Durchmesser auf. Innerhalb des Ventilgehäusekörpers 20 befindet sich ein frei bewegli­ ches Dichtglied 28, welches als Dichtkugel ausgebildet ist und aus einer Gummi-Ferrit-Mischung besteht. Die Dichtkugel 28 weist einen größeren Durchmesser auf als die Austritts­ öffnung 24 des Verbindungskanals 16. Sie liegt auf einer Ringschulter 30 auf, die sich infolge der Durchmesserredu­ zierungen zwischen dem Bereich 26 und der Austrittsöffnung 24 ergibt. Die Dichtkugel 28 wird durch ihr Eigengewicht und durch den Strömungsmitteldruck auf die Ringschulter 30 gedrückt und dichtet die Austrittsöffnung 24 ab.

Konzentrisch um den erweiterten Bereich 26 des Ventilgehäuse­ körpers 20 ist eine Magnetspule 32 angeordnet, deren Magnet­ feld innerhalb der Spule 32 im wesentlichen in Strömungs­ richtung des Heizmittels verläuft. Die Spule 32 ist etwas oberhalb des Mittelpunktes der auf der Ringschulter 30 ruhen­ den Dichtkugel 28 angeordnet. Bei Erregung der Magnetspule 32 wird die Dichtkugel 28 infolge des sich ausbildenden Magnetfeldes nach oben gezogen, so daß das Heizmittel an der Dichtkugel 28 vorbei durch die Austrittsöffnung 24 strö­ men kann.

Ein elektrisches Anschlußkabel 34 der Magnetspule ist mit dem Fahrzeugchassis verbunden. Die andere elektrische An­ schlußleitung 36 führt zu einem Raumthermostaten 38 und von diesem über eine Sicherung 39 zum Pluspol der Fahrzeug­ batterie 40. Der Raumthermostat 38 enthält einen nicht dar­ gestellten Schalter, der die Verbindungsleitung zwischen Batterie 40 und Magnetspule 32 solange unterbricht, wie eine durch einen Einstellknopf 42 festlegbare Raumtempera­ tur im Fahrzeuginneren nicht unterschritten wird. Der Ein­ stellknopf 42 ist auf der Armaturenwand 44 des Fahrzeuges angeordnet.

Unterschreitet die Raumlufttemperatur im Fahrzeuginneren den durch den Einstellknopf 42 eingestellten Wert, so schließt der Schalter im Raumthermostaten 38, so daß die Magnetspule 32 von Strom durchflossen wird und ein Magnet­ feld aufbaut. Das Magnetfeld zieht die Dichtkugel 28 nach oben, so daß das Ventil 12 geöffnet wird. Um den Heizmittel­ durchtritt zu gewährleisten, sind gleichmäßig auf dem Um­ fang des erweiterten Durchmessers des Eintrittsteils 21 Schlitze 46 eingelassen.

Das Heizmittel kann nun im Heizmittelkreislauf zirkulieren und die Frischluft erwärmen, die durch den Ventilator 18 in die nicht dargestellte Fahrzeugkabine geblasen wird. Sobald die Raumluft in der Fahrzeugkabine den einstellba­ ren Temperaturwert überschreitet, öffnet der Schalter im Raumthermostaten 38 und unterbricht den Stromfluß durch die Magnetspule 32. Die Dichtkugel 28 fällt infolge ihrer Schwerkraft und infolge der Strömung des Heizmittels auf die Ringschulter 30 und verschließt die Austrittsöffnung 24 des Ventils. Der Heizmitteldurchsatz wird unterbrochen, so daß der Heizer 10 und damit auch die Frischluft nicht mehr erwärmt werden.

Anstelle des in Fig. 1 dargestellten Ventils 12 kann auch das in Fig. 2 dargestellte Ventil in den Heizmittelkreis­ lauf integriert werden. Das Ventil gemäß Fig. 2 wird eben­ falls im wesentlichen senkrecht montiert. Das Ventil be­ steht im wesentlichen aus einem sich aufweitenden, zylin­ derförmigen, unmagnetischen Eintrittsteil 50 mit Schlauch­ anschluß 51, einem als Eisenzylinder 52 ausgebildeten, als Joch dienenden ferromagnetischen Körper, einem unmagneti­ schen Ventilmantel 54, in dem eine Magnetspule 56 eingebet­ tet ist, einen auf den Ventilmantel 54 aufgeschrumpften Formschlauch 57 und einem Ventilkörper 58. Eintrittsteil 50, Eisenzylinder 52, Ventilmantel 54 und Magnetspule 56 sind durch ein Kunststoffspritzverfahren zu einer Bauein­ heit miteinander verbunden.

Der Schlauchanschluß 51 ist an eine vom Heizer kommende Leitung anschließbar. Der Formschlauch 57, der sich nach unten hin verjüngt, ist mit einer zur Verbrennungskraftma­ schine führenden Leitung verbindbar. Der Heizkreislauf ent­ spricht im wesentlichen dem anhand Fig. 1 beschriebenen Kreislauf.

Der Ventilkörper 58 ist topfförmig ausgebildet und trägt in seinem oberen Bereich ein als Eisenkern 60 ausgebilde­ tes ferromagnetisches Teil, dessen Querschnitt dem Quer­ schnitt des Eisenzylinders 52 entspricht. Die äußere Kon­ tur des Topfbodens 62 des Ventilkörpers 58 ist strömungs­ günstig ausgebildet. Sie liegt auf einer Ringschulter 64 auf, die durch eine Querschnittsreduzierung des Formschlau­ ches 57 gebildet wird. Die innere Kontur der Ringschulter 64 ist abgerundet. Der Ventilkörper 58 besteht aus PVC, sein Topfboden 62 dichtet die Austrittsöffnung 66 ab.

Zwischen dem Ventilkörper 58 mit Eisenkern 60 und dem Eisen­ zylinder 52 befindet sich ein Luftspalt 68. Bei Erregung der Magnetspule 56 wird der Ventilkörper 58 gegen die Schwer­ kraft, die Kraft einer Druckfeder 70 und die Kraft der Heiz­ mittelströmung (Pfeil 69) durch das Magnetfeld der Magnetspu­ le 56 nach oben verschoben. Die Druckfeder 70 ist im Heizmit­ telkanal angeordnet und stützt sich innen am Topfboden 62 des Ventilkörpers 58 und an einer Querschnittsverengung 73 des Eintrittsteils 50 ab. Sie drückt den Ventilkörper 58 auf die Ringschulter 64. Zwischen Ringschulter 64 und Topf­ boden 62 bildet sich bei Erregung der Magnetspule 56 ein Ringkanal, durch den das Heizmittel strömen kann.

Bei erregter Magnetspule 56 strömt das Heizmittel durch das Eintrittsteil 50, den Ventilkörper 58, durch seitliche Öffnungen 72 im Ventilkörper 58, durch den Ringkanal zur Austrittsöffnung 66. Sobald der elektrische Strom der Mag­ netspule 56 abgeschaltet wird, fällt der Ventilkörper 58 wieder nach unten und verschließt mit seinem Topfboden 62 die Austrittsöffnung 66.

Eine besondere Ausgestaltung des Eisenzylinders 52 ist der Fig. 3 zu entnehmen. Der Eisenzylinder 52 weist zwei in Strömungsrichtung verlaufende Schlitze 74, 76 auf. Die Schlitze 74, 76 sind zur unteren Seite 78 des Eisenzylin­ ders 52 hin offen.

Claims (11)

1. Elektromagnetisch ansteuerbares Ventil (12) zur Durch­ flußregulierung mit einer im Durchflußkanal angeordne­ ten Durchtrittsöffnung, die durch ein im Durchflußkanal beweglich angeordnetes, magnetisch wirksames Dichtglied (28, 58) verschließbar ist, wobei das Dichtglied (28, 58) im Einflußbereich einer Magnetspule (32, 56) liegt und bei Erregung der Magnetspule (32, 56) seine Lage und damit den Durchflußquerschnitt der Durchflußöff­ nung verändert.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilgehäusekörper (20, 54) hülsenförmig ausgebil­ det ist, wobei der Eintritt (22, 50) und Austritt (24, 66) des Durchflußkanals miteinander fluchten, so daß die Magnetspule (32, 56) konzentrisch um den Ventil­ gehäusekörper (20, 54) verlaufende Windungen aufweist.

3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des von der Magnetspule (32, 56) einge­ schlossenen Raumes ein als Magnetjoch dienender ferro­ magnetischer Körper (52) angeordnet ist.

4. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Durchflußkanal im Bereich der Austritts­ öffnung (24, 66) im Querschnitt verjüngt ist und die dadurch gebildete Ringschulter (30, 64) als Dichtfläche für das Dichtglied (28, 58) dient.

5. Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbildung und/oder Ausrichtung des Ventils so erfolgt, daß das Dichtglied (28, 58) bei unerregter Magnetspule (32, 56) durch eine Kraft gegen die Aus­ trittsöffnung (24, 66) gedrückt wird und diese ver­ schließt.

6. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Dichtglied (28, 58) strömungsgünstig ausgebildet ist.

7. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß wenigstens ein Teil des Dichtgliedes (28) aus einer Gummi-Ferrit-Mischung besteht.

8. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Dichtglied (58) einen ferromagnetischen Zylinder (60) enthält, der bei unerregter Magnetspule (56) axial beabstandet zu einem als Magnetjoch dienenden Zylinder (52) angeordnet ist, wobei beide Zylinder (52, 60) in etwa den gleichen, quer zur Strömungsrich­ tung liegenden Querschnitt aufweisen.

9. Ventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (60) des Dichtgliedes mit einem topfför­ migen Ventilkörper (58) verbunden ist, dessen Topfbo­ den (62) der Austrittsöffnung (66) des Ventils zuge­ wandt und als Dichtfläche ausgebildet ist.

10. Ventil nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der als Magnetjoch dienende Körper (52) ein Zylinder mit wenigstens zwei in Strömungsrich­ tung laufenden Schlitzen (74, 76) ist, die zur Aus­ trittsöffnung (66) hin offen sind.

11. Raumheizung für Kraftfahrzeugkabinen mit einem Heiz­ mittelkreislauf, bei dem das Heizmittel durch die Mo­ torwärme erwärmt wird und seine Wärme über einen Wär­ metauscher an die Raumluft abgibt, wobei im Heizmittel­ kreis ein Ventil zur Einstellung der Durchflußmenge enthalten ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (12) ein solches nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ist und durch einen Raumluftthermostat (38) zur Tem­ peratursteuerung oder -regelung ansteuerbar ist.