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Die
Erfindung bezieht sich auf eine motorbetätigte Absperrklappenventil-Anordnung
entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Motorbetätigte Absperrklappenventil-Anordnungen
können
zum Steuern des Öffnens/Schließens/Umschaltens,
etc. von Warmwasserverrohrungen in einem Klimaanlagensystem eines
Automobils beispielsweise verwendet werden. Allgemein wird die Orientierung
zumindest eines scheibenförmigen
Ventilelementes, das im Inneren eines Rohres angeordnet ist, durch
die treibende Kraft eines Motors variiert, um die Öffnungszustände des
Rohres zu steuern.
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In
der motorbetätigten
Absperrklappenventil-Anordnung von US-A-4 981 283 trägt die Motorwelle
einen Nabenteil mit zwei voneinander beabstandeten Armen, welche
sich senkrecht zur Achse der Motorwelle erstrecken und zwischen
sich einen Zwischenspalt definieren. Beide Arme sind aus elastischem
Material hergestellt. Das Ventilelement wird durch eine Welle abgestützt, die
sich quer durch das Rohr erstreckt. Die Welle ist an einer Seite
des Rohres verlängert
und trägt
dort einen Kurbelarm, dessen freien Endes in den Zwischenspalt zwischen
beiden Armen des Nabenteils eingreift. Im Inneren des Rohres ist
zum Definieren einer extremen Absperrposition des Ventilelementes
ein Stopper ausgebildet. Sobald das Ventilelement das Stopperelement
kontaktiert, wird der Motor mit einem zusätzlichen Antriebsbewegungs-Inkrement
angetrieben, das die vorhergehende Motorantriebsbewegung fortsetzt,
derart, dass einer der elastischen Arme des Nabenteils elastisch
abgelenkt wird, um zunächst
das Ventilelement gegen das Stopperelement zu pressen. Erst dann wird
der Motor angehalten.
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Es
gibt Absperrklappenventil-Anordnungen mit einer Vielzahl Ventilelementen,
die zueinander parallel und kollektiv gesteuert sind. Wenn diese
Ventilelemente angetrieben werden, um exakt dieselben Öffnungs-
und Schließbewegungen
auszuführen, können die
jeweils erzielbaren Öffnungs-
oder Schließzustände unter
den Ventilelementen als Folge von Fehlern geringfügig differieren,
die auf dimensionale Ungenauigkeiten, auf die Montierpräzision, unterschiedliche
Spiele in den Antriebsmechanismen, etc. zurückzuführen sind. Demzufolge ist in
solchen Fällen
aus Sicherheitsgründen
für jedes
Ventil element ein individueller Motor vorzusehen. Dies ist unwirtschaftlich,
da die Teilekosten hoch sind und der Einbauraum exzessiv groß ist.
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Ein
Rückstellfedermechanismus
für eine Ventilklappentüre gemäß US-A-5
937 891 für
ein Heizungs-Ventilation- und Klimaanlagensystem-Gehäuse enthält eine
Spiralfeder mit einem gegabelten Abschnitt mit zwei Schenkeln. Die
Schenkel sind zueinander hin vorgespannt. Die Spiralfeder ist auf
einer Welle angeordnet, um eine Türklappe des Gehäuses mittels
eines pneumatischen Aktuators und eines Hebelmechanismus zwischen
vorbestimmten Positionen zu verschwenken. Die Spiralfeder dient
zum Rückstellen
der Türklappe
in die neutrale Position. Die andere Position der Türklappe
wird durch die Aktion des Aktuators und des Hebelmechanismus definiert.
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US-A-5
096 156 offenbart einen Dämpferapparat,
der in ein Heizungs-, Kühlungs-
oder Ventilationssystems inkorporiert ist. Ein Motor dreht das Dämpferblatt
in eine zweite Position. Dabei wird durch die Bewegung des Dämpferblattes
eine Vorspannfeder gedehnt. Sobald der Motor abgeschaltet ist, verdreht
die Rückstell-Vorspannfeder
das Dämpferblatt
in eine andere gegebene Position. In der Bewegungsübertragung
zwischen dem Motor und dem Dämpferblatt
sind ein Kupplungs- und Entkupplungs-Mechanismus vorgesehen.
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Es
ist ein Gegenstand der Erfindung, eine motorbetätigte Absperrklappenventil-Anordnung anzugeben,
deren Ventilelement ordnungsgemäß in einen
Absperrstatus an einer extremen Absperrposition gebracht werden
kann, derart, dass keine Wasserleckage oder dgl. auftritt, und zwar
ohne die Notwendigkeit, die dimensionale Genauigkeit oder die Montierpräzision individueller
Komponenten zu verbessern, und auch ohne die Notwendigkeit, den
Motor zu blockieren.
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Dieser
Gegenstand wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 erreicht.
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Das
Ventilelement und der mit dem Ventilelement gekuppelte Antriebsarm
bleiben angehalten, während
die Spiralfeder, die den treibenden Armstift und den getriebenen
Armstift mittels des gegabelten Abschnitts elastisch kuppelt, durch
die treibende Kraft des Motors und das zusätzliche Antriebsbewegungs-Inkrement
elastisch deformiert wird, mit dem Resultat, dass die Elastizität der Spiralfeder
das Ventilelement fest gegen den Stopper anpresst und es in der
angepressten Kondition hält.
Die Reaktionskraft der de formierten Spiralfeder kann schwach genug eingestellt
werden, um ein Blockieren des Motors zu vermeiden. Demzufolge kann,
selbst wenn es einen dimensionalen Fehler, einen Montiertehler,
oder dgl. unter den individuellen Komponenten geben sollte, das
Ventilelement in einen ordnungsgemäßen Absperrstatus so gebracht
werden, so dass Wasserleckagen oder dgl. nicht auftreten, und zwar
ohne die Notwendigkeit, den Motor zu blockieren. Die Spiralfeder
greift sowohl an dem treibenden Armstift als auch dem getriebenen
Armstift an. Sobald das Ventilelement mit dem Stopper in Kontakt
ist und der treibende Arm durch den Motor weiter gedreht wird, bleiben der
getriebene Arm und das Ventilelement in der korrekten extremen Position
angehalten, während
die Spiralfeder elastisch deformiert wird. Das Ausmaß des zusätzlichen,
treibenden Bewegungsinkrements des Motors muss auf einen Wert gesetzt
werden, welcher zuverlässig
zumindest die möglichen
Toleranzen des Ventilelements und irgendwelche Spiele in den Kraftübertragungsweg
zwischen dem Motor und dem Ventilelement kompensiert. Die Spiralfeder wird
elastisch so deformiert, dass der durch den gegabelten Abschnitt
definierte Spalt aufgeweitet wird. Die Ausbildung der Spiralfeder
mit dem gegabelten Abschnitt ist vorteilhaft, da die Spiralfeder
in beiden Bewegungsrichtungen des Ventilelementes auf dieselbe Weise
agiert. Die Spiralfeder kuppelt beide Arme über jeweilige Querstifte. Die
Spiralfeder wird von der Welle des Ventilelementes getragen, oder von
der Motorausgangswelle. Falls der aktive Hebelarm des getriebenen
Armes kürzer
ist als der aktive Hebelarm des treibenden Armes, kann die Spiralfeder
sogar die Betätigungskraft
für das
Ventilelement erhöhen.
Um eine vorbestimmte Betätigungskraft
zu erzielen, kann so ein Motor mit niedrigem Drehmoment verwendet
werden. In diesem Fall kann der Schwenkhub des treibenden Armes
größer sein
als der Schwenkhub des getriebenen Armes. Die Anordnung kann auch
umgekehrt werden, um einen relativ übersetzten Schwenkhub für das Ventilelement
im Vergleich mit einem kürzeren
Schwenkhub oder ein Drehinkrement des Motors und des treibenden
Armes zu erzielen. In der zuerst erwähnten Anordnung ist das Reaktionsdrehmoment
der deformierten Spiralfeder für
den Motor schwächer
als das Drehmoment, das das Ventilelement in Kontakt mit dem Stopper
hält.
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Ausführungsformen
der Erfindung werden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1 eine
Schnittansicht einer ersten Ausführungsform
einer motorbetätigten
Absperrklappenventil-Anordnung, und zwar in einem voll geschlossenen
Zustand (Schnittebene A-A in 3),
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2 eine
Schnittansicht der motorbetätigten
Absperrklappenventil-Anordnung von 1, in einem
weit offenen Status,
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3 eine
Ansicht des motorbetätigten
Absperrklappenventils von 1 und 2 in
der Richtung der Achse eines Rohres,
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4 eine
Vorderansicht der motorbetätigten
Absperrklappenventil-Anordnung,
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5 eine
Perspektivansicht eines elastischen Kupplungsgliedes, das als ein
Federglied designiert ist, wie in der ersten Ausführungsform
verwendet,
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6 und 7 Schnittansichten
einer zweiten Ausführungsform
einer motorbetätigten
Absperrklappenventil-Anordnung in ersten und zweiten Betriebszuständen, und
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8 eine
Vorderansicht einer dritten Ausführungsform
einer motorbetätigten
Absperrklappenventil-Anordnung.
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Die 1 bis 4 illustrieren
eine erste Ausführungsform
einer motorbetätigten
Absperrklappenventil-Anordnung, wie sie beispielsweise verwendet
wird zum Öffnen/Schließen etc.
eines Warmwasserrohres in einer Automobilklimaanlage. Solche Anordnungen
können
jedoch auch verwendet werden zum Steuern der Öffnungszustände verschiedener anderer Typen
von Fluidrohren.
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Ein
scheibenförmiges
Absperrklappen-Ventilelement 2 zum Steuem des Öffnungszustandes
eines Rohres 1 ist in dem Rohr 1 in der Mitte
angeordnet und um eine Welle 3 drehbar, die sich quer zum Rohr 1 erstreckt.
Das Absperrklappen-Ventilelement 2 ist fest an der Welle 3 fixiert
und wird durch einen Aktuator, z.B. einen die Welle 3 rotierenden
Elektromotor 4 angetrieben. Die Welle 3 variiert
die relative Orientierung des Absperrklappen-Ventilelementes 2 im
Inneren des Rohres 1. Der Aktuator 4 kann ein Motoraktuator,
ein Schrittmotor oder dgl. sein, d.h., ein Aktuator, dessen Anhaltewinkel
eingestellt werden kann.
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Eine
Ausgangswelle 5 des Motors 4 und die Welle 3 sind
in gegenseitiger Ausrichtung, d.h., sind zumindest substantiell
in Bezug zueinander koaxial. Die Wellen 5 und 3 sind
nicht direkt, sondern durch einen Kupplungsmechanismus 10 gekuppelt.
Der Kupplungsmechanismus 10 umfasst einen treibenden Arm 11,
der direkt mit der Ausgangswelle 5 verbunden ist, einen
getriebenen Arm 12, der direkt mit der Welle 3 verbunden
ist, und ein elastisches Kupplungsglied 13 zum elastischen
Kuppeln des treibenden Arms 11 mit dem getriebenen Arm 12.
In der gezeigten Ausführungsform
ist das elastische Kupplungsglied 13 als Federglied ausgebildet.
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Der
treibende Arm 11 und der getriebene Arm 12 erstrecken
sich in Richtungen, die substantiell senkrecht zu denen der jeweiligen
drehbaren Wellen 3, 5 sind. An distalen Enden
des treibenden Arms und des getriebenen Arms 12 sind seitwärts vorstehende
Treibstifte 11a, 12a vorgesehen. Beide Treibstifte 11a, 12a sind
benachbart zueinander positioniert und werden durch das elastische
Kupplungsglied 13 elastisch miteinander gekuppelt.
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1 illustriert
einen voll abgesperrten Zustand, in welchem das Rohr 1 vollständig durch
das Absperrklappen-Ventilelement 2 blockiert ist. Die innere
Wand des Rohres 1 definiert einen Stopper 14, welcher
die extreme Position des Ventilelementes 2 im Absperrzustand
festlegt. Andererseits könnte
ein nicht gezeigter struktureller Stopper im Inneren des Rohres 1 zu
einer dichtenden Zusammenwirkung mit dem Ventilelement 2 vorgesehen
sein. Alternativ könnte
ein Stopper sogar mit der Welle 3 zusammenwirken, um zumindest
eine extreme Position des Ventilelementes 2 zu definieren. 2 illustriert
einen weit geöffneten
Zustand, in welchem die Orientierung des Ventilelementes 2 zumindest
substantiell mit der Axialrichtung des Rohres 1 übereinstimmt.
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Das
elastische Kupplungsglied 13 ist in 5 eine Spiralfeder 15 mit
einem gewickelten Abschnitt 14b, der aus mehreren Federwindungen
besteht. An den Enden des gewickelten Abschnitts 13b erstrecken
sich zwei einander überkreuzende
Schenkel im Wesentlichen senkrecht zu der Achse des gewickelten
Abschnitts 13b. Beide Schenkel definieren einen gegabelten
Abschnitt 13a zum Festhalten des treibenden Stifts 11a und
des getriebenen Stifts 12a. Distale Endbereiche 13c beider
Schenkel sind umgebogen, um den gegabelten Abschnitt 13a zu
schließen.
Der gewickelte Abschnitt 13b umgibt einen Endabschnitt
der Welle 3, derart, dass sich beide Schenkel des elastischen
Kupplungsgliedes 13 im Wesentlichen parallel zu den Armen 11, 12 erstrecken.
Der Radialabstand des getriebenen Stiftes 12a von der Welle 3 ist
kürzer
als der Radialabstand des getriebenen Stiftes 11a von der
Ausgangswelle 5. Der Durchmesser des treibenden Stiftes 11a ist
etwas größer als
der Durchmesser des getriebenen Stiftes 12a, derart, dass
normalerweise beide Stifte 11a, 12a im gegabelten
Abschnitt 13a von beiden Schenkeln und von einander gegenüberliegenden Seiten
gehalten sind.
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In
einem normalen Zustand, d.h., solange das Ventilelement 2 den
Stopper 14 nicht kontaktiert oder den Stopper 14 ohne
signifikanten Kontaktdruck kontaktiert, hält der gegabelte Abschnitt 13a des elastischen
Kupplungsgliedes 13 die Stifte 11a, 12a, wie
in 2 gezeigt, so fest, dass sich beide Stifte relativ
zueinander und relativ zu dem gegabelten Abschnitt nicht bewegen
können.
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Wenn
jedoch der treibende Arm 11 durch den Motor 4 verdreht
wird, wird auch der getriebene Arm 12, der durch das elastische
Kupplungsglied 13 mit dem treibenden Arm 11 gekuppelt
ist, zusammen mit dem treibenden Arm 11 ohne jegliche Verzögerung gedreht,
derart, dass die Orientierung des Absperrklappen-Ventilelementes 2 um
den weit geöffneten
Zustand verändert
werden kann, z.B. wie in 2 gezeigt.
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Sobald
jedoch das Ventilelement 2 in den voll absperrenden Zustand
von 1 gebracht ist, kontaktiert es die innere Rohrwand
oder den Stopper 14 des Rohres 1, um das Rohr 1 abzusperren.
Dann wird der treibende Arm 11, nachdem das Ventilelement 2 den
Stopper 14 kontaktiert, mit einem zusätzlichen Antriebsbewegungs-Inkrement
des Motors 4 weiter verdreht. Dieses zusätzliche
treibende Bewegungsinkrement des Motors 4 erstreckt sich
in derselben Richtung wie die vorhergehende Bewegung zu dem absperrenden
Zustand und über
ein vorbestimmtes Ausmaß.
Dann wird der Motor 4 angehalten.
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In
dem voll abgesperrten Zustand und nachdem der getriebene Stift 12 des
getriebenen Arms 12 mit dem Absperrklappen-Ventilelement 2 anhält, das in
Kontakt mit der inneren Wand oder dem Stopper 14 des Rohres 1 gehalten
ist, wird der treibende Stift 11a des treibenden Armes 11 zusätzlich weitergedreht,
so dass das elastische Kupplungsglied 13 in einen Zustand
gebracht wird, in welchem der gegabelte Abschnitt 13a in
Aufweitrichtung elastisch deformiert ist, wie in 1 gezeigt.
In anderen Worten spreizen die Stifte 11a, 12a durch
die zusätzliche Drehung
des Motors 4 beide Schenkel der Spiralfeder 15 auseinander,
und ändern
sie die Dimension des gegabelten Abschnitts 13a von einer
ersten Dimension zu einer zweiten, größeren Dimension. In dieser
Situation kontaktiert der treibende Stift 11a nur einen
Schenkel, während
der getriebene Stift 12a nur den anderen Schenkel kontaktiert.
Die zusätzliche Rotation
oder das zusätzliche
Antriebsbewegungs-Inkrement des Motors 4 gleicht in der
gezeigten Ausführungsform
essentiell einer Winkelbewegung, die z.B. substantiell korrespondiert
mit dem Durchmesser des treibenden Stiftes 11a.
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Als
Resultat agiert die Federkraft des deformierten elastischen Kupplungsgliedes 13 so,
dass das Absperrklappen-Ventilelement 2 gegen die innere
Wand oder den Stopper 14 des Rohres 1 gepresst wird,
und demzufolge, selbst falls es einen dimensionalen Fehler oder
einen Montierfehler bei den individuellen Teilen geben sollte, kann
ein zufriedenstellender voll abgesperrter Zustand erreicht werden.
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In
der zweiten Ausführungsform
und wie in den 6 und 7 gezeigt,
kann das Rohr 1 ein sich aufzweigendes Rohr sein, das an
der Anordnungsstelle des Absperrklappen-Ventilelementes 2 in drei Zweigrohre 1a, 1b, 1c verzweigt
ist. Alle vier Zweigrohre 1, 1a, 1b, 1c sind
in Bezug zueinander mit einer Versetzung von ca. 90° orientiert.
Das von der Welle 3 getragene Absperrklappen-Ventilelement 2 dient
zum Umschalten zwischen unterschiedlichen Kommunikationsweisen.
In 6 kommuniziert das Rohr 1 mit dem Zweigrohr 1a,
während
gleichzeitig das Zweigrohr 1b mit dem Zweigrohr 1c kommuniziert.
Die Kommunikation von dem Rohr 1 zu den Zweigrohren 1b, 1c ist
abgesperrt, wie auch die Kommunikation vom Zweigrohr 1c zum
Zweigrohr 1a. In 7 ist das
Rohr 1 mit dem Zweigrohr 1b verbunden, während gleichzeitig
auch die Zweigrohre 1c und 1a miteinander verbunden
sind. Es könnte
sogar einen weiteren Kommunikationsstatus geben, in welchem das
Ventilelement parallel zu der Achse des Rohres 1 orientiert
ist, so dass alle Rohre und Zweigrohre miteinander kommunizieren.
Durch Stopper 14, 14', z.B. die Innenwände des
Rohres 1, sind zwei extreme Positionen für das Absperrklappen-Ventilelement 2 definiert.
An jeder dieser extremen Positionen des Ventilelementes 2 ist
das elastische Kupplungsglied 13 elastisch deformiert,
wie in Verbindung mit 1 gezeigt und erklärt. In diesem
Fall agiert das elastische Kupplungsglied 13 bidirektional.
In 6 ist der nicht gezeigte Motor entgegen dem Uhrzeigersinn
zusätzlich
verdreht worden, sobald das Ventilelement 2 den Stopper 14 kontaktiert.
In 7 ist der nicht gezeigte Motor zusätzlich im
Uhrzeigersinn weitergedreht worden, sobald das Ventilelement 2 den Stopper 14' oder die Innenwand
des Rohres 1 kontaktiert.
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In
der weiteren Ausführungsform
in 8 wird ein einzelner Motor 4 verwendet,
um kollektiv zumindest zwei Absperrklappen-Ventilelemente 2 anzutreiben.
Ausgangswellen 5 können
an voneinander abgewandten Seiten des Motors 4 vorgesehen
sein. Jede Ausgangswelle ist mit einer jeweiligen Welle gekuppelt,
die in einem Rohr 3 ein Ventilelement 2 trägt, und
zwar über
einen Kupplungsmechanismus 10, der jeweils ein eigenes
elastisches Kupplungselement 3 enthält. Sogar in Fällen, in
welchen es eine Differenz zwischen der Winkelposition gibt, an welcher
die zwei Absperrklappen-Ventilelemente 2 jeweils voll absperren,
können
beide Absperrklappen-Ventilelemente 2 gleichzeitig ohne
Störung
zu ihren vollen Absperrzuständen
gebracht werden. In einer weiteren, nicht gezeigten Ausführungsform
könnte
eine einzelne treibende Welle oder ein einzelner Motor 4 verwendet werden,
um eine Serie von Ventilelementen anzutreiben, welche zueinander
parallel zu steuern sind, und zwar jedes über sein eigenes elastisches
Kupplungsglied, das wie oben beschrieben arbeitet.