DE60313363T2

DE60313363T2 - Steuerventil mit verbesserter dichtigkeit für einen flüssigkeitsströmungskreis

Info

Publication number: DE60313363T2
Application number: DE60313363T
Authority: DE
Inventors: Frederic Vacca; Mathieu Chanfreau
Original assignee: Valeo Thermique Moteur SA
Current assignee: Valeo Thermique Moteur SA
Priority date: 2002-12-30
Filing date: 2003-12-23
Publication date: 2008-01-03
Anticipated expiration: 2023-12-24
Also published as: FR2849485B1; JP2011021753A; US7302919B2; EP1579132B1; DE60313363D1; FR2849485A1; EP1579132A1; WO2004061342A1; JP2006512547A; AU2003299403A1; JP5048112B2; JP4649211B2; ATE360166T1; ES2286506T3; US20060214017A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Steuerventil, das für eine Fluidzirkulationsschaltung, insbesondere eine Kühlschaltung eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs bestimmt ist.
Das erfindungsgemäße Ventil umfasst einen Körper, der mit einem Fluideingang und mindestens zwei Fluidausgängen versehen ist und der eine Rotationslagerung für ein Regelelement begrenzt, das sich um eine Drehachse drehen und verschiedene Winkelpositionen einnehmen kann, um die Verteilung des Fluids durch die Ausgänge zu kontrollieren, wobei der Körper eine Bodenwand, in die der Fluideingang mündet, und eine Seitenwand umfasst, in die die Fluidausgänge münden.
Ein solches Ventil kann als „Drehventil" in dem Maße bezeichnet werden, als sich sein Regelelement um eine Drehachse dreht. Bei einem Ventil dieses Typs begrenzt die Seitenwand meistens eine zylindrische Lagerung, die das Regelelement aufnehmen kann, das eine homologe zylindrische Form aufweist.
Das Fluid, das in den Ventilkörper durch den Fluideingang eindringt, wird zwischen den Fluidausgängen in Abhängigkeit von der Winkelposition des Regelelements verteilt.
Bei einem Steuerventil dieses Typs ist es erforderlich, eine Dichtigkeit zwischen dem Regelelement und der Seitenwand des Ventilkörpers zu sichern. Diese Dichtigkeit soll jedes zufällige Austreten von Fluid zu einem Ausgang verhindern, wenn dieser Ausgang durch das Regelelement verschlossen werden soll.
Verschiedene Lösungen wurden bereits vorgeschlagen, um eine solche Dichtigkeit zu sichern, siehe beispielsweise die Dokumente WO 03/006858 , US 6 164 248 oder WO 01/14773 .
Diese Dichtigkeit kann direkt durch Kontakt zwischen den jeweiligen Materialien des Ventilkörpers und des Regelelements gewährleistet werden.
Für die Dichtigkeit kann auch auf eine Zwischendichtung, beispielsweise in Form einer Büchse, zurückgegriffen werden, die zwischen dem Regelelement und der Seitenwand des Ventilkörpers eingesetzt ist.
Bei allen diesen bekannten Lösungen neigt der Kontakt zwischen dem Regelelement und der Seitenwand des Ventilkörpers dazu, Reibungen zu erzeugen, die bei der Drehsteuerung des Regelelements beseitigt werden müssen.
Dies erfordert folglich einen großen Kraftaufwand bei dieser Drehsteuerung, entweder manuell oder durch ein Betätigungselement.
Die Erfindung soll insbesondere die vorgenannten Nachteile beseitigen.
Sie soll insbesondere ein Steuerventil des oben genannten Typs vorschlagen, bei dem die Reibungen zwischen dem Regelelement und dem Ventilkörper verringert sind, wobei gleichzeitig eine bessere Dichtigkeit zwischen ihnen gewährleistet wird.
Erfindungsgemäß ist das Regelelement von einem Dichtungssegment in Form eines offenen Ringes umgeben, der drehfest mit dem Regelelement verbunden und mit einem geringen Spiel um das Regelelement angeordnet ist, wodurch es dem Dichtungssegment möglich ist, innen an die Seitenwand angelegt zu werden, um eine Abdichtung unter der Wirkung des Drucks des Fluids zu gewährleisten.
So ist die Dichtigkeit durch den Druck des Fluids gesichert, welches sich zwischen das eigentliche Regelventil und das Dichtungssegment auf Grund des zwischen den beiden bestehenden Spiels mischt.
Diese Lösung erfordert, dass ein ringförmiger Raum, wenn auch nur teilweise, zwischen dem Regelelement und dem Dichtungssegment besteht, um es dem Fluid zu ermöglichen, in diesen vorzudringen und seinen Druck gegen das Dichtungssegment auszuüben.
Ferner bietet diese Lösung den Vorteil, dass sie den Verschleiß des Dichtungssegments ausgleicht.
Das Spiel zwischen dem Regelelement und dem Dichtungssegment beträgt beispielsweise 1/10 bis 1 mm, insbesondere ungefähr 3/10 Millimeter.
Bei der Erfindung ist das Dichtungssegment aus einem Material mit geringem Reibbeiwert hergestellt. Es kann sich insbesondere um ein Material des Typs Polyamid oder auch des Typs Polytetrafluorethylen (PTFE) handeln.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung umfasst das Dichtungssegment eine glatte Außenfläche, in die eine Vielzahl von Grundlöchern mündet, die regelmäßig verteilt sind, wobei dadurch die Kontaktfläche zwischen dem Dichtungssegment und der Seitenwand verringert werden kann.
Diese Verkleinerung der Kontaktfläche trägt zur Verringerung der Reibung ohne Beeinträchtigung der Dichtigkeit bei.
Vorzugsweise beträgt das Verhältnis zwischen der Oberfläche der Grundlöcher und der glatten Oberfläche des Dichtungssegments zwischen 25% und 40%. Dieses Verhältnis liegt vorzugsweise nahe 33%.
Die Grundlöcher, die nicht durchgehende Löcher darstellen, haben vorzugsweise eine kreisförmige Kontur. Sie können insbesondere jeweils die Form einer Kugelkappe haben.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung umfassen das Regelelement und das Dichtungssegment Reliefs von angepasster Form, um ihre Drehverbindung zu ermöglichen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsart der Erfindung begrenzt die Seitenwand des Ventilkörpers eine zylindrische Lagerung, und das Dichtungssegment weist eine zylindrische Außenfläche auf.
Bei einer Ausführungsart mündet der Fluideingang axial in der Bodenwand, während die Fluidausgänge radial in der Seitenwand des Ventilkörpers münden.
Unter einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Fluidzirkulationsschaltung, umfassend ein Steuerventil, wie vorher definiert, dessen Fluideingang mit einer Fluidquelle verbunden ist, und dessen Fluidausgänge mit jeweils mit Zweigleitungen der Schaltung verbunden sind.
Eine solche Schaltung ist vorzugsweise in Form einer Kühlschaltung eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs ausgeführt, durch die ein Kühlfluid unter der Wirkung einer Umlaufpumpe strömt.
Das Steuerventil stellt nun vorzugsweise ein Dreiwegeventil dar, dessen Fluideingang mit einer Kühlfluidzuleitung vom Motor verbunden ist, und dessen drei Fluidausgänge mit einer ersten Zweigleitung der Schaltung, die einen Kühlradiator umfasst, einer zweiten Zweigleitung der Schaltung, die eine Abzweigung des Kühlradiators darstellt, bzw. einer dritten Zweigleitung der Schaltung verbunden sind, die eine Lufttherme für die Erwärmung des Karosseriegehäuses umfasst.
In der nachfolgenden Beschreibung, die nur als Beispiel angeführt ist, wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, wobei:
1 eine perspektivische Ansicht eines Steuerventils vom Typ Dreiwegeventil nach einer Ausführungsart der Erfindung ist;
2 eine Schnittansicht des Steuerventils aus 1 ist, wobei die Schnittebene durch die Drehachse des Regelelements verläuft;
3 eine entsprechende Schnittansicht des Regelelements und des Dichtungssegments, mit dem es versehen ist, ist;
4 eine schematische Schnittansicht des Steuerventils der 1 und 2 ist, wobei die Schnittebene senkrecht auf die Drehachse des Regelelements ist;
5 eine perspektivische Ansicht des Dichtungssegments ist;
6 eine Querschnittansicht des Dichtungssegments aus 5 ist;
7 ein Detail in vergrößertem Maßstab aus 6 ist;
8 die ausgebreitete Oberfläche des Dichtungssegments ohne Grundlöcher darstellt;
9 eine Ansicht analog zu 8 mit den Grundlöchern ist; und
10 eine Kühlschaltung eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs darstellt, die mit einem erfindungsgemäßen Steuerventil versehen ist.
Die 1 und 2 zeigen ein Steuerventil 10, das einen zylindrischen Körper 12 umfasst, der von einer Bodenwand 14 und einer zylindrischen Seitenwand 16 mit der Achse XX begrenzt ist. In die Bodenwand 14 mündet axial eine Rohrleitung 18 für den Fluideingang. In die zylindrische Seitenwand 16 münden drei Rohrleitungen für den Fluidausgang 20, 22 und 24. In dem Beispiel münden die Ausgangsrohre 20, 22 und 24 radial in die Wand 16. Die Rohrleitungen 20 und 24 sind diametral gegenüberliegend, während die Rohrleitung 22 einen Winkel von 90° zur gemeinsamen Achse der Rohrleitungen 20 und 24 bildet. Ferner haben die Rohrleitungen 20, 22 und 24 nach und nach abnehmende Querschnitte.
Im Inneren des Ventilkörpers 12 ist ein Regelelement 26, auch Drehelement genannt, vorgesehen, das in Form eines im Allgemeinen zylindrischen Elements ausgeführt ist und sich durch eine Stange 28 verlängert, die entlang der Achse XX ausgerichtet ist. Diese Stange 28 verläuft durch eine Mittelöffnung, die ein Deckel 30 von kreisförmiger Form umfasst. Dieser Deckel ist auf einen Kragen 32 des Ventilkörpers mit Hilfe von vier Befestigungsschrauben 34 geschraubt, wobei eine Dichtung (nicht dargestellt) dazwischen angeordnet ist. Das Regelelement 26 wird in Drehung um die Achse XX durch Motorisierungsmittel 36 angetrieben, die schematisch in 1 dargestellt sind. Es kann sich beispielsweise um einen Schrittmotor handeln, der das Regelelement 26 in eine Vielzahl von unterschiedlichen Positionen entweder durch aufeinander folgende Inkremente oder auf kontinuierliche Weise bringen kann.
Das Regelelement 26 umfasst ein kegelstumpfartiges Ende 38, das in dem Beispiel von einer ebenen Fläche 40 gebildet ist, die einen Winkel nahe 45° mit der Dreh achse XX bildet. So ermöglicht es das Regelelement 26, die Fluidausgänge 20, 22 und 24 mit einem Verlauf zu kontrollieren, der in Abhängigkeit von seiner Winkelposition im Ventilkörper definiert ist.
Erfindungsgemäß ist das Regelelement 26 auf einem Teil seiner Peripherie von einem Dichtungssegment 42 in Form eines offenen Ringes umgeben, das drehfest mit dem Regelelement verbunden ist und mit der Innenseite der Seitenwand 16 in dichten Kontakt kommen kann. Dieses Dichtungssegment, dessen Form besser in den 5 bis 7 zu sehen ist, ist mit einem geringen Spiel j (3) um das Regelelement angeordnet. Dies ermöglicht es dem in das innere des Ventilkörpers durch das Eingangsrohr 18 eindringenden Fluid, einen Druck auszuüben, der radial nach außen gerichtet ist und gegen das Innere des Dichtungssegments 42 wird um es radial an die Seitenwand 16 anzulegen, um eine Dichtigkeit zu gewährleisten. Dieser Druck ist durch die radialen Pfeile P in 4 gezeigt. Diese 4 stellt eine schematische Zeichnung dar, und insbesondere das Regelelement 26 ist schematisch dargestellt, wobei das mit dem Dichtungssegment bestehende Spiel absichtlich sehr überzeichnet ist.
Wie insbesondere in den 5 und 6 zu sehen ist, weist das Dichtungssegment 42 in Form eines offenen Ringes eine im Allgemeinen zylindrische Oberfläche auf, die sich an die kegelstumpfartige Form der Hülle des Regelelements 26 anlegt. Das Segment 42 ist am oberen Teil durch einen ebenfalls kreisbogenförmigen Rand 46, durch zwei im Allgemeinen zur Achse parallele Ränder 48 und 50 und durch geneigte Ränder 52 und 54 begrenzt. Ein Ausschnitt 56, der aus dem Rand 44 ausgebildet ist, ist ferner vorgesehen. Auf seiner Innenseite umfasst das Segment 42 Rippen 58 parallel zur Achse, die jeweils dazu bestimmt sind, mit einer ebenfalls zur Achse parallelen Nut 60 zusammenzuwirken, die an der Peripherie des Regelelements ausgebildet ist (6). Dies ermöglicht es dem Dichtungssegment, drehfest mit dem Regelelement verbunden zu sein, und dem Fluid, in den Zwischenraum zwischen dem Regelelement und dem Dichtungssegment einzudringen.
Das Dichtungssegment ist aus einem Material mit geringem Reibbeiwert hergestellt, beispielsweise aus Polytetrafluorethylen (PTFE) oder auch aus Polyamid, usw. Um die Reibung zwischen dem Dichtungssegment und der Innenseite der Seitenwand 16 weiter zu verringern, umfasst dieses Dichtungssegment eine glatte Außenseite, in der eine Vielzahl von regelmäßig verteilten Grundlöchern 62 münden. Diese Grundlöcher erscheinen besser in den 5 bis 7. Wie in den Figuren zu sehen ist, hat jedes der Grundlöcher, d.h. die nicht durchgehend sind, eine kreisförmige Kontur. In dem Beispiel hat jedes der Grundlöcher die Form einer Kugelkappe (siehe 7).
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Rippe 58, die auch auf dem Detail der 7 zu sehen ist, durch zwei radiale Wände 64 begrenzt, die zwischen sich einen Winkel A bilden, der hier 30° ist. Die radialen Wände 64 schließen an eine Innenseite 66 des Dichtungssegments gegenüber einer Außenfläche 68 an, in der die Grundlöcher 62 ausgebildet sind (6 und 7).
Die Grundlöcher haben hier jeweils einen Durchmesser (D), der entsprechend in Abhängigkeit vom axialen Schritt und vom radialen Schritt zwischen den Grundlöchern gewählt wird.
In 8 ist die glatte Oberfläche SL des Dichtungssegments ohne die Grundlöcher 62 dargestellt.
In 9 ist dieselbe Oberfläche mit den Grundlöchern 62 dargestellt. Die Gesamtfläche der Grundlöcher wird hier ST genannt.
Ein Verhältnis R zwischen der Oberfläche der Grundlöcher und der glatten Oberfläche SL, d.h. hier R = ST/SL, das es ermöglicht, den Prozentsatz der glatten Oberfläche, die von den betreffenden Grundlöchern eingenommen ist, kann definiert werden. Ganz allgemein ist es vorteilhaft, wenn dieses Verhältnis R zwischen 25% und 40% beträgt und vorzugsweise nahe 33% ist.
In einem Ausführungsbeispiel beträgt die glatte Oberfläche SL 4473 m². Die Grundlöcher 62 haben jeweils einen Durchmesser von 3 mm und sind wechselseitig durch einen axialen Schritt von 4 mm und einen radialen Schritt von 4,45 mm getrennt. Daraus ergibt sich, dass die Oberfläche ST hier 1428 m² beträgt, was ein Verhältnis R im Wesentlichen gleich 1/3 oder 33% ergibt.
Daraus ergibt sich, dass unter diesen Bedingungen das Reibungsmoment zwischen dem Dichtungssegment und dem Ventilkörper um ungefähr 1/3 geringer als das Reibungsmoment ist, das sich bei einem Dichtungssegment mit einer glatten Oberfläche ergibt.
Unter diesen Bedingungen ist es möglich, unterschiedslos Motorisierungsmittel 36 mit geringerer Leistung zu verwenden, und zwar ohne die Dichtungseigenschaften zu beeinträchtigen.
Das erfindungsgemäße Ventil findet insbesondere Anwendung auf dem Gebiet der Kraftfahrzeuge. 10 zeigt eine Schaltung 70 zur Kühlung eines Verbrennungsmotors 72 eines Kraftfahrzeugs. Die Schaltung 70 wird von einem Kühlfluid durchströmt, üblicherweise von Wasser, dem ein Gefrierschutz hinzugefügt wurde, das unter der Wirkung einer Pumpe 74 zirkuliert. Das vom Motor erwärmte Fluid verlässt diesen letztgenannten durch einen Ausgang 76, der mit der Eingangsrohrleitung 18 eines Steuerventils 10 des vorher beschriebenen Typs verbunden ist. Diese Ventil umfasst Ausgangsrohrleitungen 20, 22 und 24, die mit drei Zweigleitungen der Schaltung verbunden sind.
Diese Schaltung umfasst eine erste Zweigleitung 78, die einen Kühlradiator 80 und ein Expansionsgefäß 82 enthält, eine zweite Zweigleitung 84, die eine Abzweigung zum Kühlradiator 80 und zum Expansionsgefäß 82 bildet, sowie eine dritte Zweigleitung 86, die eine Lufttherme 88 enthält, die zur Erwärmung des Karosseriegehäuses des Fahrzeugs dient.
Die Rohrleitung 20 ist mit der Zweigleitung 78 (Radiator) verbunden, die Rohrleitung 22 ist mit der Zweigleitung 86 (Lufttherme) verbunden, und die Rohrleitung 24 ist mit der Zweigleitung 84 (Abzweigung) verbunden. Das Ventil ermöglicht es somit, unabhängig die Fluidmengen in den drei vorgenannten Zweigleitungen der Schaltung zu steuern, um die Temperatur des Verbrennungsmotors und die Erwärmung des Karosseriegehäuses zu optimieren.
Natürlich ist die Erfindung nicht auf die Ausführungsart, wie vorher beschrieben, beschränkt und weitere Varianten anwendbar. So ist die Rotationsform, die vom Ventilkörper definiert wird, nicht unbedingt zylindrisch und könnte beispielsweise konisch oder kegelstumpfartig sein. Die Anzahl und wechselseitige Anordnung der Ausgangsrohrleitungen können auch zahlreichen Varianten in Abhängigkeit von der jeweiligen Anwendung unterzogen werden.
Ganz allgemein findet das erfindungsgemäße Ventil insbesondere Anwendung auf dem Gebiet der Kraftfahrzeugindustrie.

Claims

Steuerventil für eine Fluidzirkulationsschaltung, umfassend einen Körper (12), der mit einem Fluideingang (18) und mindestens zwei Fluidausgängen (20, 22, 24) versehen ist und eine Rotationslagerung für ein Regelelement (26) begrenzt, das sich um eine Drehachse (XX) drehen und verschiedene Winkelpositionen einnehmen kann, um die Verteilung des Fluids durch die Ausgänge zu kontrollieren, wobei der Körper (12) eine Bodenwand (14), in die der Fluideingang mündet, und eine Seitenwand (16) umfasst, in die die Fluidausgänge münden, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelelement (26) von einem Dichtungssegment (42) in Form eines offenen Ringes umgeben ist, der drehfest mit dem Regelelement (26) verbunden ist und mit einem geringen Spiel (j) um das Regelelement angeordnet ist, wodurch es dem Dichtungssegment möglich ist, innen an die Seitenwand (16) angelegt zu werden, um eine Dichtigkeit unter der Wirkung des Drucks (P) des Fluids zu gewährleisten.
Steuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungssegment (42) aus einem Material mit geringem Reibbeiwert hergestellt ist.
Steuerventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material mit geringem Reibbeiwert unter den Polyamiden und Polytetrafluorethylen ausgewählt wird.
Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungssegment (42) eine glatte Außenfläche umfasst, in die eine Vielzahl von Grundlöchern (62) mündet, die regelmäßig verteilt sind, wodurch es möglich ist, die Kontaktfläche zwischen dem Dichtungssegment (42) und der Seitenfläche (16) zu verringern.
Steuerventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis (R) zwischen der Oberfläche (ST) der Grundlöcher (62) und der glatten Fläche (SL) des Dichtungssegments (42) zwischen 25% und 40% und vorzugsweise nahe 33% beträgt.
Steuerventil nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundlöcher (62) eine kreisförmige Kontur haben.
Steuerventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundlöcher (62) die Form von Kugelkappen haben.
Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelelement (26) und das Dichtungssegment (42) Reliefs (58, 60) von entsprechender Form aufweisen, um ihre Drehverbindung zu ermöglichen.
Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwand (16) des Ventilkörpers eine zylindrische Lagerung begrenzt, und dass das Dichtungssegment (42) eine zylindrische Außenfläche aufweist.
Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluideingang (18) axial in der Bodenwand (14) mündet, und dass die Fluidausgänge (20, 22, 24) radial in der Seitenwand (16) des Ventilkörpers münden.
Fluidzirkulationsschaltung, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 10 umfasst, dessen Fluideingang (18) mit einer Fluidquelle (76) verbunden ist, und des sen Fluidausgänge (20, 22, 24) mit Zweigleitungen (78, 86, 84) der Schaltung verbunden sind.
Fluidzirkulationsschaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie in Form einer Kühlschaltung (70) eines Verbrennungsmotors (72) eines Kraftfahrzeugs ausgeführt ist, durch die ein Kühlfluid unter der Wirkung einer Umlaufpumpe (74) strömt, und dass das Steuerventil (10) ein Dreiwegeventil ist, dessen Fluideingang (18) mit einer Kühlfluidzuleitung (76) vom Motor (72) verbunden ist, und dessen drei Fluidausgänge (20, 22, 24) mit einer ersten Zweigleitung (78) der Schaltung, die einen Kühlradiator (80) enthält, mit einer zweiten Zweigleitung (84) der Schaltung, die eine Abzweigung des Kühlradiators (80) darstellt, bzw. einer dritten Zweigleitung (86) der Schaltung verbunden sind, die eine Lufttherme (88) zur Erwärmung des Karosseriegehäuses umfasst.