DE102022116088A1

DE102022116088A1 - Drehschieberventil

Info

Publication number: DE102022116088A1
Application number: DE102022116088.2A
Authority: DE
Inventors: Ringo Uhlendorf; Stephan Kernstett
Original assignee: Pierburg GmbH
Current assignee: Pierburg GmbH
Priority date: 2022-06-28
Filing date: 2022-06-28
Publication date: 2023-12-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Drehschieberventil (10) umfassend: ein Gehäuse (12) mit mehreren Ventilanschlüssen (1211-1213), eine Ventilkammer (14) mit mehreren Ventilkammeröffnungen (141-143), einen Ventilsitz (161,181,201), der an einer der Ventilkammeröffnungen (141-143) angeordnet ist, eine Antriebswelle (24), die sich in die Ventilkammer (14) hinein erstreckt, eine Drehschiebervorrichtung (28), die in der Ventilkammer (14) angeordnet ist und durch die Antriebswelle (24) rotatorisch bewegbar ist, mit einer Trägereinheit (281), die drehfest mit der Antriebswelle (24) verbunden ist, und einem Ventilkörper (282), der radial bewegbar an der Trägereinheit (281) angeordnet ist, und eine Ventilkörperführungsanordnung (30) mit einem Führungselement (303,304), das an dem Ventilkörper (282) befestigt ist, und einer Führungskulisse (301,302), die sich in Umfangsrichtung der Antriebswelle (24) erstreckt und über die das Führungselement (303,304) bei einer Rotation der Drehschiebervorrichtung (28) zwangsgeführt ist, wobei die Führungskulisse (301,302) eine im Wesentlichen kreisbogenförmige Grundkontur (3011,3021) und eine von der Grundkontur (3011,3021) abweichende Andrückkontur (3012-3014,3022-3024) aufweist, wobei die Andrückkontur (3012-3014,3022-3024), betrachtet in einer Projektion auf eine senkrecht zu einer axialen Richtung der Antriebswelle (24) stehende Querebene, radial gegenüberliegend zu dem Ventilsitz (161,181,201) angeordnet ist, und wobei die Führungskulisse (301,302) im Bereich der Andrückkontur (3012-3014,3022-3024) einen größeren radialen Abstand zu der Antriebswelle (24) aufweist als im Bereich der Grundkontur (3011,3021).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Drehschieberventil umfassend: ein Gehäuse mit mehreren Ventilanschlüssen, eine Ventilkammer, die in dem Gehäuse ausgebildet ist und mehrere Ventilkammeröffnungen aufweist, die jeweils mit einem der Ventilanschlüsse verbunden sind, einen Ventilsitz, der an einer der Ventilkammeröffnungen angeordnet ist, eine Antriebswelle, die drehbar in dem Gehäuse gelagert ist und sich in die Ventilkammer hinein erstreckt, und eine Drehschiebervorrichtung, die in der Ventilkammer angeordnet ist und durch die Antriebswelle rotatorisch bewegbar ist. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Mehrwegedrehschieberventil zur Steuerung der Luftzufuhr zu Kathode einer Brennstoffzelle.
Wenn nicht anders definiert, beziehen sich die Angaben „axial“, „radial“ und „quer“ im Folgenden jeweils auf die Antriebswelle des Drehschieberventils. Im Speziellen ist im Folgenden, wenn nicht anders angegeben, eine axiale Richtung parallel zu einer Drehachse der Antriebswelle, eine radiale Richtung senkrecht zu der Drehachse der Antriebswelle, und eine Querebene quer zu der Drehachse der Antriebswelle.
Aus der CN 103016776 B ist ein Drehschieberventil mit einer mehrteiligen Drehschiebervorrichtung bekannt. Die Drehschiebervorrichtung umfasst eine Trägereinheit, die drehfest mit der Antriebswelle verbunden ist und zwei Ventilkörper, die jeweils radial bewegbar an der Trägereinheit angeordnet sind. Das Drehschieberventil umfasst zwei Ventilkörperführungsanordnungen, die jeweils einem der Ventilkörper zugeordnet sind. Die Ventilkörperführungsanordnungen umfassen jeweils zwei Führungselemente, die an dem entsprechenden Ventilkörper befestigt sind, und zwei Führungskulissen, die sich jeweils in Umfangsrichtung der Antriebswelle erstrecken und über die jeweils eines der beiden Führungselemente bei einer Rotation der Drehschiebervorrichtung zwangsgeführt ist. Die Ventilkörperführungsanordnungen sind hierbei derart ausgebildet, dass die beiden Ventilkörper bei einer Drehung der Drehschiebervorrichtung in Richtung einer Schließstellung über die entsprechenden zwangsgeführten Führungselemente jeweils kontinuierlich nach radial außen bewegt werden und somit bei Erreichen der Schließstellung an einen der beiden Ventilsitze angedrückt werden. Durch das radiale Andrücken der Ventilkörper an die Ventilsitze können diese besonders dicht verschlossen werden.
Bei dem beschriebenen Drehschieberventil sind die Ventilkörper beim Öffnen und Schließen jedoch jeweils über einen relativ großen Drehwinkelbereich in reibendem Kontakt mit dem jeweiligen Ventilsitz, wodurch einerseits ein ausgeprägter Verschleiß an den Ventilsitzen und/oder den Ventilkörpern verursacht wird und andererseits das zum Verdrehen der Drehschiebervorrichtung benötigte Stelldrehmoment erhöht wird.
Es stellt sich vor diesem Hintergrund die Aufgabe, ein leichtgängiges, verschleißarmes und hochdichtes Drehschieberventil zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein Drehschieberventil mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Drehschieberventil umfasst ein Gehäuse, das mehrere Ventilanschlüsse aufweist und in dem eine Ventilkammer mit mehreren Ventilkammeröffnungen ausgebildet ist, wobei jede Ventilkammeröffnung strömungstechnisch mit mindestens einem der Ventilanschlüsse verbunden ist. Das Gehäuse weist im Speziellen mindestens einen Ventilanschluss auf, der als strömungstechnischer Einlass ausgebildet ist, und mindestens einen Ventilanschluss auf, der als strömungstechnischer Auslass ausgebildet ist. Typischerweise umfasst die Ventilkammer eine der Anzahl der Ventilanschlüsse entsprechende Anzahl von Ventilkammeröffnung, sodass jede Ventilkammeröffnung mit genau einem der Ventilanschlüsse verbunden ist. Die Ventilkammer ist strömungstechnisch zwischen dem mindestens einen Einlass und dem mindestens einen Auslass angeordnet, sodass ein Fluid von dem mindestens einen Einlass durch die Ventilkammer zu dem mindestens einen Auslass fließen kann. Vorzugsweise umfasst das Drehschieberventil genau drei Ventilanschlüsse und genau drei Ventilkammeröffnungen, wobei genau ein Ventilanschluss, als strömungstechnischer Einlass ausgebildet ist, und genau zwei Ventilanschlüsse, als strömungstechnischer Auslass ausgebildet sind. Hierbei sind die drei Ventilkammeröffnungen vorzugsweise bezogen auf eine Umfangsrichtung einer Antriebswelle des Drehschieberventils in einem Umfangswinkelabstand von näherungsweise 90° angeordnet, sodass die mit dem Einlass verbundene Ventilkammeröffnung und eine mit einem ersten Auslass verbundene Ventilkammeröffnung direkt gegenüberliegend angeordnet sind und eine mit dem zweiten Auslass verbundene Ventilkammeröffnung bezogen auf die Umfangsrichtung der Antriebswelle im Wesentlichen mittig zwischen der mit dem Einlass verbundenen Ventilkammeröffnung und mit dem ersten Auslass verbundenen Ventilkammeröffnung angeordnet ist. Das Gehäuse kann grundsätzlich einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein. Vorzugsweise ist das Gehäuse jedoch mehrteilig ausgebildet und umfasst zumindest einen Gehäusegrundkörper, in dem die Ventilkammer ausgebildet ist, und einen an dem Gehäusegrundkörper angeordneten, die Ventilkammer verschließenden Ventilkammerdeckel.
Das erfindungsgemäße Drehschieberventil umfasst mindestens einen Ventilsitz, der an einer der Ventilkammeröffnungen angeordnet ist. Der mindestens eine Ventilsitz ist hierbei derart ausgebildet, dass durch einen mit dem Ventilsitz zusammenwirkenden Ventilkörper ein Durchströmen der jeweiligen Ventilkammeröffnung idealerweise vollständig verhindert oder zumindest signifikant reduziert werden kann. Im Allgemeinen ist der mindestens eine Ventilsitz ringförmig ausgebildet, wobei eine Ringöffnung des Ventilsitzes der jeweiligen Ventilkammeröffnung strömungstechnisch mit der jeweiligen Ventilkammeröffnung verbunden ist oder durch die jeweilige Ventilkammeröffnung gebildet ist. Der Ventilsitz kann durch das Gehäuse selbst oder durch ein separates, an dem Gehäuse angeordnetes Element gebildet sein.
Das erfindungsgemäße Drehschieberventil umfasst eine Antriebswelle, die drehbar in dem Gehäuse gelagert ist und sich in die Ventilkammer hinein erstreckt. Die Antriebswelle kann in der Ventilkammer enden oder kann sich durch die gesamte Ventilkammer hindurch erstrecken. Die Antriebswelle ist vorzugsweise mit einem elektromotorischen Ventilantrieb wirkverbunden, sodass ein Drehwinkel der Antriebswelle über den elektromotorischen Ventilantrieb elektrisch einstellbar ist. Es ist jedoch grundsätzlich auch vorstellbar, dass die Antriebswelle mit einem andersartigen Ventilantrieb oder einem manuell zu betätigenden Stellelement, wie beispielsweise ein Hebel oder eine Kurbel, wirkverbunden ist.
Das erfindungsgemäße Drehschieberventil umfasst eine mehrteilige Drehschiebervorrichtung, die in der Ventilkammer angeordnet ist und durch die Antriebswelle rotatorisch bewegbar ist, derart, dass ein Drehwinkel der Drehschiebervorrichtung über den Drehwinkel der Antriebswelle eingestellt werden kann. Die Drehschiebervorrichtung umfasst im Speziellen eine Trägereinheit, die drehfest mit der Antriebswelle verbunden ist, und mindestens einen, vorzugsweise genau einen, Ventilkörper, der an der Trägereinheit angeordnet ist. Der mindestens eine Ventilkörper ist hierbei derart an der Trägereinheit angeordnet, dass sich der mindestens eine Ventilkörper bei einer Drehung der Antriebswelle mit der Trägereinheit in Umfangsrichtung der Antriebswelle mitbewegt, also in Umfangsrichtung der Antriebswelle durch die Trägereinheit geführt ist, aber radial bezüglich der Trägereinheit bewegbar ist. Vorteilhafterweise ist der mindestens eine Ventilkörper derart an der Trägereinheit angeordnet, dass ein Verkippen des Ventilkörpers relativ zu der Trägereinheit um eine axiale Achse verhindert wird.
Das erfindungsgemäße Drehschieberventil umfasst eine Ventilkörperführungsanordnung mit mindestens einem Führungselement, das an dem Ventilkörper befestigt ist, also fest mit dem Ventilkörper verbunden ist, und mit mindestens einer feststehenden Führungskulisse, die sich in Umfangsrichtung der Antriebswelle erstreckt und über die das mindestens eine Führungselement bei einer Rotation der Drehschiebervorrichtung zwangsgeführt ist. Die Ventilkörperführungsanordnung ist also derart ausgebildet, das für jeden möglichen Drehwinkel, also für jede mögliche rotatorische Lage, der Drehschiebervorrichtung eine radiale Position des mindestens einen Führungselements, und damit eine radiale Lage des mit dem mindestens einen Führungselement fest verbundenen Ventilkörpers, durch die mindestens eine Führungskulisse festgelegt ist. Das Führungselement kann einstückig mit dem Ventilkörper ausgebildet sein, oder kann ein separates, an dem Ventilkörper befestigtes Teil sein. Die Führungskulisse ist vorzugsweise durch das Gehäuse gebildet. Es ist jedoch grundsätzlich auch vorstellbar, dass die Führungskulisse durch ein separates, an dem Gehäuse befestigtes Teil gebildet ist. Die Führungskulisse ist typischerweise axial benachbart zu dem Ventilkörper angeordnet und weist typischerweise mindestens eine Führungsfläche auf, die sich parallel zu der axialen Richtung der Antriebswelle erstreckt. Das Führungselement steht typischerweise axial von dem Ventilkörper hervor.
Unter einer Kontur der Führungskulisse ist im Sinne der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein durch die Führungskulisse beschriebener Führungsverlauf zu verstehen. Bei einer Führungskulisse mit einer einzigen Führungswand entspricht die Kontur der Führungskulisse der Kontur der Führungswand. Bei einer Führungskulisse mit zwei parallel zueinander verlaufenden Führungswänden, beispielsweise bei einer durch eine Führungsnut gebildeten Führungskulisse, kann unter der Kontur der Führungskulisse wahlweise die Kontur der radial inneren Führungswand oder der radial äußeren Führungswand verstanden werden.
Erfindungsgemäß weist die Führungskulisse eine im Wesentlichen kreisbogenförmige Grundkontur und eine von der Grundkontur abweichende Andrückkontur auf, wobei die Führungskulisse im Bereich der Andrückkontur einen größeren radialen Abstand zu der Antriebswelle aufweist als im Bereich der Grundkontur. Die erfindungsgemäße Führungskulisse verläuft also im Bereich der Andrückkontur weiter radial außen als im Bereich der Grundkontur, sodass das durch die Führungskulisse zwangsgeführte Führungselement und folglich auch der mit dem Führungselement fest verbundene Ventilkörper im Bereich der Andrückkontur weiter radial außen angeordnet ist als im Bereich der Grundkontur.
Die Andrückkontur ist hierbei, betrachtet in einer Projektion auf eine senkrecht zu einer axialen Richtung der Antriebswelle stehende Querebene, radial gegenüberliegend zu dem Ventilsitz angeordnet. Vorzugsweise sind die Andrückkontur und der Ventilsitz bezogen auf die Umfangsrichtung der Antriebswelle zentriert angeordnet, also, betrachtet in der Projektion auf die Querebene, eine Mitte der Andrückkontur und eine Mitte des Ventilsitzes im Wesentlichen an der gleichen Umfangswinkelposition bezogen auf die Antriebswelle, also radial fluchtend, angeordnet. Folglich wird der mit dem Führungselement fest verbundene Ventilkörper durch die Andrückkontur der Führungskulisse genau dann nach radial außen bewegt, wenn der Ventilkörper gegenüberliegend zu dem Ventilsitz angeordnet ist. Wenn der Ventilkörper hingegen nicht gegenüberliegend zu dem Ventilsitz angeordnet ist, wird der Ventilkörper durch die Grundkontur der Führungskulisse in einem definierten radialen Abstand zu dem Ventilsitz und dem Gehäuse geführt.
Durch die erfindungsgemäße Ventilkörperführungsanordnung wird der Ventilkörper also einerseits radial an den Ventilsitz angedrückt, wodurch der Ventilsitz besonders dicht verschlossen wird, und andererseits in einem definierten Abstand zu dem Ventilsitz und dem Gehäuse geführt, wodurch ein Verschleiß des Ventilsitzes und/oder des Ventilkörpers sowie ein zum Verdrehen der Drehschiebervorrichtung benötigtes Stelldrehmoment reduziert werden. Dies schafft ein leichtgängiges, verschleißarmes und hochdichtes Drehschieberventil.
Grundsätzlich kann der mindestens eine Ventilkörper auf jede beliebige Art und Weise in radialer Richtung der Antriebswelle bewegbar an der Trägereinheit angeordnet sein. Vorzugsweise ist der mindestens eine Ventilkörper jedoch radial verschiebbar an der Trägereinheit gelagert. Dies schafft eine einfach zu montierende Drehschiebervorrichtung. Die lineare Verschiebung des Ventilkörpers ermöglicht ein besonders zuverlässiges und dichtes Verschließen des Ventilsitzes durch den Ventilkörper.
Vorzugsweise weisen der Ventilkörper und die Trägereinheit korrespondierende Gleitlagerstrukturen auf, über die der Ventilkörper radial verschiebbar an der Trägereinheit gelagert ist, wobei die Gleitlagerstrukturen einen Formschluss in beide Umfangsrichtungen der Antriebswelle zwischen dem Ventilkörper und der Trägereinheit bilden. Vorteilhafterweise umfassen die Gleitlagerstrukturen hierbei jeweils mindestens zwei Gleitflächen, die parallel zu der axialen Richtung der Antriebswelle verlaufen und den Formschluss in Umfangsrichtung der Antriebswelle bilden. Dadurch, dass die Gleitlagerstrukturen einen Formschluss in beide Umfangsrichtungen bilden, wird der Ventilkörper bei der Rotation der Antriebswelle durch die Trägereinheit mitgedreht, ohne dass hierfür zusätzliche Verbindungsmittel vorgesehen werden müssen. Durch die parallel zu der axialen Richtung der Antriebswelle verlaufenden Gleitflächen der Gleitlagerstrukturen kann ferner auch ein Verkippen des Ventilkörpers relativ zu der Trägereinheit um eine axiale Achse verhindert werden.
Vorzugsweise bilden die Gleitlagerstrukturen ferner einen Formschluss in beide axialen Richtungen der Antriebswelle zwischen dem Ventilkörper und der Trägereinheit. Vorzugsweise umfassen die Gleitlagerstrukturen hierbei jeweils mindestens zwei senkrecht zu der axialen Richtung der Antriebswelle verlaufende Gleitflächen, die den Formschluss in beide axialen Richtungen bilden. Hierdurch ist der Ventilkörper axial durch die Trägereinheit gehalten, sodass für die axiale Lagerung des Ventilkörpers keine zusätzlichen Lagermittel vorgesehen werden müssen.
Vorzugsweise ist die Führungskulisse durch eine Führungsnut gebildet, in die das Führungselement eintaucht. Durch die radial gegenüberliegenden, im Wesentlichen parallel verlaufenden Führungsflächen der Nut kann das Führungselement bei der Rotation der Drehschiebervorrichtung auf einfache Weise und zuverlässig zwangsgeführt werden.
Vorzugsweise umfasst das Gehäuse einen Ventilkammerdeckel, der die Ventilkammer, typischerweise auf einer axialen Seite, verschließt, und ist die Führungskulisse an dem Ventilkammerdeckel ausgebildet. Dies ermöglicht es, die Führungskulisse und das Führungselement bei der Montage auf einfache Weise zusammenzuführen, und schafft daher ein einfach zu montierendes Drehschieberventil.
Vorzugsweise ist das Führungselement kugelförmig ausgebildet. Hierbei ist unter einem kugelförmigen Führungselement im Sinne der vorliegenden Erfindung explizit auch ein Führungselement zu verstehen, das grundsätzlich kugelförmig ist, jedoch an einem oder beiden axialen Enden flach ausgebildet ist. Ferner kann das kugelförmige Führungselement grundsätzlich auch eine Bohrung aufweisen. Unter einem kugelförmigen Führungselement im Sinne der vorliegenden Erfindung ist also explizit auch ein kugelscheibenförmiges Führungselement, ein kugelsegmentförmiges Führungselement und ein kugelringförmiges Führungselement zu verstehen. Das kugelförmige Führungselement weist nur eine relativ kleine Kontaktfläche mit der Führungskulisse auf, wodurch eine besonders reibungsarme Zwangsführung des Führungselements über die Führungskulisse realisiert werden kann. Das kugelförmige Führungselement ist typischerweise ein separates Teil, das, beispielsweise über einen Stift, an dem Ventilkörper befestigt ist.
Um ein besonders verschleißarmes Drehschieberventil zu schaffen, weist jede Andrückkontur vorzugsweise eine Erstreckung in Umfangsrichtung der Antriebswelle von maximal 30°, besonders bevorzugt von maximal 25°, auf.
Vorzugsweise ist der Ventilsitz kreisringförmig ausgebildet und umfasst der Ventilkörper eine Dichtfläche, die die Form eines Ausschnitts einer Kugelmantelfläche aufweist. Dies ermöglicht auch bei nicht idealer Ausrichtung des Ventilkörpers bezogen auf den Ventilsitz, beispielsweise aufgrund von Fertigungstoleranzen oder eines leicht verkippten Ventilkörpers, ein zuverlässiges Verschließen des Ventilsitzes durch den Ventilkörper.
Vorzugsweise ist der Ventilsitz durch eine aus einem elastischen Material bestehende Dichtung gebildet, die an der entsprechenden Ventilkammeröffnung angeordnet ist. Dies ermöglicht ein besonders dichtes und verschleißarmes Verschließen des Ventilsitzes durch den Ventilkörper. Die Dichtung besteht vorzugsweise aus einem Elastomer und ist vorzugsweise ein Lippendichtring.
Vorzugsweise ist das Drehschieberventil ein Mehrwegedrehschieberventil, wobei das Gehäuse mindestens drei Ventilanschlüsse aufweist und die Ventilkammer mindestens drei Ventilkammeröffnungen aufweist.
Vorzugsweise umfasst das erfindungsgemäße Drehschieberventil mindestens zwei Ventilsitze, wobei die Führungskulisse eine der Anzahl der Ventilsitze entsprechende Anzahl von Andrückkonturen aufweist, die jeweils, betrachtet in der Projektion auf die Querebene, radial gegenüberliegend zu einem der Ventilsitze angeordnet sind. Besonders bevorzugt ist eine der Anzahl von Ventilkammeröffnungen entsprechende Anzahl von Ventilsitzen vorhanden, sodass an jeder der Ventilkammeröffnungen ein Ventilsitz angeordnet ist. Dies schafft ein vielseitig einsetzbares Drehschieberventil.
Vorzugsweise weist die Drehschiebervorrichtung, in einer parallel zu der axialen Richtung der Antriebswelle verlaufenden und eine Drehachse der Antriebswelle umfassenden Schnittebene, eine im Wesentlichen U-förmige Querschnittsform auf. Die Drehschiebervorrichtung ist hierbei über U-Schenkelenden mit der Antriebswelle verbunden, sodass ein zentraler Bereich der Ventilkammer, unabhängig von der jeweiligen Drehwinkelstellung der Drehschiebervorrichtung stets durchströmbar ist. Dies schafft ein Drehschieberventil mit einem relativ geringen Strömungswiderstand zwischen nicht durch die Drehschiebervorrichtung verschlossenen Ventilanschlüssen.
Vorzugsweise sind das Führungselement und die Führungskulisse an einer ersten axialen Seite der Drehschiebervorrichtung angeordnet, und umfasst die Ventilkörperführungsanordnung ein weiteres Führungselement, das an einer der ersten axialen Seite gegenüberliegenden zweiten axialen Seite der Drehschiebervorrichtung an dem Ventilkörper befestigt ist, und eine weitere Führungskulisse, die an der zweiten axialen Seite der Drehschiebervorrichtung angeordnet ist, sich in Umfangsrichtung der Antriebswelle erstreckt, und über die das weitere Führungselement bei einer Rotation der Drehschiebervorrichtung zwangsgeführt ist. Dies ermöglicht, insbesondere bei einem radial verschiebbaren Ventilkörper, eine besonders gleichförmige radiale Bewegung des Ventilkörpers und somit ein besonders zuverlässiges verschließen des Ventilsitzes durch den Ventilkörper.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Figuren beschrieben. Hierbei zeigt:

1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Drehschieberventils,
2 das Drehschieberventil aus 1 in parallel zu einer axialen Richtung geschnittener Darstellung,
3 eine Oberseitenansicht eines quer zu der axialen Richtung geschnittenen Gehäuses des Drehschieberventils aus 1, wobei eine in einer Gehäusebodenwand ausgebildete Führungsnut erkennbar ist,
4 eine Unterseitenansicht des quer zu der axialen Richtung geschnittenen Gehäuses aus 3, wobei eine an einem Ventilkammerdeckel ausgebildete Führungsnut erkennbar ist,
5 eine Oberseitenansicht des Gehäuses aus den 3 und 4 in einem geöffneten Zustand, wobei eine Ventilkammer mit einer darin angeordneten Drehschiebervorrichtung erkennbar ist,
6 eine Vorderseite einer Trägereinheit der Drehschiebervorrichtung aus 5, wobei eine Gleitlagerstruktur der Trägereinheit erkennbar ist, und
7 eine Rückseite eines Ventilkörpers der Drehschiebervorrichtung aus 5, wobei eine Gleitlagerstruktur des Ventilkörpers erkennbar ist.

Die Figuren zeigen ein erfindungsgemäßes Drehschieberventil 10, das als Mehrwegedrehschieberventil ausgebildet ist. Das Drehschieberventil 10 kann insbesondere zur Steuerung der Luftzufuhr zu einer Kathode einer nicht dargestellten Brennstoffzelle verwendet werden.
Das Drehschieberventil 10 umfasst ein Gehäuse 12 mit einem ersten Gehäuseteil 121, einem zweiten Gehäuseteil 122 und einem dritten Gehäuseteil 123.
An dem ersten Gehäuseteil 121 sind drei Ventilanschlüsse 1211-1213 ausgebildet. Beispielsweise kann der erste Ventilanschluss 1211 mit einer Frischluftzufuhr für die Brennstoffzelle verbunden sein, der zweite Ventilanschluss 1212 mit einem Befeuchterbypasskanal der Brennstoffzelle verbunden sein, und der dritte Ventilanschluss 1213 mit einem Brennstoffzellenstack der Brennstoffzelle verbunden sein.
Der erste Ventilanschluss 1211 und der dritte Ventilanschluss 1213 sind gegenüberliegend zueinander angeordnet, und der zweite Ventilanschluss 1212 ist in einem Winkel von jeweils näherungsweise 90° zu dem ersten Ventilanschluss 1213 und zu dem dritten Ventilanschluss 1213 angeordnet.
In dem ersten Gehäuseteil 121 ist eine Ventilkammer 14 mit drei kreisförmigen Ventilkammeröffnungen 141-143 ausgebildet. Die Ventilkammer 14 ist auf einer axialen Oberseite durch einen von dem zweiten Gehäuseteil 122 gebildeten Ventilkammerdeckel 1221 verschlossen.
Die erste Ventilkammeröffnung 141 ist radial fluchtend mit dem ersten Ventilanschluss 1211 angeordnet und mit dem ersten Ventilanschluss 1211 verbunden. Die zweite Ventilkammeröffnung 142 ist radial fluchtend mit dem zweiten Ventilanschluss 1212 angeordnet und mit dem zweiten Ventilanschluss 1212 verbunden. Die dritte Ventilkammeröffnung 143 ist radial fluchtend mit dem dritten Ventilanschluss 1213 angeordnet und mit dem dritten Ventilanschluss 1213 verbunden.
An jeder der drei Ventilkammeröffnungen 141-143 ist jeweils eine als Lippendichtring ausgebildete Dichtung 16,18,20 angeordnet. Die erste Dichtung 16 ist an der ersten Ventilkammeröffnung 141 angeordnet und bildet einen kreisringförmigen ersten Ventilsitz 161. Die zweite Dichtung 18 ist an der zweiten Ventilkammeröffnung 142 angeordnet und bildet einen kreisringförmigen zweiten Ventilsitz 181. Die dritte Dichtung 20 ist an der dritten Ventilkammeröffnung 143 angeordnet und bildet einen kreisringförmigen dritten Ventilsitz 201.
Das Drehschieberventil 10 umfasst einen hier nicht näher beschriebenen Ventilantrieb 22, durch den eine drehbar in dem Gehäuse 12 gelagerte Antriebswelle 24 rotatorisch angetrieben werden kann. Der Ventilantrieb 22 ist in einer durch das zweite Gehäuseteil 122 und das dritte Gehäuseteil 123 gebildeten Antriebskammer 26 angeordnet. Die Antriebswelle 24 erstreckt sich aus der Antriebskammer 26 durch den Ventilkammerdeckel 1221 hindurch in die Ventilkammer 14 hinein und durch die gesamte Ventilkammer 14 hindurch.
Das Drehschieberventil 10 umfasst eine Drehschiebervorrichtung 28 mit einer Trägereinheit 281 und einem Ventilkörper 282, der radial verschiebbar an der Trägereinheit gelagert ist. Die Drehschiebervorrichtung 28 ist in der Ventilkammer 14 angeordnet und drehfest mit der Antriebswelle 24 verbunden. Die Drehschiebervorrichtung 28 ist also durch die Antriebswelle 24 rotatorisch in Umfangsrichtung der Antriebswelle 24 bewegbar. Die Drehschiebervorrichtung 28 weist, wie in 2 erkennbar, eine Querschnittsform auf, die im Wesentlichen der Form eines auf der Seite liegenden „U“ entspricht.
Die Trägereinheit 281 umfasst einen im Wesentlichen schalenförmigen Hauptabschnitt 2814 und zwei Verbindungsabschnitte 2811,2812, wobei die Verbindungsabschnitte 2811,2812 an gegenüberliegenden axialen Enden des Hauptabschnitts 2814 angeordnet sind und jeweils, betrachtet im Querschnitt der Drehschiebervorrichtung 28, einen der U-Schenkel der U-förmigen Drehschiebervorrichtung 28 bilden. Der erste Verbindungsabschnitt 2811 ist an der Antriebswelle 24 befestigt, und der zweite Verbindungsabschnitt 2812 liegt an der Antriebswelle 24 an.
Der Ventilkörper 282 ist im Wesentlichen schalenförmig ausgebildet und weist auf einer von der Trägereinheit 281 abgewandten Vorderseite eine Dichtfläche 2821 in Form eines Ausschnitts einer Kugelmantelfläche auf.
Die Trägereinheit 281 und der Ventilkörper 282 weisen korrespondierend zueinander ausgebildete Gleitlagerstrukturen 2813,2822 auf, über die der Ventilkörper 282 radial verschiebbar an der Trägereinheit 281 gelagert ist. Die erste Gleitlagerstruktur 2813 ist auf einer dem Ventilkörper 282 zugewandten Vorderseite des Hauptabschnitts 2814 der Trägereinheit 281 ausgebildet, und die zweite Gleitlagerstruktur 2822 ist auf einer der Trägereinheit 281 zugewandten Rückseite des Ventilkörpers 282 ausgebildet. Die Gleitlagerstrukturen 2813,2822 weisen jeweils mehrere senkrecht zu der axialen Richtung der Antriebswelle 24 verlaufende horizontale Gleitflächen 28131,28221 auf, wobei die horizontalen Gleitflächen 28221 des Ventilkörpers 282 axial an den horizontalen Gleitflächen 28131 der Trägereinheit 281 anliegen. Die Gleitlagerstrukturen 2813,2822 weisen ferner jeweils mehre parallel zu der axialen Richtung der Antriebswelle 24 verlaufende vertikale Gleitflächen 28132,28222 auf, wobei die vertikalen Gleitflächen 28222 des Ventilkörpers 282 lateral an den vertikalen Gleitflächen 28132 der Trägereinheit anliegen. Die Gleitlagerstrukturen 2813,2822 bilden zwischen der Trägereinheit 281 und dem Ventilkörper 282 sowohl einen Formschluss in beiden axialen Richtungen als auch in beiden Umfangsrichtungen der Antriebswelle 24.
Das Drehschieberventil 10 umfasst eine Ventilkörperführungsanordnung 30 zur radialen Führung des Ventilkörpers 282 bei einer Rotation der Drehschiebervorrichtung 28. Die Ventilkörperführungsanordnung 30 umfasst zwei Führungskulissen 301,302, die sich jeweils in Umfangsrichtung der Antriebswelle 24 erstrecken, und zwei Führungselemente 303,304, die jeweils an dem Ventilkörper 282 befestigt sind.
Die erste Führungskulisse 301 ist durch eine an dem Ventildeckel 1221 ausgebildete erste Führungsnut 12211 gebildet und somit an einer axialen Oberseite der Drehschiebervorrichtung 28 angeordnet. Die zweite Führungskulisse 302 ist durch eine in einer Gehäusebodenwand 1214 des ersten Gehäuseteils 121 ausgebildete zweite Führungsnut 12141 gebildet und somit an einer axialen Unterseite der Drehschiebervorrichtung 28 angeordnet.
Die zwei Führungskulissen 301,302 sind korrespondierend zueinander ausgebildet, also, betrachtet in einer Projektion auf eine senkrecht zu der Antriebswelle 24 stehende Querebene, im Wesentlichen deckungsgleich. Beide Führungskulissen 301,302 weisen jeweils eine im Wesentlichen kreisbogenförmige Grundkontur 3011,3021 auf. Beide Führungskulissen 301,302 weisen ferner jeweils drei von der jeweiligen Grundkontur 3011,3021 abweichende Andrückkonturen 3012-3014,3022-3024 auf, wobei die jeweilige Führungskulisse 301,302 im Bereich der Andrückkonturen 3012-3014,3022-3024 jeweils einen Größeren radialen Abstand zu der Antriebswelle 24 aufweist als im Bereich der jeweiligen Grundkontur 3011,3021. Die Führungskulissen 301,302 verlaufen also jeweils im Bereich der Andrückkonturen 3012-3014,3022-3024 weiter radial außen als im Bereich der jeweiligen Grundkontur 3011,3021.
Alle Andrückkonturen 3012-3014,3022-3024 sind im Wesentlichen identisch ausgebildet, jedoch an verschiedenen Umfangswinkelpositionen bezogen auf die Antriebswelle 24 angeordnet. Die Andrückkonturen 3012-3014,3022-3024 weisen jeweils eine Erstreckung in Umfangsrichtung der Antriebswelle 24 von W = 24° auf. Die Andrückkonturen 3012-3014,3022-3024 sind jeweils, wie in 4 und 5 erkennbar, betrachtet in einer Projektion auf eine senkrecht zu der Antriebswelle 24 stehende Querebene, radial gegenüberliegend und bezogen auf die Umfangsrichtung der Antriebswelle 24 zentriert zu einem der Ventilsitze 161,181,201 angeordnet. Im Speziellen sind die erste Andrückkontur 3012 der ersten Führungskulisse 301 und die erste Andrückkontur 3022 der zweiten Führungskulisse 302 jeweils gegenüberliegend zu dem ersten Ventilsitz 161 angeordnet, die zweite Andrückkontur 3013 der ersten Führungskulisse 301 und die zweite Andrückkontur 3023 der zweiten Führungskulisse 302 jeweils gegenüberliegend zu dem zweiten Ventilsitz 181 angeordnet, und die dritte Andrückkontur 3014 der ersten Führungskulisse 301 und die dritte Andrückkontur 3024 der zweiten Führungskulisse 302 jeweils gegenüberliegend zu dem dritten Ventilsitz 201 angeordnet.
Beide Führungselemente 303,304 sind jeweils kugelförmig ausgebildet. Das erste Führungselement 303 ist über einen ersten Stift 32 an einer axialen Oberseite des Ventilkörpers 282 befestigt, und das zweite Führungselement 304 ist über einen zweiten Stift 34 an einer axialen Unterseite des Ventilkörpers 282 befestigt. Das erste Führungselement 303 taucht in die erste Führungsnut 12211 ein und ist folglich bei der Rotation der Drehschiebervorrichtung 28 über die erste Führungskulisse 301 zwangsgeführt. Das zweite Führungselement 304 taucht in die zweite Führungsnut 12141 ein und ist folglich bei der Rotation der Drehschiebervorrichtung 28 über die zweite Führungskulisse 302 zwangsgeführt.
Die Ventilkörperführungsanordnung 30, insbesondere die radiale Abweichung der Andrückkonturen 3012-3014,3022-3024 von der jeweiligen Grundkontur 3011,3021, ist hierbei derart eingerichtet, dass der Ventilkörper 282 über die Führungselemente 303,304 bei einer Rotation der Drehschiebervorrichtung 28 im Bereich der Andrückkonturen 3012-3014,3022-3024 an den der jeweiligen Andrückkontur 3012-3014,3022-3024 gegenüberliegenden Ventilsitz 161,181,201 radial angedrückt wird und im Bereich der Grundkontur 3011,3021 in einem definierten radialen Abstand zu den Ventilsitzen 161,181,201 und dem Gehäuse 12 geführt wird.
Bezugszeichenliste

10: Drehschieberventil
12: Gehäuse
121: erstes Gehäuseteil
1211: erster Ventilanschluss
1212: zweiter Ventilanschluss
1213: dritter Ventilanschluss
1214: Gehäusebodenwand
12141: zweite Führungsnut
122: zweites Gehäuseteil
1221: Ventilkammerdeckel
12211: erste Führungsnut
123: drittes Gehäuseteil
14: Ventilkammer
141: erste Ventilkammeröffnung
142: zweite Ventilkammeröffnung
143: dritte Ventilkammeröffnung
16: erste Dichtung
161: erster Ventilsitz
18: zweite Dichtung
181: zweiter Ventilsitz
20: dritte Dichtung
201: dritter Ventilsitz
22: Ventilantrieb
24: Antriebswelle
26: Antriebskammer
28: Drehschiebervorrichtung
281: Trägereinheit
2811: erster Verbindungsabschnitt
2812: zweiter Verbindungsabschnitt
2813: erste Gleitlagerstruktur
28131: horizontale Gleitflächen
28132: vertikale Gleitflächen
2814: Hauptabschnitt
282: Ventilkörper
2821: Dichtfläche
2822: zweite Gleitlagerstruktur
28221: horizontale Gleitflächen
28222: vertikale Gleitflächen
30: Ventilkörperführungsanordnung
301: erste Führungskulisse
3011: Grundkontur
3012: erste Andrückkontur
3013: zweite Andrückkontur
3014: dritte Andrückkontur
302: zweite Führungskulisse
3021: Grundkontur
3022: erste Andrückkontur
3023: zweite Andrückkontur
3024: dritte Andrückkontur
303: erstes Führungselement
304: zweites Führungselement
32: erster Stift
34: zweiter Stift
W: Erstreckung in Umfangsrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

CN 103016776 B [0003]

Claims

Drehschieberventil (10) umfassend: - ein Gehäuse (12) mit mehreren Ventilanschlüssen (1211-1213), - eine Ventilkammer (14), die in dem Gehäuse (12) ausgebildet ist und mehrere Ventilkammeröffnungen (141-143) aufweist, die jeweils mit einem der Ventilanschlüsse (1211-1213) verbunden sind, - einen Ventilsitz (161,181,201), der an einer der Ventilkammeröffnungen (141-143) angeordnet ist, - eine Antriebswelle (24), die drehbar in dem Ventilgehäuse (12) gelagert ist und sich in die Ventilkammer (14) hinein erstreckt, - eine Drehschiebervorrichtung (28), die in der Ventilkammer (14) angeordnet ist und durch die Antriebswelle (24) rotatorisch bewegbar ist, mit • einer Trägereinheit (281), die drehfest mit der Antriebswelle (24) verbunden ist, und • einem Ventilkörper (282), der radial bewegbar an der Trägereinheit (281) angeordnet ist, und - eine Ventilkörperführungsanordnung (30) mit • einem Führungselement (303,304), das an dem Ventilkörper (282) befestigt ist, und • einer Führungskulisse (301,302), die sich in Umfangsrichtung der Antriebswelle (24) erstreckt und über die das Führungselement (303,304) bei einer Rotation der Drehschiebervorrichtung (28) zwangsgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungskulisse (301,302) eine im Wesentlichen kreisbogenförmige Grundkontur (3011,3021) und eine von der Grundkontur (3011,3021) abweichende Andrückkontur (3012-3014,3022-3024) aufweist, wobei die Andrückkontur (3012-3014,3022-3024), betrachtet in einer Projektion auf eine senkrecht zu einer axialen Richtung der Antriebswelle (24) stehende Querebene, radial gegenüberliegend zu dem Ventilsitz (161,181,201) angeordnet ist, und wobei die Führungskulisse (301,302) im Bereich der Andrückkontur (3012-3014,3022-3024) einen größeren radialen Abstand zu der Antriebswelle (24) aufweist als im Bereich der Grundkontur (3011,3021).
Drehschieberventil (10) nach Anspruch 1, wobei der Ventilkörper (282) radial verschiebbar an der Trägereinheit (281) gelagert ist.
Drehschieberventil (10) nach Anspruch 2, wobei der Ventilkörper (282) und die Trägereinheit (281) korrespondierende Gleitlagerstrukturen (2822,2813) aufweisen, über die der Ventilkörper (282) radial verschiebbar an der Trägereinheit (281) gelagert ist, wobei die Gleitlagerstrukturen (2822,2813) einen Formschluss in beide Umfangsrichtungen der Antriebswelle (24) zwischen dem Ventilkörper (282) und der Trägereinheit (281) bilden.
Drehschieberventil (10) nach Anspruch 3, wobei die Gleitlagerstrukturen (2822,2813) ferner einen Formschluss in beide axialen Richtungen der Antriebswelle (24) zwischen dem Ventilkörper (282) und der Trägereinheit (281) bilden.
Drehschieberventil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Führungskulisse (301,302) durch eine Führungsnut (12211,12141) gebildet ist, in die das Führungselement (303,304) eintaucht.
Drehschieberventil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (12) einen Ventilkammerdeckel (1221) umfasst und die Führungskulisse (301) an dem Ventilkammerdeckel (1221) ausgebildet ist.
Drehschieberventil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Führungselement (303,304) kugelförmig ausgebildet ist.
Drehschieberventil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede Andrückkontur (3012-3014,3022-3024) eine Erstreckung (W) in Umfangsrichtung der Antriebswelle von maximal 30°, vorzugsweise von maximal 25°, aufweist.
Drehschieberventil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ventilsitz (161,181,201) kreisringförmig ausgebildet ist, und der Ventilkörper (282) eine Dichtfläche (2821) umfasst, die die Form eines Ausschnitts einer Kugelmantelfläche aufweist.
Drehschieberventil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ventilsitz (161,181,201) durch eine Dichtung (16,18,20) gebildet ist, die an der entsprechenden Ventilkammeröffnung (141-143) angeordnet ist.
Drehschieberventil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (12) mindestens drei Ventilanschlüsse (1211-1213) aufweist und die Ventilkammer (14) mindestens drei Ventilkammeröffnungen (141-143) aufweist.
Drehschieberventil (10) nach Anspruch 11, umfassend mindestens zwei Ventilsitze (161,181,201), wobei die Führungskulisse (301,302) eine der Anzahl der Ventilsitze entsprechende Anzahl von Andrückkonturen (3012-3014,3022-3024) aufweist, die jeweils, betrachtet in der Projektion auf die Querebene, radial gegenüberliegend zu einem der Ventilsitze (161,181,201) angeordnet sind.
Drehschieberventil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Drehschiebervorrichtung (28) eine im Wesentlichen U-förmige Querschnittsform aufweist.
Drehschieberventil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Führungselement (303,304) und die Führungskulisse (301,302) an einer ersten axialen Seite der Drehschiebervorrichtung (28) angeordnet sind, und wobei die Ventilkörperführungsanordnung (30) umfasst: - ein weiteres Führungselement (304,303), das an einer der ersten axialen Seite gegenüberliegenden zweiten axialen Seite der Drehschiebervorrichtung (28) an dem Ventilkörper (282) befestigt ist, und - eine weitere Führungskulisse (302,301), die an der zweiten axialen Seite der Drehschiebervorrichtung (28) angeordnet ist, sich in Umfangsrichtung der Antriebswelle (24) erstreckt, und über die das weitere Führungselement (304,303) bei einer Rotation der Drehschiebervorrichtung (28) zwangsgeführt ist.