CN101578468A - 用于控制体积流量的阀门 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在机动车的加热和/或冷却系统中控制体积流量的阀门，其具有阀门壳体(10)和至少一个盘状的阀体(28)，从所述阀门壳体(10)分支出至少一个入口通道(18)和至少一个出口通道(20、22)，并且所述阀体(28)设置在阀门壳体中并能围绕着驱动轴(30)的轴线(31)旋转以调节体积流量。根据本发明提出，所述阀体(28)借助传动机构(64)与电动的驱动器(24)作用连接。此外，本发明还涉及一种机动车的具有这种阀门(131)的加热和/或冷却系统(110)。

Description

用于控制体积流量的阀门
技术领域
本发明涉及一种用于在机动车的加热和/或冷却系统中控制体积流量的阀门，尤其涉及一种如权利要求1的前序部分所述的体积流量调节阀，还涉及一种具有这种阀门的机动车的加热和/或冷却回路。
背景技术
机动车的加热和/或冷却回路通常包含待冷却的热量源，例如机动车发动机，其应该借助冷却介质通过自由或强制的对流来冷却。热量源的温度差与热量输入有关，还与冷却介质的体积流量的大小有关，而冷却介质的绝对温度通过热量源的热量输入、热量输出(其通过可能的、位于冷却回路中的冷却元件进行)以及参与材料的热容决定。
一方面，为了保护机动车的内燃机以免过热，另一方面，为了能利用内燃机的废热，例如用于给乘客车厢供暖，要向内燃机泵送冷却介质，此冷却介质可接收了发动机的多余热能并以期望的程度导出。机动车的加热和/或冷却回路通常具有不同的支路，例如冷却支路、旁路支路和/或还有供暖热交换器支路。通过设置在冷却支路中的冷却器或散热器要，可把冷却介质中的多余热量输送到周围空气中。另一方面，供暖热交换器使冷却介质中存在的热量用于给乘客车厢供暖。
在此通过至少一个阀门，来对冷却介质流在机动车的加热和/或冷却回路的不同支路中的分配进行控制。通过混合冷却的和非冷却的冷却介质流，来调到期望的冷却介质温度。因此，至今大多借助膨胀物质驱动的、对冷却介质温度做出反应的恒温阀，来调节冷却支路和旁路支路之间的混合比例。此外还已知电机驱动的混合阀。
在US 4,930,455介绍了一种用在机动车领域中的回旋式节流阀，其通过电动机控制。这种阀门(以蝶形阀的形式)根据电子控制信号来调节经过冷却回路的相对体积流量，此电子控制信号在所述的情况下从冷却水温度中导出。
从US 5,950,576已知一种比例冷却介质阀，其阀体构造成盘状且具有许多穿孔，这些穿孔允许在阀门的入口通道和多个出口通道之间建立期望的连接。US 5,950,576的盘状阀体按照内燃机的控制器的预定值，借助轴通过电动的促动器来调节。
发明内容
根据本发明的用于在机动车的加热和/或冷却系统中控制体积流量的调节阀以有利的方式不与冷却液的温度相关联，而是与广泛使用的恒温阀不同，不依赖于冷却流体的温度借助促动器来调节。根据本发明的阀门尤其根据对内燃机重要的特征参数来调节体积流量。内燃机的冷却系统的冷却功率需求与由燃烧过程要求的功率水平相匹配，尤其与冷却系统的状态无关。
在根据本发明的阀门中以有利的方式设置有传动机构，其在阀门的电动的驱动器和待调节的、尤其盘状的阀体之间建立作用连接。
通过在从属权利要求中提及的特征可实现根据本发明的阀门的有利改进。
所述建立了待调节的阀体和电动的驱动器之间的作用连接的传动机构，以有利的方式构成轴传动机构，例如尤其构成蜗杆传动机构。
轴传动机构或蜗杆传动机构在此与电动的驱动器的输出轴连接。因此，轴传动机构以蜗杆传动机构的方式直接与电动机的轴构造成一体，或构成在电动机的轴上。
在此轴传动机构，即例如蜗杆传动机构，与正齿轮或斜齿轮相啮合，所述正齿轮或斜齿轮与阀体、尤其是与阀体的驱动轴连接。
根据本发明的阀门以有利的方式构造成盘式阀，并具有围绕着驱动轴的轴线可旋转地设置的盘状的阀体，该阀体基本上与阀体的驱动轴的轴线垂直地延伸。在根据本发明的有利的阀门结构中，正齿轮或斜齿轮可与阀体的驱动轴构造成一体，或与阀体本身构造成一体。备选的方式是，根据本发明的阀门的蜗杆斜齿轮传动机构的正齿轮或斜齿轮也可压装在阀体的驱动轴上。
以有利的方式，轴传动机构的轴线，即例如蜗杆传动机构的轴线，相对于阀体的驱动轴的轴线以不等于90°的轴交角设置。尤其对于蜗杆传动机构来说，构造成不等于0°的角度是有利的。根据本发明的阀门的蜗杆传动机构或蜗杆斜齿轮传动机构为此以有利的方式这样构成，即通过蜗杆传动机构的倾斜位置，可使用直齿的正齿轮或斜齿轮。蜗杆传动机构的蜗杆的升角(传动比)为此这样选择，即它应精确地与轴交角和90°之和相当。以这种方式避免出现正齿轮的轴向支承力，并使正齿轮实现自由转动的安装。由于确保精度的同时还具有简单的可生产性，直齿的正齿轮或斜齿轮的成本比斜齿的正齿轮的要低。此外，直齿的正齿轮更容易测量，因此在待执行的质量控制方面，传动机构可为根据本发明的阀门提供有利条件。
传动机构根据本发明构造成蜗杆传动机构或蜗杆斜齿轮传动机构，其中阀体，即例如旋转盘，与蜗轮或斜齿轮借助轴连接，于是实现了这样的可能性，即位于冷却流体中的颗粒被轴密封或轴颈支承部阻挡远离传动机构。根据本发明的阀门的传动机构以有利的方式构造成湿运行的传动机构，因此它在阀门运行时可被待调节的体积流量冲刷。在湿运行中，与正齿轮系或行星齿轮系统相比，蜗杆/斜齿轮的组合是有利的，齿轮间隙基于正齿轮的齿而言由内向外变窄，因而可由内向外在两个方向上挤压流体，而且只产生很小的流动速度。因此动液的损失可以保持得很小。此外在蜗杆斜齿轮传动机构中，通过蜗杆在正齿轮的齿的侧面进行旋转运动，可减少存在于流体中的颗粒夹入到两个齿轮之间的接触部并从而产生更高磨擦的可能性。由于蜗杆斜齿轮组合对颗粒夹入的不敏感性，在传动机构元件之间没有产生大的接触面，而是在理想状态下只产生点负载。
阀体通过优选湿运行的传动机构与优选电动的驱动器连接。这个驱动器也同样设计成湿运行的。此传动机构为此由无电刷的直流电机驱动，它的转子在阀门运行时在待调节的冷却流体中运转。调节元件即阀体和优选轴向弹压在调节元件上的密封元件构成一种阻拦结构，用于使湿运行的传动区域保持干净，把固定物质例如型砂的残渣排除在外，所述固定物质在冷却介质中由于内燃机组件的制造过程而出现。此外，湿运行的传动机构通过轴支承部来保护免受污染。
在备选的实施例中，在包含作为滑动副的调节元件即阀体的情况下，也可以滑环密封的形式来实现密封功能。在这种情况下，也可把传动机构称作干运行的传动机构。
通过两个相互旋转的借助静压预紧力相连的滑动副之间的动液密封，也同样实现了辅助回路或主回路的密封，因此在冷却回路封闭时，泄漏的机率几乎为零。这两个回路，辅助回路(旁路、加热等)或主回路(热交换器)既可设置在阀门的入口侧，也可设置在阀门的出口侧。
借助根据本发明的阀门，可在机动车中实现有利的加热和/或冷却回路，这尤其可与冷却介质温度无关地进行调节。因此可以有利的方式，使冷却功率需求与由机动车内燃机的燃烧过程要求的功率水平相匹配。
从下面的实施例描述中得出了根据本发明的阀门或具有这种阀门的加热和/或冷却系统。
附图说明
在附图中，描述了用于根据本发明的阀门以及用于机动车的加热和/或冷却回路的实施例，它们在下面的描述中还会详细说明。附图、它们的描述以及实施例包含许多组合的特征。专业人员也可以考虑单个的特征，或总结出其它有意义的组合。尤其对专业人员来说，也可以从不同实施例的特征中总结出其它有意义的组合。
其中：
图1在概要视图中示出了根据本发明的阀门的第一实施例；
图2按图1的阀门的剖视图；
图3根据本发明的阀门的另一剖面的细节视图，尤其在传动机构的范围内；
图4根据本发明的阀门的传动机构(以蜗杆传动机构的形式)的细节视图；
图5根据本发明的传动机构的另一细节视图；
图6具有根据本发明的阀门的加热和/或冷却回路。
具体实施方式
图1在概括视图中示出了根据本发明的阀门的一个实施例。按图1的实施例，根据本发明的阀门包含带壳体下部件12和壳体上部件14的壳体10，壳体下部件12和壳体上部件14通过连接机构，例如螺钉、铆钉或卡接机构流体密封地彼此连接，壳体下部件12尤其基本构造成盆状(尤其如图2所示)并在它的内部构成阀腔，用于容纳阀门元件或阀体。壳体上部件14可同样构造成盆状或只是以盖板的形式成型在壳体下部件12上。入口通道的接管18成型在壳体下部件12上。入口通道或接管18在此尤其可与壳体下部件模制成一体，例如由塑料构成。
第一出口通道20和第二出口通道22与壳体上部件连接。借助设置在阀腔中的、还会详细描述的阀门元件，可打开、关闭或以期望的方式改变入口通道和第一出口通道之间的连接或入口通道和第二出口通道之间的连接。
此外，根据本发明的阀门还具有促动器24，用于调节阀门元件。在按图1的根据本发明的阀门的实施例中，促动器24(以还会描述的电动机的形式)连同传动机构一起固定在壳体10上。按图1中的阀门的实施例的电动机具有本身的外壳50，并与阀门的壳体10螺纹连接。在备选的实施例中，电动机也可直接设置在壳体10中，例如设置在阀门的壳体下部件12或壳体上部件14中。电动机的驱动轴27从促动器24的外壳50中伸出，此驱动轴27通过传动机构与根据本发明的阀门的阀体的驱动轴相耦合。以还会描述的方式，在根据本发明的阀门中，电动机的驱动轴27相对阀体的驱动轴以不等于90°的角度设置。
图2示出了按图1的根据本发明的阀门的剖视图，其大致垂直于图1的图面。
在构成于壳体下部件12和壳体上部件14之间的阀腔26中，设置有盘状的阀体28。阀门元件的驱动轴30插入盘状的阀体28的中心孔中。阀体28通过相应的紧固机构34抗扭地固定在驱动轴30上。这例如可通过螺纹连接或卡接实现，但也可把驱动轴30压装到阀体28的中心孔32中。阀体28的驱动轴30和驱动的电动机之间的传动连接确保了，通过电动驱动器来精确地调整阀体。在下面还会详细描述根据本发明的传动机构的构造。
壳体下部件12和壳体上部件14之间设置有密封件，例如密封环36，用于确保在阀门壳体10的两个壳体部件之间的流体密封连接。在按图1和图2的实施例中，入口通道18与第一出口通道20在共同的轴线38上对齐，而驱动轴30沿着与该轴线平行取向的轴线31延伸。
阀体28除了它的用于容纳或固定驱动轴30的中心孔外，还具有构造成通孔的用于阀门的第一或第二出口通道的调整轮廓。根据阀体28的旋转位置，此调整轮廓朝第一或第二出口通道释放出或大或小的横截面。流过入口通道18的流体因此通过阀腔26经由调整轮廓进入第一出口通道20或第二出口通道22。
通过两个相互旋转的、借助静液的预应力相连的滑动副之间的动液密封，实现了阀门内部的密封，尤其实现了第一或第二出口通道的密封。因此在冷却回路封闭时，泄漏的机率几乎为零。为此根据本发明的阀门具有轴向弹压在调整元件、即阀体26上的密封元件44。此密封元件44构造成密封环的形式，在图2中在第一出口通道22中示出，并通过例如也可同样通过环形的弹簧构成的弹簧元件46顶压在阀体上，并因此使这个阀体与外壳内腔相密封。
阀体28以及密封元件44以有利的方式由硬度相同或相似的材料制成，以避免这些元件之间的相互磨擦或使磨擦尽量小。盘状的阀体28以有利的方式可由塑料或陶瓷材料构成。但其它的材料，例如镀层或合金的金属或钢材或类似的复合材料，也是可能的。
除了用于第一或第二出口通道的调整轮廓外，以及除了用于驱动轴的中心孔32外，阀门的盘状阀体28还具有另一的穿孔，此穿孔作为质量平衡元件，用于补偿可围绕着驱动轴30的轴线31旋转的盘状阀体28的不平衡。但原则上，用于补偿盘状阀体28的不平衡的机构也可设计成其它形式。原则上，补偿不平衡的措施也可通过尤其在阀盘上的材料去除或材料添加来实现。尤其对于材料添加，在按图2的实施例中，实施在阀盘的面对入口通道18的侧面上。
在驱动轴30的远离阀体28的端部上，正齿轮或斜齿轮54固定在阀体28的驱动轴30上。此斜齿轮54例如可压装在驱动轴30上。或在备选的实施例中也可与轴30构造成一体。尤其在塑料轴的情况下有利的是，斜齿轮54直接与轴30一起制成。斜齿轮54与构造成蜗杆传动机构的轴传动机构的蜗杆相啮合，此蜗杆传动机构与驱动的电动机的驱动轴27连接。
根据本发明的阀门的蜗杆传动机构或蜗杆斜齿轮传动机构32在此以有利的方式这样构成，即通过蜗杆传动机构的倾斜位置(轴交角不等于90°)可使用直齿正齿轮54(对此尤其参看图4或图5的细节图)。蜗杆56的倾角或升角为此这样选择，即它应尽量精确地相当于轴交角和直角之和。轴交角在此这样定义，即是轴传动机构的轴线之间的角度，在按图2的实施例中，即指电动机轴27的轴线58与阀体28的驱动轴30的轴线31(为此也参看图3)之间的夹角。阀体28的驱动轴30的轴线31在此以有利的方式设置得与入口通道18和出口通道20的对齐的轴线38相平行。
图3在根据本发明的阀门的详细视图中示出了这些轴线的相对方位。驱动的电动机的驱动轴27相对于阀门元件28的驱动轴30以不等于90°的角度延伸，其在图3中可通过其轴线31辨别出。蜗杆56作用在电动机的驱动轴27上，或由电动机的驱动轴27构成，此蜗杆56与图3所示的斜齿轮54相啮合。
以蜗杆斜齿轮的组合来构成传动机构64，尤其对传动机构的湿运行尤其有利，因为如图3或图4所示，齿轮间隙基于正齿轮的齿而言从内向外变窄，因此可把流体从内向外挤往两个方向，因而只产生很小的流动速度。因此在传动机构上可保持很小的动液损失。此外在根据本发明的蜗杆斜齿轮传动机构中，通过蜗杆在正齿轮的齿的侧面进行旋转运动，使得存在于流体中的颗粒夹入两个啮合的齿轮之间的接触部并从而产生更高磨擦的可能性很小。此外，蜗杆斜齿轮传动机构对颗粒夹入的不敏感性也因此导致了不会产生大的接触面，而是在最理想的状态下只在齿轮之间产生点负载。
如同在图3或图4中再次详细示出的一样，蜗杆斜齿轮传动机构64以有利的方式这样构成，即通过蜗杆传动机构56的倾斜位置可使用直齿的正齿轮54。蜗杆56的倾角或升角为此这样选择，即它精确地与轴交角和90°之和相当。因此可避免出现正齿轮的轴向支承力，而且正齿轮54可实现自由转动的安装。
根据本发明的传动机构作为湿运行的传动机构，以有利的方式与优选同样是湿运行的电动的驱动器连接。如同从图2所看到的一样，阀体28和优选轴向弹压在阀体上的密封元件70构成一种阻拦结构，用于使湿运行的传动区域保持干净，把固定物质例如型砂排除在外。
这种湿运行的驱动器的转子60可例如整个或部分地由硒磁铁或高剩磁的硒磁铁材料构成。但基于防腐蚀原因，这种硒料应该封装。
同样通过两个相互旋转的借助静压预紧力相连的滑动副之间的动液密封，实现了阀门壳体相对于出口通道的密封。因此在冷却回路封闭时，泄漏的机率几乎为零。
替代蜗杆斜齿轮传动机构64，在根据本发明的阀门中，也可以使用具有外齿(直的或斜的正齿轮齿、弧齿)的盘片，因此可与小齿轮或蜗杆啮合。因此在这种情况下，两个旋转部件的轴交角应该不是90°。例如盘状的阀门元件自身以有利的方式例如借助环形的齿圈构造成传动机构元件。
图6以简单的示意图示出了冷却和加热回路110，用于通过根据本发明的冷却介质控制阀131来冷却内燃机112。内燃机112在其发动机体116的范围内具有第一冷却介质入口114，还具有第一冷却介质出口118，其通过输入管路120和冷却器入口122与冷却回路110的冷却器124连接。冷却器124再次通过冷却器出口126和连接管路128与内燃机112的冷却介质入口114连接。
为了将冷却介质导入内燃机112的冷却回路110中，在连接管路128中设有冷却介质泵130，其在图6的实施例中可进行电子控制。但在根据本发明的冷却和加热回路的其它实施例中，也同样可以使用完全机械式的冷却介质泵。
在内燃机112的气缸盖132的范围内设有第二冷却介质出口134，其通过连接管路136与加热分支路140的供暖热交换器138连接。在此加热支路140中，使用了从发动机112中伸出的、加热的冷却介质的一部分，用于通过供暖热交换器138使用存储于热的冷却介质中的热能，例如用于对图6中未进一步示出的机动车内部空间进行供暖。在图6中只通过受控的加热阀142或144示意地标出了加热功能按需求的调节。
从冷却和加热回路110的回流管路120中分出了旁通管路129，其与冷却器元件124平行地延伸，此回流管路120直接与冷却器出口126和发动机的冷却介质入口114之间的连接管路128连接。为了一方面通过冷却器元件124及另一方面通过旁通管路129来控制相对的体积流量，在按图6所示的冷却和加热回路的实施例中，设置有三路旁通阀131，其由控制器146开环控制或闭环控制。旁通阀131在此构造成按图1至3所述的根据本发明的阀门形式。
在按图4的冷却和加热回路110的实施例中，加热支路140的加热阀142或144与旁通阀131一样被控制器146开环控制或闭环控制。此控制器146(其例如也可以是机动车的发动机控制器)与不同的传感器连接，其在图6中为了清楚没有示出，且只通过电连接线148标出。通过这些传感器，可把冷却回路或发动机的当前参数传递给控制器146，然后这些当前参数可与存储在控制器中的数据进行比较，用于从中为冷却和加热回路110的活动组件求出相应的控制变量，除了冷却回路110的参数例如冷却介质温度外，还把发动机温度，尤其是发动机上的不同的温度关键部位上的发动机温度，传递给控制器146。此外，燃料消耗以及内燃机的有害物质排放也可以作为控制器的其它输入信号，通过相应的传感器传递给控制器。
在图6的实施例中，控制器146还同时用于按需求地控制冷却风扇150，其从属于冷却回路的冷却器124，用于提高冷却系统的冷却功率。冷却风扇150由扇叶152和驱动此扇叶的电机154构成，其通过相应的电连接线从控制器146中获得它的控制数据和能量供应。此外，控制器146还控制了冷却介质泵130的功率。
特别地，控制器146为阀131、142和144以及其它的在按图6的冷却回路的简化视图中未示出的阀门的致动器分别求出了控制变量，用于把当前的发动机实际温度调到最佳的发动机额定温度。对冷却和加热回路110的根据本发明的阀门的致动器应该这样进行控制，使得通过阀门调节出的体积流量应尽可能与各个致动器的控制变量成线性比例。以这种方式，可按控制器的规定值以精确的方式来控制阀门，从而冷却介质体积流量可非常精确地匹配于例如存储在控制器146中的用于发动机的温度模型的相对时间的规定值。为了调节到最佳的发动机温度，借助根据本发明的、可控制的阀门来调节通过冷却器124或旁通管路129的相对的冷却介质体积流量。因此例如在发动机112的起动阶段，通往发动机冷却器124的连接管路120可完全封闭，根据本发明的旁通阀131朝旁通阀129的方向必要时可完全打开，但也可只稍微打开。以这种方式可以快速地达到发动机112的最佳工作温度，因此电机可提前达到燃料消耗少且有害物质排放少的运行条件。在达到最佳发动机温度后，通过旁通阀131打开冷却器管路120，旁通管路129可以相应的程度关闭，用于把多余的、通过发动机112产生的热能通过冷却器元件124和冷却风扇150排到外界中。同样还可能的是，旁通管路129和通往冷却器的管路可同时通过旁通阀131完全封闭。
根据本发明的阀门不局限于正文说明中给出的实施方式。

Claims (15)

1.用于在机动车的加热和/或冷却系统中控制体积流量的阀门，其具有阀门壳体(10)和至少一个盘状的阀体(28)，从所述阀门壳体(10)分支出至少一个入口通道(18)和至少一个出口通道(20、22)，并且所述阀体(28)设置在阀门壳体中并能围绕着驱动轴(30)的轴线(31)旋转以调节体积流量，其特征在于，所述阀体(28)借助传动机构(64)与电动的驱动器(24)作用连接。
2.如权利要求1所述的阀门，其特征在于，所述传动机构(64)具有轴传动机构(56)。
3.如权利要求2所述的阀门，其特征在于，所述轴传动机构(56)与所述电动的驱动器(24)的驱动轴(27)作用连接，尤其是连接。
4.如权利要求2和/或3所述的阀门，其特征在于，所述轴传动机构(56)与正齿轮(54)相啮合，该正齿轮与阀体(28)或阀体(28)的驱动轴(30)连接。
5.如上述权利要求中任一项所述的阀门，其特征在于，所述阀体(28)的驱动轴(30)基本与盘状的阀体(28)的平面相垂直。
6.如上述权利要求2至5中任一项所述的阀门，其特征在于，所述轴传动机构(56)的轴线(31)相对于阀体(28)的驱动轴(27)的轴线(58)具有不等于90°的轴交角。
7.如上述权利要求2至5中任一项所述的阀门，其特征在于，所述轴传动机构(56)构造成蜗杆传动机构(56)。
8.如权利要求5所述的阀门，其特征在于，所述蜗杆传动机构(56)的升角等于轴交角和90°之和。
9.如上述权利要求4至7中至少一项所述的阀门，其特征在于，所述正齿轮(54)是直齿正齿轮。
10.如上述权利要求中任一项所述的阀门，其特征在于，所述传动机构(64)是湿运行的传动机构，其在运行时被待调节的流体冲刷。
11.如上述权利要求中任一项所述的阀门，其特征在于，所述传动机构(64)被无刷直流电机驱动，该直流电机的转子在运行时在待调节的冷却流体中运转。
12.如权利要求11所述的阀门，其特征在于，所述转子至少部分地由硒磁材料构成。
13.如权利要求12所述的阀门，其特征在于，所述转子的硒磁材料被封装。
14.如上述权利要求10或11所述的阀门，其特征在于，所述阀体(28)和至少一个弹压阀体(28)上的密封元件(44)形成一种固体物质阻拦结构，用于阻拦存在于体积流量中的固体物质。
15.机动车的加热和/或冷却回路，其具有至少一个如权利要求1至14中至少一项所述的阀门(131)，冷却介质流体、尤其内燃机的冷却介质流体可在所述加热和/或冷却回路中循环。
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