DE102022214438A1

DE102022214438A1 - Ventil zur Verwendung in einem Fahrzeug-Kühlkreislauf sowie Verfahren zur Herstellung eines derartigen Ventils

Info

Publication number: DE102022214438A1
Application number: DE102022214438.4A
Authority: DE
Inventors: Tilo Schäfer; Jan Hinrichs
Original assignee: Hanon Systems EFP Deutschland GmbH
Current assignee: Hanon Systems EFP Deutschland GmbH
Priority date: 2022-12-29
Filing date: 2022-12-29
Publication date: 2024-07-04

Abstract

Ein Ventil (10) zur Verwendung in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Kühlkreislauf weist ein sich in Gleitkontakt mit zumindest einer Scheibe (16) drehendes Ventilelement (14) auf und ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Scheibe (16) einen Träger (18) und eine Gleitschicht (34) aufweist.Ein Verfahren zur Herstellung einer Scheibe (16) für ein Ventil (10) zur Verwendung in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Kühlkreislauf, mit einem bezüglich der Scheibe (16) in Gleitkontakt drehbeweglichen Ventilelement (14), bei dem die Scheibe (16) aus einem Träger (18) und einer Gleitschicht (34) zusammengesetzt wird, wird zusätzlich vorgestellt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft ein Ventil zur Verwendung in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Kühlkreislauf, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Ventils.
STAND DER TECHNIK
Die genannten Ventile, wie sie beispielsweise in der US 9638340 B2 oder US 11428338 B2 gezeigt sind, weisen üblicherweise ein sich drehendes Ventilelement, das auch als Puck bezeichnet wird, auf, das sich im Gleitkontakt mit zumindest einer Scheibe im Wesentlichen um die Mittelachse des Ventilelements dreht. Um den Abrieb, insbesondere an der Scheibe in Grenzen zu halten, und die (Kriech-)Verformung über die Lebensdauer in Grenzen zu halten, sind die Scheiben üblicherweise aus Keramik. Sie sind dadurch jedoch vergleichsweise teuer in der Herstellung und der üblicherweise eingesetzte Sinterprozess weist einen hohen Energieverbrauch auf. Ferner sind die Reibungswerte verbesserungswürdig, sodass derzeit eingesetzte Ventile vergleichsweise kräftige Aktuatoren erfordern.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein derartiges Ventil in wirtschaftlicher Hinsicht zu verbessern und gleichzeitig den gestellten Anforderungen zu genügen.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt zum einen durch das im Patentanspruch 1 beschriebene Ventil.
Demzufolge weist dieses eine Scheibe auf, die sich in Gleitkontakt mit einem sich drehenden Ventilelement befindet und einen Träger und eine Gleitschicht aufweist. Mit anderen Worten wird die Scheibe in zumindest zwei Komponenten aufgeteilt, die in besonderer Hinsicht die jeweils daran gestellten Anforderungen erfüllen. Der Träger stellt die erforderliche Lebensdauer sicher und weist hierzu eine gute Beständigkeit gegen Kriechverformung auf. Die Gleitschicht kann gleichzeitig im Hinblick auf die Reibungs- und/oder Abriebeigenschaften optimiert werden, sodass insgesamt ein verbessertes Ventil bereitgestellt werden kann, das gleichzeitig wirtschaftlich herstellbar ist.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Eine erste Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, Träger und Gleitschicht als separate, miteinander verbundene Bauteile vorzusehen. Hierdurch können die beiden Bauteile im Wesentlichen isoliert voneinander an die jeweils daran gestellten Anforderungen, wie oben beschrieben, angepasst ausgebildet werden.
Um hierbei eine sichere Verbindung zwischen Träger und Gleitschicht zu schaffen, weist der Träger und/oder die Gleitschicht zumindest einen Vorsprung oder eine Ausnehmung auf, der/die in eine Ausnehmung oder einen Vorsprung in dem jeweils anderen Bauteil, der Gleitschicht oder dem Träger eingreift. Eine derartige Struktur sorgt zum einen für eine sichere Verbindung zwischen den beiden Bauteilen in vorteilhafter Weise nah an der zu erwartenden Krafteinleitung in die Scheibe infolge von Reibung. Das Ineinandergreifen von Vorsprüngen und Ausnehmungen schafft darüber hinaus eine Art Labyrinthdichtung, sodass die Dichtigkeit zwischen den beiden Bauteilen sichergestellt werden kann. Wenn die Vorsprünge und Ausnehmungen darüber hinaus, wie bevorzugt, radial verlaufen können zusätzlich Probleme vermieden werden, die ansonsten infolge der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung der beiden Bauteile auftreten können.
Im Fall von separaten Bauteilen hat sich bei ersten Simulationen für den Träger eine Dicke von 2,5-4 mm als vorteilhaft erwiesen. Für die Gleitschicht wird im Fall einer Gleitschicht in Form eines separat handhabbaren Bauteils eine Dicke von 0,8-2 mm bevorzugt. Wenn die Gleitschicht jedoch beispielsweise als haftende Gleitfolie ausgestaltet ist, werden gute Eigenschaften für eine Dicke von 0,2-0,5 mm erwartet.
Im Wesentlichen alternativ zu zwei separaten Bauteilen kann die Gleitschicht auch als Beschichtung auf dem Träger ausgebildet sein. Dies vereinfacht die Herstellung, da lediglich der Träger als Bauteil bereitgestellt und in einfacher Weise beschichtet werden kann. Nachfolgend ist im Rahmen der Herstellung in vorteilhafter Weise nur noch die Handhabung eines einzigen Bauteils nötig. Die Beschichtung kann ferner Korrosion verhindern.
In diesem Fall wird für die Gleitschicht eine Dicke von 30-100 µm, und für den Träger eine Dicke von 0,5-4 mm bevorzugt. Wenn der Träger beschichtet wird, wird derzeit eine Dicke von 0,5-1 mm bevorzugt, und wenn die Gleitschicht bereits bei der Herstellung in den Träger integriert wird, wie nachfolgend genauer beschrieben, werden gute Eigenschaften bei einer Dicke des Trägers von 2-4 mm erwartet.
Für eine sichere Verankerung in einem Ventilgehäuse wird für den Träger derzeit ferner bevorzugt, dass dieser zumindest einen Vorsprung und/oder zumindest eine Ausnehmung zur Verankerung in dem Gehäuse aufweist, sodass einer zu vermeidenden Verdrehung der Scheibe insgesamt bezüglich des Gehäuses entgegengewirkt wird.
Bevorzugte Materialien für den Träger sind in Anspruch 8 angegeben und erfüllen gut die daran gestellten Anforderungen, wie beispielsweise hinreichenden Widerstand gegen Kriechverformung und insgesamt eine gute Formgenauigkeit. Insbesondere im Fall eines Trägers aus Stahl oder anodisiertem Aluminium kann zu der Gleitschicht hin eine zusätzliche, abriebbeständige Schicht ausgebildet werden, beispielsweise als Carbonitrierschicht.
Für die in Anspruch 9 angegebenen Materialien für die Gleitschicht werden gute Gleit- und Verschleißeigenschaften erwartet.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der Träger durch Phenolharz gebildet wird, und die Gleitschicht durch darin verteilte Kohlefasern und optional weitere mineralische Füllstoffe, außer Glasfaser, und dass die Gleitschicht durch einen dem Formgebungsprozess nachgelagerten Prozess gebildet wird. Hierbei kann es sich typischerweise um einen Schleifprozess handeln, der die Kombination aus Phenolharz und darin verteilte Kohlefasern und optional weitere mineralische Füllstoffe derart oberflächenbearbeitet, dass die Oberfläche als Gleitschicht nutzbar ist.
Entsprechend dem Grundgedanken der Erfindung zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Scheibe für ein Ventil zur Verwendung in einem Fahrzeug, insbesondere einem Kühlkreislauf dadurch aus, dass die Scheibe aus einem Träger und einer Gleitschicht zusammengesetzt wird.
Beispielsweise kann der Träger oder die Gleitschicht in Form einer Folie beschichtet und/oder zumindest teilweise umspritzt werden. Mit anderen Worten kann einerseits der Träger beispielsweise in ein Spritzgusswerkzeug eingelegt werden und nach dem Schließen der Form mit der Gleitschicht zumindest teilweise umspritzt werden. Ebenso ist es jedoch auch denkbar, die Gleitschicht, beispielsweise in Form einer Folie, in das Spritzgusswerkzeug einzulegen und nachfolgend den Träger durch Einspritzen von flüssigem, thermoplastischem Kunststoff auf der Folie auszubilden. Ein derartiges Verfahren kann als Hinterspritzung bezeichnet werden. Ein jegliches, zu umspritzendes Teil kann bereits die endgültige Form der Scheibe mit jeglichen erforderlichen Durchbrüchen oder dergleichen aufweisen. Das zu beschichtende oder zu umspritzende Bauteil kann jedoch auch als durchgehendes Teil und/oder ohne die letztendliche äußere Form vorgesehen werden und kann nach dem Beschichten und/oder Umspritzen in die endgültige Außenform gebracht werden und/oder mit jeglichen notwendigen Durchbrüchen oder Öffnungen versehen werden.
Bevorzugt wird hierbei die Gleitfolie auf ihrer raueren Seite beschichtet und/oder zumindest teilweise umspritzt. Dies sorgt für eine gute Haftfähigkeit zu dem Kunststoff, der im ausgehärteten Zustand den Träger bildet.
Wenn jedoch der Träger als separates Bauteil mit der Gleitschicht zusammengesetzt, oder mit dieser beschichtet wird, kann der Träger vorangehend gestanzt und/oder tiefgezogen werden.
Im Übrigen entspricht die verfahrensmäßige Vorgehensweise zur Herstellung der verschiedenen Ausführungsformen des Ventils derjenigen, wie sie jeweils vorangehend im Hinblick auf das Ventil beschrieben wurde, und allgemein sind jegliche Merkmale, die vorangehend und nachfolgend lediglich im Hinblick auf das Ventil beschrieben werden, auch auf das Herstellungsverfahren anwendbar und umgekehrt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine Schnittansicht wesentlicher Teile des erfindungsgemäßen Ventils; und
2 bis 7 verschiedene Ausführungsformen der Scheibe des erfindungsgemäßen Ventils.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
Wie in 1 erkennbar ist, weist ein erfindungsgemäßes Ventil 10 im Wesentlichen einen Drehaktuator 12 und ein sich drehendes Ventilelement 14 in Form eines sogenannten Pucks mit geeigneten Kammern und Durchlässen auf. Das Ventilelement 14 befindet sich in dem gezeigten Fall im Gleitkontakt mit einer Scheibe 16, die genauer in den weiteren Figuren gezeigt ist. Das Ventilelement 14 weist geeignete Kammern und Umlenkungen auf, um abhängig von der Drehstellung für die gewünschten Fluidströme zu sorgen.
Hierbei wirkt es, wie erwähnt in Gleitkontakt stehend, mit der beispielhaft in 2 gezeigten Scheibe 16 zusammen, die aus dem in 3 gezeigten Träger 18und der in 4 gezeigten Gleitschicht 34 in Form eines separaten Bauteils zusammengesetzt ist. Wie in 3 erkennbar, weist der Träger 18 in dem gezeigten Fall über den Umfang verteilt Vorsprünge 20 sowie in dem gezeigten Fall eine einzige Ausnehmung 22 auf, die der Verankerung in dem in 1 gezeigten Gehäuse dienen. Ferner ist der Träger 18 in dem gezeigten Fall mit Ausnahme der beschriebenen Vorsprünge 20 und einer beidseitigen Verbreiterung des Außenumfangs in der Umgebung der Ausnehmung 22 im Wesentlichen kreisscheibenförmig mit, in dem gezeigten Fall, einem zentralen Durchbruch 24 entsprechend etwa einem Drittel des Durchmessers und vier gleichmäßig über den Umfang verteilten sektorförmigen Durchbrüchen 26. Zwischen den Durchbrüchen 26 sind jeweils Stege 28 ausgebildet, die bei dem gezeigten Beispiel der Verankerung der in 4 gezeigten Gleitschicht 34 dienen.
Diese ist im Hinblick auf die Durchbrüche 24, 26 übereinstimmend gestaltet, sodass, wie in 2 gezeigt, die Durchbrüche jeweils im Wesentlichen zusammenfallen und keine unnötigen Strömungsverluste entstehen. Zur Verankerung der in 4 gezeigten Gleitschicht 34 weist diese entsprechend den Ausnehmungen 30 in den Stegen 28 des Trägers 18 radial verlaufende Vorsprünge 32 auf, die in den Ausnehmungen 30 aufnehmbar sind. Hierdurch wird ein Verdrehen der beiden Bauteile bezüglich einander vermieden, und gleichzeitig kann jegliche Reibungskraft, die zwischen dem Ventilelement 14 und der Gleitschicht 34 entsteht, in vorteilhafter Weise nahe zu dem Ort der Entstehung in den Träger 18 eingeleitet und über das Gehäuse abgeleitet werden. Zusätzlich bilden die Ausnehmungen 30 und die Vorsprünge 32 in vorteilhafter Weise eine Art Labyrinthdichtung, die zur Dichtigkeit der Scheibe 16 insgesamt beiträgt. Die Stege 28 sind in etwa so breit wie der kreisförmige Steg zwischen dem zentralen 24 und den sektorförmigen Durchbrüchen 26.
Es versteht sich im Hinblick auf die dargestellten Durchbrüche 24 und 26, dass diese auch im Hinblick auf Anzahl und Form anders gestaltet sein können. Beispielsweise kann der zentrale Durchbruch 24 entfallen und/oder die sektorförmigen Durchbrüche 26 können sich in Umfangsrichtung und oder in radialer Richtung weiter oder weniger weit erstrecken. Ferner können ein oder mehrere sektorförmige Durchbrüche 26 geschlossen oder weitgehend geschlossen sein, was weiterhin die Ausbildung der Ausnehmungen 30 in dem Träger 18 ermöglicht. Ferner sei erwähnt, dass in dem gezeigten Fall die Gleitschicht 34 im Hinblick auf den Außenumfang mit Ausnahme der an dem Träger 18 ausgebildeten Vorsprünge 20 und den Verbreiterungen in der Umgebung der äußeren Ausnehmung 22 zusammenfällt.
In 5 ist eine zunächst dahingehend andere Ausführungsform gezeigt, dass diese die radialen Ausnehmungen 30 nicht aufweist, und ebenso in ihrer Mitte nicht mit einem Durchbruch 24 versehen ist. Ferner ist der rechte obere Durchbruch 26 insofern anders gestaltet, als er einen radial inneren Bereich mit einer ersten Breite entlang der Umfangsrichtung und einen radial äußeren, in radialer Richtung schmäleren Bereich mit einer zweiten, größeren Breite in Umfangsrichtung aufweist. Der radial innere Bereich des beschriebenen Durchbruchs kann jedoch auch entfallen und/oder die sektorförmigen Durchbrüche können sich weiter oder weniger weit in radialer Richtung erstrecken.
Darüber hinaus unterscheidet sich die Ausführungsform von 5 und 6 dadurch, dass sie aus einem deutlich dünneren Blech ausgeführt ist und zur Lagefixierung verschiedene, aus der Blechebene herausgebogene Laschen 36 aufweist. Demgegenüber ist der Träger 18 von 2 und 3 aus einem deutlich dickeren Material ausgebildet. In jedem Fall kann ein derartiger Träger 18 zum einen, wie in 2 gezeigt, mit einer Gleitschicht 34 als separatem Bauteil kombiniert werden, oder der Träger 18 kann in geeigneter Weise mit einer Gleitschicht beschichtet sein. Es sei ferner erwähnt, dass gemäß einer alternativen Ausführungsform auch die in 4 oder eine in ähnlicher Weise gestaltete Gleitschicht 34 in einem geeigneten Werkzeug angeordnet und mit dem Trägermaterial um- oder hinterspritzt werden. In diesem Fall kann die Gleitschicht 34 insbesondere bereits im Wesentlichen die in 2 und 4 gezeigte, endgültige Form aufweisen, und es können nachfolgend keine oder geringfügige, weitere Bearbeitungsschritte erforderlich sein.
Es ist jedoch ebenso denkbar, dass die Gleitschicht 34 beispielsweise und wie in 7 gezeigt als Folie und optional lediglich im Hinblick auf jegliche Durchbrüche mit der endgültigen Form und im Hinblick auf den Außenumfang lediglich grob geformt in ein geeignetes Werkzeug eingelegt und nachfolgend mit dem Träger 18 kombiniert wird. Bspw. kann die Gleitschicht vor dem Kombinieren mit dem Träger die in 7 gezeigte Form aufweisen. In diesem Fall wird nachfolgend, beispielsweise durch Ausstanzen, die endgültige Form und/oder jegliche Durchbrüche 24, 26 ausgebildet, so dass sich die gewünschte Gestalt wie beispielhaft in 3 gezeigt, ergibt.
Insbesondere kann der in 3 gezeigte Träger 18 eine Dicke von 2,5-4 mm aufweisen, und die in 4 gezeigte Gleitschicht 34 eine Dicke von 0,8-2 mm, während die in 5 und 6 gezeigte Ausführungsform beispielsweise eine Dicke des Trägers von 0,5-1,5 mm aufweist. Für einen mit einer Folie versehenen Träger 18, wie oben genauer beschrieben, gilt beispielhaft die für die Ausführungsform von 3 beschriebene Dicke mit einer Foliendicke von beispielsweise 0,2-0,5 mm.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 9638340 B2 [0002]
US 11428338 B2 [0002]

Claims

Ventil (10) zur Verwendung in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Kühlkreislauf, mit einem sich in Gleitkontakt mit zumindest einer Scheibe (16) drehenden Ventilelement (14), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Scheibe (16) einen Träger (18) und eine Gleitschicht (34) aufweist.
Ventil (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Träger (18) und Gleitschicht (34) separate, miteinander verbundene Bauteile sind.
Ventil (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (18) und/oder die Gleitschicht (34) zumindest einen, vorzugsweise radial verlaufenden, Vorsprung (32) oder eine Ausnehmung (30) aufweisen, der/die in eine Ausnehmung (30) oder einen Vorsprung (32) in der Gleitschicht (34) und/oder den Träger (18) eingreift.
Ventil (10) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (18) eine Dicke von 2,5-4 mm und/oder die Gleitschicht (34) eine Dicke von 0,8-2 mm im Falle einer separaten Gleitschicht (34), beziehungsweise 0,2-0,5 mm im Falle einer anhaftenden Gleitfolie aufweist.
Ventil (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitschicht (34) eine Beschichtung auf dem Träger (18) ist.
Ventil (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitschicht (34) eine Dicke von 30-100 um, und/oder der Träger (18) eine Dicke von 0,5-4 mm, insbesondere 0,5-1,5 mm oder 2-4 mm aufweist.
Ventil (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Träger (18) zumindest einen Vorsprung (20) und/oder zumindest eine Ausnehmung (22) zur Verankerung in einem Gehäuse aufweist.
Ventil (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (18) zumindest eines der folgenden Materialien aufweist: Stahl, insbesondere Chromstahl oder Kaltband, Aluminium, Kunststoff, Phenolharz mit Füllstoff, faserverstärkter Kunststoff, bevorzugt mit mindestens 20% Füllstoff, wie z.B. Glasfaser, Kohlefaser, Mineralfaser, insbesondere besonders bevorzugt PPS-GF 40 und/oder PPA mit mehr als 10% Glasfaser.
Ventil (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitschicht (34) zumindest eines der folgenden Materialien aufweist: thermoplastischer Kunststoff, wie zum Beispiel POM, PP, PE, PEEK, fluorierter Kunststoff, wie zum Beispiel PVDF, FEP, PFA, PTFE, ePTFE, ECTFE, Strahl- vernetzter Kunststoff, insbesondere Polyethylen, Keramik.
Ventil (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (18) durch Phenolharz gebildet wird, und die Gleitschicht (34) durch darin verteilte Kohlefasern und optional weitere mineralische Füllstoffe außer Glasfaser und insbesondere durch einen dem Formgebungs-Prozess nachgelagerten, insbesondere einen Schleifprozess gebildet wird.
Verfahren zur Herstellung einer Scheibe (16) für ein Ventil (10) zur Verwendung in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Kühlkreislauf, mit einem bezüglich der Scheibe (16) in Gleitkontakt drehbeweglichen Ventilelement (14), bei dem die Scheibe (16) aus einem Träger (18) und einer Gleitschicht (34) zusammengesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (18) oder die Gleitschicht (34) in Form einer Folie beschichtet und/oder zumindest teilweise umspritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitfolie eine glattere Seite und eine rauere Seite aufweist, die beschichtet und/oder zumindest teilweise umspritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (18) gestanzt und/oder tiefgezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (18) durch Phenolharz gebildet wird, und die Gleitschicht (34) durch darin verteilte Kohlefasern und optional weitere mineralische Füllstoffe außer Glasfaser und durch einen dem Formgebungs-Prozess nachgelagerten, insbesondere einen Schleifprozess gebildet wird.