DE10053850A1 - Exzenterventil - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Ventil zur Steuerung der Volumenströme im Heiz- und Kühlsystem eines Kraftfahrzeuges mit einem Ventilgehäuse (12, 112, 212) und einer Ventilkammer (14, 114, 214), von der mindestens ein Einlass-Kanal (16, 116, 216) und mindestens ein Auslass-Kanal (18, 118, 218) abzweigen, sowie mit mindestens einer in der Ventilkammer (14, 114, 214) angeordneten, um die Achse einer Welle (34, 134, 234) drehbaren Ventilklappe (28, 128, 228), die ein Ventilgestänge (30, 130, 230) und einen Ventildichtkopf (32, 132, 232) hat, der mit mindestens einem Ventilsitz (22, 122, 222) der Ventilkammer (14, 114, 214) zusammenwirkt. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Welle (34, 134, 234) der mindestens einen Ventilklappe (28, 128, 228) exzentrisch in der Ventilkammer (14, 114, 214) angeordnet ist.
Description
Die Erfindung geht aus von einem Ventil zur Steuerung und
Regulierung der Kühlmittelvolumenströme in einem Kraftfahrzeug
nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Um den Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges vor dem
Überhitzen zu schützen und die Abwärme des Verbrennungsmotors
zur Heizung des Fahrgastraumes nutzen zu können, wird in
Fahrzeugen ein Kühlmittel umgepumpt, das die überflüssige Wärme
des Motors aufnimmt und im gewünschten Maße abführen kann. Der
Heiz- bzw. Kühlkreislauf eines Kraftfahrzeuges umfasst im
Allgemeinen verschiedene Zweige wie beispielsweise einen Kühler-
Zweig, einen Bypass-Zweig oder auch einen Heizungswärmetauscher-
Zweig. Über einen Kühler im Kühlerzweig kann die überflüssige
Wärmemenge des Kühlmittels an die Umgebung abgegeben werden. Ein
Heizungswärmetauscher macht andererseits die zur Verfügung
stehende Wärmemenge des Kühlmittels zur Beheizung des
Fahrgastraumes nutzbar. Die Verteilung des Kühlmittelstromes auf
die verschiedenen Zweige des Kühl- und Heizkreislaufes eines
Kraftfahrzeuges wird über mindestens ein Ventil gesteuert. Die
gewünschte Kühlmitteltemperatur wird durch Mischen eines
gekühlten und eines ungekühlten Kühlmittelstroms eingestellt. So
erfolgte die Regelung des Mischverhältnisses zwischen dem
Kühler- und dem Bypass-Zweig bisher zumeist mit Hilfe eines
dehnstoffgetriebenen, auf die Kühlmitteltemperatur reagierenden
Thermostatventils.
Prinzipbedingt kann mit dieser Technik nur eine einzige
definierte Mischungstemperatur für das Kühlmittel eingestellt
werden, die unabhängig von der Lastsituation des
Verbrennungsmotors ist. Die langen Reaktionszeiten eines solchen
Thermostatventils stellen einen nicht zu vernachlässigenden
Nachteil dieser Regeltechnik dar, der sich negativ auf eine
optimale Temperierung des Motors auswirkt. Zur gewünschten
Temperierung eines Verbrennungsmotors sind unterschiedliche
Kühlmitteltemperaturen, die der jeweiligen Lastsituation des
Motors entsprechen, und kurze Regelzeiten in den Kühlkreisläufen
wünschenswert.
Ein Kennfeldthermostat, der heute ebenfalls zum Stand der
Technik zu zählen ist, erlaubt die Einstellung zweier
Temperaturniveaus für das Kühlmittel im Heiz- uns Kühlsystem
eines Kraftfahrzeuges.
Ein Heizungswärmetauscher im Heiz- und Kühlsystem kann über
zusätzlich eingesetzte, elektromagnetisch angetriebene
Taktventile, wie sie beispielsweise in der DE 197 53 575
beschrieben sind, angesprochen werden. Das diskrete
Öffnungsverhalten der Taktventile führt zu diskontinuierlichen
Fließverhältnissen, die eine gezielte Steuerung des gewünschten
Mischungsverhältnisses erschweren. Damit ist die Steuerung der
Wärmeströme sowie der gewünschten Temperaturen in den anderen
Zweigen des Heiz- und Kühlsystems nicht in dem erforderlichen
Maße möglich.
In der US-4,930,455 wird ein Drehklappenventil für den
Fahrzeugbereich vorgestellt, das durch einen Elektromotor
angesteuert wird. Dieses Ventil in der Art eines Klappenventils
(Butterfly- oder auch Schmetterlingsventil) regelt den relativen
Volumenstrom durch den Kühlkreislauf in Abhängigkeit eines
elektrischen Steuersignals, welches im beschriebenen Fall aus
der Kühlwassertemperatur abgeleitet wird.
Nachteilig bei dieser Art des Regelventils ist die Tatsache,
dass auch bei geöffnetem Ventil Teile der den Durchfluss
steuernden Ventilklappe als Hindernis im Strömungsvolumen
verbleiben und damit den Strömungsquerschnitt reduzieren. Dies
bedeutet einen Druckverlust über dem Ventil, der nur durch eine
erhöhte Pumpleistung und damit durch einen erhöhten Energie- und
Kostenaufwand kompensiert werden kann.
Als ebenfalls nachteilig bei diesem Ventiltypus muss die
erforderliche mechanische Passgenauigkeit der beteiligten
Komponenten zum Erreichen einer guten Abdichtung des
Leitungsquerschnittes angesehen werden. Toleranzen in der
Fertigung lassen sich zwar über ein elastisches Dichtmittel, das
zwischen der eigentlichen Ventilklappe und dem
Leitungsquerschnitt vermittelt, auffangen, dieses Dichtmittel
unterliegt aber aufgrund der teilweise sehr großen
Temperaturdifferenzen im Heiz- und Kühlkreislauf selbst einer
starken Variation seiner Ausdehnung.
Ein Klappenventil der in der US-4,930,455 beschriebenen Art
erfordert aufgrund der großen Kontaktfläche des Dichtelementes
mit dem Leitungsquerschnitt und nicht zuletzt auch aus den oben
genannten Gründen eine erhöhte Verstellkraft beziehungsweise
größere Drehmomente zum Schließen und Öffnen des Ventils, die
mit der Notwendigkeit eines größeren Antriebsmotors verbunden
sind. Dies erhöht die Kosten und vergrößert den erforderlichen
Einbauraum und das Gewicht eines solchen Ventils.
Einhergehend mit den erforderlichen, relativ großen
Verstellkräften bei der Betätigung eines Klappenventils nach der
US-4,930,455 ergibt sich eine starke Verschleißanfälligkeit der
Veschlussklappe des Ventils und im Speziellen des elastischen
Dichtmittels, die die Lebensdauer eines solchen Ventils
reduzieren kann.
Der mögliche hohe Verschmutzungsgrad des Kühlmittels eines
Fahrzeuges beeinflusst zudem die Dichtigkeit eines
Klappenventils negativ, so dass spezielle Maßnahmen, wie sie in
der US-4,930,455 beschrieben und beansprucht werden, getroffen
werden müssen, um Ablagerungen aus dem Ventilbereich zu
entfernen.
Aus der Prozesstechnik sind so genannte Exzenterventile bekannt,
bei denen die Ventilklappe exzentrisch zum Ventilsitz angeordnet
ist. Diese exzentrische Anordnung führt zu einer kombinierten
Dreh- und Hubbewegung der Ventilklappe und minimiert so den
Oberflächenkontakt zwischen dem Dichtelement und dem Ventilsitz
während des Öffnens und Schließens des Ventils.
Aufgrund seiner relativ anspruchsvollen Geometrie und der
kombinierten Dreh- und Hubbewegung beim Öffnen und Schließen
erfordert ein Exzenterventil die Einhaltung sehr geringer
Toleranzen bei der Fertigung. Abgesehen von den
Fertigungstoleranzen kann es auch aufgrund von Temperatur- und
Druckänderungen zu Undichtigkeiten im Exzenterventil kommen.
Diese prinzipiellen Nachteile eines Exzenterventils verhinderten
bisher die Anwendung dieses Prinzips im Automotive-Bereich.
In der US-5,186,433 wird ein Exzenterventil aus dem Gebiet der
Prozesstechnik beschrieben, dessen Exzentrizität sich von aussen
nachregeln lässt. Die Drehachse dieses Ventils ist in bekannter
Weise exzentrisch gelagert und kann darüber hinaus durch ihre
drehbaren und ebenfalls exzentrischen Lager verschoben werden.
Damit ist prinzipiell eine nachträgliche, individuelle Anpassung
des Ventils beispielsweise an bestehende Fertigungstoleranzen
möglich.
Nachteilig bei dem in der US-5,186,433 beschriebenen
Exzenterventil ist die aufwendige Anpassung des Ventilelementes
an die jeweiligen Variationen in den Maßen des Ventils, die eine
Verwendung dieses Ventilprinzips in großer Stückzahl
ausschließt. Zudem ist eine optimale, d. h. schnelle und
kontinuierliche Anpassung des Ventilelementes auf veränderte
Betriebsbedingungen auch mit dem in der US-5,186,433
beschriebenen Exzenterventil nicht denkbar.
Das erfindungsgemäße Ventil mit den Merkmalen der unabhängigen
Ansprüche hat den Vorteil, ein in der Konstruktion einfaches und
damit sehr kostengünstiges Ventil zu sein, das eine geringe
Verschleißempfindlichkeit und eine hohe Unempfindlichkeit
gegenüber einem eventuell stark verschmutzten Fluid aufweist.
Damit wird das erfindungsgemäße Ventil den speziellen
Anforderungen des "Automotive Bereiches" in idealer Weise
gerecht:
Da die Ventilklappe des erfindungsgemäßen Ventils das Ventilgehäuse aufgrund ihrer kombinierten Dreh- und Hubbewegung nur im Ventilsitz berührt, ist das Prinzip des Exzenterventils sehr unempfindlich gegen Verschmutzung des zu regulierenden Volumenstromes.
Da die Ventilklappe des erfindungsgemäßen Ventils das Ventilgehäuse aufgrund ihrer kombinierten Dreh- und Hubbewegung nur im Ventilsitz berührt, ist das Prinzip des Exzenterventils sehr unempfindlich gegen Verschmutzung des zu regulierenden Volumenstromes.
Die Ventilklappe selbst ist nicht zwischen Dichtungen
eingeklemmt und bedarf daher auch nur vergleichsweise sehr
geringer Verstellkräfte, so dass der Antrieb des
erfindungsgemäßen Ventils kostengünstig ausfallen kann.
Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind
vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in Anspruch
1 angegebenen Ventils möglich.
Durch eine relative Beweglichkeit des Dichtkopfes der
Ventilklappe gegenüber dem Ventilgestänge kann sich der
Dichtkopf selbständig ausrichten und in seiner Lage an den
Ventilsitz anpassen. Damit können Toleranzen in Winkel und
Abstand der Ventilklappe zum Ventilsitz aufgefangen und
ausgeglichen werden. Dies lässt sich in besonderem Maße durch
die Verwendung einer zweiteiligen Ventilklappe mit einem Gelenk,
insbesondere einem Kugelgelenk zwischen dem Ventildichtkopf und
dem Ventilgestänge realisieren. Mit Hilfe des Kugelgelenkes ist
eine zweiachsige Beweglichkeit des Dichtkopfes gegenüber dem
Ventilgestänge gegeben, die einen optimalen, da selbständigen
und kontinuierlichen Ausgleich vorhandener Toleranzfehler im
hohen Maße gewährleistet. So ist im Speziellen nicht nur eine
automatische Anpassung der Abdichtung bei Temperatur- oder
Druckänderungen möglich, sondern auch ein selbständiges
Nachstellen des Ventils aufgrund von Verschleiss und Abrieb ist
ebenfalls gegeben. Dies lässt sich besonders dann vorteilhaft
realisieren, wenn der Dichtkopf aus einem verschleissarmen
Material hergestellt wird, so dass ein eventuell auftretender
Abrieb am weicheren Ventilgehäuse durch eine selbständige
Anpassung der Lage des Dichtkopfes im Ventilsitz kompensiert
werden kann. Die Funktionalität des Ventils kann somit durch die
Auswahl geeigneter Materialpaarungen über eine deutlich
verlängerte Lebensdauer erhalten bleiben.
Ein Ventil-Dichtkopf, der als pilzförmiger Ventilteller
ausgebildet ist, gewährleistet eine gute Anpassung der
Ventilklappe an den Ventilsitz und damit eine optimale
Abdichtung der Ventilöffnungen.
Die Ventilsitze des Ventils können einstückig mit der
Ventilkammer ausgeformt werden, was eine zusätzliche
Vereinfachung des Aufbaus und damit eine weitere Senkung der
Produktionskosten des erfindungsgemäßen Ventils bedeutet.
Durch die zusätzliche Verwendung von elastischem Dichtmaterial
für den Dichtkopf der Ventilklappe oder auf der Seite des
Ventilsitzes lässt sich gegebenenfalls die Abdichtung der
Ventilöffnungen erhöhen.
Die spezielle Form der Ventilklappe des erfindungsgemäßen
Ventils sowie ihre exzentrische Lagerung in der Ventilkammer
führt in vorteilhafter Weise dazu, dass bei geöffnetem Zustand
des Ventils keine Versperrung des Strömungsquerschnittes im
Ventil auftritt. Somit kann der Druckabfall über dem Ventil
verringert werden, was dazu führt, das die entsprechende
Pumpleistung im Kühlkreislauf geringer ausgelegt werden kann.
Dies reduziert Kosten und Baugrößen der beteiligten Komponenten.
Eine stabilisierende Wirkung der Lage des Dichtkopfes im
Ventilsitz ergibt sich, wenn die Strömungsrichtung des Fluids im
Ventil von der Drehachse der Ventilklappe auf den Dichtkopf zu
verläuft.
Mit dem beschriebenen Prinzip des Exzenterventils lässt sich
neben einem 2-Wege Ventil auch eine 3 oder Mehr-Wege-Anordnung,
wie es im Kühlkreislauf eines Automobils notwendig ist, in
einfacher Weise realisieren. Denkbar ist ein 3-Wege-Ventil, das
nur eine einzelne Ventilklappe zur Steuerung der relativen
Durchflussmengen aufweist. Ebenso lässt sich aber auch eine
zweite Ventilklappe in ein 3-Wege Ventil integrieren, so dass
die zwei möglichen Ausgänge des Ventils von zwei getrennten
Ventilklappen gesteuert werden.
Eine besonders einfache und vorteilhafte Konstruktion für das
erfindungsgemäße Ventil ergibt sich, wenn die beide
Ventilklappen auf derselben Welle (Drehachse) sitzen und von
dieser angetrieben werden.
Unterschiedliche radiale Längen der Ventilklappen sind in einer
gemeinsamen Ventilkammer möglich, so dass eine Anpassung der
Form der Ventilkammer an spezielle bauliche Gegebenheiten bei
dem erfindungsgemäßen Ventil einfach zu realisieren sind.
Die Welle, die die Bewegung der einen Ventilklappe (oder auch
mehrerer Ventilklappen) vermittelt, lässt sich im
erfindungsgemäßen Ventil in sehr präziser Weise durch einen
Stellantrieb bewegen. So kann beispielsweise über einen
Elektromotor und ein zwischengeschaltetes Getriebe eine sehr
genaue Ansteuerung der Ventilklappen erreicht werden. Der
Elektromotor wiederum lässt sich durch ein Steuersignal, das
beispielsweise aus der Motortemperatur abgeleitet wird, regeln.
Damit ist die exakte Einstellung der jeweiligen Durchflussmengen
und der sich daraus ergebenden Kühlmitteltemperaturen im Heiz-
und Kühlsystem des Fahrzeuges möglich. Die Reaktions- und
Steuerzeiten der aktiven Kühlflüssigkeitsregelung können so
gegenüber den Möglichkeiten eines Thermostatventils deutlich
reduziert werden. Der Kühlmittelfluss läßt sich in vorteilhafter
Weise direkt der jeweiligen Motorlast anpassen und der
Wirkungsgrad des Motors kann so verbessert werden.
Um möglich Probleme mit der Abdichtung der die Ventilklappen
antreibenden Welle zu minimieren, ist es möglich, das Getriebe
selbst in der Kühlflüssigkeit laufen zu lassen. Das Getriebe
lässt sich vorteilhaft im Ventilgehäuse oder in einem mit dem
Ventil verbundenen Gehäuse unterbringen. Dadurch wird die Anzahl
der notwendigen, verschleissbehafteten Dichtungen gesenkt und
die Gefahr, dass aufgrund von Verschleiss des Ventils das Fluid
aus dem System austreten kann, deutlich reduziert.
In vorteilhafter Weise lässt sich das erfindungsgemäße Ventil
durch einen nasslaufenden, bürstenlosen Elektromotor antreiben,
dessen Rotor vom Fluid umgeben ist. Alternativ kann durch
Einsatz einer Magnetkupplung aber auch ein trockenlaufender
Elektromotor vorteilhaft zum Einsatz kommen.
Die Anzahl der verschleissbehafteten Dichtungen kann auf diese
Art reduziert - beziehungsweise ihre Verwendung vollständig
vermieden werden. Damit reduziert sich dann auch das Risiko
einer Leckage des Kühlmittels. Ebenso ergibt sich durch eine
solche Ausführung des erfindungsgemäßen Ventils eine
platzsparende, sehr kompakte Baugruppe für das Regelventil.
In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung
dargestellt, die in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert werden.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch die Ventilkammer eines ersten
Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Ventils mit
eingesetzter Ventilklappe bei geschlossener Ventilstellung,
Fig. 2 einen weiteren Querschnitt durch die Ventilkammer des
ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Ventils bei
geöffneter Ventilstellung,
Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel einer Ventilklappe des
erfindungsgemäßen Ventils,
Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Ventilklappe des
erfindungsgemäßen Ventils,
Fig. 5 eine weitere Darstellung der Ventilklappe aus Fig. 4,
Fig. 6 einen Querschnitt durch die Ventilkammer eines zweiten
Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Ventils mit
eingesetzten Ventilklappen bei geschlossenem Kühlerzweig,
Fig. 7 einen weiteren Querschnitt durch die Ventilkammer des
zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Ventils mit
eingesetzten Ventilklappen in Mittelstellung,
Fig. 8 eine Aussenansicht des zweiten Ausführungsbeispiels des
erfindungsgemäßen Ventils gemäß Fig. 6 und 7
und
Fig. 9 einen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel
einer Ventilkammer des erfindungsgemäßen Ventils mit
eingesetzten Ventilklappen und einem angebauten Getriebe für die
Welle (Drehachse) der Ventilklappen.
Das in Fig. 1 und 2 im Querschnitt dargestellte,
erfindungsgemäße Ventil 10 besitzt ein Ventilgehäuse 12 mit
einer Ventilkammer 14, in die ein Einlasskanal 16 und ein
Auslasskanal 18 führt. Die Ventilkammer 14 trägt einen
innenseitig angeordneten Ventilsitz 22, der im dargestellten
Ausführungsbeispiel einstückig mit dem Ventilgehäuse 12
ausgearbeitet ist. Der Ventilsitz 22 umgibt eine Ventilöffnung
24, die die Ventilkammer 14 mit dem Auslasskanal 18 verbinden.
In der Ventilkammer 14 ist eine Ventilklappe 28 angeordnet, die
im Zusammenspiel mit dem Ventilsitz 22 die Ventilöffnung 24
verschließen und öffnen kann. Die Ventilklappe 28 besteht im
dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem Ventildichtkopf 30
und einem Ventilgestänge 32, das den Dichtkopf 30 mit einer
Welle (Drehachse) 34 des Ventils 10 verbindet.
Die Ventilklappe 28 kann, wie es in Fig. 3 dargestellt ist,
einstückig ausgeformt sein. Auch ist es möglich und vorteilhaft,
die Welle 34 direkt an dem Ventilgestänge 32 der Ventilklappe 28
in der Art einer Kurbelwelle anzuformen. Der Ventildichtkopf 30
hat in diesem Ausführungsbeispiel in etwa eine pilzförmige
Gestalt, die aber auch in anderen Ausführungsformen ein
Ausschnitt aus einer Kugeloberfläche oder anderen, entsprechend
geformten Oberflächen sein kann. So kann sich die Ventilklappe
28 gleichmäßig in den Ventilsitz 22 einschmiegen und die
Ventilöffnung 24 gut abdichten. Um die Abdichtung des Ventils zu
erhöhen, ist es zudem möglich den Ventildichtkopf 30
beziehungsweise den Ventilsitz 22 mit einem Elastomer zu
versehen.
In Fig. 4 und 5 ist ein alternatives und vorteilhaftes
Ausführungsbeispiel der Ventilklappe 28 des erfindungsgemäßen
Ventils 10 dargestellt. Die Ventilklappe 28 in Fig. 4 und 5 ist
zweiteilig und besitzt ein Gelenk 36 zwischen dem Ventilgestänge
32 und den Ventildichtkopf 30. Mit Hilfe dieses Gelenks 36 ist
eine relative Bewegung des Dichtkopfes 30 in Bezug auf das
Ventilgestänge 32 möglich. Durch diese Relativbewegung des
Dichtkopfes 30 kann sich dieser besser in den Ventilsitz 22 der
Ventilkammer 14 einpassen. Auch ermöglicht das Gelenk 36 auf
einfache Art einen selbständigen Ausgleich von Maßabweichungen,
die durch Fertigung und Verschleiß des Ventils auftreten können.
Ein solcher selbständiger Ausgleich von Fertigungsfehlern oder
Abnutzungserscheinungen ist mit einer starren Ventilklappe nicht
möglich.
Bei dem in Fig. 4 und 5 dargestellten Gelenk 36 handelt es sich
um ein Kugelgelenk 38 wobei die Kugel 40 als Teil des
Ventilgestänges 32 und die Kugelpfanne 42 als Teil des
Dichtkopfes 30 ausgebildet ist. Die Kugel 40 ist im
dargestellten Ausführungsbeispiel der Fig. 4 in die Kugelpfanne
42 eingeclipst. Ebenfalls denkbar ist selbstverständlich auch
die umgekehrte Anordnung, bei der der Ventildichtkopf 30 die
Kugel trägt und die Kugelpfanne Teil des Ventilgestänges 32 ist.
Der Ventildichtkopf 30 ist über das Ventilgestänge 32 mit der
Drehachse 34 verbunden. Die Drehachse 34 der Ventilklappe 28 des
erfindungsgemäßen Ventils 10 ist exzentrisch in der Ventilkammer
14 angeordnet: In Fig. 2 ist zu erkennen, dass die Drehachse 34
der Ventilklappe 28 in Bezug auf die Längsachse 44 der
Ventilöffnungen 24 und 26 aussermittig verläuft.
Wie in Fig. 2 dargestellt, läuft die exzentrische Welle 34 in
zwei Lagern 46 und 48, die im dargestellten Ausführungsbeispiel
im Gehäuse 12 der Ventilkammer 14 verankert sind. An einer Seite
50 der Ventilkammer 14 ist die Welle 34 (Drehachse) aus dem
Ventilgehäuse 12 herausgeführt. Mit einem entsprechenden
Stellmechanismus 52, der an die Welle 34 angeschlossen werden
kann, in Fig. 2 jedoch nicht dargestellt ist, ist die
Ventilklappe 28 über die Welle 34 in der Ventilkammer 14
drehbar. Beim Öffnen des Ventils wird die Ventilklappe 28 durch
Verdrehen der Welle 34 aus der Strömungsrichtung (Längsachse 44
in Fig. 1 und 2) herausgedreht und in einen erweiterten Bereich
54 der Ventilkammer, dessen Querschnitt gegenüber dem Ein- und
Auslasskanal deutlich vergrößert ist, gedreht.
Fig. 2 zeigt das erfindungsgemäße Ventil 10 bei vollständiger
Öffnung des Auslasskanals 18 in einer Ansicht in
Strömungsrichtung. Der Ventildichtkopf 30 ist aus der
Strömungsrichtung herausgedreht und befindet sich im erweiterten
Bereich 54 der Ventilkammer 14. Das Ventilgestänge 32, das den
Dichtkopf 30 mit der Welle 34 verbindet, ist im dargestellten
Ausführungsbeispiel derart geformt, das der Strömungsquerschnitt
nicht durch die Ventilklappe 28 und im Besonderen nicht durch
das Ventilgestänge 32 abgeschattet wird. Aus diesem Grunde ist
auch die Welle 34 im dargestellten Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Ventils 10 unterbrochen. Man sieht, dass die
Ventilklappe 28 den vollen Rohrleitungsquerschnitt 56 des
Auslasskanals 18 freigibt und die Strömung nicht umgelenkt wird.
Durch die spezielle Form der Ventilklappe 28 und die
exzentrische Lagerung der Welle 34 wird erreicht, dass der
Druckabfall über dem geöffneten Ventil 10 minimiert wird.
In den Fig. 6 bis 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Ventils dargestellt.
Fig. 6 zeigt ein erfindungsgemäßes Ventil 110 mit einem
Ventilgehäuse 112 und mit einer Ventilkammer 114, in die ein
Einlasskanal 116, ein erster Auslasskanal 118 und ein zweiter
Auslasskanal 119 führt. Die Ventilkammer 114 weist zwei
innenseitig angeordnete Ventilsitze 121 und 122 auf, die im
dargestellten Ausführungsbeispiel einstückig mit dem
Ventilgehäuse 112 gearbeitet sind. Die Ventilsitze 121 und 122
umgeben jeweils eine Ventilöffnung 125 und 126, die die
Ventilkammer 114 mit den Auslasskanälen 118 und 119 verbindet.
In der Ventilkammer 114 befinden sich zwei Ventilklappen 128 und
129, die über eine gemeinsame Welle 134 drehbar gelagert sind.
Die radialen Längen der beiden Ventilklappen 128 und 129 sind
gleich, so dass die Einlass-Öffnung 124 beziehungsweise die
Auslassöffnungen 125 und 126 in etwa auf dem Umfang eines - der
Ventilkammer 114 einzuschreibenden - Kreises 155 mit Mittelpunkt
153 liegen. Die Welle 134 der Ventilklappen 128 und 129 ist
exzentrisch in der Ventilkammer 114 angeordnet, so dass die
Welle 134 die Längsachse 144 der Austrittsquerschnitte nicht
schneidet sondern um eine Strecke 135 von dieser beabstandet
ist. (Die Achse der Welle 134 geht nicht durch den Mittelpunkt
153 des Kreises 155.)
Im Zusammenspiel mit den Ventilsitzen 121 und 122 können die
Ventilklappen 128 und 129 die Ventilöffnungen 125 und 126 öffnen
und schließen. Die Ventilklappen 128 und 129 bestehen im
dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils aus einem
Ventildichtkopf 130 beziehungsweise 131 sowie einem
Ventilgestänge 132 beziehungsweise 133. Ventildichtkopf 130 und
Ventilgestänge 132 beziehungsweise 131 und 133 sind jeweils, wie
zuvor ausführlich beschrieben wurde, über ein Kugelgelenk 138
beziehungsweise 139 in vorteilhafter Weise miteinander
verbunden.
Das Ausführungsbeispiel in Fig. 6 zeigt das erfindungsgemäße
Ventil 110 mit einem ersten, vollständig geöffneten Auslasskanal
118 und einem zweiten, vollständig geschlossenen Auslasskanal
119. Fig. 7 zeigt eine Mittelstellung des erfindungsgemäßen
Ventils 110, bei der die beiden Auslasskanäle 118 und 119
jeweils zu Teil geöffnet sind. Die Strömungsrichtung in der
Fig. 6 und 7 ist in Pfeilrichtung 141, d. h. in der Zeichnung
von links nach rechts.
Fig. 8 zeigt eine mögliche Ausführungsform des Ventilgehäuses
112 in einer Aussenansicht. Sichtbar ist die Einlassöffnung 124
sowie der erste Auslasskanal 118. Nicht zu sehen in dieser
perspektivischen Darstellung ist der zweite Auslasskanal 119.
Ebenfalls zu sehen in Fig. 8 ist die aus dem Gehäuse
herausgeführte Welle 134. In den Ausführungsbeispielen der Fig.
6 bis 8 sitzen die beiden Ventilklappen 128 und 129 an der
gleichen axialen Stelle auf der Welle 134 und sind nur durch
einen Winkel 145 gegeneinander verschoben. Dadurch liegen der
Einlasskanal 116 und die beiden Auslasskanäle 118 und 119 in
einer Flucht. Denkbar und möglich ist jedoch auch eine Anordnung
der Ventilklappen 128 und 129 in der Art, dass die Ventilklappen
sich nebeneinander, d. h. axial versetzt auf der Welle 134
befinden, wie es beispielsweise auch in Fig. 9 dargestellt ist.
In Fig. 9 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Ventils dargestellt.
Das in Fig. 9 dargestellte erfindungsgemäße Ventil 210 hat ein
Ventilgehäuse 212 mit einer Ventilkammer 214 und einem
zusätzlichen Getriebegehäuse 256 an das ein Elektromotor 258
angebracht ist. In der Ventilkammer 214 befindet sich eine Welle
234, die - wie bereits zuvor ausführlich beschrieben -
exzentrisch zu den Öffnungen der Ventilkammer 214 angeordnet
ist. Die Welle 234 läuft in zwei Lagern 246 und 248 und ist
durch das Ventilgehäuse 212 hindurch in einen Getrieberaum 260
des Getriebegehäuses 256 weitergeführt. Auf der Welle 234 des
erfindungsgemäßen Ventils 210 sitzen axial beabstandet zwei
Ventilklappen 228 und 229, die jeweils einen Ventildichtkopf 230
beziehungsweise 231 sowie ein Ventilgestänge 232 beziehungsweise
233 aufweisen.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Fig. 9 sind die
Ventilklappen 228 und 229 jeweils einstückig ausgebildet. Ein
zusätzliches Gelenk 236 beziehungsweise 237 (analog zu Fig. 4
und 5) zwischen Ventilgestänge 232 und dem Ventildichtkopf 230
beziehungsweise 233 und 231 ist aber auch hier möglich.
Die Ventilkammer 214 weist einen Einlasskanal 216 und zwei
Auslasskanäle 218 und 219 auf, von denen in Fig. 9 nur der
Einlasskanal 216 mit der zugehörigen Ventilöffnung 224 zu sehen
ist. Der erste Auslasskanal 218 wird durch die Ventilklappe 229
gesteuert und befindet sich ebenso wie der zweite Auslasskanal
219 auf der dem Einlasskanal 216 gegenüberliegenden Seite der
Welle 234 des Ventilgehäuses 214. Der Auslasskanal 218
beziehungsweise der zweite Auslasskanal 219 münden jeweils in
eine - in Fig. 9 nicht dargestellte - Ventilöffnung 225
beziehungsweise 226 der Ventilkammer 212.
Einstückig mit dem Ventilgehäuse 214 ist im dargestellten
Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ventils 210 das
Getriebegehäuse 256 ausgebildet. In dem Getrieberaum 260 des
Getriebegehäuses 256 ist ein Getriebe 262 für den antreibenden
Motor 258 untergebracht. Im Ausführungsbeispiel besteht das
Getriebe 262 aus drei Zahnrädern 264, 266 und 268, die das
Drehmoment des Elektromotors 258 auf die Welle 234 des
erfindungsgemäßen Ventils 210 übertragen. Dazu ist das Zahnrad
268 fest mit der Antriebswelle 270 des Elektromotors 258
verbunden. Über das Zwischenzahnrad 266 wird das Drehmoment des
Elektromotors 258 mit entsprechender Drehzahl auf das Zahnrad
264 übertragen, das wiederum fest auf der Drehachse 234 des
Ventils 210 montiert ist.
Andere, als das in Fig. 9 gezeigte Zahnradgetriebe sind zum
Antrieb der Welle 234 ebenso denkbar.
Der Getrieberaum 260 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel
gegenüber der Ventilkammer 214 nicht abgedichtet, so dass das
Getriebe 262 in dem zu regulierenden Fluid arbeitet. Eine
spaltbehaftete Scheibe 272, die aus Gummi oder einem anderen
Material gefertigt sein kann, und durch die die Welle 234 des
Ventils 210 hindurchgeführt ist, hält grobe Schmutzpartiklel,
die sich im Kühlmedium befinden können von dem nasslaufenden
Getriebe fern. Ein eventuell erforderlicher Druckausgleich kann
auch durch ein feines Sieb oder eine Membran erfolgen.
Der Getrieberaum 260 ist durch einen Gehäusedeckel 274 und einen
O-Ring 276, der zwischen dem Getriebegehäuse 256 und dem
Gehäusedeckel 274 einliegt und den Getrieberaum 260 statisch
abdichtet, verschlossen.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel trägt der Gehäusedeckel 274
des Getriebegehäuses 256 auch den Elektromotor 258, der die
Welle 234 des Ventils 210 antreibt. Das Gehäuse 278 des
Elektromotors ist im Ausführungsbeispiel einstückig am
Gehäusedeckel 274 des Getriebegehäuses 256 ausgebildet.
Alternativerweise lässt sich das Motorengehäuse 278 aber auch
durch Verschrauben, Vernieten, Verkleben oder anderen - dem
Fachmann geläufigen - Befestigungsmethoden an dem
Getriebegehäuse 256 oder an anderer Stelle anbringen. Der
Elektromotor 258 des in der Fig. 9 dargestellten
Ausführungsbeispiels ist ein im Kühlfluid arbeitender
bürstenloser Gleichstrommotor 259. Der in Fig. 9 nicht explizit
dargestellte Rotor (Magnet) des Elektromotors 259 ist somit
nicht gegen das Getriebe 262 und das im Getrieberaum 260
befindliche Kühlfluid abgedichtet.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen
Ausführungsbeispiele eines Exzenterventils mit maximal zwei
Ventilklappen beschränkt.
Sie lässt sich ebenso vorteilhaft auch bei einem Ventil
verwirklichen, das weitere Ein- oder Auslasskanäle und
entsprechende Ventilklappen besitzt.
Auch ist das erfindungsgemäße Ventil nicht beschränkt auf die
Verwendung gleicher radialer Längen bei den Ventilklappen.
Aufgrund von baulichen Gegebenheiten oder anderen Anforderungen
kann das Ventilgehäuse auch so gestaltet werden, dass die
einzelnen Ventilklappen eines Ventiles unterschiedlich lang
sind. Dies erfordert lediglich die Anpassung der Ausmaße der
Ventilkammer an die Länge des Ventilgestänges.
Das erfindungsgemäße Ventil ist nicht beschränkt auf die
Verwendung von einstückig am Ventilgehäuse ausgebildeten
Ventilsitzen. Die Form und das Material sowohl der Ventilsitze
als auch der Ventildichtköpfe können in anderen
Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Ventils variiert sein.
Durch eine geeignete Materialauswahl lässt sich erreichen, dass
ein eventuell an den Ventilsitzen auftretender
Materialverschleiss oder Abrieb durch die selbständige Anpassung
der Orientierung des Ventildichtkopfes ausgeglichen wird.
Das erfindungsgemäße Ventil ist nicht beschränkt auf die
Verwendung eines Kugelgelenkes zwischen dem Ventilgestänge und
dem Ventildichtkopf. Andere, dem Fachman geläufige Gelenktypen
sind ebenfalls denkbar.
Ebenso ist das erfindungsgemäße Ventil nicht beschränkt auf die
Verwendung des dargestellten Zahnradgetriebes. Ein Getriebe aus
Schnecke und Schneckenrad ist für das erfindungsgemäße Ventil
ebenso vorstellbar wie andere dem Fachmann bekannte
Getriebearten.
Das erfindungsgemäße Ventil ist nicht beschränkt auf die
Verwendung eines nasslaufenden, bürstenlosen Elektromotors.
Der Elektomotor kann auch vollständig gegen das Getriebe und die
Ventilkammer abgedichtet sein, so dass die Verwendung anderer
Antriebssysteme für das Ventil ebenfalls möglich ist. Im
Speziellen kann durch den Einsatz einer Magnetkupplung ein
trockenlaufender Elektromotor vorteilhaft zum Einsatz kommen.
Ebenso ist das erfindungsgemäße Ventil nicht beschränkt auf die
Verwendung eines Getriebes, im Speziellen eines nasslaufenden
Getriebes.
Claims (21)
1. Ventil zur Steuerung von Volumenströmen im Heiz- und
Kühlsystem eines Kraftfahrzeuges mit einem Ventilgehäuse
(12, 112, 212) und einer Ventilkammer (14, 114, 214), von der
mindestens ein Einlass-Kanal (16, 116, 216) und mindestens ein
Auslass-Kanal (18, 118, 218) abzweigen, sowie mit mindestens
einer in der Ventilkammer (14, 114, 214) angeordneten, um die
Achse einer Welle (34, 134, 234) drehbaren Ventilklappe
(28, 128, 228), die ein Ventilgestänge (30, 130, 230) und einen
Ventildichtkopf (32, 132, 232) hat, der mit mindestens einem
Ventilsitz (22, 122, 222) der Ventilkammer (14, 114, 214)
zusammmenwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle
(34, 134, 234) der mindestens einen Ventilklappe (28, 128, 228)
exzentrisch in der Ventilkammer (14, 114, 214) angeordnet ist.
2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der
Ventildichtkopf (32, 132, 232) der mindestens einen
Ventilklappe (28, 128, 228) relativ zu deren Ventilgestänge
(30, 130, 230) beweglich ist.
3. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der
Ventildichtkopf (32, 132, 232) der mindestens einen
Ventilklappe (28, 128, 228) über ein Gelenk (36, 136, 236) mit
dem Ventilgestänge (30, 130, 230) verbunden ist.
4. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Ventilklappe (28, 128, 228) mindestens zweiteilig ist.
5. Ventil nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass
ein Kugelgelenk (38, 138) zwei Teile der Ventilklappe
(28, 128, 228) miteinander verbindet.
6. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Ventildichtkopf (32, 132, 232) der
Ventilklappe (28, 128, 228) durch einen in etwa pilzförmigen
Ventilteller gebildet ist.
7. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der mindestens eine Ventilsitz
(22, 122, 222) einstückig mit der Ventilkammer (14, 114, 214)
ausgebildet ist.
8. Ventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der
Ventildichtkopf (32, 132, 232) der Ventilklappe (28, 128, 228)
und/oder der Ventilsitz (22, 122, 222) der Ventilkammer
(14, 114, 214) zusätzliche, elastische Dichtmaterialien zur
Abdichtung des Ventils (10, 110, 210) aufweisen.
9. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Strömungsrichtung der
Kühlmittelvolumenströme im Ventil von der Welle (34, 134, 234)
der Ventilklappe (28, 128, 228) auf den Ventildichtkopf
(32, 132, 232) zu verläuft.
10. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Ventilgestänge (32, 132, 232) und/oder
die Ventilkammer (14, 114, 214) derart geformt sind, dass bei
geöffnetem Zustand des Ventils (10, 110, 210) keine Versperrung
des Strömungsquerschnittes in der Ventilkammer (14, 114, 214)
erfolgt.
11. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Ventilkammer (14, 114, 214) einen
zweiten Auslasskanal (119, 219) mit zugehörigem Ventilsitz
(21, 121, 221) hat.
12. Ventil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der
Ventilkammer (14, 114, 214) eine zweite Ventilklappe
(29, 129, 229) vorhanden ist.
13. Ventil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die in
der Ventilkammer (14, 114, 214) vorhandenen Ventilklappen
(28, 128, 228; 29, 129, 229) auf einer gemeinsamen Welle
(34, 134, 234) sitzen und um die Achse dieser Welle
(34, 134, 234) drehbar sind.
14. Ventil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die in
der Ventilkammer (14, 114, 214) vorhandenen Ventilklappen
(28, 128, 228; 29, 129, 229) die gleichen radialen Längen
aufweisen.
15. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Welle (34, 134, 234) der mindestens
einen Ventilklappe (28, 128, 228; 29, 129, 229) aus der
Ventilkammer (14, 114, 214) herausgeführt ist.
16. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Welle (34, 134, 234) der mindestens
einen Ventilklappe (28, 128, 228; 29, 129, 229) über einen
Stellantrieb (52, 152, 252) bewegbar ist.
17. Ventil nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der
Stellantrieb (52, 152, 252) einen Elektromotor (258) und ein
Getriebe (262) aufweist.
18. Ventil nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das
Getriebe (262) von dem zu regulierenden Volumenstrom umspült
ist.
19. Ventil zur Steuerung von Volumenströmen im Heiz- und
Kühlsystem eines Kraftfahrzeuges mit einem Ventilgehäuse
(12, 112, 212) und einer Ventilkammer (14, 114, 214), mit davon
abzweigend mindestens einem Einlass-Kanal (16, 116, 216) und
mindestens einem Auslass-Kanal (18, 118, 218), sowie mit
mindestens einer in der Ventilkammer (14, 114, 214)
angeordneten, um die Achse einer Welle (34, 134, 234) drehbaren
Ventilklappe (28, 128, 228), die ein Ventilgestänge
(30, 130, 230) und einen Ventildichtkopf (32, 132, 232) hat, der
mit mindestens einem Ventilsitz (22, 122, 222) der Ventilkammer
(14, 114, 214) zusammmenwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass das
Ventil (10, 110, 210) ein Exzenterventil ist, das ein Gelenk
(36, 136) zwischen dem Ventilgestänge (30, 130, 230) und dem
Ventildichtkopf (32, 132, 232) aufweist.
20. Ventil zur Steuerung von Volumenströmen im Heiz- und
Kühlsystem eines Kraftfahrzeuges mit einem Ventilgehäuse
(12, 112, 212) und einer Ventilkammer (14, 114, 214), mit davon
abzweigend mindestens einem Einlass-Kanal (16, 116, 216) und
mindestens einem Auslass-Kanal (18, 118, 218), sowie mit
mindestens einer in der Ventilkammer (14, 114, 214)
angeordneten, um die Achse einer Welle (34, 134, 234) drehbaren
Ventilklappe (28, 128, 228), die ein Ventilgestänge
(30, 130, 230) und einen Ventildichtkopf (32, 132, 232) hat, der
mit mindestens einem Ventilsitz (22, 122, 222) der Ventilkammer
(14, 114, 214) zusammmenwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass die
Drehachse (34, 134, 234) der mindestens einen Ventilklappe
(28, 128, 228; 29, 129, 229) exzentrisch gelagert ist und über ein
Getriebe (262) bewegbar ist, das von dem zu regelnden Fluid
umspült ist.
21. Ventil nach Anspruch 17 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass
das Getriebe (262) von einem bürstenlosen Gleichstrommotor
(259) angetrieben ist, dessen Rotor in der zu regelnden
Kühlflüssigkeit läuft.
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