DE102020104778A1

DE102020104778A1 - Linearstellantrieb und Ventileinrichtung zur Steuerung eines Fluidstroms

Info

Publication number: DE102020104778A1
Application number: DE102020104778.9A
Authority: DE
Inventors: Daniel Nickel
Original assignee: MinebeaMitsumi Inc
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2020-02-24
Filing date: 2020-02-24
Publication date: 2021-08-26

Abstract

Die Erfindung sieht einen Linearstellantrieb für ein Nadelventil zur Steuerung eines Fluidstroms vor, mit einer Welle, die mit einem Elektromotor betrieblich gekoppelt ist, einem Kugellager zur Lagerung der Welle an einem ersten Ende der Welle, das einem Stellglied zugewandt ist, und einem Lagerkörper zur Gleitlagerung der Welle an einem zweiten Ende, das von dem Stellglied abgewandt ist, und mit einer Federeinheit zur axialen Vorspannung der Welle.

Description

GEBIET
Die Erfindung betrifft einen Linearstellantrieb zur Steuerung eines Fluidstroms gemäß dem Oberbegriff vom Patentanspruch 1. Ein solcher Linearstellantrieb ist zum Beispiel aus der DE 10 2017 110 343 A1 bekannt.
HINTERGRUND
Ein Anwendungsgebiet der Erfindung ist eine Ventileinrichtung zum Manipulieren eines Fluidstroms in einem Fluidkanal, insbesondere eine Ventileinrichtung, die einen Linearstellantrieb aufweist, um ein Stellventil oder Regelventil zur Steuerung eines Fluidstroms in einem Fluidkanal einzustellen. Das Ventil kann beispielsweise als ein Expansionsventil oder ein Drosselventil ausgebildet sein. Der Fluidstrom kann sich auf eine Strömung einer Flüssigkeit, eines Gases und/oder einer Kombination hiervon beziehen. In einem Beispiel ist der Fluidstrom ein Kühlmittelstrom.
In jüngerer Vergangenheit wurde als Kühlmittel in den Kühlkreisläufen und/oder Klimaanlagen von Kraftfahrzeugen CO₂ eingeführt. CO₂ als Kühlmittel für Kraftfahrzeug-Klimaanlagen ist eine klimafreundliche Alternative zum bisher verwendeten Kühlmittel Tetrafluorethan. CO₂ hat eine hohe Kälteleistung, ist nicht brennbar, bildet keine Zerfallsprodukte und ist weltweit kostengünstig verfügbar. In der Branche ist das natürliche Kühlmittel Kohlendioxid (CO₂) unter der Abkürzung R744 bekannt. Mit CO₂ können auch Wärmepumpen betrieben werden, es kann also auch effizient zum Heizen verwendet werden und mit integrierten Kühl-/Heizkonzepten energiesparend eingesetzt werden.
Ein Kühlkreislauf eines Kraftfahrzeugs muss daher ausgelegt sein, für die im Betrieb möglicherweise auftretenden Temperaturen, einschließlich der Temperatur beim Kaltstart, für die ein Minimum von -40 °C angenommen wird. Um CO₂ als Kühlmittel in einem Kühlkreislauf und/oder einer Klimaanlage nutzen zu können, muss der Kühlmittelstrom bei hohem Druck gehalten werden, beispielsweise in der Größenordnung von ungefähr 130 zu 25 bar, um bei den im Betrieb des Fahrzeugs insgesamt auftretenden Temperaturen von etwa -40 °C bis 165 °C und kurzfristig bis zu 180 °C einen flüssigen oder gasförmigen oder vorzugweise einen überkritischen Zustand des CO₂ aufrechtzuerhalten. Aus Sicherheitsgründen sollte das System so ausgelegt sein, dass es höhere Drücke aushält, z.B. bis zu 225 bar gemäß einer Vorgabe des TÜV Technischer Überwachungsverein. Zur Erreichung eines hohen Wirkungsgrades sollte auf der Hochdruckseite des Kältekreislaufs im Klimasystem ein Druck in der Größenordnung von etwa 60 bis 130 bar herrschen. Dies entspricht dem Mehrfachen des Drucks der herkömmlichen Kältemittel.
Bei der Auslegung einer Stelleinrichtung für einen Kühlkreislauf ist ferner zu berücksichtigen, dass zusätzlich zu der vom Antriebsmotor des Fahrzeugs erzeugten Wärme, auch der Antrieb beispielsweise von Ventileinrichtungen mit elektrischem Stellantrieb selbst Wärme in nicht zu vernachlässigende Maße erzeugt. Stelleinrichtungen müssen daher druckfest und über einen großen Temperaturbereich funktionsfähig ausgelegt werden. Vibrationen und unterschiedliche thermische Ausdehnung von Komponenten müssen ausgeglichen werden können. Gleichzeitig gilt für Stelleinrichtungen, die im Automobilbereich eingesetzt werden, dass diese möglichst kompakt und kostengünstig aufgebaut sind.
Eine Ventileinrichtung zur Steuerung eines Kühlmittelstroms kann zum Beispiel einen Linearstellantrieb haben, der eine Welle aufweist, die mit einem Elektromotor betrieblich gekoppelt ist, und eine fluiddichte Trennkappe oder Schutzkappe, in dem die Welle und ein Rotor des Elektromotors aufgenommen sind. Auf der Außenseite der Trennkappe kann ein Stator des Elektromotors angeordnet sein, der den Rotor koaxial umgibt. Die Wand der Trennkappe liegt im Arbeits-Luftspalt zwischen Rotor und Stator. Eine Steuereinheit ist außerhalb der Trennkappe angeordnet, und ein Gehäuse kann vorgesehen sein, um den Linearstellantrieb, die Trennkappe und die Steuereinheit aufzunehmen. Die Welle kann mit einem Stellglied gekoppelt sein, zum Beispiel mit einem Verschlusselement eines Nadelventils zur Steuerung des Kühlmittel strom s.
Die Welle kann über ein Kugellager an einem ersten Ende der Welle, das einem Stellglied zugewandt ist, und über einen Lagerkörper zur Gleitlagerung der Welle an einem zweiten Ende, das von dem Stellglied abgewandt ist, mit axialem und/oder radialem Spiel gelagert sein. Insbesondere kann sowohl der Außenring des Kugellagers in einem zugehörigen Lagersitz in Spielpassung aufgenommen sein, als auch das zweite Wellenende in dem Lagerkörper in Spielpassung geführt sein. Die Lagerung der Welle mit Spiel erlaubt es bei dem beschriebenen Anwendungsbeispiel unterschiedliche thermische Ausdehnungen von Komponenten der Ventileinrichtung sowie Vibrationen im Betrieb auszugleichen. Ferner vermeidet die Lagerung mit Spiel eine Überbestimmung oder Verspannung des Systems, insbesondere wenn die Ventileinrichtung geschlossen ist und dabei das Stellglied gegen einen Ventilsitz zu liegen kommt.
Aufgrund der Lagerung der Welle mit Spiel kann es im Betrieb, insbesondere im niedrigen Drehzahlbereich zu störender Geräuschentwicklung kommen, weil das Kugellager und/oder die Welle in dem Lagerkörper unrund laufen und schlagen. Insbesondere kann die Welle innerhalb des Gleitlagerspiels in dem Lagerkörper aufgrund magnetischer Kräfte, die in radialer Richtung auf den Rotor wirken, ausschlagen. Neben der Geräuschentwicklung ist ein weiterer Nachteil, dass ein unrund laufendes Lager in Verbindung mit Vibrationen und/oder Stößen die Lebensdauer des Gesamtsystems vermindern kann.
ABRISS
Die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, eine Ventileinrichtung zur Steuerung eines Fluidstroms, insbesondere für einen Kühlkreislauf oder eine Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges, so auszugestalten, dass sie kompakt ist und die thermischen und mechanischen Anforderungen an eine Ventileinrichtung für die beabsichtigte Anwendung im Automobilbereich erfüllt, wobei die Rotorlagerung geräuschoptimiert ist. Diese Aufgabe wird durch einen Linearstellantrieb nach Anspruch 1 und eine Ventileinrichtung nach Anspruch 21 gelöst. Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Eine Lösung zur Vermeidung oder Reduzierung von Geräuschentwicklung, die von einem radialen Ausschlagen der Rotorwelle in dem Lagerkörper verursacht wird, insbesondere auf Grund radialwirkender Magnetkräfte, besteht erfindungsgemäß darin, die Welle in axialer Richtung gegen den Lagerkörper oder das Kugellager vorzuspannen. In dem oben genannten Stand der Technik ist eine solche Lösung nicht vorgesehen. Lösungen aus anderen Anwendungsbereichen sind nicht vereinbar mit der Anforderung an einen kompakten Aufbau bei gleichzeitiger Toleranz gegen Temperaturschwankungen und hohe Drücke.
Die Erfindung sieht einen Linearstellantrieb für ein Nadelventil zur Steuerung eines Fluidstroms vor, mit einer Welle, die mit einem Elektromotor betrieblich gekoppelt ist, einem Kugellager zur Lagerung der Welle an einem ersten Ende der Welle, das einem Stellglied zugewandt ist, und einem Lagerkörper zur Gleitlagerung der Welle an einem zweiten Ende, das von dem Stellglied abgewandt ist. Eine Federeinheit ist zur axialen Vorspannung der Welle vorgesehen. Die Erfindung kann somit durch eine axiale Vorspannung der Welle ein radiales Ausschlagen der Welle, insbesondere aufgrund radial wirkender magnetischer Kräfte, vermeiden. Die Federeinheit lässt sich ohne zusätzlichen Platzbedarf in den Linearstellantrieb integrieren und steht somit in Einklang mit der Anforderung an einen kompakten Aufbau.
Die Federeinheit kann zumindest ein erstes Federelement umfassen, das an dem ersten Ende der Welle angeordnet ist und die Welle in Richtung des zweiten Endes vorspannt. Das erste Federelement kann z.B. als eine Federscheibe ausgebildet sein, die Druck gegen einen Außenring des Kugellagers ausübt. Die Federscheibe kann insbesondere den Außenring des Kugellagers in Richtung des gegenüberliegenden Wellenendes drücken. Durch die Federeinheit wird die Welle in axialer Richtung gegen den am anderen Ende der Welle befindlichen Lagerkörper gedrückt. der Lagerkörper kann dabei so ausgestaltet sein, dass die nicht vorgespannte Welle in dem Lagerkörper mit radialem und/oder axialem Spiel geführt ist, während die vorgespannte Welle in radialem Formschluss geführt ist und dadurch ein Ausschlagen in radialer Richtung verhindert wird.
Diese Funktionalität ergibt sich zum Beispiel aus einer Konfiguration, in der die Welle eine trichterförmige Vertiefung an ihrem entsprechenden Stirnende aufweist und ein gegenüberliegendes domförmiges Lagerelement in dem Lagerkörper als Gegenlager aufweist oder in der umgekehrt die Welle ein domförmiges Element an ihrem Stirnende aufweist und eine gegenüberliegende trichterförmige Vertiefung in dem Lagerkörper als Gegenlager aufweist. Das domförmige Element kann eine Kugel oder ein Kugelsegment aufweisen. Wenn der Lagerkörper zum Beispiel aus Kunststoff hergestellt ist, kann das domförmige Element Metall aufweisen oder aus Metall hergestellt sein, um den Gleitkontakt zu reduzieren und den Lagerkörper im Bereich des Kontakts mit der Welle zu stabilisieren und Abrieb zu minimieren.
Das erste Federelement kann zum Beispiel eine Wellenfeder aus Metall, insbesondere aus Federstahl, oder einen Elastomerring aufweisen.
Ferner kann zusätzlich oder alternativ ein zweites Federelement vorgesehen sein, das an dem zweiten Ende der Welle angeordnet ist, also an dem dem Lagerkörper zugewandten Ende, und die Welle in Richtung des ersten Endes, an dem die Welle in dem Kugellager gelagert ist, vorspannt. Das zweite Federelement kann z.B. als eine Druckfeder, ein elastisches Element oder als ein sich abstoßendes Magnetpaar ausgebildet sein. Dadurch kann die im Kugellager eingepresste Welle relativ zu dem gegenüberliegenden Lagerkörper weggedrückt werden, wodurch eine Vorspannung des Kugellagers entsteht. Dies stabilisiert insgesamt die Lagerung der Welle und verhindert somit einen unrunden Lauf und Geräuschentwicklung. Die Stabilisierung der Lagerung gibt sich auch dann, wenn die Welle in dem gegenüberliegenden Lagerkörper im Punktkontakt gelagert ist, wodurch Reibung reduziert wird. Alternativ kann die vorgespannte Welle in dem Lagerkörper in radialem Formschluss gelagert sein, ähnlich wie in der oben beschriebenen ersten Ausgestaltung.
Das zweite Federelement kann in einer an dem zweiten Wellenende ausgebildeten Bohrung aufgenommen sein. Es kann ein Lagerbolzen vorgesehen sein, der koaxial zur Welle in dem zweiten Ende der Welle in axialer Richtung beweglich geführt ist, wobei das zweite Federelement an dem der Welle zugewandten Stirnende des Lagerbolzens angeordnet ist.
In einer Ausgestaltung ist an dem zweiten Ende der Welle ein Kragen ausgebildet ist, der sich in den Lagerkörper erstreckt und in dem der Lagerbolzen geführt ist. Hieraus ergibt sich eine zusätzliche radiale Stabilisierung der Lagerung im Gleitlager.
Bei Verwendung insbesondere in eine Ventileinrichtung der oben erläuterten Art kann der Linearstellantrieb eine fluiddichten Trennkappe aufweisen, in dem die Welle und ein Rotor des Elektromotors aufgenommen sind.
Der Linearstellantrieb kann Teil einer Ventileinrichtung sein, welche ferner einen Ventilblock, in dem ein Fluidkanal und ein Verschlusselement aufgenommen sind, und einen Adapterblock zur Verbindung der Trennkappe mit dem Ventilblock umfasst, wobei der Ventilblock mit der Trennkappe über den Adapterblock verbunden ist.
In einem Anwendungsbeispiel dient die Ventileinrichtung zur Steuerung eines CO₂-Fluidstroms eines Kraftfahrzeug-Kühlmittelkreislaufs oder einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage, wobei die Trennkappe aus Metall, insbesondere Edelstahl, hergestellt und mit dem Adapterblock fluiddicht verbunden ist.
Figurenliste
Weitere Merkmale und Einzelheiten der Ventileinrichtung sind im Folgenden anhand von Beispielen mit Bezug auf die Zeichnung erläutert. Die in den 2 bis 4 gezeigten Ausgestaltungen können einzeln oder in Kombination mit der Ausgestaltung der 5A und 5B eingesetzt werden.

1 zeigt eine Schnittdarstellung durch eine Ventileinrichtung gemäß einem Beispiel zur Erläuterung eines Anwendungsgebiets der Erfindung;
2 zeigt eine Teildarstellung eines Linearstellantriebs, der in der Ventileinrichtung der 1 zum Einsatz kommen kann, gemäß einem Beispiel, in Schnittansicht;
3 zeigt eine Teildarstellung eines Linearstellantriebs, der in der Ventileinrichtung der 1 zum Einsatz kommen kann, gemäß einem Beispiel, in Schnittansicht;
4 zeigt eine Teildarstellung eines Linearstellantriebs, der in der Ventileinrichtung der 1 zum Einsatz kommen kann, gemäß einem Beispiel, in Schnittansicht; und
5A und 5B zeigen eine Teildarstellung eines Linearstellantriebs, der in der Ventileinrichtung der 1 zum Einsatz kommen kann, gemäß einem Beispiel, in geschnittener perspektivischer Darstellung und in geschnittener Seitenansicht.

Die in den 2 bis 4 gezeigten Ausgestaltungen können einzeln oder in Kombination mit der Ausgestaltung der 5A und 5B eingesetzt werden.
AUSFÜHIZLICHE BESCHREIBUNG
Eine Ventileinrichtung gemäß einem Beispiel ist in 1 in Schnittdarstellung gezeigt. Die Ventileinrichtung umfasst einen Linearstellantrieb 10, der eine Welle 12 und einen Elektromotor mit einem Rotor 14 und einem Stator 16 aufweist. Der Elektromotor ist beispielsweise, ein Schrittmotor oder ein Asynchronmotor und insbesondere ein bürstenloser Gleichstrommotor.
Der Rotor 14 kann einen Rotorträger 14' und einen darin gehaltenen Rotormagneten 14" aufweisen, wobei der Rotorträger 14' auf die Welle 12 aufgepresst oder aufgeformt sein kann. In dem Beispiel der 1 ist auf dem Außenumfang der Welle 12 in einem mittleren Abschnitt der Welle 12 ein Rändel 12' ausgebildet, um den Rotor 14 mit der Welle 12 drehfest zu verbinden. Die Welle 12 kann beispielsweise im Bereich des Rändels 12' von dem Rotorträger 14' umspritzt sein, oder der Rotorträger kann auf die Welle 12 aufgepresst sein. Der Rotorträger 14' kann aus Kunststoff hergestellt sein, wobei er glasfaserverstärkt sein kann und/oder Metallpartikel in den Kunststoff eingebettet sein können, um einen Rückschluss zu bilden. Der Rotormagnet 14" kann beispielsweise ein NdFeB- Magnet und gegebenenfalls umspritzt sein. Der Stator 16 weist einen Statorstack 16' und Statorwicklungen 16" auf. Der Statorstack 16' und die Statorwicklungen 16" sind in dem gezeigten Beispiel durch eine Nutisolation 18 elektrisch getrennt.
Der Rotor 14 ist in einer Trennkappe 20 aufgenommen, die eine druck- und fluiddichte Einhäusung der Welle 12 und des Rotors 14 bereitstellt. In dem Beispiel der 1 ist die Trennkappe 20 im Wesentlichen zylindrisch mit einer Zylinderwand 20' und einem kuppelförmigen Dom 20" an einem Stirnende des Linearstellantriebs 10. Anstelle des Doms 20" kann die Trennkappe 20 an ihrem Stirnende auch abgeflacht oder anders geformt sein, wobei sich die Domform im Hinblick auf gleichmäßige Wärmeabstrahlung, Stabilität und Fertigungstechnik als besonders günstig erwiesen hat. Die Trennkappe 20 besteht in einem Beispiel aus Edelstahl. Die Zylinderwand 20' erstreckt sich durch einen Arbeits-Luftspalt zwischen dem Rotor 14 und dem Stator 16.
Die Ventileinrichtung umfasst ferner einen Ventilblock 30 und einen Adapterblock 40. Der Ventilblock 30 und der Adapterblock 40 können jeweils als Druckgussteile aus Metall hergestellt und stoffschlüssig, zum Beispiel durch Laserschweißen, oder verschraubt fluiddicht verbunden sein. Der Linearstellantrieb 10 mit der Trennkappe 20 ist über den Adapterblock 40 mit dem Ventilblock 30 verbunden. In dem Ventilblock 30 ist ein Kanal 32 ausgebildet, durch den ein Kühlmittel strömen kann. Der Kanal 32 weist einen Ventilsitz 34 auf, in dessen Bereich der Kanal 32 geöffnet und verschlossen werden kann, wie unten erläutert ist.
Der Adapterblock 40 verbindet den Linearstellantrieb 10 mit dem Ventilblock 30 und dient in dem gezeigten Beispiel ferner der Lagerung der Welle 12 und der Führung eines Stellglieds 50 der Ventileinrichtung. Ferner ist der Adapterblock 40 dazu eingerichtet, die Drehbewegung der Welle 12 in eine lineare Stellbewegung des Stellgliedes 50 zu übersetzen.
Um eine druck- und fluiddichte Verbindung zwischen dem Ventilblock 30 und dem Linearstellantrieb 10 zu schaffen, kann der Adapterblock 40 mit dem Ventilblock 30 zum Beispiel verschraubt sein, insbesondere kann er in dem Ventilblock 30 eingeschraubt sein, wobei zwischen dem Ventilblock 30 und dem Adapterblock 40 zusätzlich eine Dichtung 36, beispielsweise eine O-Ringdichtung, ausgebildet sein kann. Ferner kann die Trennkappe 20 mit dem Adapterblock 40 stoffschlüssig verbunden sein, zum Beispiel durch Laserschweißen, und/oder über korrespondierende Flansche verbunden sein. Eine zusätzliche Dichtung und/oder Verklebung oder Verschweißung ist vorgesehen.
In dem Adapterblock 40 gemäß diesem Beispiel ist ferner ein Lagersitz 44 ausgebildet, der ein Kugellager 60 aufnimmt, um die Welle 12 an einem ersten Ende der Welle drehbar zu lagern. Das Kugellager 60 kann mit seinem Innenring (nicht gezeigt) auf die Welle 12 aufgepresst sein und mit seinem Außenring (nicht gezeigt) in dem Lagersitz 44 gehalten sein. Ein Sprengring 62 kann das Kugellager 60 in dem Lagersitze 44 fixieren.
Die Welle 12 kann an ihrem gegenüberliegenden Ende, im Folgenden als zweites Ende bezeichnet, in einem Gleitlager gelagert sein, wobei hierzu einen Lagerkörper 64 in den Dom 20" der Trennkappe 20 eingefügt, zum Beispiel eingepresst, sein kann. Die Welle 12 kann an ihrem zweiten Ende einen Lagerstift 66 aufweisen, der stirnseitig mit der Welle 12 verbunden, zum Beispiel in eine stirnseitige Ausnehmung der Welle 12 eingeführt ist. Der Lagerstift 66 ist in einer zylindrischen Ausnehmung 68 in dem Lagerkörper 64 in Spielpassung geführt. Die zylindrische Ausnehmung 68 kann im Bereich ihrer Mündung eine konische Erweiterung aufweisen, um den Lagerstift 66 unkompliziert einführen zu können und gegebenenfalls ein Schmiermittelreservoir bereitzustellen.
An seinem axial äußeren Ende ist der Lagerstift 66 durch ein Punktlager oder eine Spurkuppenlagerung oder Pivot-Lagerung gelagert. Hierzu ist an dem Boden der Ausnehmung 68 in dem Lagerkörper 64 eine kugelige oder domförmige Kontaktfläche 116 ausgebildet.
Der Lagerkörper 64 kann als Spritzgussteil aus Kunststoff, beispielsweise PPS (Polyphenylensulfid), hergestellt sein, wobei im Bereich des Punktlagers oder Spurkuppenlagers eine Metallkugel eingespritzt oder eine andere metallische Verstärkung vorgesehen sein kann.
In dem Beispiel der 1 ist das Stellglied 50 als ein Ventilkolben eines Nadelventils ausgebildet. Das Stellglied 50 kann zylindrisch mit einem flachen stirnseitigen Ende oder einem kegelstumpfförmigen Ende ausgebildet sein. Die Abflachung kann günstig für einen Druckausgleich sein. Das Stellglied 50 kann aus Metall, insbesondere Stahl, hergestellt sein.
Das Stellglied 50 hat ein Innengewinde 104. Das Stellglied 50 ist über den Adapterblock 40 rotationsgesichert und axial beweglich. Ein Außengewinde 106, das mit dem Innengewinde 104 des Stellglieds 50 kämmt, ist an einem Kopplungsglied 70 angeordnet. Das Kopplungsglied 70 ist drehfest mit einem Schaft 74 verbunden, der kein Gewinde aufweist und drehfest mit der Welle 12 verbunden oder einstückig mit der Welle 12 ausgebildet ist. Welle 12, Schaft 74 und Kopplungsglied 70 führen während eines Betriebs des Linearstellantriebs 10 keine axiale sondern ausschließlich eine rotatorische Bewegung aus. Bei einer Drehbewegung der Welle 12, drehen sich der Schaft 74 und das Kopplungsglied 70 entsprechend mit. Durch das Außengewinde 106 des Kopplungsglieds 70, das mit dem Innengewinde 104 des Stellglieds 50 kämmt, wird eine rotatorische Bewegung der Welle 12 in eine axiale Bewegung des Stellglieds 50 umgeformt.
Abhängig von der Drehrichtung der Welle 12 kann somit das Stellglied 50 in eine schließende oder eine öffnende Richtung bewegt werden. Insbesondere kann der Ventilkolben 50 bis gegen den Ventilsitz 34 gefahren werden, um den Fluidkanal 32 vollständig zu verschließen, und in die Gegenrichtung bewegt werden, um den Fluidkanal 32 ganz oder graduell zu öffnen.
Wie in 1 dargestellt, ist das Stellglied 50 in dem Ventilblock 30 linear verschiebbar gelagert; die Welle 12 ist über das Kugellager 60 in dem Adapterblock 40 drehbar gelagert. Da eine Bewegung des Stellglieds 50, des Kopplungsgliedes 70 und der Welle 12 relativ zu dem Ventilblock 30 und dem Adapterblock 40 erfolgt, sind an den Grenzflächen wenigstens kapillare Spalte gebildet, durch die das Kühlmittel aus dem Kanal 32 in den Innenraum der Trennkappe 20 vordringen kann. Auch das Kugellager 60 ist für das Kühlmittel durchlässig. Durch den zwischen dem Rotor 14 und der Trennkappe 20 gebildeten Luftspalt kann das Kühlmittel ferner bis zu dem Lagerkörper 64 vordringen. Es kann angenommen werden, dass der Innenraum der Trennkappe 20 im Betrieb Kühlmittel enthält, das in flüssigem, gasförmigem oder überkritischem Zustand vorliegen kann. Das Kühlmittel kann in feinen Partikeln zerstäubt sein und sich als ein Film auf den Komponenten ablagern. Dabei kann das Kühlmittel auch einen Schmierfilm für die Lager bereitstellen.
Wie oben dargelegt steht das Kühlmittel, insbesondere bei Verwendung von CO₂ als Kühlmittel, im Betrieb unter einem relativ hohen Druck, wobei ein Betriebsdruck in der Größenordnung von etwa 130 bar üblich ist. Durch das Vordringen des Kühlmittels in die Trennkappe 20 kann auch dort ein erhöhter Druck von bis zu 130 bar herrschen. Aus Sicherheitsgründen sollte das Gesamtsystem für Drücke bis zu etwa 225 bar funktionsfähig ausgelegt sein.
Die in 1 gezeigte Ventileinrichtung umfasst ferner eine Steuereinheit 80, die in dem vorliegenden Beispiel eine Leiterplatte 82, beispielsweise eine gedruckte Schaltungsplatte, und Steuerelektronik 84 aufweist. Die Steuerelektronik 84 umfasst beispielsweise einen Controller, Treiber, Transformatoren, Transistoren und weitere passive und aktive Steuerbauteile sowie Sensoren, zum Beispiel Hall-Sensoren. Die elektronischen Bauteile haben nicht notwendig eine hohe Temperaturstabilität und können bei Wärmebelastung aufgrund der Umgebungstemperatur und der Eigenerwärmung des Linearstellantriebs Störungen erzeugen oder sogar ausfallen.
In dem gezeigten Beispiel erstreckt sich die Leiterplatte 82 im Wesentlichen über die gesamte Stirnfläche des Linearstellantriebs 10 und darüber hinaus, um seitlich des Linearstellantriebs 10 einen Kontaktstecker 86 vorzusehen und mit der Steuereinheit 80 unkompliziert verbinden zu können. Der Stator 16 und der Kontaktstecker 86 können mit Leiterbahnen auf der Leiterplatte 82 über Steckkontakte, Schneidkontakte oder dergleichen 78 verbunden sein.
Die Leiterplatte 82 weist in dem gezeigten Beispiel eine Ausnehmung 88 auf, durch die hindurch sich ein Teil des Linearstellantriebs 10 mit der Trennkappe 20 erstreckt. In dem gezeigten Beispiel erstreckt sich der kuppelförmige Dom 20" der Trennkappe 20 durch die Ausnehmung 88. Dadurch kann eine besonders kompakte Anordnung erzielt werden.
Der Linearstellantrieb 10 ist in einem Gehäuse 90 aufgenommen, das in dem gezeigten Beispiel einen Gehäusegrundkörper 92 und einen Gehäusedeckel 94 aufweist. Der Gehäusegrundkörper 92 umschließt den Linearstellantrieb 10, wobei er den Außenumfang des Stators 16 umgibt, und bildet eine Aufnahme für den Stecker 86. Der Gehäusegrundkörper 92 ist fluid- und druckdicht mit dem Adapterblock 40 verbunden, wobei ein Flansch 96 des Gehäusegrundkörpers 92 gegen den Außenumfang des Adapterblocks 40 zu liegen kommt. Eine Ringdichtung 98 kann zwischen den Flansch 96 des Gehäusegrundkörpers 92 und den Adapterblock 40 eingefügt sein, um das Gehäuse 90 gegen Eindringen von Wasser abzudichten.
Der Gehäusedeckel 94 ist mit dem Gehäusegrundkörper 92, beispielsweise mittels verkleben oder verschweißen, unlösbar verbunden. An der Innenseite des Gehäusedeckels 94 ist ein Wärmeschirm 100 ausgebildet oder angebracht. Der Wärmeschirm 100 hat in dem gezeigten Beispiel die Form einer Wand, die an die Innenseite des Gehäusedeckels 94 angeformt ist. Alternativ kann der Wärmeschirm 100 auch durch eine separate, an der Innenseite des Gehäusedeckels 94 angebrachte Wand gebildet sein. Der Wärmeschirm 100 liegt zwischen der Trennkappe 20 und der Steuereinheit 80 und schützt die Steuereinheit vor dem größten Teil der von der Trennkappe 20 abgegebenen Wärmestrahlung.
In dem Beispiel der 1 ist der Wärmeschirm 100 insbesondere als eine ringförmige Wand ausgebildet, die das stirnseitige geschlossene Ende der Trennkappe 20 im Bereich des kuppelförmigen Doms 20" in Umfangsrichtung umgibt. Die Wand des Wärmeschirms 100 schirmt dabei insbesondere den Teil der Trennkappe 20 ab, der durch die Ausnehmung 88 der Leiterplatte 82 vorsteht und ohne Wärmeschirm Wärme direkt an die Steuereinheit 80 abgeben würde.
Der Wärmeschirm 100 grenzt in dem gezeigten Beispiel ein Abschirmungsreservoir 102 ein, dass die von der Trennkappe 20 abgestrahlte Wärme aufnehmen kann. Konkret wird das Abschirmungsreservoir 102 in dem gezeigten Beispiel durch die umlaufende Wand des Wärmeschirms 100 und die Innenseite des darin eingeschlossenen Deckelabschnitts eingegrenzt. Der Wärmeschirm 100 überlappt in dem gezeigten Beispiel die Trennkappe 20 teilweise, wenn die Ventileinrichtung in Seitenansicht, senkrecht zu ihrer Längsrichtung oder zur Richtung der Drehachse der Welle 12, betrachtet wird. Mit anderen Worten ragt der Dom 20" der Trennkappe 20 in das Abschirmungsreservoir 102 hinein. Da die von der Trennkappe 20 abgegebene Wärme im Betrieb nach oben steigt, entsprechend der 1 gezeigten Einbaulage der Ventileinrichtung, wäre jedoch auch ein Wärmeschirm 100 wirksam, der ein Abschirmungsreservoir 102 eingegrenzt, aber Wände aufweist, welche die Trennkappe 20 in Seitenansicht nicht überlappen.
In 1 ist die Ventileinrichtung in ihrer Einbaulage dargestellt, wobei die Steuereinheit 80 in der Einbaulage der Ventileinrichtung oberhalb des Linearstellantriebs 10 angeordnet ist. In dieser Einbaulage steigt, wie erläutert, die durch den Stellantrieb 10 und gegebenenfalls durch das Kühlmittel, welches durch den Kanal 32 strömt, erzeugte Wärme nach oben und wird von dem Dom 20" der Trennkappe 20 nach oben abgestrahlt, wobei so erwärmte Luft weiter nach oben steigt und sich in dem Abschirmungsreservoir 102 sammelt. Über das Abschirmungsreservoir 102 kann die Wärme über den Deckel 94 an die Außenumgebung abgegeben werden. Dadurch werden elektronische Komponenten der Steuereinheit 80 vor Wärmestrahlung geschützt.
Der Wärmeschirm 100 kann ebenso wie der Gehäusedeckel 94 aus Kunststoff, insbesondere Polyamid, hergestellt sein, wobei der Gehäusedeckel 94 in einem Abschnitt, der von dem Wärmeschirm 100 eingegrenzt wird und der die Trennkappe 20 wenigstens teilweise überlappt, Metall aufweisen kann oder mit einem Metallkörper (nicht gezeigt) verbunden sein kann, um die Wärmeabgabe an die Außenumgebung zu optimieren. Beispielsweise kann in dem Bereich des Gehäusedeckels 94, der von dem Wärmeschirm 100 eingegrenzt ist, ein Kühlkörper oder ein Wärmetauscher an der Außenseite des Gehäusedeckels 94 angeordnet sein.
Zusätzlich oder alternativ kann der Gehäusedeckel 94 in einem Wandbereich, der von dem Wärmeschirm 100 eingegrenzt wird und der die Trennkappe 20 wenigstens teilweise überlappt, eine oder mehrere Öffnungen (nicht gezeigt) aufweisen, um Wärme direkt nach außen abzugeben. Zur Abdichtung des Gehäuses müssten solche Öffnungen fluiddicht verschlossen sein, beispielsweise durch eine integrierte Membran.
Wie in 1 dargestellt, ist der Wärmeschirm 100 mit Abstand zu der Trennkappe 20 und der Steuereinheit 80 angeordnet, um Wärmebrücken zu vermeiden. Die Luft zwischen dem Wärmeschirm 100 und der Steuereinheit 80 bewirkt eine zusätzliche Wärmeisolation. Abweichend von der Darstellung in 1 muss der Wärmeschirm 100 die Trennkappe 20 nicht notwendig um den gesamten Umfang der Trennkappe 20 herum umgeben. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass ein Wärmeschirm nur auf einer Seite der Trennkappe 20 zwischen dieser und der Steuerelektronik 84 vorgesehen ist und dass das Abschirmungsreservoir 102 zur gegenüberliegenden Seite hin offen ist, sodass Wärme auch zu einer Seite der Ventileinrichtung abgegeben werden kann.
Es ist davon auszugehen, dass die Temperatur im oberen Abschnitt des Gehäuses 90, sofern es den Wärmeschirm 100 nicht gäbe, ähnlich der Temperatur in dem Abschirmungsreservoir 102 wäre. Mithilfe des Wärmeschirms kann somit die Temperatur in dem Bereich, in dem die Steuereinheit 80 in dem Gehäuse 90 untergebracht ist, um ungefähr 20 °C auf etwa 90 °C im Vergleich zu einer Situation ohne Wärmeschirm gesenkt werden. Temperaturen unter 100 °C sind für die meisten elektronischen Komponenten solcher Steuereinheiten unkritisch, sodass in dem erfindungsgemäßen Linearstellantrieb die Temperatur im Bereich der Steuereinheit unter den üblichen Betriebsbedingungen auf einer Temperatur gehalten werden kann, bei der regelmäßig keine Störungen auftreten.
Wie oben dargelegt, kann der Rotor 14 bzw. die Welle 12, die den Rotor 14 trägt, aufgrund der Spielpassung in dem Lagerkörper 64 und aufgrund in radialer Richtung wirkender Magnetkräfte in radialer Richtung ausschlagen, sodass sich eine störende Geräuschbildung ergibt. Um dies zu vermeiden, kann die Welle 12 in axialer Richtung vorgespannt werden, was anhand der folgenden Beispiele weiter erläutert ist.
Die Erfindung ist im Folgenden anhand verschiedener Beispiele mit Bezug auf die 2 bis 5 beschrieben. Die 2 bis 5 zeigen jeweils einen Teil einer Ventil-Antriebsvorrichtung mit Linearstellantrieb, der in der in 1 dargestellten Ventileinrichtung zum Einsatz kommen kann, in Schnittansicht. Korrespondierende Teile sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und nicht nochmals im Einzelnen beschrieben.
Die Ventil-Antriebsvorrichtung kann den Linearstellantrieb 10 mit Rotor 14 und Stator 16, die Trennkappe 20, die Steuereinheit 80, den Adapterblock 30 und das Gehäuse 90 mit dem Gehäusegrundkörper 92 und dem Gehäusedeckel 94 umfassen. Auf die detaillierte Beschreibung der 1 wird in vollem Umfang Bezug genommen. Der Übersichtlichkeit halber sind in den 2 bis 5 nur der Adapterblock 40, die Trennkappe 20 und die in der Trennkappe 20 aufgenommenen Komponenten des Linearstellantriebs 10 dargestellt, und nur die Hauptkomponenten des Linearstellantriebs 10 sind mit Bezugszeichen versehen.
In den Ausgestaltungen der 2 bis 4 sind insbesondere der Adapterblock 40, die Trennkappe 20, die Welle 12 und der auf der Welle 12 sitzende Rotor 14 dargestellt. Die Welle 12 ist an ihrem ersten Ende in dem Kugellager 60 und an ihrem zweiten Ende in dem Lagerkörper 64 gelagert. Das Kugellager 60 ist über einen Sprengring 62 in axialer Richtung in dem Lagersitz in dem Adapterblock 40 fixiert. Der Innenring des Kugellagers 60 ist auf die Welle 12 aufgepresst und der Außenring ist in dem Lagersitz fixiert.
Abweichend von der Ausgestaltung der 1 weist die Welle 12 an ihrem zweiten, in der Zeichnung oberen Ende einen Lagerbolzen 110 auf, der koaxial zu der Welle 12 angeordnet und in axialer Richtung beweglich in der Welle 12 geführt ist. Hierzu kann die Welle 12 eine zylindrische Bohrung 112 aufweisen, die den Lagerbolzen 110 in Spielpassung aufnimmt. Der Querschnitt des Lagerbolzens 110 und der Bohrung 112 kann kreisförmig sein oder die Form eines Polygons oder einer anderen unregelmäßigen Fläche haben. Der Lagerbolzen 110 ist in der Welle 12 drehfest angeordnet. Wenn der Lagerbolzen 110 und die Bohrung 112 einen kreisförmigen Querschnitt haben, kann der Lagerbolzen in der Bohrung 112 beispielsweise durch ein in axialer Richtung ausgerichtetes Nut/Stift-Paar drehfest geführt sein.
Der Lagerbolzen 110 ist in dem Lagerkörper 64 in Spielpassung geführt und an seinem axialen, außenliegenden Ende in einem Punktlager, Spurkuppenlager oder Pivot-Lager gelagert. Hierzu ist an dem Boden der Ausnehmung 68 in dem Lagerkörper 64 eine kugelige oder domförmige Kontaktfläche 116 ausgebildet. Im Bereich des Lagers ist in diesem Beispiel ein Punktkontakt in der Drehachse hergestellt, wodurch die Reibung minimal wird.
Der Lagerbolzen 110 kann aus Metall, insbesondere Stahl hergestellt sein. Der Lagerbolzen 110 kann alternativ auch aus einem Weichmetall, wie Bronze oder aus einem harten Kunststoff hergestellt sein. Der Lagerbolzen 110 kann einen Durchmesser in der Größenordnung von etwa 2 bis 10 mm, bevorzugt 2 bis 5 mm aufweisen. Der Durchmesser ist geringfügig kleiner als der Durchmesser der Bohrung 112, beispielsweise um 0,1 bis 0,04 mm kleiner. Der Lagerkörper 64 kann zum Beispiel ein Spritzgussteil aus Kunststoff oder Metall, beispielsweise aus einem Sintermetall sein. Bei einem Lagerkörper 64 aus Kunststoff kann dieser im Bereich der Kontaktfläche 116 verstärkt sein, beispielsweise durch Integration einer Metallkugel oder Metallfläche.
Zwischen dem Boden der Bohrung 112 und dem Lagerbolzen 110 ist ein Federelement 114 einer Federeinheit 130 angeordnet. Das Federelement 114 kann in dem gezeigten Beispiel als ein Elastomerkörper ausgebildet sein. Das Federelement 114 ist in der Bohrung 112 in axialer Richtung beweglich. Das Federelement 114 ist in Bezug auf Abmessungen und Elastizität so bemessen, dass es den Lagerbolzen 110 aus der Bohrung 112 hinaus und gegen die Kontaktfläche 116 in dem Lagerkörper 64 drückt und dadurch in das Wellen/Rotorsystem eine axial wirkende Vorspannung einbringt. Die in dem Kugellager 60 eingepressten Welle 12 wird durch das Federelement 114 relativ zu dem Lagerbolzen 110 weggedrückt, wodurch die axiale Vorspannung des Kugellagers 60, dessen Innenring auf die Welle 12 aufgepresst ist und dessen Außenring in dem Adapterblock 40 sitzt, entsteht. Dadurch wird das Lagersystem insgesamt stabilisiert, und ein Ausschlagen der Welle 12 auch in radialer Richtung wird vermieden.
Das Federelement 114 gemäß dem Beispiel der 2 kann beispielsweise aus einem Elastomer, beispielsweise Silikonkautschuk, und/oder einem Porengummibestehen und eine Länge in der Größenordnung von etwa 4 bis 20 mm, bevorzugt 4 bis 10 mm und einen Durchmesser in der Größenordnung von etwa 2 bis 10 mm, bevorzugt 2 bis 5 mm aufweisen. Der Durchmesser des Federelements 114 kann insbesondere dem Durchmesser des Lagerbolzens 110 entsprechen. Das Federelement 114 kann beispielsweise eine Shore A Härte in der Größenordnung von 25 bis 75, spezieller von ungefähr 45 bis 55 aufweisen.
Das Federelement 114 kann so ausgelegt sein, dass er den Lagerbolzen 110 mit einer Kraft in der Größenordnung von 5 N bis 10 N gegen die Kontaktfläche 116 des Punktlagers oder Spurkuppenlagers drückt.
Ein weiteres Beispiel des Linearstellantriebs ist in 3 gezeigt. Das Beispiel der 3 gleicht bis auf die Ausgestaltung der Federeinheit 134 dem Beispiel der 2, auf dessen Beschreibung vollumfänglich Bezug genommen wird. In dem Beispiel der 3 ist das Federelement 118 der Federeinheit 134 in Form zweier sich abstoßender Magnete 120, 122 vorgesehen. Die Magnete 120, 122 sind Dauermagnete und können beispielsweise NdFeB-Magnete oder Kunststoffmagnete sein. Sie können gepresst oder gesintert sein. Gleiche Pole der Magnete 120, 122 sind einander zugewandt, um die Abstoßungskraft zu erzeugen. Wenigstens der außenliegende Magnet 120 ist in der Bohrung 112 in axialer Richtung beweglich.
Die Abmessungen des Federelements 118 können ähnlich denen des oben beschriebenen Federelements 114 sein. Das Federelement 118 kann eine Länge in der Größenordnung von etwa 4 bis 20 mm, bevorzugt 4 bis 10 mm und einen Durchmesser in der Größenordnung von etwa 2 bis 10 mm, bevorzugt 2 bis 5 mm aufweisen. Der Durchmesser des Federelements 118 kann insbesondere dem Durchmesser des Lagerbolzens 110 entsprechen. Das Federelement 118 kann so ausgelegt sein, dass es den Lagerbolzen 110 mit einer Kraft in der Größenordnung von 5 N bis 10 N gegen die Kontaktfläche 116 des Punktlagers oder Spurkuppenlagers drückt.
Ein weiteres Beispiel des Linearstellantriebs ist in 4 gezeigt. Das Beispiel der 4 gleicht bis auf die Gestaltung der Federeinheit 134 und der Welle 12 den Beispielen der 2 und 3, auf deren Beschreibung vollumfänglich Bezug genommen wird. In dem Beispiel der 4 ist an dem zweiten Ende der Welle 12 ist ein Kragen 132 ausgebildet ist, der sich in den Lagerkörper 64 erstreckt. Der Lagerbolzen 110 ist innerhalb des Kragens 132 geführt. Ein solcher Kragen 132 ist ebenso in den Beispielen der 2 und 3 anwendbar. Alternativ kann die Welle 12 wie in den Beispielen der 2 und 3 jedoch auch ohne Kragen 132 ausgeführt sein. In dem Beispiel der 4 weist die Federeinheit 134 ein als Druckfeder ausgebildetes das Federelement 124 auf. Das Federelement 124 kann ähnlich ausgelegt sein wie das Federelement 114 der 2 und das Federelement 118 der 3. Das Federelement 124 ist in der Bohrung 112 in axialer Richtung beweglich.
Das Federelement 124 kann eine Länge in der Größenordnung von etwa 4 bis 20 mm, bevorzugt 4 bis 10 mm und einen Durchmesser in der Größenordnung von etwa 2 bis 10 mm, bevorzugt 2 bis 5 mm aufweisen. Der Durchmesser des Federelements 124 kann insbesondere dem Durchmesser des Lagerbolzens 110 entsprechen. Das Federelement 124 kann so ausgelegt sein, dass es den Lagerbolzen 110 mit einer Kraft in der Größenordnung von 5 N bis 10 N gegen die Kontaktfläche 116 des Punktlagers oder Spurkuppenlagers drückt.
Ein weiteres Beispiel des Linearstellantriebs 10 ist in 5A und 5B gezeigt. Das Beispiel der 5A und 5B ist den Beispielen der 2 bis 4 ähnlich, unterscheidet sich aber in der Ausbildung des Lagers innerhalb des Lagerkörpers 64 und in der Art, wie die axiale Vorspannung erzeugt wird. Soweit in Bezug auf den Linearstellantrieb 10 der 5A und 5B nichts anderes beschrieben ist, wird auf die Beschreibung der 2 bis 4 und ergänzend auf die Beschreibung der 1 Bezug genommen. Korrespondierende Teile sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
In der Ausgestaltung der 5A und 5B sind insbesondere der Adapterblock 40, die Schutzkappe 20, die Welle 12 und der auf der Welle sitzende Rotor 14 dargestellt. Die Welle 12 ist an ihrem ersten Ende in dem Kugellager 60 und an ihrem zweiten Ende in dem Lagerkörper 64 gelagert.
Ähnlich der 1 und abweichend von den 2 bis 4 weist in der Ausgestaltung der 5A und 5B die Welle 12 an ihrem zweiten, in der Zeichnung oberen Ende einen Lagerstift 66 auf, der koaxial zu der Welle 12 verläuft und mit der Welle 12 drehfest verbunden oder einstückig mit der Welle 12 ausgebildet ist. In dem gezeigten Beispiel weist der Lagerstift 66 an seinem freien Ende, dem oberen Ende in den Figuren, eine V-förmige oder trichterförmige Vertiefung 126 auf, in die eine gegenüberliegende kugelige Lagerfläche 128, die am Boden der Ausnehmung 68 gebildet ist, zu liegen kommt. Dadurch wird ein Spurkuppenlager oder Pivot-Lager gebildet.
Die Welle 12 mit dem Lagerstift 66 kann aus Metall, insbesondere Stahl hergestellt sein. Der Lagerkörper 64 kann zum Beispiel ein Spritzgussteil aus Kunststoff oder Metall, beispielsweise aus einem Sintermetall sein. Bei einem Lagerkörper 64 aus Kunststoff kann dieser im Bereich der Lagerfläche 128 verstärkt sein, beispielsweise durch Integration einer Metallkugel oder Metallfläche.
An dem ersten Ende der Welle 12, in den Figuren unten, ist die Welle 12 in dem Kugellager 60 gelagert, wobei ein Innenring des Kugellagers 60 auf die Welle aufgepresst ist und sein Außenring in dem Lagersitz 44 des Adapterkörpers 40 in Spielpassung aufgenommen ist. Der Sprengring 62 der vorhergehenden Ausgestaltungen ist nicht vorhanden. In dem Beispiel der 5A und 5B ist zwischen den Lagersitz 44 und das Kugellager 60 ein Federelement 130 einer Federeinheit 134 in Form einer Federscheibe eingefügt. Das Federelement 130 kann beispielsweise als Wellenfeder-Ring oder als Elastomerring ausgebildet sein. Der Wellenfeder-Ring kann zum Beispiel aus Metall, insbesondere Federstahl hergestellt sein. Der Elastomerring kann beispielsweise aus Silikonkautschuk hergestellt sein und ähnliche Federeigenschaften aufweisen wie das oben beschriebene Federelement 114.
Das ringförmige Federelement 130 erzeugt einen Druck zwischen dem Lagersitz 44 und dem in Spielpassung geführten Außenring des Kugellagers 60 und drückt somit den Außenring des Kugellagers 60 in Richtung des gegenüberliegenden Lagerkörpers 64. Dadurch wird eine axiale Vorspannung des Kugellagers 60 erzeugt und die Welle 12 in Richtung des Lagerkörpers 64 geschoben. Dabei kommt der kugelförmige Lagersitz 128 in der trichterförmigen Ausnehmung 126 am Stirnende des Lagerstiftes 66 zu liegen. Es entsteht ein radialer Formschluss zwischen dem zweiten, in der Zeichnung oberen Ende der Welle 12 und dem Lagerkörper 64, wodurch verhindert wird, dass die Welle im Betrieb in radialer Richtung ausschlägt. So entstehen eine axial ausgebildete Radialführung des Gleitlagers und gleichzeitig eine axiale Vorspannung des Kugellagers mittels des ringförmigen Federelementes 130. Dadurch ergibt sich insgesamt ein ruhiger und geräuscharmer Lauf des Linearstellantriebs. Eine zusätzliche Fixierung des Kugellagers 60 in dem Lagersitz 44 ist nicht nötig. Toleranzanforderungen an die Presspassung zwischen dem Innenring des Kugellagers 60 und der Welle 12 können reduziert werden. Die trichterförmige Vertiefung 126 hat den zusätzlichen Effekt, dass sie gegebenenfalls als Reservoir für im Lager entstehenden Abrieb dienen kann.
Die Erfindung schafft somit ein Antriebsvorrichtung für ein Ventil zur Steuerung eines Fluidstroms und eine zugehörige Ventileinrichtung, insbesondere zur Verwendung in einer Klimaanlage oder einem Kühlmittelkreislauf eines Kraftfahrzeuges und noch spezieller zur Steuerung eines CO₂-Kühlmittelstroms, die mit einfachen Mitteln Geräuschentwicklung im Betrieb des Linearstellantriebs vermeidet. Anforderungen an einen kompakten Aufbau können eingehalten werden.
Bezugszeichenliste

10: Linearstellantrieb
12: Welle
12': Rändel
14: Rotor
14': Rotorträger
14": Rotormagnet
16: Stator
16': Statorstack
16": Statorwicklung
18: Nutisolation
20: Trennkappe
20': Zylinderwand
20": Dom
30: Ventilblock
32: Kanal im Ventilblock
34: Ventilsitz
36: Dichtung
40: Adapterblock
44: Lagersitz
50: Stellglied
60: Kugellager
62: Sprengring
64: Lagerkörper
66: Lagerstift
68: Ausnehmung im Lagerkörper
70: Kopplungsglied
74: Schaft
78: Schneidkontakte, Steckkontakte
80: Steuereinheit
82: Leiterplatte
84: Steuerelektronik
86: Kontaktstecker
88: Ausnehmung in der Leiterplatte
90: Gehäuse
92: Gehäusegrundkörper
94: Gehäusedeckel
96: Flansch des Gehäusegrundkörpers
98: Ringdichtung
100: Wärmeschirm
102: Abschirmungsreservoir
104: Innengewinde
106: Außengewinde
110: Lagerbolzen
112: Bohrung in Welle
114: Federelement
116: Kontaktfläche des Punktlagers oder Spurkuppenlagers
118: Federelement
120, 122: Magnete
124: Federelement
126: Vertiefung in Lagerstift
128: Lagerfläche des Spurkuppenlagers
130: Federelement
132: Kragen
134: Federeinheit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017110343 A1 [0001]

Claims

Linearstellantrieb für ein Nadelventil zur Steuerung eines Fluidstroms, mit: einer Welle (12), die mit einem Elektromotor betrieblich gekoppelt ist, einem Kugellager (60) zur Lagerung der Welle (12) an einem ersten Ende der Welle (12), das einem Stellglied (50) zugewandt ist, und einem Lagerkörper (64) zur Gleitlagerung der Welle (12) an einem zweiten Ende, das von dem Stellglied (50) abgewandt ist, gekennzeichnet durch wenigstens eine Federeinheit (134) zur axialen Vorspannung der Welle (12).
Linearstellantrieb nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine Federeinheit (134) zumindest ein erstes Federelement (130) umfasst, das an dem ersten Ende der Welle (12) angeordnet ist und die Welle (12) in Richtung des zweiten Endes vorspannt.
Linearstellantrieb nach Anspruch 2, wobei das erste Federelement (130) als eine Federscheibe ausgebildet ist, die Druck gegen einen Außenring des Kugellagers (60) ausübt.
Linearstellantrieb nach Anspruch 2 oder 3, wobei das erste Federelement (130) als eine Metall-Wellenfeder, insbesondere aus Federstahl, oder als ein Elastomerring ausgebildet ist.
Linearstellantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die vorgespannte Welle (12) in dem Lagerkörper (64) mit radialem Formschluss gelagert ist.
Linearstellantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Welle (12) an ihrem zweiten Ende einen Lagerstift (66) aufweist, der bei nicht vorgespannter Welle (12) in dem Lagerkörper (64) mit axialem und/oder radialem Spiel aufgenommen ist.
Linearstellantrieb nach Anspruch 6, wobei der Lagerkörper (64) eine trichterförmige Vertiefung (126) an der Stirnseite des Lagerstifts (66) und ein gegenüberliegendes domförmiges Element (128) als Gegenlager aufweist.
Linearstellantrieb nach Anspruch 7, wobei das domförmige Element (128) eine Kugel oder ein Kugelsegment umfasst.
Linearstellantrieb nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Lagerkörper (64) Kunststoff aufweist und das domförmige Element (128) Metall aufweist.
Linearstellantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine Federeinheit (134) zumindest ein zweites Federelement (114; 118; 124) umfasst, das an dem zweiten Ende der Welle (12) angeordnet ist und die Welle (12) in Richtung des ersten Endes vorspannt.
Linearstellantrieb nach Anspruch 10, wobei das zweite Federelement (114; 118; 124) als eine Druckfeder, ein elastisches Element oder als ein sich abstoßendes Magnetpaar ausgebildet ist.
Linearstellantrieb nach Anspruch 10 oder 11, wobei das zweite Federelement (114; 118; 124) in einer in dem entsprechenden Stirnende der Welle (12) ausgebildeten Bohrung (112) aufgenommen ist.
Linearstellantrieb nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die nicht vorgespannte Welle (12) an ihrem zweiten Ende in dem Lagerkörper (64) mit radialem und/oder axialem Spiel gelagert ist.
Linearstellantrieb nach Anspruch 13, mit ferner einem Lagerbolzen (110), der koaxial zur Welle (12) in dem zweiten Ende der Welle (12) in axialer Richtung beweglich geführt ist.
Linearstellantrieb nach Anspruch 14, wobei das zweite Federelement (114; 118; 124) an dem der Welle (12) zugewandten Stirnende des Lagerbolzens (110) angeordnet ist.
Linearstellantrieb nach Anspruch 14 oder 15, wobei die vorgespannte Welle (12) in dem Lagerkörper (64) an dem von der Welle (12) abgewandten Stirnende des Lagerbolzens (110) im Punktkontakt oder in radialem Formschluss gelagert ist.
Linearstellantrieb nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei an dem zweiten Ende der Welle (12) ein Kragen (132) ausgebildet ist, der sich in den Lagerkörper (64) erstreckt und in dem der Lagerbolzen (110) geführt ist.
Linearstellantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Lagerkörper (64) konfiguriert ist, eine radiale Auslenkung der Welle (12) an dem zweiten Ende zu verringern, wenn die wenigstens eine Federeinheit (134) die axiale Vorspannung erzeugt.
Linearstellantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Innenring des Kugellagers (60) auf die Welle (12) aufgepresst ist.
Linearstellantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer fluiddichten Trennkappe (20), in dem die Welle (12) und ein Rotor (14) des Elektromotors aufgenommen sind.
Ventileinrichtung zur Steuerung eines Fluidstroms mit einem Linearstellantrieb nach Anspruch 20 und mit ferner einem Ventilblock (30), in dem ein Fluidkanal (32) und ein Stellglied (50) aufgenommen sind, und einem Adapterblock (40) zur Verbindung der Trennkappe (20) mit dem Ventilblock (30), wobei das Gleitlager in der Trennkappe (20) fixiert ist.
Ventileinrichtung nach Anspruch 21, wobei das Kugellager (60) in dem Adapterblock (40) in Spielpassung gehalten ist.
Ventileinrichtung nach Anspruch 21 oder 22, zur Steuerung eines CO2-Fluidstroms einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage oder eines Kraftfahrzeug-Kühlkreislaufs, wobei die Trennkappe (20) aus Metall, insbesondere Edelstahl, hergestellt und mit dem Adapterblock (40) fluiddicht verbunden ist.