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Ausfallsicherer Drehschieber mit mindestens einem drehbeweglich gelagerten Querschnittverstellglied zur stufenlos variablen Einstellung eines Fluidstroms durch den Drehschieber.
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Derartige Drehschieber werden im Motorenbau zur Regulierung und Verteilung des Kühlmittelstroms in einem mehrere Teilkreisläufe aufweisenden Kühlmittelkreislauf einer Brennkraftmaschine verwendet. Solche Drehschieber sind regelmäßig gegen einen Defekt an der Drehschiebermechanik oder einen Ausfall der Steuerung abzusichern.
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Die
DE 30 32 653 C2 beschreibt ein Schwingschieberventil zur Regelung des Durchflusses eines Mediums, bestehend aus einem Ventilgehäuse mit einem Einlass und zwei Auslassöffnungen, einem gehäusefest gelagerten Schwingschieber, der entweder die erste oder die zweite Auslassöffnung vollständig oder zumindest teilweise verschließt bzw. freigibt. Die jeweilige Stellung des Schwingschiebers wird über ein temperaturabhängiges Arbeitselement gesteuert, das sich einerseits am Schwingschieber abstützt und vom Durchflussmedium beaufschlagt wird. Zusätzlich zu dem ersten Arbeitselement mit einer ersten Ansprechtemperatur ist mindestens ein zweites Arbeitselement mit einer zweiten, unter der ersten Ansprechtemperatur liegenden Ansprechtemperatur, vorgesehen. Das zweite Arbeitselement ist einerseits am Schwingschieber und andererseits an einer gegenüber dem Ventilgehäuse gleitend gelagerten und mittels eines Betätigungsorgans verschiebbaren Hülse abgestützt und wird vom Durchflussmedium beaufschlagt.
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Die
DE 101 55 386 A1 zeigt unter anderem ein Ventil in Form eines Drei-Wege-Kugelhahnventils mit einer ventilinternen, in einem Ventilgehäuse angebrachten, Notlauf-Bypassleitung. Das Ventil besitzt einen Einlasskanal, einen ersten Auslasskanal, der den Einlasskanal bei entsprechender Öffnung eines Ventilglieds mit beispielsweise einem Kühler eines Kühlkreislaufs verbindet, sowie einen zweiten Auslasskanal, der den Einlasskanal bei entsprechender Stellung des Ventilgliedes mit der Bypassleitung des Kühlkreislaufs verbindet. Das Ventilglied ist in Form eines Kugelhahns ausgebildet und wirkt mit einem Ventilsitz zusammen. Am Kugelhahn ist eine Welle angeformt, die aus dem Ventilgehäuse herausgeführt ist und über die der Kugelhahn im Ventilsitz gestellt werden kann. Zwischen dem Einlasskanal und dem ersten Auslasskanal des Ventils ist, unter Umgehung des Kugelhahns, die Notlauf-Bypassleitung im Ventilgehäuse ausgebildet. Diese Notlauf-Bypassleitung ist unter normalen Betriebsbedingungen durch ein Klappenelement verschlossen. Das Klappenelement liegt mit einem Ende an einem in thermischen Kontakt mit dem Kühlmittel stehenden temperaturabhängigen Element, beispielsweise einem Dehnstoffelement, an. Bei Überschreiten einer Kühlmittel-Grenztemperatur dehnt sich das Dehnstoffelement derart aus, dass das Klappenelement von einer dichtenden Gehäusekante weggedrückt wird. Nachteilig an einem solchen Ventil mit der gezeigten Notlauf-Bypassleitung, ist der höhere Bauraumbedarf zur Unterbringung der parallel zum Kugelhahn geführten Notlauf-Bypassleitung.
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Die
DE 1 500 302 A offenbart ein thermostatisch gesteuertes Ventil des Drehschiebertyps mit einer Ventilspindel, einem auf der Ventilspindel befestigten Rotor, der ein Paar von gekrümmten Verschlussklappen zur Steuerung der effektiven Öffnung eines Paares von in der Zylinderwand des Ventils vorgesehenen, gekrümmten Durchlässen trägt. Ein an der Spindel befestigter Halter, der durch ein Übersetzungslaschensystem zur Übersetzung des thermostatischen Wegs zur Winkeleinstellung mit dem Rotor verbunden ist, trägt thermostatische, wachsgefüllte Mittel. Das Ventil kann somit durch die wachsgefüllten Mittel ohne das Zutun einer Steuereinrichtung in Abhängigkeit von der Fluidtemperatur im Ventil selbsttätig verstellt werden. Ein solches Ventil ist jedoch nicht gegen einen mechanische Defekt, beispielsweise einem Blockieren des Rotors oder einem Ausfall des Übersetzungslaschensystems, gesichert.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher einen Drehschieber bereitzustellen, der einfach, zuverlässig und bei möglichst geringem Bauraumbedarf gegen einen Ausfall gesichert ist.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Ausfallsicherer Drehschieber, aufweisend ein Drehschiebergehäuse mit mindestens einem darin um eine Drehachse verdrehbar gelagerten Querschnittverstellglied, wobei das Drehschiebergehäuse mindestens eine Gehäuse-Durchströmöffnung mit einem Ventilsitz aufweist, die durch Verdrehen des Querschnittverstellgliedes in variable Überschneidung mit mindestens einer Drehschieber-Durchströmöffnung, zur Bildung eines Strömungspfads für ein Fluid durch den Drehschieber, gebracht werden kann und wobei das Querschnittverstellglied nach Überschreiten einer Schwelltemperatur des Fluids, zur Bildung eines alternativen Strömungspfads, von einem temperaturabhängigen Element entlang der Drehachse aus dem Ventilsitz verschiebbar ist.
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Indem das temperaturabhängige Element bei Überschreiten einer Schwelltemperatur des Fluids eine axiale Verschiebung des Querschnittverstellgliedes entlang der Drehachse aus dessen Ventilsitz bewirkt, kann Fluid aus der Gehäuse-Durchströmöffnung über einen alternativen Strömungspfad in das Innere des Drehschiebers gelangen. Dies ist insbesondere dann notwendig, wenn eine Blockade der Mechanik, ein Ausfall der Drehbetätigung des Querschnittverstellgliedes oder eine fehlerhafte Ansteuerung des Querschnittverstellgliedes vorliegt, wodurch die Drehschieber-Durchströmöffnung und die Gehäuse-Durchströmöffnung im schlimmsten Fall keine Überschneidung mehr aufweisen können. Diese Unterbrechung des Fluidstroms führt unweigerlich zu einer Unterversorgung angeschlossener Bauteile, wie beispielsweise einer Brennkraftmaschine, mit Fluid, wodurch diese während des Betriebs überhitzen könnten. Das temperaturabhängige Element nimmt nach Überschreiten des Schwellwerts der Fluidtemperatur selbsttätig die Öffnung des alternativen Strömungspfades vor, indem es das Querschnittverstellglied axial verschiebt. Die Ventilsitze liegen dadurch nicht mehr dichtend an dem Querschnittverstellglied an, so dass eine gezielte drehschieberinterne Leckage herbeigeführt wird. Das temperaturabhängige Element lässt sich sehr kompakt im Drehschieber anordnen und die von der Drehbewegung abweichende translatorische Bewegung des Querschnittverstellgliedes kann meist trotz einer mechanischen Blockade erfolgen.
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In einer bevorzugten Ausführung weist das Drehschiebergehäuse eine zweite Gehäuse-Durchströmöffnung mit einem zweiten Ventilsitz auf, wobei an die erste Gehäuse-Durchströmöffnung ein Kühlerrücklauf und an die zweite Gehäuse-Durchströmöffnung eine Bypass-Leitung angeschlossen ist. Die Bypass-Leitung zweigt beispielsweise aus einem von einer Brennkraftmaschine zu einem Wärmetauscher führenden Kühlervorlauf ab, führt also von der Brennkraftmaschine erwärmtes Fluid. Der Kühlerrücklauf verläuft vom Wärmetauscher zur ersten Gehäuse-Durchströmöffnung und führt Fluid, welches vom Wärmetauscher bereits abgekühlt wurde. Das Fluid kann beispielswiese über eine weitere Öffnung im Drehschieber wieder der Brennkraftmaschine zugeführt werden. Problematisch für den Betrieb eines derart aufgebauten Fluidkreislaufs ist eine Fehlfunktion des Drehschiebers bei einer dauerhaft ausbleibenden Überschneidung der Drehschieber-Durchströmöffnung mit der ersten Gehäuse-Durchströmöffnung. In der Regel ist währenddessen eine zumindest teilweise Überschneidung der Drehschieber-Durchströmöffnung mit der zweiten Gehäuse-Durchströmöffnung gegeben, wodurch ungekühltes Fluid aus der Bypass-Leitung über den Drehschieber wieder zurück zur Brennkraftmaschine geleitet wird. In diesem Fall detektiert das temperaturabhängige Element einen Anstieg der Temperatur des Fluids und öffnet bei Überschreiten des Schwellwerts den alternativen Strömungspfad, womit nun zusätzlich gekühltes Fluid aus dem Kühlerrücklauf über den Drehschieber zur Brennkraftmaschine geleitet werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführung sind die Ventilsitze jeweils als eine ringförmige elastische Dichtung ausgebildet, die im Normalfall dichtend an einer Mantelfläche des Querschnittverstellgliedes anliegen. Als Normalfall wird hierbei derjenige Anwendungsfall verstanden, bei dem keine Überschreitung des Schwellwerts der Fluidtemperatur von dem temperaturabhängigen Element festgestellt wurde. Die Dichtung ist so ausgeformt, dass diese über den gesamten Umfang dichtend an dem Querschnittverstellglied anliegt. Wird die Dichtung zudem durch Federn gegen das Querschnittverstellglied gedrückt, so kann eine axiale Verschiebung des Querschnittverstellgliedes aus den Ventilsitzen durch die damit einhergehende Kompression der Federn erleichtert werden.
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In einer bevorzugten Ausführung verlaufen die Achsen der Gehäuse-Durchströmöffnungen im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse des Querschnittverstellgliedes. Durch eine solche radial zum Querschnittverstellglied verlaufende Anordnung der Gehäuse-Durchströmöffnungen kann das Querschnittverstellglied besonders einfach die Ventilsitze verlassen.
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In einer bevorzugten Ausführung ist das Querschnittverstellglied als Hohlkugel mit beidseitig axialen Öffnungen um die Drehachse ausgebildet, wobei die Hohlkugel über radiale Streben mit einer in dem Drehschiebergehäuse geführten Lagerachse verbunden ist. Die axialen Öffnungen erlauben bei axial verschobenem Querschnittverstellglied die Führung des alternativen Strömungspfads an der Mantelfläche des Querschnittverstellgliedes vorbei zu einer der axialen Öffnungen und von dort in das Innere des Querschnittverstellgliedes.
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In einer bevorzugten Ausführung ist die Lagerachse zweiteilig ausgebildet, wobei das temperaturabhängige Element zwischen einem ersten Achsenteil und einem zweiten Achsenteil angeordnet ist. Das temperaturabhängige Element veranlasst bei einer erkannten Überschreitung des Schwellwerts eine Verschiebung des ersten und zweiten Achsenteils relativ zueinander, wodurch sich die Hohlkugel entsprechend verschiebt.
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In einer bevorzugten Ausführung sind der erste Achsenteil und der zweiten Achsenteil drehfest ineinander gesteckt, wobei an dem ersten Achsenteil ein Antrieb angreifen kann und die Hohlkugel mit dem axial verschiebbar gelagerten zweiten Achsenteil verbunden ist. Das erste Achsenteil ist axial nicht verschiebbar in dem Drehschiebergehäuse gelagert. Eine Antrieb kann das erste Achsenteil verdrehen, wobei sich die Drehbewegung durch die drehfeste Verbindung auf das zweite Achsenteil überträgt. Das zweite Achsenteil ist über die Streben mit der Hohlkugel verbunden, so dass durch eine von dem temperaturabhängigen Element veranlasste axiale Verschiebung des zweiten Achsenteils eine gezielte Leckage an den Ventilsitzen herbeigeführt werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführung ist das temperaturabhängige Element als Dehnstoffelement, vorzugsweise als Wachspatrone, ausgebildet. Ein Dehnstoffelement verbindet auf besonders kostengünstige Weise die Detektion der Schwellwertüberschreitung und die damit einhergehende Verschiebung des zweiten Achsenteils durch dessen Ausdehnung.
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In einer bevorzugten Ausführung ist eine Kühlmittelförderpumpe saugseitig an einer axialen Gehäuse-Durchströmöffnung angeordnet. Die Kühlmittelförderpumpe saugt Fluid durch die axiale Gehäuse-Durchströmöffnung aus dem Drehschieber, insbesondere aus dem Querschnittverstellglied, und fördert dieses mittelbar oder unmittelbar zu einer Brennkraftmaschine.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
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Darin zeigen:
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1 eine erste Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Drehschiebers;
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2 eine zweite Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Drehschiebers mit verschobenem Querschnittverstellglied.
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Gemäß der 1 und 2 besteht ein Drehschieber 1 unter anderem aus einem Drehschiebergehäuse 2, in dem ein Querschnittverstellglied 3 um eine Drehachse A drehbeweglich gelagert ist. Das Drehschiebergehäuse 2 weist eine erste Gehäuse-Durchströmöffnung 4, an der ein von einem nicht dargestellten Wärmetauscher kommender Kühlerrücklauf angeschlossen ist, und eine zweite Gehäuse-Durchströmöffnung 5, an der eine von einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine kommende Bypass-Leitung angeschlossen ist, auf. Das Querschnittverstellglied 3 weist mindestens eine mit den Gehäuse-Durchströmöffnungen 4 und 5 korrespondierende Drehschieber-Durchströmöffnung 8 auf. Die Drehschieber-Durchströmöffnung 8 ist auf einer radialen Mantelfläche des Querschnittverstellglied 3 angeordnet und kann durch Drehung des Querschnittverstellgliedes 3 um die Drehachse A in stufenlos variable Überschneidung mit einer der Gehäuse-Durchströmöffnungen 4 oder 5 gebracht werden. Die Achsen B und C der Gehäuse-Durchströmöffnungen 4 und 5 stehen dazu im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse A, so dass eine im Wesentlichen radiale Beaufschlagung des Querschnittverstellgliedes 3 mit Fluid aus den Gehäuse-Durchströmöffnungen 4 und 5 möglich ist. Jede Gehäuse-Durchströmöffnung 4 bzw. 5 weist einen Ventilsitz 6 bzw. 7 auf, der von einer ringförmigen, elastischen und zusätzlich federbelasteten Dichtung, die während des in 1 dargestellten Normalfalls dichtend an der Mantelfläche des Querschnittverstellgliedes 3 anliegt, gebildet wird. Das Querschnittverstellglied 3 besteht aus einer Hohlkugel 3a, die axiale Öffnungen 3c und 3d im Bereich der Drehachse A aufweist. Die Hohlkugel 3a ist über radial verteilte Streben 3b mit einer im Drehschiebergehäuse 2 geführten Lagerachse 12 verbunden. Die Lagerachse 12 ist zweiteilig ausgebildet. Ein erster Achsenteil 12a ist axial nicht verschiebbar im Drehschiebergehäuse 2 gelagert. An dem axial verschiebbaren zweiten Achsenteil 12b greifen die Streben 3b zur Hohlkugel 3a an. Das erste Achsenteil 12a und das zweite Achsenteil 12b sind unter Zwischenschaltung eines, als Wachspatrone ausgebildeten, temperaturabhängigen Elements 11 drehfest ineinander gesteckt. An dem ersten Achsenteil 12a greift ein nicht dargestellter, außerhalb des Drehschiebergehäuses 2 angeordneter Antrieb an. Das zweite Achsenteil 12b ist auf der gegenüberliegenden Seite in einem Sackloch 14 geführt, so dass dessen axiale Verschiebbarkeit gewährleistet ist. Wie in 2 dargestellt, wird die Wachspatrone 11 von der Temperatur des Fluids im Querschnittverstellglied 3 so beeinflusst, dass bei Überschreiten eines Schwellwerts eine Ausdehnung erfolgt, durch die das Querschnittverstellglied 3 entlang der Drehachse A aus den Ventilsitzen 6 und 7 geschoben wird. Dabei werden die Federn 15 und 16 so komprimiert, dass sich die Hohlkugel 3a seitlich leicht über die Ventilsitze 6 und 7 hinausschieben kann. Dadurch können Fluidströme 9 und 10 aus den Gehäuse-Durchströmöffnungen 4 und 5 an der Mantelfläche des Querschnittverstellgliedes 3 vorbei zu der axialen Öffnung 3c des Querschnittverstellgliedes 3 strömen. Von dort kann eine nicht dargestellte Kreiselpumpe, deren Saugseite einer axialen Gehäuse-Durchströmöffnung 13 zugeordnet ist, das Fluid aus dem Drehschieber 1 absaugen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Drehschieber
- 2
- Drehschiebergehäuse
- 3
- Querschnittverstellglied
- 3a
- Hohlkugel
- 3b
- Streben
- 3c
- axiale Öffnung
- 3d
- axiale Öffnung
- 4
- erste Gehäuse-Durchströmöffnung
- 5
- zweite Gehäuse-Durchströmöffnung
- 6
- erster Ventilsitz
- 7
- zweiter Ventilsitz
- 8
- Drehschieber-Durchströmöffnung
- 9
- Strömungspfad
- 10
- alternativer Strömungspfad
- 11
- temperaturabhängiges Element
- 12
- Lagerachse
- 12a
- erstes Achsenteil
- 12b
- zweites Achsenteil
- 13
- axiale Gehäuse-Durchströmöffnung
- 14
- Sackloch
- 15
- Feder
- 16
- Feder
