DE102016200737A1

DE102016200737A1 - Ventil mit Drehschieber-Dichtungskonzept für ein Wärmemanagementmodul zur Reduzierung der Reibleistung im Drehschiebersystem durch sektorweise Ausführung der Drehschieberkörper

Info

Publication number: DE102016200737A1
Application number: DE102016200737.8A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Hurst
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2016-01-20
Filing date: 2016-01-20
Publication date: 2017-07-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ventil (1) zur Regelung und/oder Steuerung eines Fluiddurchflusses durch zumindest eine Fluidförderleitung, mit einem mehrere Fluidanschlüsse (2) aufweisenden Ventilgehäuse (3) sowie einem drehbar um eine Drehachse (4) in dem Ventilgehäuse (3) aufgenommenen, den Fluiddurchfluss durch zumindest einen ersten Fluidanschluss (2a) im Betrieb einstellenden Drehschieber (5), wobei ein mit dem ersten Fluidanschluss (2a) verbundener rohrförmiger Dichtungskörper (6) über eine Dichtfläche (10) mit einer Kugelfläche (7) des Drehschiebers (5) zum Einstellen eines Strömungsquerschnittes (8) zusammenwirkt, wobei die Kugelfläche (7) des Drehschiebers (5) durch ein sich in Umfangsrichtung begrenzt erstreckendes Segment (9) ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ventil zur Regelung und/oder Steuerung (vorzugsweise ein Regelventil) eines Fluiddurchflusses durch zumindest eine Fluidförderleitung, insbesondere eine Fluidförderleitung eines Wärmemanagementmoduls eines Kühlkreislaufes oder eines Ölkreislaufes einer Verbrennungskraftmaschine, wie eines Diesel- oder Ottomotors, mit einem mehrere Fluidanschlüsse aufweisenden Ventilgehäuse sowie einem drehbar um eine Drehachse in dem Ventilgehäuse aufgenommenen, den Fluiddurchfluss durch zumindest einen ersten Fluidanschluss im Betrieb einstellenden Drehschieber, wobei ein mit dem ersten Fluidanschluss verbundener rohrförmiger Dichtungskörper über eine Dichtfläche mit einer Kugelfläche des Drehschiebers zum Einstellen eines Strömungsquerschnittes (des ersten Fluidanschlusses) zusammenwirkt. Das Ventil ist somit auch als Drehschieberventil/Drehschieberregelventil bezeichnet.
Aus dem Stand der Technik sind solche Ventile bereits gattungsgemäß bekannt. Die DE 10 2009 025 360 A1 offenbart etwa ein Regelventil zur Regelung eines Kühlmittelkreislaufs einer Verbrennungskraftmaschine mit einem ersten an einem Ventilgehäuse angeordneten Zuführanschluss für Kühlwasser eines Bypass-Kreises sowie mindestens einem zweiten Zuführanschluss für Kühlwasser eines Kühlerkreises. Die Zuführanschlüsse sind je nach Stellung eines im Ventilgehäuse untergebrachten Ventilgliedes mit einem Abführanschluss verbindbar. Zur Abdichtung der Kühlmittelströmungswege in axialer und/oder radialer Richtung ist wenigstens ein in Anlage mit dem Ventilglied bringbares, dynamisch belastbares Dichtelement vorgesehen. Das Dichtelement ist düsenartig geformt und frei beweglich in einer als Zuführanschluss vorgesehenen Bohrung des Ventilgehäuses angeordnet, sodass eine dichtende Anlage des Dichtelementes am Ventilglied über die hydraulischen Druck- und/oder Impulskräfte des Kühlwassers bewirkbar ist, das je nach Schaltstellung das Dichtelement durchströmt.
Zudem ist der Anmelderin interner Stand der Technik bekannt, der noch nicht veröffentlicht, jedoch bereits als Deutsche Patentanmeldung beim Deutschen Patentanmeldung unter dem Aktenzeichen 10 2015 207 619.9 eingereicht worden ist. Hierin ist ein Regelventil zur Regelung eines Fluidflusses, insbesondere eines Kühlmittelflusses in einem Kühlmittelkreislauf einer Brennkraftmaschine, offenbart. Das Regelventil weist ein Ventilelement auf, welches mit zumindest einem Durchbruch ausgestattet und relativ zu einem Ventilgehäuse bewegbar ist, wobei der zumindest eine Durchbruch durch Bewegung des Ventilelements in Überdeckung mit einem seitens des Ventilgehäuses definierten Leitungsquerschnitt bringbar ist, um ein Strömen von Fluid zu ermöglichen, und wobei ein Dichtelement vorgesehen ist, welches am Ventilgehäuse den Leitungsquerschnitt radial umgebend aufgenommen und an einer Dichtfläche mit eine Oberfläche des Ventilelements unter Überbrückung eines Spalts in Kontakt bringbar ist, der sich zwischen der Oberfläche des Ventilelements und dem Ventilgehäuse im Bereich des Dichtelements erstreckt. Die Erstreckung des Spalts ändert sich in Abhängigkeit der Bewegung des Ventilelements zum Ventilgehäuse und im Bereich der Überdeckung des zumindest einen Durchbruchs mit dem Leitungsquerschnitt stellt sich eine maximale Erstreckung des Spalts ein, bei welcher das Dichtelement mit seiner Dichtfläche von der Oberfläche des Ventilelements abgehoben ist.
In diesen bekannten Ausführungen hat es sich jedoch als nachteilig herausgestellt, dass die jeweils verwendeten Ventilglieder/Ventilelemente dauerhaft im Betrieb mit zumindest einem Abschnitt der Dichtfläche des Dichtungskörpers in Kontakt sind. Auch wenn der Strömungsquerschnitt etwa des ersten Fluidanschlusses bei einer Bewegung des Drehschiebers gar nicht eingestellt werden soll, wird trotzdem Reibung zwischen der Kugelfläche und der Dichtfläche erzeugt.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu beheben und ein gegenüber Verschleiß beständigeres Ventil zur Verfügung zu stellen.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Kugelfläche des Drehschiebers durch ein sich in Umfangsrichtung begrenzt erstreckendes Segment (Kugelsegment) ausgebildet ist.
Dadurch weist der Drehschieber zumindest ein Ventilglied/Ventilelement auf, das mit dem ersten Fluidanschluss in Form eines Kugelsegmentes nur in einem gewissen Drehbereich in Kontakt ist. Auch wird ein zweiter Fluidanschluss nicht durch die Kugelfläche des dem ersten Fluidanschluss zugeordneten Kugelsegmentes kontaktiert, wenn der erste Fluidanschluss in seinem Strömungsquerschnitt eingestellt wird, sodass ein Reibkontakt zwischen diesem Kugelsegment und dem zweiten Fluidanschluss vermieden wird. Die Reibungsverluste während des Betriebes werden deutlich gesenkt und die einzelnen Elemente des Ventils, insbesondere die Dichtungskörper, möglichst langlebig eingesetzt werden.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und nachfolgend näher erläutert.
Wenn die Kugelfläche an dem Segment als eine in der Umfangsrichtung durchgängig zwischen einem ersten Umfangsende und einem zweiten Umfangsende (des Segmentes) verlaufende Vollfläche ausgebildet ist, ist das Bogensegment mit möglichst wenigen Hinterschnitten versehen und somit für eine spritzgusstechnische Herstellung besonders geeignet.
Bevorzugt liegt der Dichtungskörper in einer ersten Drehstellung des Drehschiebers so mit seiner die Dichtfläche ausbildenden Stirnseite an der Kugelfläche an, dass der erste Fluidanschluss relativ zu einem zweiten Fluidanschluss vollständig fluidisch abgetrennt ist oder zu dem zweiten Fluidanschluss hin mit einem zwischen dem Dichtungskörper und der Kugelfläche ausgebildeten ersten (minimalen/gedrosselten) Strömungsquerschnitt geöffnet ist. Dadurch wirkt der Dichtungskörper besonders effektiv mit der Kugelfläche zusammen.
In diesem Zusammenhang ist es weiterhin vorteilhaft, wenn der Dichtungskörper in einer zweiten Drehstellung des Drehschiebers so mit seiner Dichtfläche in Umfangsrichtung relativ zu der Kugelfläche beanstandet angeordnet ist, dass der erste Fluidanschluss hin zu dem zweiten Fluidanschluss nun mit einem zweiten Strömungsquerschnitt geöffnet ist, welcher zweite Strömungsabschnitt größer als der erste Strömungsquerschnitt ist. Der zweite Strömungsquerschnitt ist dabei vorzugsweise ein maximal geöffneter Strömungsquerschnitt. Dadurch ist der Dichtungskörper zumindest in dieser zweiten Drehstellung von der Kugelfläche beabstandet, wodurch in dieser zweiten Drehstellung keine unmittelbare Reibung zwischen dem Dichtungskörper und der Kugelfläche erzeugt wird.
In bevorzugter Weise ist der Dichtungskörper zwischen der ersten Drehstellung und der zweiten Drehstellung des Drehschiebers kontinuierlich verstellbar, sodass der Strömungsquerschnitt zwischen dem Dichtungskörper und der Kugelfläche zwischen diesen beiden Drehstellungen ebenfalls kontinuierlich zwischen dem ersten Strömungsquerschnitt und dem zweiten Strömungsquerschnitt einstellbar ist.
Das einzelne Segment ist weiterhin vorteilhafterweise mittels eines Abstützarmes an einer (drehbar in dem Ventilgehäuse aufgenommenen/gelagerten) Drehschieberwelle des Drehschiebers (unter Ausbildung eines Ventilgliedes/Ventilelementes) angebracht. Dadurch ist der Drehschieber besonders leicht ausgeführt.
In diesem Zusammenhang ist es auch zweckmäßig, wenn der Abstützarm als drehfeste Umspritzung der Drehschieberwelle oder eines mit der Drehschieberwelle drehfest (vorzugsweise mittels eines Presssitzes drehfest) verbundenen buchsenförmigen Einlegeteiles ausgebildet ist. Damit ist der Abstützarm besonders geschickt sowie platzsparend auf der Drehschieberwelle angeordnet.
Zudem ist es in diesem Zusammenhang vorteilhaft, wenn das Segment stoffeinteilig mit dem Abstützarm ausgeführt ist. Dann können (Kugel-)Segment und Abstützarm in einem einzigen Urformschritt gemeinsam ausgestaltet werden, was den Herstellaufwand des Ventils weiter reduziert.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Segment samt dem Abstützarm in einem einzigen Spritzgießvorgang ausgebildet ist. Sind das Bogensegment und der Abstützarm weiterhin beide aus einem Kunststoffmaterial ausgebildet, wird der Herstellaufwand weiter reduziert.
Zudem ist es von Vorteil, wenn das Segment so ausgebildet ist, dass die Kugelfläche an ihren in Umfangsrichtung (endseitig) ausgerichteten Kanten einen sich radial nach innen in Bezug auf die Drehachse erstreckenden Einlaufbereich aufweist, der im Radius kleiner als der Radius eines plattenförmigen Grundabschnittes der Kugelfläche ausgebildet ist. Dadurch ist der Dichtungskörper nach einem Verlassen der Kugelfläche, etwa von der der zweiten Drehstellung aus, besonders materialschonend in Richtung der ersten Drehstellung wieder mit der Kugelfläche in Kontakt bringbar. Dadurch wird der Reibverschleiß des Segmentes und des Dichtungskörpers weiter reduziert.
Desweiteren ist es vorteilhaft, wenn mehrere in Umfangsrichtung zueinander beabstandete oder in axialer Richtung der Drehachse benachbart zueinander angeordnete Segmente, jeweils eine einzelne Kugelfläche ausbildend, an dem Drehschieber angebracht sind. Dadurch lassen sich mehrere Fluidanschlüsse gleichzeitig auf effektive Weise in ihrem Fluiddurchfluss einstellen.
In diesem Zusammenhang ist es zudem zweckmäßig, wenn die in Umfangsrichtung zueinander beabstandeten Segmente einen gemeinsamen Verbindungsbereich aufweisen, der drehschieberfest angeordnet ist. Dann wird der Materialeinsatz zur Herstellung des Drehschiebers weiter reduziert.
Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert, in welchem Zusammenhang auch verschiedene Ausführungsbeispiele aufgezeigt sind.
Es zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Drehschiebers nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, wie er in einem Ventil der erfindungsgemäßen Art eingesetzt ist, wobei die Abstützung zweier einzelner Kugelsegmente jeweils mittels eines Abstützarmes in einem gemeinsamen Verbindungsbereich der Drehschieberwelle gut erkennbar ist,
2 eine perspektivische Darstellung des in 1 bereits dargestellten Drehschiebers, wobei die Anbindung eines weiteren, einzelnen Kugelsegmentes mittels zweier Abstützarme an der Drehschieberwelle umgesetzt ist,
3 eine perspektivische Seitendarstellung des Drehschiebers nach den 1 und 2, wobei die radiale Innenseite eines länglichen (ersten) Segmentes sowie die Anbindung der Abstützarme an diesem Segment erkennbar sind,
4 eine Seitendarstellung des Drehschiebers nach den 1 bis 3 entlang einer Drehachse des Drehschiebers, wobei die Anbindung eines weiteren (zweiten) Segmentes mittels eines Abstützarmes erkennbar ist,
5 eine Vorderansicht des Drehschiebers nach den 1 bis 4,
6 eine Rückansicht des Drehschiebers nach den 1 bis 4, die um 180° gegenüber der Vorderansicht nach 5 verdreht ist,
7 eine Querschnittdarstellung durch ein erfindungsgemäßes Ventil im Bereich eines ersten Fluidanschlusses, wobei das Ventil einen erfindungsgemäßen Drehschieber gemäß eines bevorzugten, zweiten Ausführungsbeispieles aufweist und mit dem ersten Fluidanschluss zwei sich in Umfangsrichtung unterschiedlich weit erstreckende Bogensegmente zusammenwirken, die in einer maximal geöffneten (zweiten) Drehstellung des ersten Fluidanschlusses in dieser Abbildung angeordnet sind,
8 eine Querschnittdarstellung des Ventils nach 7, wobei der Drehschieber nun so verdreht ist, dass der Strömungsquerschnitt des ersten Fluidanschluss in einer geschlossenen (ersten) Drehstellung geschlossen ist, wobei dies Dichtfläche des Dichtungskörpers des ersten Fluidanschlusses dichtend an der Kugelfläche aufliegt,
9 eine Detaildarstellung des in 8 mit „IX“ gekennzeichneten Bereiches, wobei der Einlaufbereich eines der Segmente detailliert erkennbar ist, und
10 einen Längsschnitt durch ein Ventil einer vergleichbaren Ausführung, wobei prinzipiell neben dem ersten Fluidanschluss auch die Position eines zweiten Fluidanschlusses sowie die Anbringung des Drehschiebers in dem Ventilgehäuse gut erkennbar sind.
Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Auch können die verschiedenen Merkmale der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele frei miteinander kombiniert werden.
In Verbindung mit der vergleichbaren Ausführung nach 10 ist der prinzipielle Aufbau eines erfindungsgemäßen Ventils 1 ableitbar, wobei sich das Vergleichsventil 30 nach 10 etwas von dem Ventil 1 der erfindungsgemäßen Ausführung unterscheidet, nämlich hinsichtlich seines nachfolgend näher beschriebenen Drehschiebers 5. Die übrige Ausbildung sowie Funktionsweise des in 7 und 8 geschnitten dargestellten Ventils 1 entspricht der Ausbildung sowie der Funktionsweise des Vergleichsventils 30 nach 10.
Das Ventil 1 ist als ein Drehschieberventil ausgeführt. Das Ventil 1 ist im Betrieb in einem Fluidkreislauf, nämlich einem Hydraulikkreislauf, eines Kraftfahrzeuges eingesetzt. Dieses Kraftfahrzeug kann bspw. ein Pkw, ein Lkw, ein landwirtschaftliches Nutzfahrzeug, ein Bus, ein Motorrad oder ähnliches sein. Auch ist der Einsatz dieses Ventils 1 prinzipiell in weiteren Fahrzeugen oder in Flugzeugen sowie weiteren Landmaschinen und in Stationär-Anwendungen denkbar. Das Ventil 1 ist zudem als Bestandteil eines Wärmemanagementmoduls, das hier der Übersichtlichkeit halber nicht weiter dargestellt ist, ausgeführt. Das Ventil 1 ist somit Bestandteil eines Kühlmittelkreislaufes dieses Wärmemanagementmoduls. In einer weiteren Ausführung ist das Ventil 1 Bestandteil eines anderen Hydraulikkreislaufes, nämlich eines Schmiermittelkreislaufes, vorzugsweise eines Ölkreislaufes.
Wie in Verbindung mit dem Vergleichsventil 30 aus 10 ersichtlich, dient das Ventil 1 prinzipiell zum Einstellen einer Fluiddurchflussmenge (pro Zeiteinheit) durch zumindest eine Fluidförderleitung, die hier der Übersichtlichkeit halber nicht weiter dargestellt ist jedoch bevorzugt mit einem der nachfolgend beschriebenen Fluidanschlüsse 2, 2a, 2b des Ventils 1 fluidisch/hydraulisch verbunden ist. Im Betrieb ist einer der beiden Fluidanschlüsse 2, etwa der zweite Fluidanschluss 2b mit einer Fluidquelle, wie einer Pumpe/Hydraulikpumpe, verbunden, wohingegen der andere der beiden Fluidanschlüsse 2, d.h. der erste Fluidanschluss 2a mit einem fluidversorgenden Bestandteil eines Kraftfahrzeuges, etwa einer Klimaanlage oder einer Verbrennungskraftmaschine, verbunden ist.
Das Ventil 1 weist prinzipiell ein Ventilgehäuse 3 auf, an dem die Fluidanschlüsse 2a, 2b sowohl in einer Längsrichtung des Ventilgehäuses 3 als auch entlang des Außenumfangs des Ventilgehäuses 3 versetzt zueinander angeordnet sind. Innerhalb des Ventilgehäuses 3 ist ein Drehschieber 5 entlang einer Drehachse 4 drehbar in dem Ventilgehäuse 3 gelagert. Der Drehschieber aus 10 ist nicht gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführung ausgestaltet. Der Drehschieber nach 10 weist wie der erfindungsgemäße Drehschieber 5, wie er etwa in den 1 bis 6 gemäß eines ersten Ausführungsbeispieles veranschaulicht ist, eine Drehschieberwelle 16 auf, die in dem Ventilgehäuse 3 rotatorisch gelagert ist. Die Drehschieberwelle 16 ist weiter mit einer Getriebeeinrichtung 22 drehantreibend verbunden, sodass ein hier der Übersichtlichkeit halber nicht weiter dargestellter Aktuator, etwa ein Elektromotor vorzugsweise ein DC-Elektromotor, durch Antreiben der Getriebeeinrichtung 22 die Drehschieberwelle 16 im Betrieb des Ventils 1 verdreht und somit den Fluiddurchfluss durch den jeweiligen Fluidanschluss 2a, 2b einstellt.
Der erfindungsgemäße Drehschieber 5, wie zunächst in den 1 und 2 besonders gut ersichtlich, weist mehrere in Umfangsrichtung, d.h. in Umfangsrichtung der Drehachse 4, sowie axial/in axialer Richtung der Drehachse 4 beabstandet zueinander angeordnete Kugelsegmente 9 auf. Ein erstes Kugelsegment 9a wirkt im Betrieb mit dem ersten Fluidanschluss 2a zusammen, wohingegen zwei weitere Kugelsegmente 9b, 9c je nach Drehstellung des Drehschiebers 5 im Betrieb mit dem zweiten Fluidanschluss 2b zusammenwirken. Die Kugelsegmente 9 weisen jeweils auf ihrer in radialer Richtung nach außen gerichteten Außenumfangsseite eine Kugelfläche 7 auf. Demnach weisen das erste Kugelsegment 9a, das zweite Kugelsegment 9b sowie das dritte Kugelsegment 9c jeweils eine in zwei Raumrichtungen gebogen verlaufende Kugelfläche 7 auf.
Das zweite Kugelsegment 9b ist gleich dem dritten Kugelsegment 9c ausgestaltet, wohingegen sich das erste Kugelsegment 9a lediglich in seiner länglichen Erstreckung in Umfangsrichtung, d.h. dass sich das erste Kugelsegment 9a weiter erstreckt als die beiden Kugelsegmente 9b und 9c, unterscheidet.
Die Kugelfläche 7 jedes Kugelsegmentes 9a bis 9c ist als eine Sektorfläche einer Kugel ausgestaltet, weshalb das jeweilige Kugelsegment 9a bis 9c auch als Kugelsektor bezeichnet ist. Das erste Kugelsegment 9a, repräsentativ auch für die übrigen Kugelsegmente 9; 9b, 9c, verläuft somit in Form eines Teilsektors in Umfangsrichtung der Drehachse 4 bogenförmig. Das erste Kugelsegment 9a erstreckt sich in Umfangsrichtung zwischen seinen zwei Umfangsenden 11 und 12 durchgängig sowie vollflächig, unter Ausbildung der Kugelfläche 7 als eine kontinuierliche, d.h. durchgängige, ununterbrochene Vollfläche 13.
Das erste Kugelsegment 9a ist mittels zweier Abstützarme 15 drehfest mit der Drehschieberwelle 16 verbunden. In dieser Ausführungsform ist jeder der Abstützarme 15 in einem gemeinsamen Verbindungsbereich 21, d.h. einem Lagerauge, mittels eines Einlegeteils 17, auf der Drehschieberwelle 16 drehfest angebracht. Während das erste Kugelsegment 9a mit den Abstützarmen 15 stoffeinteilig ausgebildet ist, d.h. in einem gemeinsamen Urformvorgang hergestellt ist, ist das Einlegeteil 17 aus einem anderen Material als das Kugelsegment 9a sowie die Abstützarme 15 ausgebildet. Das erste Kugelsegment 94 und die Abstützarme 15 sind in einem gemeinsamen Urformvorgang unter Ausbildung eines einzigen Ventilgliedes 23 stoffeinteilig ausgebildet. Die beiden Bestandteile – Kugelsegment 9a sowie Abstützarme 15 – sind aus einem Kunststoffmaterial hergestellt. Dabei ist es besonders vorteilhaft, dass das Einlegeteil 17 in einem Urformvorgang des Ventilgliedes 23 unmittelbar von dem Kunststoffmaterial im Verbindungsbereich 21 mit umspritzt ist. Das Einlegeteil 17 ist wiederum vorzugsweise aus einem Metall, alternativ jedoch auch aus Kunststoff, ausgestaltet. Der Zusammenbau aus Einlegeteil 17 und Ventilglied 23 ist dann drehfest sowie axial fest auf der Drehschieberwelle 16 befestigt. Hierfür dient eine kraftschlüssige Verbindung, vorzugsweise ein Pressverband, zwischen dem Einlegeteil 17 und der Drehschieberwelle 16. Die Abstützarme 5 sind sowohl zu dem Verbindungsbereich 21 als auch zu dem ersten Kugelsegment 9a hin aufgespreizt, d.h. erweitern sich, um somit einen möglichst spannungsarmen Kraftfluss im Betrieb zu ermöglichen.
Die zweiten und dritten Kugelsegmente 9b und 9c sind in diesem Ausführungsbeispiel gemäß der Fign. 1 bis 6 des Drehschiebers 5 in axialer Richtung benachbart zu dem ersten Kugelsegment 9a angeordnet. Die beiden zweiten und dritten Kugelsegmente 9b und 9c wirken im Betrieb mit dem zweiten Fluidanschluss 2b, wie bereits erwähnt, zusammen. Jedes Kugelsegment 9b und 9c ist in Umfangsrichtung kürzer als das erste Kugelsegment 9a ausgestaltet, weshalb es hierbei ausreicht, das jeweilige Kugelsegment 9b, 9c nur mit einem einzigen Abstützarm 15 mit dem Verbindungsbereich 21 zur Anbringung an der Drehschieberwelle 16 zu verbinden. Die Ausgestaltung des Abstützarmes 15 entspricht jedoch dem jeweiligen Abstützarm 15 des ersten Kugelsegmentes 9a. Auch ist wiederum der Verbindungsbereich 21 auf gleiche Weise mittels eines Einlegeteils 17 mit der Drehschieberwelle 16 drehfest verbunden/verpresst. Die beiden Kugelsegmente 9b und 9c bilden wiederum mit ihren Abstützarmen 15 sowie dem Verbindungsbereich 21 ein Ventilglied 23 aus.
In weiteren Ausführungen ist es prinzipiell auch möglich, auf das Einlegeteil 17 zu verzichten und etwa den Verbindungsbereich 21 direkt auf die Drehschieberwelle 5 aufzuspritzen, sodass sich jedoch wiederum eine drehfeste Verbindung der Kugelsegmente 9 mit der Drehschieberwelle 5 ergibt.
Auch in Bezug auf die 5 und 6 ist zu erkennen, dass sich die Drehschieberwelle 5 mit einem gewissen Längenabschnitt sowohl durch das Kugelsegment 9a als auch durch die beiden Kugelsegmente 9b und 9c hindurch erstreckt, um Wellenabschnitte zur Aufnahme in dem Ventilgehäuse 3 zur Verfügung zu stellen. Auf einer dem ersten Kugelsegment 9a axial abgewandten Seite der zweiten und dritten Kugelsegmente 9b, 9c ist ein Lager 24, das vorzugsweise als Wälzlager ausgestaltet ist, bereits auf der Drehschieberwelle 16 aufgebracht. Dieses Lager 24, wie auch besonders gut im Vergleich mit 10 erkennbar, ist im Betrieb in dem Ventilgehäuse 3 aufgenommen.
In Verbindung mit den 7 und 8 ist die Zusammenwirkung des Drehschiebers 5 im Bereich des ersten Fluidanschlusses 2a schematisch dargestellt, wobei der Drehschieber 5 nach einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel ausgestaltet ist. Der Drehschieber 5 dieses zweiten Ausführungsbeispieles unterscheidet sich von dem Drehschieber 5 nach dem Ausführungsbeispiel der 1 bis 6 hinsichtlich der Ausrichtung/Anordnung der Kugelsegmente 9. Der übrige Aufbau des Drehschiebers 5 entspricht jedoch dem ersten Ausführungsbeispiel.
Wie in 7 erkennbar, weist der Drehschieber 5 nicht ein langes, erstes Kugelsegment 9a, sondern auch ein weiteres Kugelsegment, das nachfolgend als viertes Kugelsegment 9d bezeichnet, auf, welche Kugelsegmente 9a, 9d mit dem ersten Fluidanschluss 2a zusammenwirken. Das erste Kugelsegment 9a ist auf der gleichen axialen Höhe entlang der Drehachse 4 angeordnet wie das vierte Kugelsegment 9d, das vierte Kugelsegment 9d ist jedoch in Umfangsrichtung gesehen beabstandet zu dem ersten Kugelsegment 9a angeordnet.
In 7 ist auch der nähere Aufbau des ersten Fluidanschlusses 2a des erfindungsgemäßen Ventils 1 gut zu erkennen, welcher dem Aufbau des zweiten Fluidanschlusses 2b entspricht. Der erste Fluidanschluss 2a ist hierbei im Wesentlichen als Anschlussstutzen ausgestaltet und bildet somit einen Hydraulik-Fluidanschluss für eine hier der Übersichtlichkeit halber nicht weiter dargestellte Fluidförderleitung aus. Der erste Fluidanschluss 2a ist hydraulisch mit dem Innenraum 25 des Ventilgehäuses 3 verbunden. Neben einem Stutzenglied 26, das in einer rohrförmigen Aufnahme 27 des Ventilgehäuses 3 eingesetzt ist, erstreckt sich quer, nämlich senkrecht zur Drehachse 4. Das Stutzenglied 26 verbindet die Umgebung des Ventilgehäuses 3 mit dem Inneren des Ventilgehäuses 3 und ist in die Aufnahme 27 dicht eingesetzt. Auch weist der erste Fluidanschluss 2a einen Dichtungskörper 6 auf, der aus einem Dichtungsmaterial hergestellt ist. Der Dichtungskörper 6 ist wiederum rohrförmig ausgestaltet und etwa aus einem Elastomer hergestellt. Dieser Dichtungskörper 6 ist mittels einer Feder 28 in Längsrichtung des ersten Fluidanschlusses 2a, d.h. in einer Radialrichtung des Drehschiebers 5 federelastisch aufgenommen. Der Dichtungskörper 6 selbst bildet eine Primärdichtung des ersten Fluidanschlusses 2a aus. Dabei bildet eine radial in das Ventilgehäuse 3, zum Kontakt mit der Kugelfläche 7 ausgerichtete/angeordnete Stirnseite 14 des Dichtungskörpers 6 eine Dichtfläche 10 aus, welche Dichtfläche 10 als diese Primärdichtung dient. Eine Sekundärdichtung ist an einer Außenumfangsseite 29 des Dichtungskörpers 6, zwischen dem Dichtungskörper 6 und dem Ventilgehäuse 3, ausgestaltet, sodass in jeder axialen Position des Dichtungskörpers 6 relativ zu dem Stutzenglied 26 kein Fluid außerhalb des Dichtungskörpers 6 zur Umgebung hin vorbeiströmen kann.
In 8 ist der Drehschieber 5 im Gegensatz zu der Drehstellung nach 7 verdreht ausgerichtet. In dieser ersten Drehstellung nach 8 ist der Drehschieber 5 so relativ zu dem ersten Fluidanschluss 2a verdreht, dass der Dichtungskörper 6 mit seiner Dichtfläche 10 vollumfänglich an der Kugelfläche 7 des ersten Kugelsegmentes 9a dichtend anliegt. Folglich kann in dieser ersten Verdrehstellung kein in dem Innenraum 25 aufgenommenes Fluid in Richtung des ersten Fluidanschlusses 2a aus dem Ventilgehäuse 3 hinaus strömen. Wird der Drehschieber 5 gegenüber dieser ersten Drehstellung nach 8 in Drehrichtung verdreht, etwa in die in 7 dargestellte zweite Drehstellung, wird der erste Fluidanschluss 2a zum Ventilgehäuse 3 hin geöffnet.
In der zweiten Drehstellung, wie in 7 dargestellt, ist der Dichtungskörper 6 bereits von dem ersten Kugelsegment 9a sowie dem vierten Kugelsegment 9d in Umfangsrichtung gesehen beabstandet, sodass sein Innendurchmesser vollständig hin zu dem Ventilgehäuse 30/dem Innenraum 25 freigegeben ist. In dieser vollständig geöffneten Verdrehstellung des Ventils 1 ist der Dichtungskörper 6 mittels eine Kragens an einem Kragen des Ventilgehäuses 30 abgestützt. Dabei ist ein Fluiddurchfluss durch den ersten Fluidanschluss 2a mit einem zweiten Strömungsquerschnitt 8b ermöglicht, welcher zweite Strömungsquerschnitt 8b größer als der Strömungsquerschnitt 8a nach 8 ist, wobei der erste Strömungsquerschnitt 8a in 8 gleich null ist. Zwischen den beiden Verdrehstellungen der 7 und 8 ist der Drehschieber 5 kontinuierlich verstellbar. Dabei ist es möglich, jegliche gewünschte Größe des Strömungsquerschnittes 8 einzustellen, um somit die Durchflussmenge durch den ersten Fluidanschluss 2a beliebig einzustellen. Gegenüber der Drehstellung in 7 ist in der Drehstellung nach 8 erkennbar, dass der Kragen des eine Primärdichtung ausbildenden Dichtungskörpers 6 nicht mehr an dem ventilgehäuseseitigen Kragen anliegt, sondern die gesamte Primärdichtung 6 radial nach außen angehoben wurde und dementsprechend ein Spalt zwischen dem Kragen des Gehäuses 3 und dem Kragen der Primärdichtung 6 und prinzipiell eine weitere Vorspannung der dazwischen wirkenden Feder 28 stattfindet.
In Verbindung mit 9 ist hinsichtlich des vierten Kugelsegmentes 9d prinzipiell der Aufbau eines Einlaufbereiches 19 an einer am ersten Umfangsende 11 ausgebildeten ersten Kante 18a schematisch dargestellt. Dieser Einlaufbereich 19 ist jedoch auch an allen übrigen in Umfangsrichtung ausgebildeten Kanten 18a, 18b aller Kugelsegmente 9a bis 9d vorhanden, auch wenn dies in 7 und 8 der Einfachheit halber nicht näher dargestellt ist.
Der Einlaufbereich 19 ist so ausgestaltet, dass sich das Kugelsegment 9d von einem einen ersten (Kugel-)Radius r_A aufweisenden Grundabschnitt 20 aus zur ersten Kante 18a hin im Radius verkleinert. Das Kugelsegment 9d weist daher im Bereich ihrer Kante 18a einen zweiten (Kugel-)Radius r_E auf, der kleiner als der erste Radius r_A ist. Dadurch ergibt sich eine in radialer Richtung nach innen abfallende Kante 18a zur Umgebung hin. Insbesondere erstreckt sich die Kante 18a soweit in radialer Richtung nach innen, dass das das Kugelsegment 9d den Dichtungskörper 6 in seiner vollständig in Richtung des Innenraums 25 nach 7 ausgefahrenen Stellung unterläuft. Das heißt, die erste Kante 18a ist in der Stellung nach 7 weiter radial nach innen angeordnet als die am weitesten radial nach innen hervorragende Spitze des Dichtungskörpers 6. Ein dritter Radius r_I an der radialen Innenseite des Kugelsegmentes 9d ist wiederum kleiner als der zweite Radius r_E.
In anderen Worten ausgedrückt, soll im Gegensatz zum Stand der Technik mit voll über den Umfang ausgebildeten Drehschieberkörpern, welche in permanentem Kontakt zu den Primärdichtungen 6 stehen und somit gemäß einer gegebenen Schaltlogik durch Öffnen oder Versperren dieser Primärdichtungen 6 Subkreisläufe aktivieren oder deaktivieren, ein Ablegen der federvorgespannten Primärdichtung 6 im Wärmemanagementmodul-Gehäuse/WMM-Gehäuse (Ventilgehäuse 3) erfolgen, und zwar stets für offene Schaltzustände, in welchen die Drehschieberoberfläche 7 und die Primärdichtung 6 nicht in dichtungsgebendem Kontakt stehen müssen (Schaltzustand offen, keine Dichtwirkung nötig), zum Zwecke der Reibleistungsreduzierung. In den geöffneten Zuständen, wie in 7 dargestellt, ist die Primärdichtung 6 im WMM-Hauptgehäuse 3 dank einer Federvorspannung abgelegt und beim Übergang zu den geschlossenen Zuständen, etwa hin zu der Stellung nach 8, wird die Primärdichtung 6 zusammen mit dem Auffahren auf das entsprechende Kugelsegment 9 auch wieder aufgenommen/angehoben.
Bei Verlassen der Drehsektoren 9 mit der Kontaktzone Primärdichtung 6/Drehschieberkugeloberfläche 7 will die Primärdichtung 6 dem nun nur noch sektorenweise ausgebildeten Drehschieberkörper 5, 9 durch ihre Federvorspannung radial nach innen folgen und wird nach kurzem Radialweg vom WMM-Gehäuse 3 aufgenommen sowie dort in einer Position ruhend abgestützt. In dieser Position kann die Primärdichtung 6 kein Reibmoment am Drehschieber 5 im weiteren Betrieb desselben verursachen, sozusagen auf ihren nächsten Einsatz lauerend, bis wieder der gleiche sektorweise ausgebildete Drehschieberkörper 9 beim Zurückdrehen oder ein benachbarter weiterer Drehschieberkörpersektor 9 beim Weiterdrehen wieder auf die abgelegte Dichtung 6 zuläuft. Beim Einlaufen in den betroffenen Sektor 9 hebt sich die Primärdichtung 6 idealerweise durch einen kleinen Einlaufsektor 19 sanft an und lupft aus dem WMM-Gehäusesitz aus, wobei sie leicht ankippt, bis der Kontakt auf dem nun wieder stützenden Drehschieberdurchmesser vollständig ausgebildet ist und der entsprechende WMM-Anschluss 2a im beschriebenen Vorgang linear gedrosselt wurde, bis eben zur vollständigen Absperrung, Schaltzustand „geschlossen“. Für den Ein- und Auslauf der Primärdichtung 6 vom ausgebildeten Drehschiebersektor 9 ist zur Vermeidung von übermäßigem Kippen der Primärdichtung 6 eine relativ sanft gestaltete Übergangszone (Einlaufradius), die die Kontaktaufnahme zur Primärdichtung 6 und deren Heben auf einen höheren, durch den Drehschiebersektor 9 gestützten Durchmesser (Außenradius) sanft und mit wenig Kippwinkel vollzieht, vorgesehen.
Die Ausführung dieser sektorweisen Ausprägung erfolgt über direkt mit der Drehschieberwelle 16 verspritzte Drehkörpersektoren 9 oder alternativ über zur Drehschieberwelle 16 verpresste Einlegeteile 17, um welche herum die entsprechenden Drehschiebersektoren 9 samt radialer Stützverbindung 15 zur zentrischen Drehschieberwelle 16 gespritzt werden. Dabei ist auf eine ausreichende Versteifung des Fußes der Drehschiebersektoren 9 im Bereich 21 der Drehschieberwelle 16 zu achten, da hier die Drehmomente/Werkstoffspannungen am höchsten sein werden. Weiterhin ist eine derartige Verrippung in einer Ebene senkrecht zur Drehachse 4 des Drehschiebers 5 auszuführen, da durch den Reibkontakt zur Primärdichtung 6 in dieser Ebene entsprechende Reibmomente auftreten werden, die abzufangen sind. Am oberen Ende dieser angespritzten Geometrien finden sich, wie im Bereich WMM bisher stets umgesetzt, teilweise Kugeloberflächen 7, welche in ihrer Breite dem Kontakt zur Primärdichtung 6 Rechnung tragen und in ihrer Sektorlänge eben die umzusetzende Schaltlogik bedienen. Um mehrere dieser Sektoren 9 in ein und derselben Drehschieberkörperebene unter zu bekommen, wird entweder eine Mehrfachumspritzung direkt auf der Drehschieberwelle 16 bzw. eine Mehrfachumspritzung eines aufzupressenden Einlegeteils 17 umgesetzt. Alternativ können Einzelsektoren 9 um Einlegeteile 17 gespritzt axial hintereinander auf die Drehschieberwelle 16 im Bereich einer Drehschieberkörperebene gepresst werden, dann eben zwingendermaßen mit axial leicht außermittigem Fußpunkt relativ zur Mitte der teilweise ausgebildeten Kugeloberfläche 7 (wie zwei Kolben in einer Zylinderebene, deren Pleuel sich eine Kurbelwange teilen müssen) ausgerichtet.
Wie im Abschnitt zuvor beschrieben, braucht es zur Anbindung dieser sektorweisen Drehschieberstücke 9 einen unmittelbaren Kontakt (direktumspritzt oder per Einlegeteil 17 angebunden) zu der Drehschieberwelle 16, welche axial durch das Innere des Drehschieberraums 25 verläuft und dabei axial alle Drehschieberkugelebenen (min 1., 2., 3. ...) schneidet. Weiterer Vorteil dieser Art und Weise, Drehschieber 5 und Primärdichtung 6 auszugestalten und zueinander zu betreiben ist der verringerte Druckverlust im Betrieb gegenüber dem Stand der Technik. Durch den völlig freigestellten Bereich rund um die im Gehäuse 3 hängende Primärdichtung 6 kann die Strömung des Arbeitsmediums/-fluids freier/ungezwungener durch die Primärdichtung 6 abfließen und erzeugt weniger Druckverluste bei Durchströmung des WMMs.
Bezugszeichenliste

1: Ventil
2: Fluidanschluss
2a: erster Fluidanschluss
2b: zweiter Fluidanschluss
3: Ventilgehäuse
4: Drehachse
5: Drehschieber
6: Dichtungskörper
7: Kugelfläche
8: Strömungsquerschnitt
8a: erster Strömungsquerschnitt
8b: zweiter Strömungsquerschnitt
9: Kugelsegment
9a: erstes Kugelsegment
9b: zweites Kugelsegment
9c: drittes Kugelsegment
9d: viertes Kugelsegment
10: Dichtfläche
11: erstes Umfangsende
12: zweites Umfangsende
13: Vollfläche
14: Stirnseite
15: Abstützarm
16: Drehschieberwelle
17: Einlegeteil
18a: erste Kante
18b: zweite Kante
19: Einlaufbereich
20: Grundabschnitt
21: Verbindungsbereich
22: Getriebeeinrichtung
23: Ventilglied
24: Lager
25: Innenraum
26: Stutzenglied
27: Aufnahme
28: Feder
29: Außenumfangsseite
30: Vergleichsventil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009025360 A1 [0002]
DE 102015207619 [0003]

Claims

Ventil (1) zur Regelung und/oder Steuerung eines Fluiddurchflusses durch zumindest eine Fluidförderleitung, mit einem mehrere Fluidanschlüsse (2) aufweisenden Ventilgehäuse (3) sowie einem drehbar um eine Drehachse (4) in dem Ventilgehäuse (3) aufgenommenen, den Fluiddurchfluss durch zumindest einen ersten Fluidanschluss (2a) im Betrieb einstellenden Drehschieber (5), wobei ein mit dem ersten Fluidanschluss (2a) verbundener rohrförmiger Dichtungskörper (6) über eine Dichtfläche (10) mit einer Kugelfläche (7) des Drehschiebers (5) zum Einstellen eines Strömungsquerschnittes (8) zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelfläche (7) des Drehschiebers (5) durch ein sich in Umfangsrichtung begrenzt erstreckendes Segment (9) ausgebildet ist.
Ventil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelfläche (7) an dem Segment (9) als eine in der Umfangsrichtung durchgängig zwischen einem ersten Umfangsende (11) und einem zweiten Umfangsende (12) verlaufende Vollfläche (13) ausgebildet ist.
Ventil (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungskörper (6) in einer ersten Drehstellung des Drehschiebers (5) so mit seiner die Dichtfläche (10) ausbildenden Stirnseite (14) an der Kugelfläche (7) anliegt, dass der erste Fluidanschluss (2a) relativ zu einem zweiten Fluidanschluss vollständig fluidisch abgetrennt ist oder zu dem zweiten Fluidanschluss hin mit einem zwischen dem Dichtungskörper (6) und der Kugelfläche (7) ausgebildeten ersten Strömungsquerschnitt (8a) geöffnet ist.
Ventil (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungskörper (6) in einer zweiten Drehstellung des Drehschiebers (5) in Umfangsrichtung so mit seiner Dichtfläche (10) relativ zu der Kugelfläche (7) beabstandet angeordnet ist, dass der erste Fluidanschluss (2a) hin zu dem zweiten Fluidanschluss mit einem zweiten Strömungsquerschnitt (8b) geöffnet ist, wobei der zweite Strömungsquerschnitt (8b) größer als der erste Strömungsquerschnitt (8a) ist.
Ventil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Segment (9) mittels eines Abstützarms (15) an einer Drehschieberwelle (16) des Drehschiebers (5) angebracht ist.
Ventil (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstützarm (15) als drehfeste Umspritzung der Drehschieberwelle (16) oder eines mit der Drehschieberwelle (16) drehfest verbundenen buchsenförmigen Einlegeteiles (17) ausgebildet ist.
Ventil (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Segment (9) stoffeinteilig mit dem Abstützarm (15) ausgeführt ist.
Ventil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Segment (9) so ausgebildet ist, dass die Kugelfläche (7) an ihren in Umfangsrichtung ausgerichteten Kanten (18a, 18b) einen sich radial nach innen erstreckenden Einlaufbereich (19) aufweist, der im Radius kleiner als der Radius eines plattenförmigen Grundabschnittes (20) der Kugelfläche (7) ausgebildet ist.
Ventil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere in Umfangsrichtung zueinander beabstandete oder in axialer Richtung der Drehachse (4) benachbart zueinander angeordnete Segmente (9), jeweils eine einzelne Kugelfläche (7) ausbildend, an dem Drehschieber (5) angebracht sind.
Ventil (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die in Umfangsrichtung zueinander beabstandeten Segmente (9) einen gemeinsamen Verbindungsbereich (21) aufweisen, der drehschieberfest angeordnet ist.