DE1911405A1

DE1911405A1 - Drosselklappenventil

Info

Publication number: DE1911405A1
Application number: DE19691911405
Authority: DE
Inventors: Scott Arthur A; Obermaier Frank E
Original assignee: Dole Valve Co
Current assignee: Dole Valve Co
Priority date: 1968-03-06
Filing date: 1969-03-06
Publication date: 1969-09-11
Also published as: US3568975A; FR2003366A1; GB1238799A; DE1911405B2

Description

betreffend
Drosselklappenventil.

Die Erfindung bezieht sich auf «in Broeee!klappenventil, das insbesondere durch einen Uhterdruokmotor betätigbar ist.

Es sind Drosselklappenventile bekannt, bei denen die scheibenförmige Drosselklappe innerhalb einer Zylinderbohrung des Ventilgehäuses an einer senkrecht zur Aohse dieser Zylinderbohrung angeordneten drehbaren Betätigungsstange befestigt ist und so durch diese Stange zwischen einer Schließstellung und einer Uffenstelluag versohwenkbar ist. Solche Drosselklappenventile können wegen ihrer ungehinderten direkten Durohflusseigenschaften und dem daraus resultierenden geringen Strömungswiderstand in der Offenstellung sowie auoh wegen ihrer guten Sauberhaltbarkeit für die verschiedenartigsten Zwecke verwendet werden. Die bisher üblichen Drosselklappenventile besitzen jedoch noch gewisse Naohteile, durch welche sie für manche Anwendungszwecke zumindest ungenügend sind*

Die bisher bekannten Drosselklappenventile sind im allgemeinen nioht sehr leokeioher und selbst in den Fällen, in welchen das Ventil durch einen Motor betätigt wird um relativ grosse Sohliees-

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kraft· zu erzeugen, besteht das Problem der Leckverluste, jenachdem, um welche Strömungsmittel es sich handelt und welcher Strömungsmitteldruck herrscht. FUr solche Fälle, bei welchen praktisch.keinerlei Leckverluste durch das Ventil zugelassen werden können, sind die bisher üblichen Drosselklappenventile im allgemeinen ungeeignet.

Bs ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Drosselklappenventil der eingangs erwH.hn.ten Art derart weiterzubilden und zu verbessern, da3 auo-h unter den ungünstigsten Betriebsbedingungen ein dichter Abschluß erreicht wird und damit Leckverluste vermieden werden, auch dann, wenn das Ventil beispielsweise von Hand oder von einem relativ schwachen Betätigungsmechanismus betätigt wird, uo hierdurch die Anwendungsmöglichkelten solcher Drossalklappenventile zu erweitern.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem DrosSelklappenventil der eingangs erwähnten Art erfindungsgeaäß dadurch gelöst, daß der Winkel zwischen der Achse der Zylinderbohrung und der Drosaelklappenebene in Schließstellung kleiner als 90 , insbesondere etwa 60°, gewählt wird.

Weitere vorteilhaft· Ausgestaltungen dee erfindungagemäßan Drosselklappenventil ergeben eich aua den UnteransprUchen.

Ein erfindungsgemäßes Drosaelklappenventil mit seiner speziellen Anordnung der Drosselklappe innerhalb der Zylinderbohrung des Ventilgehäuses,der Lage ihrer Betätigungsstange in Bezug auf die Drosselklappe und der weiteren Formgestaltung und Ausbildung einzelner Absohnitte dieser Drosselklapp· ermöglicht in ein·« großen Bereich des zu steuernden Strömungen!tteldruok·« ein« vollständig· Unterbindung des Ströamngsoittelflusses und benötigt hierzu eine nur sehr gering· Betätigungekraft, wie si· beispielsweise von

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einem Unterdruekootor niederen Druokes erzeugt wird. Leckverluste in Schließetellung sind damit vollständig unterbunden. Die Abnutzung der gegeneinander bewegbaren Teile des Ventiles wird auf ein Minimum reduziert und ein erfindungBgem&ßeö Ventil besitzt deshalb auch eine wesentlich längere Lebenudauer. Mit einem erfindungsgemäßen Drosselklappenventil können auch besondere Ventilcharakteristiken eingestellt werden, ohne daß hierzu große Betätigungskräfte nötig Bind. Bei dem erfindungugemäßen Droaselklappenventil wird der Strömungsmitteldruck in Schließstellung des Ventiles zur vollständigen Abdichtung zwischen Drosselklappe und Zylinderbohrung des Ventilgehäusee auagonutzt.

Die Erfindung sowie vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand schaoatischer Zeichnungen an eine« Auaführungebeispiel naher erläutert.

Fig. 1 zeigt perspektiviooh ein erfindungsgamäßee Droseelklappenventil und zwar teilweise mit weggebrochen gezeiohnutetn Ventilgehäuse .

Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch das Drosselklappenventil naoh Fig. 1.

Fig. 3 zeigt in vergrößertem Maßstab im Querschnitt die Lage der Drosselklappe und der Betätigungsstange iet Ventilgehäuse und .zwar längs der Schnittlinie III - III nach Fig. 2.

Fig. 4 zeigt die Drosselklappe in ,Richtung der Pfeile IV - IV nach Fig. 3·

Fig. 1 zeigt eine motorbetätigte Drosselklappenventileinheit 10, wie sie z.B. bei Automobil-Heis- und Kühlsyatemen zum vollständigen Absohlieäen des Kühlmittelflusses duroh die Rohrschlangen der

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Heizeinrichtung verwendet werden kann, wenn die Klimaanlage in eine Stellung verbracht wird, in welcher maximale Kühlung gewünscht wird. Die Einheit 10 umfaßt einen ünterdruckmotor 11 zur Betätigung des Ventils und kann wie die anderen ünterdruckbetätigten Einrichtungen und Teile in Ublioher Weise mit dem Ansaugstutzen oder einer anderen Unterdruokeinrichtung des Motors . verbunden sein. Ein erfindungsgemäßes Drosselklappenventil ka'nn selbstverständlich auch für andere Zweoke in bekannter Weise benutzt werden.

Das eigentliche Drosaelklappenventil 12 ist auf einem Bügel 1J befestigt, welcher über einen Befeetigungsflanaoh 14 am Gehäuse des Unterdruckmotors 11 befestigt ist.

Der in diesem Ausführungsbeiepiel geaeigte Unterdruokmotor 11 ist rom federvorgespannten Mesbrantyp und weist geeignete Verbindungeleitungen zum Anschluß an die Unterdruckleitung des Motors eines Automobile auf. In diesem speziellen Anwendungsbelepiel sind die Vorteile des erfindungagemaßen Droeselklappenventile besonders groß, da erstens das Ventil 12 in eine leokfreie Schließstellung gebracht werden muB₍um die optimalen Klieat-isierungsbedingungen bei maximaler KUhlwirkung zu erreichen, und zweitens die zur Verfügung stehende Kraft zur Betätigung des Ventlles 12 begrenzt let, da der Druck in der Unterdruckleitung relativ gering ist und der Unterdruckmotor 11 im Hlnbliok auf die Bestrebungen im Automobilbau so klein wie möglioh gehalten werden soll.

Die Betätigungseinrichtung des Unterdrücken tors 11 umfaßt einen Arm 15, der am vorderen Ende 16 des Motors vorsteht und in Abhängigkeit von den motorbeaufschlagenden Druokänderungen ein- und ausschiebbar ist. Der Arm I5 steht mit einer Ventilbetätigungestange 17 in Verbindung, deren Absohnitt 18 nach unten in das Ventil 12 hineinragt. .

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Baa Drosselklappenventil 12 umfaßt nach Fig. 2 ein Ventilgehäuse 19 eit einer zylindrischen Bohrung 20, durch welche im Inneren eine Zylinderwand 21 gebildet wird. Ata einen Ende des VentilgehMsöB 19 ist ein Strömungamitteleinlaß-Ansatz 22 und an fegenUberliegenden Ende ein Strömungemittelauslaß-Anaata 23 vorgesehen. Beide Anaätze stehen in Strömungsmitte !.verbindung mit der Zylinderbohrung 20 und bilden einen Strömungsmittelkanal durch das Ventil 12.

Der Abeohnitt 18 der Betätigungsstange 17 erstreckt aich durch eine Bohrung 24 im Ventilgehäuse 19 und ihr unteres Ende 26 ist in einer z/lindrischen Ausnehmung 27 gelagert, welche eo gut wie möglich axial fluohtend zu der Bohrung 24 liegt. Ein O-Diohtring 2Θ ist in einer Erweiterung 29 eingelegt und bildet eine Ringdichtung für die Stange 17· Wenn das Ventil 12 auf dem Bügel 1? durch geeignete Befestigungeeinrichtungen wie die Schrauben 30 oder dgl. befestigt lot, liegt die Unterseite des Bügels auf einer Abflachung 31 des Ventil gehäuses 19 und hält den O-Dichtring 28 eng innerhalb der Erweiterung 29.

Die Drosselklappe 32 ist scheibenförmig und innerhalb der Bohrung 20 angeordnet. Sie ist fest mit dem Abschnitt 18 der Betätigungsstange 17 verbunden und dreht sich mit der Stange 1?» wenn diese duroh den Unterdrucknotor 11 betätigt wird.

Gemäß Fig. 3 schließt in der gezeigten Stellung die Drosselklappe 32 den Strönungsmittelfluß durch die Bohrung 20 ab, jedoch gibt sie bei einer Verdrehung" im Uhrzeigersinne die Bohrung 20 frei und ermöglicht einen Strömungsmittelfluß zwisohen dem Einlaß und dem Auslaß 23· Die Drosselklappe 32 wird im folgenden als "Planar" bezeichnet, obwohl sie eine gewisse Dicke in Querrichtung besitzt. Hit diesem Auedruck soll die allgemeine Soheibenform der Drosselklappe zum Ausdruck gebraoht werden.

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BAD ORIGJNAI.

Ein Mtrkmal der Erfindung ist in dar Lag· der Drosselklappe 32 in ihrer Schließstellung zu sehen. Ein Charakteriatikum der meisten Droeeelklappenventile ist, daß sie einen nahezu hundertprozentigen Durchfluß gewährleisten, wenn die Drosselklappe in eine Stellung verdreht 1st, in welcher der Winkel zwisohen der Aohee der Zylinderbohrung und der Ebene der Drosselklappe etwa 30° beträgt. Bei den bisher (ibliohen Droseelklappenventilen erstreckt sich die Drosselklappe la wesentlichen quer zur Bohrungsachse In ihrer Schließstellung und muß deshalb etwa um 60° verdreht werden, damit sie ihre Stellung für vollständigen Durchfluß erreicht.

la Gegensatz hierzu erstreckt sioh die Drosselklappe 32 gemäß der Erfindung unter einem Winkel von 60° zur Achse der Bohrung in ihrer Schließstellung. Zur Bewegung in die volle Offenstellung braucht die Drosselklappe 32 daher nur ua 30 gedreht zu werden. Diese Verringerung des erforderlichen Drehwinkels zwisohen voller Schließstellung und voller Offenstellung ist sehr wesentlich, da bestimmte Ventilbetätigungeaeohanisaen wie der ünterdruokmotor naoh Fig. 1 dann nur einen relativ geringen Betätigungsweg benötigen. Diese Notwendigkeit eines geringen Betätigungsweges ist auoh für andere Mechanismen von Vorteil, beispielsweise fUr Solenoide und thermostatisch^ Elemente wie Bimetalle, Elemente alt Flüssigkeitsausdehnung, daapfdruokbetätigte Elemente und solohe Elemente alt Wacheauedehnung.

Die Achse 35 der Betätigungsstange 18 ist in Bezug auf die Achse 35 der Zylinderbohrung 20 seitlioh versetzt. Die gestrichelte Linie 34 läuft parallel zur Linie 33 und duroh die Aohae 35 der Betätigungsstange 18 und zwar ist der Abstand zwisohen den Linien 33 und 34 nit E bezeichnet.

Sine andere Linie 36 verläuft senkrecht zur allgemeinen Ebene der Drosselklappe 32 und sohneidet die Achse 35 der Betätigungsstange 18. Im Abstand D parallel zur Linie }6 verläuft eine

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andere Linie 57, di· durch einen Punkt P verläuft, der in der Mitte der Drosselklappe 32 liegt. In diesem Punkt P wirkt die Wirklinie der Geeamtkraft F hervorgerufen durch den Flüssigkeitsdruck auf der Einetröaseite der Drosselklappe 32·

Der Abstand D zwischen den Linien 36 und 37 erzeugt ein Moment F . D um die Aohse der Stange 18, durch welches die Drosselklappe 32 in Fig. 3 im Gegenuhrzeigereinne oder in die Schließstellung gedreht wird. Wenn der Strömungsmitteldruck auf der Ein3trilmaeite der Drosselklappe 32 ansteigt, wird auch das Moment F . D entsprechend größer.

Bei der Einheit 10 nach Fig. 1 ist das Ventil 12 normalerweise in der Offenstellung. Wenn der Motor 11 einem Unterdruck ausgesetzt wird, wird daβ Ventil geschlossen. Wenn die zum Halten des Ventile in der Schließstellung erforderliche Kraft zunimmt, müßte der erforderliche Unterdruck oder die Größe dee Motors 11 ebenfalls größer werden. Wegen dee Moments F . D wird jedooh bei einer Zunahme des Plilssigkeitsdruokes auf der Einlaßeeite der Drosselklappe 32 die auf die Drosselklappe wirkende Schließkraft vergrößert, eo daß die erforderliche Betätigungskraft des Unter«· druokmotors 11 auf ein Minimum beschränkt bleiben kann.

Die Versetzung der Achse 35 der Betätigungsstange 18 und der Aohse der Bohrung 20 ist auch nooh aus einem anderen Grund vorteilhaft. Gemäß Fig. 3 und 4 umfaßt die Drosselklappe 32 zwei Endflächen 38 und 391 die im Abstand parallel zueinander liegen und die durch eine Umfangswand 40. miteinander verbunden sind. Die Geeaatdioke der Drosselklappe 32 entspricht damit Im wesentlichen dem Abstand zwisohen den beiden Endflächen 38 und 39.

Der Durohmesser der Bohrung 20 ist die größte Querabmessung. In der Schließstellung der Drosselklappe 32 liegt ein Ringabsohnitt 41 der Umfangswand 40 abdichtend an der Bohxungswand 21

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an und di· maximale Abmessung dos Ringabsohnittes entspricht der maximalen Qesamtabmessafig der Drosselklappe 32 In einer Ebene parallel zur allgemeinen Ebene der Drosselklappe. Wenn die Drosselklappe aus ihrer Schließstellung in die Offenstellung verdreht wird« so wirkt die Umfangewand 40,insbesondere der Ab« schnitt 41, mit der Zylinderwand 21 zusammen. Wenn.die Drehachse der Drosselklappe 32 mit der Mittelachse der Drosselklappe 32 zueaoffienfallen würde, so vürde eine gr©ße Störung auftreten, da der breiteste Teil der Drosselklappe in einen engeren Absohnitt der Bohrung 20 bewegt werden würde. Durch die Versetzung der Drehachse der Drosselklappe 52, wie dies in Flg. 5 gezeigt ist, wird jedoch der breiteste Abschnitt der Drosselklappe 32 in einen weiteren Abschnitt der Bohrung 20 bewegt, wenn die Drosselklappe aus ihrer Schließstellung in die Offenstellung bewegt wird, so daß das Zusammenwirken zwisohen der Umfangewand 40 und der Bohrungsv&nd 21 und damit auch die Abnutzung der Drosselklappe verringert wird und das Ventil daher eine größere Lebensdauer besitzt.

Gemäß einem weiteren Merkaal besitzt die Drosselklappe 32 auf ihrer in Strömungsrichtung vorne liegenden Seite eine Lippendichtung. Derjenige Abschnitt der Drosselklappe 32, der in Fig. oberhalb der Betätigungsstange 18 liegt, wird nachfolgend als hinterer AbVohnitt der Drosselklappe bezeichnet, während der unterhalb der Stange 13 liegende Abschnitt nachfolgend als vorderer Abschnitt bezeichnet wird.

Auf der Endfläche 38 ist eine Ausnehmung 42 vorgesehen, die sioh über einen Hauptteil des hinteren Abschnittes der Drosselklappe bis in den vorderen Absohnitt erstreokt. Die Ausnehmung 42 und die Umfangswand 40 bilden eine Lippendichtung 43 asa Umfang derFMohs38, die sich über einen Hauptteil davon srstreokt.

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Sie Lipp· 43 umfaßt eine Seitenwand 44» die unter einem Winkel gegenüber der Wand JB geneigt ist. Die Form der Lippendichtung

43 iet so gewählt, daß die radiale Komponente der auf die Wand

44 infolge dee EinlaBdruckes wirkenden Kraft, welche bestrebt ist, die Lippendichtung in enge Anlage an der Bohrungswand 21 zu halten, wesentlich größer ist als die Kraft, die auf die Lippendichtung parallel zur Aohse der Bohrung 20 wirkt und bestrebt ist, die Lippendichtung 43 von der Bohrungswand 21 wegzudrücken. Hierdurch wird eine lecksichere Abdichtung awischen der Lippe 45 und der Bohrungewand 21 erzielt.

Die Lippendichtung 43 erstreckt eich nicht vollständig um den

vorderen Abschnitt der Drosselklappe 32, da die auf dießen

Abschnitt wirkende Kraft beßtrebt ist, die Umfangewand 40 auf f

die Bohrungswand 21 zu anstatt von dieser weg zu drücken.

Ein abgerundeter Übergangsabsohnitt 46 verbindet die Vorderseite 38 und die Uaf&ngswand 40 und gewährleistet eine enge Anlage des Ringabschnittee 4I-der Umfangewand 40 an der Bohrungswand 21. Die Umfangewand 40 ist von der BohrungBwand 21 weg geneigt, so daß ein Heigungewinkel entsteht, durch welchen die auf die Wand 36 und die Lippendichtung 43 wirkenden Kräfte eine zunehmende axiale Berührung der TTmfangswand 40 Bit der Bohrungewand 21 ermöglichen, wenn der Flüssigkeitsdruck vor der Drosselklappe 32 zunimmt.

Zur Erzielung maximaler Abdichtung ist die Drosselklappe 32 aue nachgiebigem Material wie Gummi gefertigt. In diesem Gummi ist zu» Zweck· einer Befestigung der Drosselklappe 32 an der Betätigungsstange 18 eine Metalleinlage 47 eingebettet.

Die Metalleinlage 47 umfaßt einen Mittelabechnitt 48, der etwa ähnlich wie die Betätigungsstange 18 gekrümmt ist, der j»doch

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Β»

•Inen iffl wesentlich flachen Abschnitt 49 aufweist. Die Metalleinlage ist bei 50.mit der Betätigungsstange 1Θ verschweißt und das Schweißen wird durchgeführt, wahrend die Drosselklappe 32 und die Betätigungsstange 18 innerhalb der Bohrung 20 angeordnet sind. Der abgeflachte Abschnitt 49 der Metalleinlage 47 erleichtert den Sehweißvorgang und es werden die Toleranzanforderungen zwischen der exakten Stellung der Betätigungsstange und der Drosselklappe herabgesetzt.

Bei der praktischen Herstellung wcn-iiea la sll$om©inen die Bohrungen 24 und 27 im Ventil gehäuse' 19 etwas axifcl außer FXuohtung sein. Bin solcher Fluchtungefehler bewirkt eine geringe Änderung der Lage der Betätigungestange 18 relativ aur Drosselklapp© 32«, Infolge dee abgeflachten Abschnitte 49 kann die Betätigungsstange 1Θ jedoch mit der Drosselklappe 32 derart verschweißt werden, daß die Drosselklappe innerhalb der Bohrung 20 ihre richtige Lag® einnimmt und zwar unabhängig von derartigen geringen Fluohtungsfehlern.

Zur leichteren Ausführung des SohwelBvorganges ist in der Drosselklappe 32 noch eine zentrale Öffnung 51 vorgesehen, durch welche die Metalleinlage auf der Strömungsobereeite der Drosselklappe 32 frei liegt. Zwei Löcher 52 und 55 sind zur leichteren Lagebeetimaung der Metalleinlage 47 iö der Form, in vreloher die Drosselklappe hergestellt wird» in der Drosselklappe 32 ausgebildet. In der Ausnehmung 42 ist auf der den Loch 53 gegenüberliegenden Seite ein Knopf 57 ausgebildet, durch welchen die Drosselklappe an dieser Stelle verstärkt wird.

Patentansprüche

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Claims

PATEHTAHWAI,T 8000 MfJHCHlSIi 0<

Βΐπ.-Η«. W. CtRAF

A - 218 ■ ■

Patentanspruch·

Droseelklappen-rentll, insbesondere durch eines Unter* druokaotor betätigtes Drosselklappenventil, alt einer scheibenförmigen Drosselklappe, welche innerhalb einer Zy linder bohrung des Ventilgehäuse s an einer senkrecht sur Achse der Zylinderbohrung angeordnet« Betätigungsstange befestigt ist und durch diese «wischen einer Schließstellung und einer Offenetellung rerschwenkber iat, dadurch g e k e η η s e 1 c h η e t , daB der Winkel »wischen Ache9 (35) der Zylinderbohrung (20) und Drosselklappenebene in SohlieBstellung kleiner als 90°» insbesondere etwa 60° ist.

2. Drosselklappenrentil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Drosselklappe (52) eine elliptische For· b®eit*t,

3. BroaselklappenTentil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennseiohnet, daß die Handfliehe (40) der Drosselklappe (32) gegenüber deren parallelen Vorder- und Rückseiten (58, 39) derart abgeschrägt ist, daß auch noch in der Schließstellung ein Seigungswinkel zwischen dieser Handfläche (40) und der Wand (21) der Zylinderbohrung (20) verbleibt.

4. Droaselklappenrentil nach Anspruch 3i dadurch gekennseiohnet , daß der Übergang (46) zwischen der Randfläche (40) und der in Ströeungsrlohtung weisenden Vorderseite (3θ) abgerundet 1st.

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5. Drosselklappenventil nach Anepruoh 1 bis 4» d a duroh g e k e η nzeichnet, daß dl« Ache· (35) der Betätigungestange (18) gegenüber der Achse (33) der Zylinderbohrung (20) derart versetzt ist (Abstand E) daß in der Schließstellung durch den Strömungsmitteldruck auf die Drosselklappe (32) ein diese in die Schließstellung "verdrehendes Moment (F . D) erzeugt wird.

6. Drosselklappenventil nach Anepruoh 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselklappe-(32) derart ausgebildet und innerhalb der Zylinderbohrung angeordnet ist, daß die Wirklinie (37) 4·Γ in Schließstellung durch den Strömungsmitteldruck senkrecht auf die Drosselklappe (32) wirkenden Gesamtkraft (f) gegenüber der senkrecht zur Drossel· klappe (32) und duroh die Schwenkachse (35) der Betätigungsstange (18) verlaufenden Linie (36) seitlioh versetzt ist (Abstand D).

7· Drosselklappenventil nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß am Umfang des in Strömungerichtung weiter hinten liegenden Abschnittes der Drosselklappe (32) eine derart geformte Diohtlippe (43) ausgebildet ist, daß diese' duroh den Strömungsmitteldruck radial nach außen in enge Anlage an die Wand (21) der Zylinderbohrung· (20) gedrückt wird.

Θ. Drosselklappenventil naoh Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselklappe (32) aus einem nachgiebigen Material mit darin eingebetteter Metalleinlage (47) beateht.

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Droseelklappenventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Metalleinlage (47) im Bereioh ihrer Schweißverbindung (50) mit der Betätigungsstange (18) einen gebogenen Mittelabeohnitt (4Θ) mit einer quer zur Aoh«e (55) der Betätigungestange (18) eich erstreckenden ebenen Anlagefläche (49) für die Betätigungsstange (18) aufweist.

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