DE4028991A1

DE4028991A1 - Flow valve with fluid discharge opening - operates using temp. dependent change of dia. of alloy metal lock washer

Info

Publication number: DE4028991A1
Application number: DE19904028991
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Ing Kerner; Johann Dr Ing Kraemer
Original assignee: Daimler Benz AG; Mercedes Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1990-09-13
Filing date: 1990-09-13
Publication date: 1991-11-07

Abstract

The flow valve has a discharge opening (27,28) for the hydraulic medium, and operates via the temp. dependent change of form of an alloy metal lock washer (26). The sealing face of the housing (21) around the discharge opening borders a ring chamber (25). The lock washer expands diametrically within this chamber, according to its temp., to cover the sealing face of the discharge opening. The washer expansion effect is reversible to change the valve flow direction. USE/ADVANTAGE - More compact construction of fluid flow valve.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein mit einer Durchlaßöffnung für ein Strömungsmedium zusammenwirkendes Verschlußelement der im Oberbegriff des Hauptanspruches angegebenen Art.The invention relates to a with a passage opening for a fluid medium cooperating closure element Art specified in the preamble of the main claim.

Ein derartiges Verschlußelement ist als Anwendungsbeispiel in dem Artikel "Mechanismus und Anwendungen des Formgedächtnisef fektes" offenbart, der in der Zeitschrift "Material und Tech nik" 1978, Nr. 2, Seiten 59 bis 65 veröffentlicht wurde. Bei der vorbekannten Ausführungsform besteht das Verschlußele ment aus einem zylindrischen Hahnküken eines zwischen zwei Rohrleitungsenden angeordneten Absperrhahns. Durch Drehen des Hahnkükens von 90° in entgegengesetzten Richtungen läßt sich die Durchlaßöffnung im Absperrhahn wechselweise sperren oder freigeben. Zur Öffnungsdrehung des Hahnkükens ist ein ver drillter Metallstreifen aus einer Formgedächtnislegierung mit Einwegeffekt vorgesehen, dessen oberes Ende drehfest mit dem Hahnküken verbunden ist. Bei koaxialer Erstreckung des Metall streifens zur Drehachse des Hahnkükens ist er ferner an seinem unteren Ende mit einem drehsicher schiebegeführten Gewicht be lastet. Wird der Metallstreifen bis zu seiner Phasenumwand lungstemperatur aufgeheizt, so verdrillt sich der Metall streifen stärker, wodurch das Hahnküken gedreht und gleichzei tig das Gewicht angehoben wird. Beim Wiederabkühlen nimmt die Festigkeit der Gedächtnislegierung ab, wodurch sie vom Gewicht rückverformt und das Hahnküken dabei in die Sperrlage zurück gedreht wird.Such a closure element is used as an example in the article "Mechanism and Applications of Shape Memoryef fektes "disclosed in the magazine" Material und Tech nik "1978, No. 2, pages 59 to 65. In the previously known embodiment, there is the closure element ment from a cylindrical cock plug one between two Pipe ends arranged shut-off valve. By turning the Rooster plug of 90 ° in opposite directions can be alternately block the passage opening in the stopcock or release. For the opening rotation of the cock plug is a ver Drilled metal strip from a shape memory alloy with Disposable effect provided, the upper end of which is rotatably connected to the Rooster chick is connected. With coaxial extension of the metal streak to the axis of rotation of the cock plug he is also on his lower end with a non-rotatable slide-guided weight burdens. The metal strip becomes up to its phase change heating temperature, the metal twists streak stronger, causing the rooster chick to twist and at the same time tig the weight is raised. When it cools down again Strength of the memory alloy decreases, which makes it weight reshaped and the cock plug in the locked position is rotated.

Der von dem aufheizbaren Metallstreifen und dem Rückstellge wicht gebildete Antrieb für das vom Hahnküken gebildete Ver schlußelement stellt eine zuverlässige Funktion des Absperr hahns sicher, da der Antrieb wartungs- und verschleißfrei ar beitet.That of the heatable metal strip and the reset pin important drive formed for the Ver formed by the cock chick closing element provides a reliable function of the shut-off hahns safe because the drive ar maintenance and wear-free works.

Andererseits ist für die Gesamtheit von Verschlußelement und zugeordneten Antriebsmitteln ein erheblicher Einbauraum erfor derlich, der bei vielen sinnvollen Anwendungen von Verschluß elementen konstruktiv kaum verfügbar ist.On the other hand, for the whole of the closure element and associated drive means require a significant installation space derlich, that in many useful applications of closure elements is hardly available constructively.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Funktionseinheit aus einem Verschlußelement und dem zugehörigen temperaturabhängig gesteuerten Antrieb dahin gehend zu verbessern, daß für die Gesamtheit aus Verschlußele ment und Antriebsmitteln eine deutlich kompaktere Bauweise möglich wird.The invention is therefore based on the object Generic functional unit from a closure element and the associated temperature-dependent drive going to improve that for the whole of closure elements ment and drive means a significantly more compact design becomes possible.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches.The achievement of this task results from the characteristic features of the main claim.

Der für das Verschlußelement ohnehin notwendige Einbauraum steht hierbei als Anordnungs- und Bewegungsfreiraum für den Metallstreifen zur Verfügung und wird häufig bereits ausrei chen, da der Metallstreifen verschiedene Bewegungsarten aus führen kann. Dies gilt insbesondere dann, wenn zur Rückstellung des Metallstreifens anstelle eines Gewichtes eine Feder einge setzt wird.The installation space required for the closure element anyway stands for freedom of arrangement and movement for the Metal strips are available and will often suffice chen because the metal strip from different types of movement can lead. This is especially true if for the provision of the metal strip instead of a weight inserted a spring is set.

Da der Metallstreifen aufgrund seiner Doppelfunktion vom Stromungsmedium umspült ist, läßt sich seine Phasenumwandlung vorteilhaft über die Temperatur des Strömungsmediums selbst ansteuern. Since the metal strip due to its double function from Flow medium is washed around, its phase transition can be advantageous about the temperature of the flow medium itself head for.

Aus den Unteransprüchen gehen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung hervor.Advantageous refinements of the Invention.

Damit völlig auf Rückstellmittel für den Metallstreifen ver zichtet werden kann, besteht dieser vorzugsweise aus einer Formgedächtnislegierung mit Zweiwegeeffekt.So completely on restoring means for the metal strip can be waived, this preferably consists of a Shape memory alloy with two-way effect.

Ist die zu verschließende Durchlaßöffnung in einer zylin drischen oder ovalen Umfangsfläche eines Gehäuses angeordnet, die einen Ringraum begrenzt, so kann der Metallstreifen als entsprechend gebogener Schließring ausgebildet sein, der seinen Durchmesser bei der Phasenumwandlung ändert und unter axialer Abstützung im Ringraum geführt ist. Wegen des günstigen Deh nungsverhaltens von Formgedächtnislegierungen kann der Schließring hierbei so bemessen sein, daß er unter erheblicher radialer Vorspannung mit dem Dichtsitz der Umfangsfläche zu sammenwirkt.Is the passage opening to be closed in a cylinder arranged drical or oval peripheral surface of a housing, which bounds an annulus, the metal strip can be used as be formed correspondingly curved locking ring, his Diameter changes during phase change and under axial Support is guided in the annulus. Because of the cheap Deh behavior of shape memory alloys Locking ring should be dimensioned so that it under considerable radial preload with the sealing seat of the peripheral surface interacts.

Ist für die Antriebsbewegung des Schließrings nur eine relativ geringe Durchmesseränderung erforderlich, so kann der Schließ ring umlaufend also endlos gestaltet sein. Werden demgegenüber für den Schließring größere Durchmesseränderungen erforderlich, so kann dieser auch durch einen Querschlitz endlich gemacht sein, wodurch er sich im Zuge seiner Durchmesseränderung auf spreizen kann.Is only one relative to the drive movement of the locking ring small diameter change required, so the closing ring can be endless. Be against it major diameter changes required for the locking ring, so this can finally be made through a cross slot be, causing it to change as its diameter changes can spread.

Da der Schließring über seine Umfangslänge gesehen einen im wesentlichen konstanten Rechteckquerschnitt aufweisen kann, lassen sich vom selben Schließring gleichzeitig mehrere von ihm überdeckte Durchlaßöffnungen öffnen oder schließen.Since the locking ring is seen in its circumferential length can have a substantially constant rectangular cross section, can have several of the same locking ring simultaneously Open or close covered passage openings.

Die Einsatzmöglichkeiten des geschlitzten Schließrings sind jedoch insoweit begrenzt, als dessen Eignung zwar für Strö mungsmedien aller Art aber nur bis zu mittleren Drücken gegeben ist. The possible uses of the slotted locking ring are however limited insofar as its suitability for current media of all kinds only given up to medium pressures is.

Eine vorteilhafte Anwendung des Schließrings in einem Ringraum besteht ferner in seiner Nutzung als Dreiwegeventil.An advantageous application of the locking ring in an annulus also consists in its use as a three-way valve.

Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer zeichnerischen Darstellung näher erläutert.The following is an embodiment of the invention based on a graphic representation explained in more detail.

Das in der Zeichnung im Mittellängsschnitt dargestellte Drei wegeventil, das nachfolgend als Umschaltventil 20 bezeichnet ist, soll hier nur insoweit erläutert werden, als dies für das Verständnis der vorliegenden Erfindung erforderlich ist.The three-way valve shown in the drawing in central longitudinal section, which is referred to below as changeover valve 20 , is only to be explained here to the extent that this is necessary for an understanding of the present invention.

So umfaßt das Umschaltventil 20 ein zweiteiliges zylindrisches Gehäuse 21, das an beiden axialen Enden durch eine Bodenplatte 22 bzw. 23 geschlossen ist, wobei die ebenen Bodenplatten 22 und 23 flächenparallel zueinander verlaufen. Im zylindrischen Gehäuse 21 ist mittig ein Innenrohr 24 angeordnet, dessen Enden dicht mit den Bodenplatten 22 und 23 verbunden sind, wodurch zwischen dem Innenrohr 24 und dem Außenrohr des Gehäuses 21 ein rotationssymmetrischer Ringraum 25 mit rechteckigem Querschnitt liegt. Im diesem Ringraum 25 ist ein Schließring 26 mit kon stantem Rechteckquerschnitt angeordnet, der das Innenrohr 24 über dessen Länge konzentrisch umschließt und dadurch zwei diametrische Durchlaßöffnungen 27 abdichtet, von denen die Rohrwand des Innenrohrs 24 durchsetzt ist. Der Schließring 26 besteht aus einer Formgedächtnislegierung mit Zweiwegeeffekt, dessen Durchmesser sich im Zuge einer Phasenumwandlung soweit vergrößert, daß die Außenumfangsfläche des Schließrings 26 un ter radialer Vorspannung am gegenüberliegenden Innenumfang des Gehäuseaußenrohrs anliegt. In dieser durch unterbrochene Linien angedeuteten Stellung dichtet der Schließring 26 zwei Durch laßöffnungen 28 ab, die das Außenrohr des Gehäuses 21 hier diametrisch durchsetzen.The changeover valve 20 thus comprises a two-part cylindrical housing 21 , which is closed at both axial ends by a base plate 22 and 23 , respectively, the flat base plates 22 and 23 being parallel to one another. An inner tube 24 is arranged centrally in the cylindrical housing 21 , the ends of which are tightly connected to the base plates 22 and 23 , as a result of which a rotationally symmetrical annular space 25 with a rectangular cross section lies between the inner tube 24 and the outer tube of the housing 21 . In this annular space 25 , a locking ring 26 with a constant rectangular cross section is arranged, which concentrically encloses the inner tube 24 over its length and thereby seals two diametric passage openings 27 , of which the tube wall of the inner tube 24 is penetrated. The locking ring 26 consists of a shape memory alloy with a two-way effect, the diameter of which increases in the course of a phase transition to such an extent that the outer circumferential surface of the locking ring 26 rests on the opposite inner circumference of the housing outer tube under radial prestress. In this position, indicated by broken lines, the locking ring 26 seals two through openings 28 , which penetrate the outer tube of the housing 21 here diametrically.

Je nach der temperaturabhängig wechselnden Gestalt des Schließrings 26 wirken demnach abwechselnd die Innen- oder Außenumfangsfläche des Schließrings 26 als Sperrfläche mit der gegenüberliegenden Umfangsfläche des Gehäuses 21 als Dichtsitz zusammen, wobei der Schließring 26 im Zuge seiner Gestaltände rung unter axialer Abstützung durch die parallelflachen Boden platten 22 und 23 radial geführt ist.Depending on the temperature-dependent varying shape of the closing ring 26, therefore, the inner or outer peripheral surface of the bush act 26 as a locking surface with the opposite peripheral surface of the housing 21 as a sealing seat alternately, the locking ring 26 in the course of its Gestaltände tion plates with axial support by the parallel flat bottom 22 and 23 is guided radially.

Des weiteren ist die Bodenplatte 22 von mehreren Überströmöff nungen 29 durchsetzt, die den Ringraum 25 im vom Schließring 26 in seinen Endlagen nicht überdeckten Bereich mit dem lichten Querschnitt eines Zuleitungsrohrs 30 verbinden, das über einen Ringflansch mit der Bodenplatte 22 verschraubt ist. Auch die Bodenplatte 23 ist von einer Überströmöffnung 31 durchsetzt, die mittig angeordnet ist und dadurch den lichten Querschnitt des Innenrohrs 24 mit dem lichten Querschnitt eines auf die Bodenplatte 23 aufgeflanschten Ableitungsrohrs 32 verbindet. Jeweils eine der beiden Durchlaßöffnungen 28 umschließend sind ferner zwei Schlauchleitungen 33 an das Gehäuse 21 angeschlos sen.Furthermore, the bottom plate 22 is penetrated by a plurality of overflow openings 29 which connect the annular space 25 in the region not covered by the locking ring 26 in its end positions with the clear cross section of a feed pipe 30 which is screwed to the bottom plate 22 via an annular flange. The bottom plate 23 is also penetrated by an overflow opening 31 which is arranged in the center and thereby connects the clear cross section of the inner tube 24 with the clear cross section of a discharge pipe 32 flanged onto the bottom plate 23 . In each case one of the two passage openings 28 enclosing two hose lines 33 to the housing 21 are also ruled out.

Strömt dem Umschaltventil 20 durch das Zuleitungsrohr 30 ein sich erwärmendes Strömungsmedium, z. B. in einem Kühlwasser- oder Ölkreislauf zu, so bleibt der dargestellte Schaltzustand des Umschaltventils 20 erhalten, bis sich der Schließring 26 auf seine obere Umwandlungstemperatur erwärmt hat. Da die Durchlaßöffnungen 27 in diesem Schaltzustand vom Schließring 26 verschlossen sind, kann das durch die Überströmöffnungen 29 in den Ringraum 25 gelangte Strömungsmedium nur durch die Durch laßöffnungen 28 aus dem Gehäuse 21 wieder ausströmen. Mit Erreichen seiner oberen Umwandlungstemperatur dehnt sich der Schließring 26 auf seinen großen Durchmesser aus, wobei er die Durchlaßöffnungen 28 verschließt und dabei die Durchlaß öffnungen 27 freigibt. Nunmehr kann das Strömungsmedium nur noch durch die Durchlaßöffnungen 27 und damit durch das Ablei tungsrohr 32 aus dem Gehäuse 21 wieder ausströmen. Flows the switching valve 20 through the supply pipe 30, a warming flow medium, for. B. in a cooling water or oil circuit, the switching state shown of the changeover valve 20 is maintained until the locking ring 26 has heated to its upper transition temperature. Since the passage openings 27 are closed by the locking ring 26 in this switching state, the flow medium which has entered the annular space 25 through the overflow openings 29 can flow out again only through the passage openings 28 from the housing 21 . When its upper transition temperature is reached, the locking ring 26 expands to its large diameter, closing the passage openings 28 and thereby opening the passage openings 27 . Now the flow medium can only flow through the passage openings 27 and thus through the Ablei line 32 from the housing 21 again.

Kühlt sich der Schließring 26 wieder auf seine untere Umwand lungstemperatur ab, so schaltet das Umschaltventil 20 durch erneute Gestaltänderung des Schließrings 26 um.If the locking ring 26 cools down again to its lower conversion temperature, the changeover valve 20 switches over by changing the shape of the locking ring 26 .

Der Schließring 26 wirkt somit gleichzeitig als Tmperatursensor, als Antriebs- und als Verschlußelement für das Umschaltventil 20.The locking ring 26 thus acts simultaneously as a temperature sensor, as a drive element and as a closure element for the changeover valve 20 .

Anstelle des endlosen Schließrings 26 könnte zum Umschalten auch ein Schlitzring verwendet werden. In diesem Fall müßte der als Schlitzring ausgebildete Schließring jedoch im Zuge seiner Gestaltänderung drehgesichert sein. Hierzu könnte beispiels weise eine den Ringraum 25 radial durchsetzende Stützwand vor gesehen sein, an welcher die an den Ringschlitz des Schließ rings angrenzenden Enden desselben drehsichernd anschlagen könnten.Instead of the endless locking ring 26 , a slot ring could also be used for switching. In this case, the locking ring designed as a slot ring would have to be secured against rotation in the course of its change in shape. For this purpose, for example, a support wall radially penetrating through the annular space 25 could be seen, against which the ends of the closing ring adjoining the annular slot of the closing ring could strike against rotation.

Alternativ wäre es ferner denkbar, einen als Schlitzring aus gebildeten Schließring aus einer Formgedächtnislegierung mit Einwegeeffekt herzustellen, wenn der Schließring mit einer Rückstellfeder kombiniert würde. Diese Rückstellfeder müßte hierbei aus einer Blattfeder gebogen und mit dem Schlitzring flächig gefügt sein. Dadurch könnte dieser Kombinations schlitzring in einer seiner vorgesehenen Stellungen durch den aktivierten Schlitzring aus der Formgedächtnislegierung und in seiner anderen Stellung durch die Federkraft des gebogenen Blattfederringes gehalten werden. Jedoch müßte hierbei der Schlitzring eine entsprechende vergrößerte Materialdicke auf weisen, um die zusätzliche Antriebsarbeit für die Biegedehnung des Blattfederrings aufbringen zu können.Alternatively, it would also be conceivable to use a slit ring formed locking ring from a shape memory alloy To produce one-way effect if the locking ring with a Return spring would be combined. This return spring should here bent from a leaf spring and with the slot ring be flat. This could make this combination slit ring in one of its intended positions by the activated slot ring made of shape memory alloy and in its other position by the spring force of the bent Leaf spring ring are held. However, the Slot ring a corresponding increased material thickness point to the additional drive work for the bending stretch to be able to apply the leaf spring washer.

Zur Anwendungsmöglichkeit des Umschaltventils 20 sei z. B. auf die Temperaturregelung eines Kühlersystems für Verbrennungsmo toren mit mehreren Kühlkreisläufen verwiesen. Bei niedrigen Außemtemperaturen könnte das vom Motor aufgeheizte Wasser bei geschlossenen Durchlaßöffnungen 27 vom Zuleitungsrohr 30 aus zunächst direkt einem den Schlauchleitungen und dem Zulei tungsrohr 30 zwischengeschalteten Wärmetauscher zugeführt wer den.For the application of the switch valve 20 z. B. referred to the temperature control of a cooler system for combustion engines with multiple cooling circuits. At low Außemtemperaturen the heated water from the engine could with closed passage openings 27 by the supply pipe 30, first of all directly to a hose lines and the Zulei tung tube 30 intermediate heat exchanger is supplied to who.

Ist das Wasser bis zu einer Grenztemperatur aufgeheizt, springt der Schließring 26 auf und sperrt damit die Durchlaßöffnungen 28. Nunmehr kann das erwärmte Wasser nur noch durch die frei gegebenen Durchlaßöffnungen 27 und damit durch das Ableitungs rohr 32 aus dem Gehäuse 21 ausströmen, wodurch es in einem zweiten Wasserkreislauf des Kühlsystems zirkuliert.If the water is heated to a limit temperature, the locking ring 26 springs open and thus blocks the passage openings 28 . Now the heated water can only flow through the exposed passage openings 27 and thus through the drain pipe 32 from the housing 21 , whereby it circulates in a second water circuit of the cooling system.

Es versteht sich, daß das beschriebene Prinzip des Umschaltvenils 20 durch entsprechende Vereinfachung auch als Zweiwegeventil nutzbar wäre. Als Beispiel sei ein Thermostat ventil genannt, das einen Kühlwasserkreislauf temperaturabhängig freigibt oder sperrt. In Abwandlung des Um schaltventils 20 müßte hierzu lediglich das Außenrohr des Ge häuses 21 ohne Durchlaßöffnungen 28 ausgebildet sein, da hier bei der über die Schlauchleitungen 33 versorgte Kreislauf ent fiele.It is understood that the described principle of the changeover valve 20 could also be used as a two-way valve by corresponding simplification. An example is a thermostatic valve that enables or blocks a cooling water circuit depending on the temperature. In a modification of the switching valve 20 to do this, the outer tube of the housing 21 would only have to be formed without through openings 28 , since here the circuit supplied via the hose lines 33 would fall ent.

Claims

1. With a passage opening for a flow medium cooperating closure element which is driven in an actuating direction by a temperature-dependent controlled deformation work of a metal strip made of a shape memory alloy, the closure element lying flat in its blocking position against a sealing seat enclosing the passage opening, characterized in that a Length range of the metal strip (locking ring 26 ) itself forms the closure element, whereby the change in shape of the metal strip (locking ring 26 ) simultaneously represents an actuation movement of the closure element.

2. Locking element according to claim 1, characterized in that the metal strip (locking ring 26 ) consists of a shape memory alloy with two-way effect, the reversible deformation movement of the metal strip (locking ring 26 ) is used for reversible actuation of the locking element.

3. Closure element according to claim 1 or 2, characterized in that the passage opening ( 27, 28 ) is arranged in a substantially zy-cylindrical peripheral surface of a housing ( 21 ), whereby an area adjacent to the passage opening ( 27 , 28 ) of the peripheral surface Smooth-walled sealing seat forms that the circumferential surface of the housing ( 21 ) is a boundary surface of an annular space ( 25 ), in which a closing surface ( 26 ) opposite the circumferential surface is arranged as a closure element, which changes its diameter as a function of temperature, and that one of the passage opening ( 27 , 28 ) facing longitudinal region of the circumferential surface of the locking ring ( 26 ) cooperates with the sealing seat of the circumferential surface on the housing ( 21 ).

4. Closure element according to claim 3, characterized in that distributed over the length of the cylindrical peripheral surface of the housing ( 21 ) by means of the same locking ring ( 26 ) from coverable passage openings ( 27 , 28 ) are provided, including the locking ring ( 26 ) over its circumferential length seen has a substantially constant rectangular cross-section.

5. Closure element according to claim 3 or 4, characterized in that the locking ring ( 26 ) is a spreadable slot ring in the course of its diameter enlargement.

6. Closure element according to claim 3, characterized in that the annular space ( 25 ) is delimited by two mutually spaced opposite circumferential surfaces of a housing ( 21 ), each having a passage opening ( 27 , 28 ), and that the passage openings ( 27 , 28th ), depending on the temperature, are optionally covered by an inner peripheral surface and by an outer peripheral surface of the locking ring ( 26 ) located in the annular space ( 25 ), as a result of which the locking ring ( 26 ) is effective as a changeover valve ( 20 ).