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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fluidarmatur, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, zur Durchschaltung und/oder Aufteilung eines Strömungsweges zwischen mindestens einer Eingangsleitung und mindestens einer Ausgangsleitung, umfassend einen Grundkörper mit einem Eingangskanalabschnitt, welcher einen ersten Innendurchmesser aufweist und zur Aufnahme eines Fluidsteckers bestimmt ist, der durch Einstecken in ein Muffenteil, das in dem Eingangskanalabschnitt arretierbar ist, in dem Grundkörper befestigbar ist, und mit einem Ausgangskanalabschnitt, welcher einen zweiten Innendurchmesser aufweist, der kleiner ist als der erste Innendurchmesser, wobei im Montagefall zwischen einem in den Grundkörper eingesteckten Ende des Fluidsteckers oder dem in den Grundkörper arretierten Muffenteil und dem Ausgangskanalabschnitt ein Übergangsraum im Eingangskanalabschnitt gebildet ist.
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Als eine derartige Fluidarmatur ist eine beliebige Schnittstelle für eine Flüssigkeit oder ein Gas zu betrachten, welche verbinden, verteilen und/oder umlenken bzw. auch am Fluideingang und -ausgang verschiedene Anschlussarten aufweisen kann. Derartige Armaturen werden bekanntermaßen beispielsweise als Hinterradachsverteiler in Kraftfahrzeugen eingesetzt, wobei der Grundkörper aus Spritzguss hergestellt wird. Zur Erzeugung der Aufnahme für das Muffenteil, bei dem es sich beispielsweise um ein Einschraubteil oder ein Einpressteil handeln kann, sind im Eingangskanalabschnitt dabei Kerne notwendig, die größere Querschnitte aufweisen als der Ausgangskanalabschnitt. Hierbei entsteht nach der Entformung und nach der Montage von Muffenteil und Stecker im Eingangskanalabschnitt ein Übergangsraum, der vom Muffen- oder Steckerende bis zum Ausgangskanalabschnitt reicht. Dieser Übergangsraum hat einen Querschnitt, der durch den ersten Innendurchmesser des Eingangskanalabschnitts bestimmt wird und einerseits größer als der Innenquerschnitt des Steckers in diesem Bereich sowie andererseits auch größer als der durch den zweiten Innendurchmesser bestimmte Innenquerschnitt des Ausgangskanalabschnitts ist. Im Strömungsweg des Fluids kommt es daher hinter dem Stecker zu einer Querschnittsaufweitung und am Eingang in den Ausgangskanalabschnitt wieder zu einer Querschnittseinengung, was sich durch Druckverluste unvorteilhaft auf die Strömung des Fluids auswirkt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Fluidarmatur der eingangs beschriebenen Art, die durch kostengünstige Fertigung im Spritzgießverfahren herstellbar ist, strömungstechnisch zu verbessern.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass im Eingangskanalabschnitt ein Einsatzeil angeordnet ist, welches einen Übergangskanalabschnitt aufweist, der einendig einen Innendurchmesser aufweist, der an einen Innendurchmesser eines Steckerkanalabschnitts des in den Eingangskanalabschnitt eingesteckten Fluidsteckers und anderendig einen Innendurchmesser aufweist, der an den zweiten Innendurchmesser angepasst ist, den der Ausgangskanalabschnitt aufweist.
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Erfindungsgemäß können somit vorteilhafterweise Diskontinuitäten im Strömungsverlauf des Fluids vermieden werden. Insbesondere ist dadurch die Innenkontur des Strömungsweges durch die Armatur mit Vorteil derart ausgelegt, dass eine zur Vermeidung von Strömungsverlusten optimierte Anpassung des Kanalquerschnitts an eine sich bei Fluiddurchsatz ausbildende Strömung vorliegt. Das Kriterium für diese Anpassung ist dabei die Erzielung eines möglichst laminaren Strömungsverlaufs. Dieser liegt bei einer Rohrströmung dann vor, wenn die dimensionslose sogenannte Reynoldszahl Re = rho·v·d/eta welche ein Maß für das Verhältnis der Trägheitskräfte zu den Zähigkeitskräften im Strömungsmedium darstellt, kleiner ist als die sogenannte kritische Reynoldszahl Rekrit.
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Hierbei sind
- rho
- – die charakteristische Dichte des Strömungsmediums in kg m–3.
- v
- – der Betrag der für den Anwendungsfall charakteristischen mittleren Strömungsgeschwindigkeit in m s–1,
- d
- – der Durchmesser des Innenkanals in m und
- eta
- – die charakteristische dynamische Viskosität des Strömungsmediums in kg s–1 m–1.
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Durch die Gestaltung des Kanalverlaufs wird die kritische Reynoldszahl Rekrit bestimmt. Wenn – wie bekannt – im Strömungsweg hinter dem Stecker eine Querschnittsaufweitung, insbesondere mit scharfkantiger Kontur vorliegt, kommt es dort zu Ablösevorgängen und Wirbelbildung an der Wand, so dass die kritische Reynoldszahl Rekrit nachteilhaft klein ist. Durch die erfindungsgemäße Gestaltung des ununterbrochenen Strömungsweges ”Steckerkanalabschnitt-Übergangskanalabschnitt-Ausgangskanalabschnitt” können mit Vorteil jedoch Werte der kritischen Reynoldszahl Rekrit von über 1200, vorzugsweise von über 2500, erreicht werden.
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Bezüglich der Gestaltung des erfindungsgemäß vorgesehenen Einsatzteiles gibt es verschiedene Möglichkeiten. So kann einerseits ein nach dem Spritzgießen des Grundkörpers erfolgendes nachträgliches Einlegen des Einsatzteiles erfolgen. Dieses Einlegen kann im einfachsten Fall lose geschehen, wobei das Einsatzteil dann nach der Montage von dem Muffenteil gehalten ist. Beim Einlegen kann allerdings auch eine Verrastung – entweder rastend im Grundkörper oder rastend am Muffenteil – vorgesehen sein.
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Andererseits kann das Einsatzteil im Grundkörper auch stoffschlüssig befestigt werden, so entweder durch ein Festlegen durch Einlegen in eine Spritzform und Umspritzen mit dem Material des Grundkörpers oder durch eine Herstellung zusammen mit dem Grundkörper durch einen Zweikomponenten-Spritzgießprozess.
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Als Materialien zur Herstellung des Einsatzteils sind Kunststoffe, mit oder ohne Verstärkung, wie beispielsweise Polyamid (PA), oder auch Elastomere, bevorzugt thermoplastische Elastomere (TPE), geeignet.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen sowie der folgenden Beschreibung enthalten.
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Anhand mehrerer bevorzugter Ausführungsbeispiele soll im Folgenden die Erfindung näher erläutert werden. Dabei zeigen:
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1 eine längs geschnittene Ansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Fluidarmatur,
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2 eine längs geschnittene Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Fluidarmatur,
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3 eine längs geschnittene Ansicht einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Fluidarmatur, ohne ihren Grundkörper,
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4 in vergrößerter Darstellung, eine längs geschnittene Ansicht eines Grundkörpers zur Veranschaulichung der Herstellung der dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Fluidarmatur,
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5 in stark vergrößerter Darstellung, eine längs geschnittene Ansicht eines Einsatzteils einer vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Fluidarmatur.
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In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind gleiche und einander entsprechende Teile in der Regel mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Jede eventuell nur einmal unter Bezugnahme auf nur eine Figur oder einen Teil der Zeichnungsfiguren vorkommende Beschreibung eines Bauteils gilt daher analog auch bezüglich der anderen Zeichnungsfiguren, in denen dieses Bauteil mit dem entsprechenden Bezugszeichen ebenfalls zu erkennen ist.
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Wie zunächst 1 zu entnehmen ist, umfasst eine erfindungsgemäße Fluidarmatur 1, die insbesondere in einem Kraftfahrzeug, zur Durchschaltung eines Strömungsweges zwischen einer Eingangsleitung und einer Ausgangsleitung einsetzbar ist, einen Grundkörper 2. Dieser weist innen einen Eingangskanalabschnitt 3 auf, welcher seinerseits einen ersten Innendurchmesser D3 und ein Innengewinde 4 aufweist und zur Aufnahme eines Fluidsteckers 5 bestimmt ist. Der Fluidstecker 5, an den – beispielsweise, wie gezeigt, über einen Dorn 6 – eine nicht dargestellte Eingangsleitung anschließbar ist, kann durch Einstecken in ein mit dem Innengewinde 4 des Eingangskanalabschnitts 3 verschraubbares Muffenteil 7 in dem Grundkörper 2 befestigt werden. Er weist im gesteckten bzw. steckbaren Bereich innen einen Steckerkanalabschnitt 5a mit einem Innendurchmesser D5 auf, der naturgemäß kleiner ist als der Innendurchmesser D3 des Eingangskanalabschnitts 3, in den der Fluidstecker 5 bei der Montage gesteckt wird. Um dies zeichnerisch bei in den Eingangskanalabschnitt 3 eingesetztem Fluidstecker 5 zu veranschaulichen, ist in den 1 bis 3 das Bezugszeichen 3 für den Eingangskanalabschnitt jeweils in Klammern gesetzt.
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Außerdem weist der Grundkörper 2 einen, insbesondere in einem nicht gestreckten, vorzugsweise in einem rechten, Winkel zum Eingangskanalabschnitt 3 verlaufenden Ausgangskanalabschnitt 8 auf. Dieser weist wiederum einen zweiten Innendurchmesser D8 auf, der kleiner ist als der erste Innendurchmesser D3, den der Eingangskanalabschnitt 3 hat. An den Ausgangskanalabschnitt 8 ist – wie gezeigt, beispielsweise über einen einstückig ausgebildeten Dorn 9 – eine nicht dargestellte Ausgangsleitung anschließbar.
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Im Montagefall, der in 1 für eine erste und in 2 für eine zweite Ausführung der Erfindung gezeigt ist, besteht – wie dargestellt – im Eingangskanalabschnitt 3 zwischen dem in den Grundkörper 2 eingesteckten Ende des Fluidsteckers 5 oder – bei kürzerer Steckerlänge, wenn der Fluidstecker 5 nicht über das Muffenteil 7 hinausragt – auch zwischen dem in den Grundkörper 2 eingeschraubten Muffenteil 7 und dem Ausgangskanalabschnitt 8 ein nicht näher bezeichneter Übergangsraum.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass im Eingangskanalabschnitt 3 ein, insbesondere von der Grundgestalt her zylindrisches, Einsatzeil 10 angeordnet ist. Dieses füllt den Übergangsraum aus und weist innen einen Übergangskanalabschnitt 11 auf, welcher einendig einen Innendurchmesser D11-5 aufweist, der an einen Innendurchmesser D5 eines Steckerkanalabschnitts 5a des in den Eingangskanalabschnitt 3 eingesteckten Fluidsteckers 5 angepasst ist. Anderendig weist der Übergangskanalabschnitt 11 einen Innendurchmesser D11-8 auf, der an den zweiten Innendurchmesser D8, den des Ausgangskanalabschnitts 8, angepasst ist.
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Beim Spritzgießen kann im einfachsten Fall der Ausgangskanalabschnitt 8 durch einen zylindrischen Kern 12a mit leicht konkav gewölbter Deckfläche 13a gebildet werden, wie dieser für die erste Ausführung der Erfindung in 1 dargestellt ist. Auch 4 zeigt eine solche Ausführung des Kerns 12a sowie einen Drehkern 14, wie er zur Ausbildung des Eingangskanalabschnitts 3 eingesetzt werden kann. Die konkave Wölbung 13a des Kerns 12a ist dabei an den Durchmesser des Drehkerns 14 angepasst, so dass beim Spritzgießen ein nahtfreier Übergang vom Eingangskanalabschnitt 3 zum Ausgangskanalabschnitt 8 entsteht.
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Beim Spritzgießen kann aber auch der Ausgangskanalabschnitt 8, wie dies für die zweite Ausführung der Erfindung durch 2 veranschaulicht wird, durch einen zylindrischen Kern 12b mit einer – vom Mantel des Zylinders ausgehend – verrundeten Spitze 13b gebildet werden. Diese Spitze 13b wird durch eine Zylinderhälfte des Kerns 12b gebildet, wobei die andere Hälfte weggenommen ist, so dass am Kern 12b eine Stufe 13c ausgebildet ist. An dieser Stufe kommt dann der Drehkern 14 zur Bildung des Eingangskanalabschnittes 3 mit seiner Zylindermantelfläche zur Anlage. Mit seiner unteren Deckfläche liegt der Drehkern 14 in diesem Fall auf einer ihm zugewandten Flankenfäche 13d der Spitze 13b des Kerns 12a auf. Auf diese Weise wird vorteilhafterweise durch die äußere Rundung der Spitze 13b im Ausgangskanalabschnitt 8 schon ein Übergangsbogen 8a gebildet, der nach der Montage nahtlos an den Übergangskanalabschnitt 11 des Einsatzteils 10 anschließt, indem er an seinem Ende den Durchmesser D11-8 des Übergangskanalabschnitts 11 des Einsatzteils 10 aufweist. Der Übergang Übergangskanalabschnitt-Ausgangskanalabschnitt wird dadurch noch gleichmäßiger als bei der ersten Ausführung der Erfindung, und das Einsatzteil 10 kann kleiner ausgeführt werden.
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Die erste und zweite Ausführung der Erfindung unterscheiden sich des Weiteren auch noch durch die Art, wie jeweils ein Rastmechanismus 15 zwischen Fluidstecker 5 und Muffenteil 7 ausgebildet ist. Jedoch bedürfen diese an sich bekannten Rastmechanismen 15 keiner weiteren detaillierten Erläuterung. In beiden Ausführungen ist das Einsatzteil 10 in den Eingangskanalabschnitt 3 eingelegt und wird im Montagefall – wie gezeigt – durch das eingesteckte Ende des Fluidsteckers 5 fixiert, der wiederum mit dem Muffenteil 7 verrastet, und dieses schließlich mit dem Grundkörper 2 verschraubt ist. Der Fluidstecker 5 und das Einsatzteil 10 brauchen dabei – wie ebenfalls gezeigt – nicht vollflächig aneinander anzuliegen. Am Einsatzteil 10 kann stirnseitig auf der dem Fluidstecker 5 zugewandten Seite ein umlaufender Rand 10a vorgesehen sein, der eine Auflagefläche 10b für den Rastmechanismus 15 – in 2 (und auch 3) als ein einfaches Ringteil ausgeführt- zur Befestigung des Fluidsteckers 5 bildet. Dadurch ist dieses Befestigungsteil vorteilhafterweise zumindest axial abgestützt.
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Bei der dritten Ausführung der Erfindung ist das Einsatzteil 10 ähnlich ausgeführt wie bei der ersten Ausführung. Das erste Spezifikum des Einsatzteils 10 gemäß der dritten Ausführung besteht hierbei darin, dass das Einsatzteil 10 Rastelemente 16 aufweist, mittels derer es mit dem Muffenteil 7 form- oder kraft- und formschlüssig verbunden werden kann bzw. – wie dargestellt verbunden ist. Insbesondere handelt es sich bei den Rastelementen 16 um an der Peripherie des Einsatzteils 10 ausgebildete, axial von der Stirnfläche des Einsatzteils 10 in Richtung des Muffenteils 7 abstehende Rastarme, die endseitig radial nach innen weisende Rastnasen aufweisen. Entsprechend weist das Muffenteil 7 komplementäre Rastelemente 17, insbesondere eine umfangsgemäß ausgebildete Rastkante, auf. Einsatzteil 10 und Muffenteil 7 können vorteilhafterweise durch die Verrastung vormontiert und die vormontierte Einheit dann in den Eingangskanalabschnitt 3 des Grundkörpers 2 eingeschraubt werden. Hierbei Das zweite Spezifikum des Einsatzteils 10 gemäß der dritten Ausführung besteht darin, dass das Einsatzteil 10 eine Verdrehsicherung 18 aufweist. Bei dieser Verdrehsicherung 18 handelt es sich um einen unterseitigen Ansatz des Einsatzteils 10, der im Montagefall in eine komplementäre Öffnung 19 des Grundkörpers 2 eingreift, die sich im Boden 20 des Übergangsraumes befindet. Dadurch bekommt das Einsatzteil 10 einen besseren Halt im Grundkörper 2. Allerdings erfordert – wie dies in 4 gezeigt ist – die Ausbildung der Öffnung 19 eine spezielle Gestaltung des Drehkerns 14. So weist dieser in der Ausführung gemäß 4 einen Schieber 21 auf, der in einer nicht näher bezeichneten Längsöffnung des Drehkerns 14 senkrecht zur Drehebene (Pfeil P1) des Drehkerns 14 axial verschieblich ist (Pfeil P2). Dadurch kann der Schieber 21 nach dem Spritzgießen separat aus der Öffnung 19 im Boden 20 entformt werden. Die Öffnung 19 für die Verdrehsicherung 18 kann mit verschiedenartiger Kontur mittig oder außermittig im Boden 20 angeordnet sein.
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In 5 ist ein Einsatzteil 10 für eine vierte Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Hierbei handelt es sich um ein Einsatzteil 10, das eine Verteilerfunktion erfüllt, also den Strömungsweg des Fluids aufteilt. Zu diesem Zweck sind für den Übergangskanalabschnitt 11 ein Eingang und zwei Ausgänge vorgesehen. Der Übergangsabschnitt 11 verzweigt sich also. Am Eingang weist der Übergangskanalabschnitt 11 erfindungsgemäß einen Innendurchmesser D11-5 auf, der an einen Innendurchmesser D5 eines Steckerkanalabschnitts 5a eines nicht dargestellten in den Eingangskanalabschnitt 3 einer erfindungsgemäßen Fluidarmatur 1 eingesteckten Fluidsteckers 5 angepasst ist, und an den beiden Ausgängen weist der Übergangskanalabschnitt 11 erfindungsgemäß jeweils einen Innendurchmesser D11-8 auf, der jeweils an einen zweiten Innendurchmesser D8 angepasst ist, den ein nicht dargestellter Ausgangskanalabschnitt 8 einer erfindungsgemäßen Fluidarmatur 1 aufweist.
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Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfasst auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausführungen.
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So ist in den dargestellten Ausführungen das Muffenteil 7 als Einschraubteil ausgeführt. Es könnte sich aber auch um ein Einpressteil, wie eine Einpresspatrone o. ä. handeln. Für diesen Fall braucht der Eingangskanalabschnitt 3 kein Innengewinde 5 oder eine andere Befestigungskontur aufzuweisen, sondern der Eingangskanalabschnitt 3 kann glattwandig, gegebenenfalls leicht konisch, ausgeführt werden.
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Im Gegensatz zu der dritten Ausführung der Erfindung, wonach vorgesehen ist, dass das Einsatzteil 10 mit dem Muffenteil 7 verrastbar bzw. verrastet ist, könnte das Einsatzteil 10 mit dem Muffenteil 7 auch über eine stoffschlüssige Verbindung verbunden werden. Ebenso könnte das Einsatzteil 10 mit dem Muffenteil 7 oder dem Grundkörper 2 laserverschweißt werden, ohne dass der Rahmen der Erfindung verlassen wird.
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Des Weiteren erscheint es auch möglich, anstelle durch ein Einsatzteil 10, die strömungsoptimierte Kontur durch Materialausspülung in der Spritzform für den Grundkörper 2 zu erzeugen, wobei das unterschiedliche Abkühlungsverhalten des gespritzten Teils ausgenutzt wird. Während der Grundkörper 2 außen schon erstarrt ist, ist er innen noch flüssig und damit der Strömungsweg ausspülbar.
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Eine weitere Alternative besteht darin, beim Spritzen zur Ausbildung des Eingangskanalabschnitts 3 einen Drehkern 15 einzusetzen, dessen Spitze eine Kugelkontur aufweist. Dieser kann dabei vorteilhafterweise mit einem Kern zur Ausbildung des Ausgangskanalabschnitts 8 kombiniert werden, der ähnlich ausgeführt ist wie der Kern 12b in der Ausführung gemäß 2. Die Flächen 13c und 13d bilden in diesem Fall eine einzige, an die Kugelform angepasste Fläche.
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Ferner ist die Erfindung bislang auch noch nicht auf die in dem unabhängigen Anspruch definierte Merkmalskombination beschränkt, sondern kann auch durch jede beliebige andere Kombination von bestimmten Merkmalen aller insgesamt offenbarten Einzelmerkmale definiert sein. Dies bedeutet, dass grundsätzlich praktisch jedes Einzelmerkmal des unabhängigen Anspruchs weggelassen bzw. durch mindestens ein an anderer Stelle der Anmeldung offenbartes Einzelmerkmal ersetzt werden kann. Insofern sind die Ansprüche lediglich als ein erster Formulierungsversuch für eine Erfindung zu verstehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fluidarmatur
- 2
- Grundkörper von 1
- 3
- Eingangskanalabschnitt von 2
- 4
- Innengewinde in 3
- 5
- Fluidstecker
- 5a
- Steckerkanalabschnitt von 5
- 6
- Dorn von 5
- 7
- Muffenteil
- 8
- Ausgangskanalabschnitt von 2
- 8a
- Übergangsbogen von 8 (2)
- 9
- Dorn von 2
- 10
- Einsatzteil
- 10a
- Rand von 10
- 10b
- Auflagefläche von 10 für 15
- 11
- Übergangskanalabschnitt von 10
- 12a
- Kern zur Bildung von 8 (Ausführung 1, 4)
- 12b
- Kern zur Bildung von 8 (Ausführung 2)
- 13a
- Deckfläche von 12a
- 13b
- Spitze von 12b
- 13c
- Stufe von 12b
- 13d
- Flankenfläche von 12b
- 14
- Drehkern
- 15
- Rastmechanismus 5/7
- 16
- Rastelement an 10 für 17 (3)
- 17
- Rastelement an 7 für 16 (3)
- 18
- Verdrehsicherung von 10
- 19
- Öffnung in 20
- 20
- Boden in 3
- 21
- Schieber in 14
- D3
- Innendurchmesser von 3
- D5
- Innendurchmesser von 5
- D8
- Innendurchmesser von 8
- D11-5
- Innendurchmesser von 11 am Übergang zu 5
- D11-8
- Innendurchmesser von 11 am Übergang zu 11
- P1
- Drehebene von 14
- P2
- Verschieberichtung von 21
