DE102020104781A1

DE102020104781A1 - Ventil-Antriebsvorrichtung und Ventileinrichtung zur Steuerung eines Fluidstroms

Info

Publication number: DE102020104781A1
Application number: DE102020104781.9A
Authority: DE
Inventors: Daniel Nickel; Giovanni Biancuzzi
Original assignee: MinebeaMitsumi Inc
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2020-02-24
Filing date: 2020-02-24
Publication date: 2021-08-26
Also published as: CN113294578A

Abstract

Die Erfindung sieht eine Ventil-Antriebsvorrichtung zur Steuerung eines Fluidstroms vor, mit einem Linearstellantrieb, der eine Welle aufweist, die mit einem Elektromotor betrieblich gekoppelt ist, einer fluiddichten Trennkappe, in dem die Welle und ein Rotor des Elektromotors aufgenommen sind, einer Steuereinheit außerhalb der Trennkappe und einem Gehäuse, in dem der Linearstellantrieb, die Trennkappe und die Steuereinheit aufgenommen sind. Erfindungsgemäß weist das Gehäuse einen Wärmeschirm zwischen der Trennkappe und der Steuereinheit auf. Der Wärmeschirm kann eine an der Innenseite des Gehäuses angeformte oder angebrachte Wand aufweisen, wobei die Wand ein stirnseitiges geschlossenes Ende der Trennkappe in Umfangsrichtung umgeben kann.

Description

GEBIET
Die Erfindung betrifft eine Ventil-Antriebsvorrichtung zur Steuerung eines Fluidstroms gemäß dem Oberbegriff vom Patentanspruch 1. Eine solche Einrichtung 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.
Der Wärmeeintrag im Motorraum des Fahrzeuges wird maßgeblich durch den Antriebsmotor verursacht, der ein Verbrennungsmotor und/oder ein Elektromotor sein kann. Eine typische Temperatur des Kühlkreislaufs eines Kraftfahrzeuges im Dauerbetrieb liegt erfahrungsgemäß bei etwa 160 °C bis 165 °C und kurzzeitig bis zu 180°C. Ein Kühlkreislauf 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 kurzzeitig 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.
Je nach Umgebungstemperatur kann der Druck eingestellt werden, um das CO₂-Kühlmittel im flüssigen, gasförmigen oder überkritischen Zustand zu halten. Der überkritische Zustand wird ab einer Temperatur von etwa 30 °C und einem Druck von etwa 75 bar erreicht. Genauer liegt die kritische Temperatur von CO₂ bei 31 °C und der kritische Druck bei 74 bar. Die Eigenschaften von CO₂ im überkritischen Aggregatzustand liegen zwischen denen von Gas und Flüssigkeit. Überkritisches CO₂ ist genauso dicht wie eine Flüssigkeit, hat aber dieselbe Viskosität wie ein Gas. Überkritisches CO₂ ist somit dank seiner Fließfähigkeit eine überaus agile Substanz und hat seine Eignung als Kühlmittel bewiesen.
Um ein Kühlsystem oder eine Klimaanlage mit CO₂ betreiben zu können, müssen diese insgesamt für einen Betriebsdruck von bis zu 130 bar und für einen Berstdruck von 340 bar ausgelegt sein. Dies gilt auch für die Stelleinrichtungen im Kühlmittelkreislauf, einschließlich der Ventileinrichtungen.
Ein Kühlsystem eines Kraftfahrzeugs muss in der Lage sein, bei Temperaturen von etwa -40 °C bis etwa 165 °C und kurzzeitig bis 180 °C zu arbeiten, wobei ein Thermostatventil eines Kühlmittelkreislaufs je nach Fahrzeug und Motor in der Regel zwischen etwa 75 °C und 90 °C öffnet. Bei der Auslegung der Stelleinrichtungen ist jedoch 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.
Um den Wärmeeintrag in einen solchen Stellantrieb besser zu verstehen, soll eine beispielhafte Ventileinrichtung betrachtet werden.
Die Ventileinrichtung 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 Kühlmittelstroms.
Die Ventileinrichtung kann ferner einen Ventilblock, in dem ein Fluidkanal und das Verschlusselement aufgenommen sind, und einen Adapterblock zur Verbindung der Trennkappe mit dem Ventilblock aufweisen. Häufig sind der Ventilblock, der Adapterblock und die Trennkappe aus Metall hergestellt und übertragen somit Wärme von dem Kühlmittelstrom und dem elektrischen Antrieb auf andere Teile der Ventileinrichtung. Die Trennkappe verhindert, dass Kühlmittel, das durch den Ventilblock und den Adapterblock über ein Wellenlager bis zum Rotor vordringen kann, in den Bereich des Stators und der Steuereinheit gelangt.
der Wärmeeintrag in den Elektromotor innerhalb der Trennkappe erfolgt maßgeblich über das Kältemittel, so dass die Temperatur des Rotors im Betrieb dauerhaft beispielsweise bei etwa 165 °C und während Spitzen-Betriebszeiten kurzzeitig, beispielsweise während etwa 10 Minuten, sogar bis zu etwa 180 °C betragen kann. Grund hierfür ist, dass die Trennkappe von dem Kühlmittel durchflutet ist. Die Rotorbaugruppe gibt die Temperaturen an die Statorbaugruppe weiter. Der Stator erzeugt zusätzlich eine Eigenerwärmung, weshalb eine zusätzliche Temperaturerhöhung entstehen kann, die bei der Auslegung der Elektronik und des Gesamtsystems berücksichtigt werden muss. Aus Sicht der Steuereinheit stellt die Trennkappe eine Wärmequelle dar.
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 temperaturempfindliche Komponenten im Betrieb gegen Überhitzung geschützt sind. Diese Aufgabe wird durch eine Ventil-Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 und eine Ventileinrichtung nach Anspruch 13 gelöst. Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung sieht eine Ventil-Antriebsvorrichtung zur Steuerung eines Fluidstroms vor, mit einem Linearstellantrieb, der eine Welle aufweist, die mit einem Elektromotor betrieblich gekoppelt ist, einer fluiddichten Trennkappe oder Schutzkappe, in dem die Welle und ein Rotor des Elektromotors aufgenommen sind, einer Steuereinheit außerhalb der Trennkappe und einem Gehäuse, in dem der Linearstellantrieb, die Trennkappe und die Steuereinheit aufgenommen sind. Erfindungsgemäß weist das Gehäuse einen Wärmeschirm zwischen der Trennkappe und der Steuereinheit auf. Der Wärmeschirm kann eine an der Innenseite des Gehäuses angeformte oder angebrachte Wand aufweisen, wobei die Wand ein stirnseitiges geschlossenes Ende der Trennkappe in Umfangsrichtung umgeben kann.
Durch eine gesonderte Abschirmung der Trennkappe, welche den Rotor enthält, gegen die Steuereinheit kann die Steuereinheit gegen die Hitzequellen der Ventil-Antriebsvorrichtung abgeschirmt werden. Der Wärmeschirm zwischen der Trennkappe und der Steuereinheit dient als Schirm gegen sämtliche Wärme, die sich durch Wärmeleitung von dem Kühlmittel über die Trennkappe ausbreitet und von der Trennkappe als Wärmestrahlung abgegeben wird.
Eine besonders einfache und zweckmäßige Lösung besteht darin, den Wärmeschirm als Wand direkt an die Innenseite des Gehäuses anzuformen und so auszurichten, dass die Wand zwischen der Trennkappe und der Steuereinheit zu liegen kommt, ohne jedoch eine von diesen zu berühren. Der Wärmeschirm ist somit vorzugsweise mit Abstand zu der Trennkappe und der Steuereinheit angeordnet. Dieser Abstand dient als Montagetoleranzen und schafft einen zusätzlichen Isolationsabstand.
Der Wärmeschirm kann ebenso wie das Gehäuse aus Kunststoff, zum Beispiel Polyamid, hergestellt sein. Ferner kann das Gehäuse in einem Wandbereich, der die Trennkappe wenigstens teilweise überlappt, eine Öffnung aufweisen, um Wärme nach außen abzugeben. Alternativ oder zusätzlich kann das Gehäuse in einem Wandbereich, der die Trennkappe wenigstens teilweise überlappt, Metall aufweisen oder mit einem Metallkörper verbunden sein, um Wärme nach außen abzugeben.
Die Welle kann über ein Kugellager an einem ersten Ende der Welle, das einem Stellglied zugewandt ist, und über ein Gleitlager zur Lagerung der Welle an einem zweiten Ende, das von dem Stellglied abgewandt ist, mit axialem und/oder radialem Spiel gelagert sein. Die Lagerung der Welle mit Spiel erlaubt es bei dem beschriebenen Anwendungsbeispiel unterschiedliche thermische Ausdehnungen von Komponenten der Ventileinrichtung sowie Toleranzen im Betrieb auszugleichen. Ferner vermeidet die Lagerung mit Spiel eine Überbestimmung des Systems, wenn die Ventileinrichtung geschlossen ist und dabei das Stellglied gegen einen Ventilsitz zu liegen kommt. In einem Beispiel weist das Stellglied ein einen Ventilkolben eines Nadelventils auf.
Es wird ferner eine Ventileinrichtung vorgesehen mit einem Ventilblock, in dem ein Fluidkanal und ein Verschlusselement aufgenommen sind, und einem Adapterblock zur Verbindung der Trennkappe mit dem Ventilblock, wobei der Ventilblock, der Adapterblock und die Trennkappe aus Metall hergestellt sind oder Metall aufweisen und somit wärmeleitend sind.
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.

1 zeigt eine Schnittdarstellung durch eine Ventileinrichtung gemäß einem Beispiel;
2 zeigt eine Teil-Schnittdarstellung durch eine Ventil-Antriebsvorrichtung gemäß einem Beispiel; und
3 zeigt eine ähnliche Darstellung wie 2 in perspektivischer Ansicht zur Erläuterung der Temperaturverteilung.

AUSFÜHRLICHE 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 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 Linearantriebs 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 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 Lagersitze 44 gehalten sein. Ein Sprengring 62 kann das Kugellager 60 in dem Lagersitz 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 einteilig ausgebildet ist. Der Lagerstift 66 ist in einer zylindrischen Ausnehmung 68 in dem Lagerkörper 64 in Spielpassung geführt. Die zylindrischen 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 eine Spurkuppenlagerung oder Pivot-Lagerung gelagert. Hierzu ist an dem Boden der Ausnehmung 68 in dem Lagerkörper 64 eine kugelige oder domförmige Kontaktfläche 108 ausgebildet.
Der Lagerkörper 64 kann als Spritzgussteil aus Kunststoff, beispielsweise PPS (Polyphenylensulfid), hergestellt sein, wobei im Bereich des 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 Gehäusedeckel 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.
Die 2 und 3 zeigen jeweils eine Ventil-Antriebsvorrichtung der in 1 dargestellten Ventileinrichtung, die den Linearstellantrieb 10 enthält, in Seitenansicht und in perspektivische Ansicht. Die Ventil-Antriebsvorrichtung umfasst den Linearstellantrieb 10, der teilweise durch die Trennkappe 20 verdeckt ist, die Trennkappe 20, die Steuereinheit 80, den Adapterblock 40 und das Gehäuse 90 mit dem Gehäusegrundkörper 92 und dem Gehäusedeckel 94. Auf die detaillierte Beschreibung der 1 wird in vollem Umfang Bezug genommen. Der Übersichtlichkeit halber sind in den 2 und 3 nur die Hauptkomponenten der Ventil-Antriebsvorrichtung mit Bezugszeichen versehen.
In 2 ist die von der Trennkappe 20, insbesondere in ihrem oberen kuppelförmigen Bereich abgestrahlte Wärme schematisch dargestellt, wobei das Abschirmungsreservoir 102 durch Schraffur illustriert ist. Es ist erkennbar, dass der größte Teil der von der Trennkappe 20 abgestrahlten Wärme nach oben steigt und durch den Wärmeschirm 100 von der Steuereinheit 80 abgeschirmt wird. Dadurch kann der Wärmeeintrag in den Bereich der Steuereinheit 80 kontrolliert und reduziert werden, sodass es nicht zu temperaturbedingten Störungen oder Ausfällen der elektronischen Komponenten der Steuereinheit 80 kommt.
In einem Testaufbau wurden Temperaturmessungen an der erfindungsgemäßen Ventil-Antriebsvorrichtung mit dem Wärmeschirm 100 durchgeführt. In einer Klimakammer wurden Betriebsbedingungen simuliert, die dem Einsatz der Ventil-Antriebsvorrichtung in einem Motorraum eines Kraftfahrzeuges entsprechen, wobei angenommen wurde, dass die Ventil-Antriebsvorrichtung zur Steuerung eines CO₂-Kühlmittelstroms eingesetzt wird, der im Dauerbetrieb eine Temperatur in der Größenordnung von etwa 165 °C hat. Die Umgebungstemperatur des Motorraums wurde mit etwa 80 °C angenommen und in der Klimakammer entsprechend eingestellt
Messungen wurden in sechs Bereichen durchgeführt, die in 3 bei I bis VI illustriert sind. Der Bereich I entspricht der Umgebung der Ventil-Antriebsvorrichtung in dem Motorraum eines Kraftfahrzeuges, deren Temperatur mit 80 °C vorgegeben wurde. Der Bereich II entspricht dem Bereich im Inneren des Gehäuses 90, in dem die Steuereinheit 80 aufgenommen ist. Die an der Steuereinheit 80 gemessene Temperatur betrug in diesem Versuchsbeispielen ungefähr 90 °C.
Die höchste Temperatur der Ventil-Antriebsvorrichtung wurde im Bereich III gemessen, der an der Außenseite des Adapterblocks 40 angenommen wurde, wo der Adapterblock 40 mit dem das Kühlmittel führenden Ventilblock direkt in Kontakt ist. Die Temperatur des Adapterblocks im Bereich III betrug im Betrieb etwa 140 °C bis 150 °C. Ein weiterer Bereich IV wurde im Inneren des unteren Abschnitts der Trennkappe 20 definiert, wo die Trennkappe 20 mit dem Adapterblock 40 in Kontakt kommt. In diesem Bereich wird einerseits Wärme von dem Adapterblock 40 an die Trennkappe 20 abgegeben, andererseits erfolgt auch ein Wärmeeintrag durch den Stator 16 des Elektromotors. Die Temperaturmessung ergab eine Betriebstemperatur von ungefähr 130 °C im Bereich IV. Ein weiterer Bereich V wurde an der Außenseite des oberen Abschnitts der Trennkappe 20 definiert, also an dem Ende der Trennkappe 20, das von dem Adapterblock 40 entfernt ist und von dem Wärme in das Abschirmungsreservoir 102 abgegeben wird. Die Temperaturmessung an der Außenseite der Trennkappe 20 in dem Bereich V ergab eine Temperatur von ungefähr 110 °C bis 120 °C.
Die Temperatur an der Trennkappe 20 ergibt sich einerseits aus dem Wärmeeintrag durch das Kühlmittel, dessen Temperatur über den Ventilblock 30 und den Adapterblock 40 auf die Trennkappe 20 übergeleitet wird, und andererseits aus dem Betrieb des Elektromotors. Eine weitere Wärmequelle stellt die Umgebungsluft der Ventil-Antriebsvorrichtung in dem Motorraum eines Kraftfahrzeugs dar.
Ein weiterer Bereich VI für die Temperaturmessungen wurde im Inneren des Abschirmungsreservoirs 102, in der Nähe der Innenseite des Gehäusedeckels 94 definiert, wo der Gehäusedeckel 94 Wärme nach außen abstrahlt. Die Temperatur in diesem Bereich VI betrug im Betrieb ungefähr 110 °C.
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, also in dem Bereich VI, wäre. Mithilfe des Wärmeschirms kann somit die Temperatur in dem Bereich II, in dem die Steuereinheit 80 in dem Gehäuse 90 untergebracht ist, um ungefähr 20 °C im Vergleich zu einer Situation ohne Wärmeschirm gesenkt werden. In absoluten Zahlen liegt in dem gezeigten Beispiel die Temperatur im Bereich II bei ungefähr 90 °C, anstelle der ungefähr 110 °C im Bereich VI, also über der Trennkappe 20 innerhalb des Gehäuses 90. Temperaturen unter 100 °C sind für die meisten elektronischen Komponenten solcher Steuereinheiten unkritisch, sodass in der erfindungsgemäßen Ventil-Antriebsvorrichtung die Temperatur im Bereich der Steuereinheit unter den üblichen Betriebsbedingungen auf einer Temperatur gehalten werden kann, bei der regelmäßig keine Störungen auftreten.
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 die Wärmebelastung elektronischer Komponenten zur Steuerung der Antriebsvorrichtung minimiert. Durch einen integrierten Wärmeschirm an der Innenseite des Gehäusedeckels der Antriebsvorrichtung wird die Hitzequelle, die sich aus dem erwärmten Kühlmittel und/oder der Eigenerwärmung der Antriebsvorrichtung ergibt, gegen die elektronischen Komponenten der Steuereinheit abgeschirmt, somit werden die elektronischen Komponenten vor Wärmestrahlung geschützt. Der Gehäusedeckel kann so gestaltet sein, dass er die Wärme durch Wärmeleitung und/oder Wärmestrahlung an die Außenumgebung der Ventileinrichtung abgibt.
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
108: Kontaktfläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017110343 A1 [0001]

Claims

Ventil-Antriebsvorrichtung zur Steuerung eines Fluidstroms mit einem Linearstellantrieb (10), der eine Welle (12) aufweist, die mit einem Elektromotor betrieblich gekoppelt ist, einer fluiddichten Trennkappe (20), in dem die Welle (12) und ein Rotor (14) des Elektromotors aufgenommen sind, einer Steuereinheit (80) außerhalb der Trennkappe (20) und einem Gehäuse (90), in dem der Linearstellantrieb (10), die Trennkappe (20) und die Steuereinheit (80) aufgenommen sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (90) einen Wärmeschirm (100) zwischen der Trennkappe (20) und der Steuereinheit (80) aufweist.
Ventil-Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Wärmeschirm (100) eine an der Innenseite des Gehäuses (90) angeformte oder angebrachte Wand aufweist.
Ventil-Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Wärmeschirm (100) eine Wand aufweist, die ein stirnseitiges geschlossenes Ende der Trennkappe (20) in Umfangsrichtung umgibt.
Ventil-Antriebsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Wärmeschirm (100) aus Kunststoff, insbesondere Polyamid, hergestellt ist.
Ventil-Antriebsvorrichtung nach Anspruch 4, wobei das Gehäuse (90) in einem Wandbereich, der die Trennkappe (20) wenigstens teilweise überlappt, eine Öffnung aufweist, um Wärme nach außen abzugeben.
Ventil-Antriebsvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, wobei das Gehäuse (90) in einem Wandbereich, der die Trennkappe (20) wenigstens teilweise überlappt, Metall aufweist oder mit einem Metallkörper verbunden ist, um Wärme nach außen abzugeben.
Ventil-Antriebsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Wärmeschirm (100) mit Abstand zu der Trennkappe (20) und der Steuereinheit (80) angeordnet ist.
Ventil-Antriebsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Welle (12) an einem ersten Wellenende, das einem Stellglied (50) zugewandt ist, über ein Kugellager (60) und an einem zweiten Wellenende, das von dem Stellglied abgewandt ist, über ein Gleitlager zur Lagerung der Welle (12) mit axialem und/oder radialem Spiel gelagert ist.
Ventil-Antriebsvorrichtung nach Anspruch 8, wobei ein Innenring des Kugellagers (60) auf die Welle (12) aufgepresst ist.
Ventil-Antriebsvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Welle (12) an ihrem zweiten Ende in einem Lagerkörper (64) gelagert ist, wobei der Lagerkörper (64) in dem stirnseitigen Ende der Trennkappe (20) fixiert ist.
Ventil-Antriebsvorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Welle (12) in dem Lagerkörper (64) mit Spiel gelagert ist.
Ventil-Antriebsvorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Welle (12) in dem Lagerkörper (64) axial gelagert ist.
Ventileinrichtung mit einer Ventil-Antriebsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 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 der Ventilblock (30), der Adapterblock (40) und die Trennkappe (20) Metall aufweisen.
Ventileinrichtung nach Anspruch 13 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.
Ventileinrichtung nach Anspruch 13 oder 14, mit einem Stellglied (50), das einen Ventilkolben eines Nadelventils aufweist.