JP2018518637A

JP2018518637A - 流体流を制御する制御弁

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Publication number: JP2018518637A
Application number: JP2017539565A
Authority: JP
Inventors: フアストゼバスティアン
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2015-04-27
Filing date: 2016-04-07
Publication date: 2018-07-12
Anticipated expiration: 2036-04-07
Also published as: CN107532730B; DE102015207619A1; US10113664B2; EP3289261B1; WO2016173592A1; CN107532730A; JP6827936B2; EP3289261A1; US20180017183A1

Abstract

本発明は、流体流、特に内燃機関の冷却媒体回路中の冷却媒体流を制御する制御弁に関し、制御弁は、弁要素（１）を備え、弁要素（１）は、少なくとも１つの貫通部を有し、弁ハウジング（４）に対して相対的に可動である。その際、少なくとも１つの貫通部は、弁要素（１）の運動により、弁ハウジング（４）側で規定される管路横断面（６）とオーバラップして、流体を流動させることができるようになっている。加えて、シール要素（９）が設けられており、シール要素（９）は、管路横断面（６）を半径方向で包囲するように弁ハウジング（４）に収容されており、シール面（１１）で弁要素（１）の表面（２）と接触して、シール要素（９）の領域で弁要素（１）の表面（２）と弁ハウジング（４）との間を延在する間隙（１２）を埋めることができるようになっている。その作動範囲にわたってできる限り少ない摩擦損失の点で優れた制御弁を提供すべく、間隙（１２）の延在寸法は、弁ハウジング（４）に対する弁要素（１）の運動に応じて変化する。さらに、少なくとも１つの貫通部が管路横断面（６）とオーバラップする領域で、間隙（１２）の最大の延在寸法が生じるようになっており、間隙（１２）の最大の延在寸法のところで、シール要素（９）のシール面（１１）は、弁要素（１）の表面（２）から離間している。

Description

本発明は、流体流、特に内燃機関の冷却媒体回路中の冷却媒体流を制御する制御弁に関する。この制御弁は、弁要素であって、少なくとも１つの貫通部を有し、弁ハウジングに対して相対的に可動であり、貫通部は、弁要素の運動により、弁ハウジング側で規定される管路横断面とオーバラップして、流体を流動させることができるようになっている、弁要素と、シール要素であって、管路横断面を半径方向で包囲するように弁ハウジングに収容されており、シール面で弁要素の表面と接触して、シール要素の領域で弁要素の表面と弁ハウジングとの間を延在する間隙を埋めることができるようになっている、シール要素と、を備える。

独国特許出願公開第１０２００９０２５３６０号明細書に記載の制御弁は、弁ハウジングに対して横方向に移動可能な弁要素を備え、弁要素は貫通部を有する。この制御弁の場合、弁要素の貫通部は、相応の移動により、弁ハウジングの管路横断面とオーバラップした状態にもたらされ、これにより、管路横断面から流体を流出させることができるようになっている。弁ハウジングの管路横断面の領域には、シール要素も設けられており、シール要素は、シール面を弁部材の表面に押し付け、その際に、弁要素の表面と弁ハウジングとの間を延在する間隙の封止を行う。

別の遮断弁あるいは回転スプール弁は、独国特許発明第１０１２４３２３号明細書、独国特許出願公開第１０２０１００２６３６８号明細書、欧州特許出願公開第０５４７３８１号明細書、独国特許発明第２５５６７２９号明細書、独国特許出願公開第２８１８９３５号明細書及び英国特許第２３５２４９４号明細書において公知である。

上述の従来技術から出発して、本発明の課題は、その作動範囲にわたってできる限り少ない摩擦損失の点で優れた制御弁を提供することである。

上記課題は、請求項１の上位概念部から出発して、請求項１の特徴部に記載の特徴との関連で解決される。従属請求項は、それぞれ、本発明の有利な形態を示している。

本発明によれば、制御弁は、弁要素を備え、弁要素は、少なくとも１つの貫通部を有し、弁ハウジングに対して相対的に可動である。その際、貫通部は、弁要素の運動により、弁ハウジング側で規定される管路横断面とオーバラップして、流体を流動させることができるようになっている。さらにシール要素が設けられており、シール要素は、管路横断面を半径方向で包囲するように弁ハウジングに収容されており、シール面で弁要素の表面と接触して、シール要素の領域で弁要素の表面と弁ハウジングとの間を延在する間隙を埋めることができるようになっている。

つまり、それぞれの流体流の制御は、制御弁を介して、管路横断面に対する貫通部の相応の位置決めによって実施される。これは、貫通部が管路横断面とオーバラップして初めて、流体が貫通部を介して弁要素を貫流することが可能となるからである。その際、流体の体積流量は、貫通部が管路横断面とオーバラップしている度合により制御され、最大の体積流量は、管路横断面が弁要素により完全に開放されたときに生じ得る。管路横断面は、制御弁の領域において、流体のための流入部であっても流出部であってもよい。つまり、流体は、貫通部と管路横断面とがオーバラップした後、管路横断面から貫通部を介して流出しても、貫通部を介して管路横断面に流入してもよい。しかし、特に後者の場合は、１つの流出部が、その後、さらに複数の管路に分岐してもよい。

シール要素は、弁ハウジング側に収容されており、管路横断面を半径方向で囲繞している。すなわち、シール要素は、シール要素が弁要素の表面に当接したときに、管路横断面の開口部を相応に周囲に対して封止するように、管路横断面を流体の流動方向に対して横方向で包囲している。この点で、シール要素は、好ましくは、円形のシール面で弁要素の表面に当接可能な環状又は中空円筒状のシールとして構成されている。その際、封止は、シール要素が、シール要素の領域で弁要素の表面と弁ハウジングとの間にある間隙を埋めることで行われ、この封止が行われなければ、間隙は、流体の意図しない流出入を容認することになろう。

弁要素は、管路横断面と貫通部のオーバラップを調整するために、所定の通り、弁ハウジングに対して可動である。その際、この運動は、並進運動であっても回転運動であってもよい。弁要素は、後者の場合、好ましくは球に類似の表面を有して構成されている。

制御弁は、好ましくは、内燃機関の冷却媒体回路の一部であり、冷却媒体回路では、提供される体積流量の冷却媒体を、関連する熱源及びヒートシンクに分配するために用いられる。これとは異なり、本発明に係る制御弁は、内燃機関のオイル回路内で使用されてもよいし、さらに別の分野、例えば航空機、農耕機械、定置用途等の分野で使用されてもよい。

本発明は、間隙の延在寸法が、弁ハウジングに対する弁要素の運動に応じて変化し、貫通部が管路横断面とオーバラップする領域で、間隙の最大の延在寸法が生じるようになっており、間隙の最大の延在寸法のところで、シール要素のシール面が、弁要素の表面から離間しているという技術的思想を含んでいる。つまり、換言すれば、シール要素の領域における弁要素の表面と弁ハウジングとの間の間隔が、管路横断面に対する貫通部の位置次第で変化し、オーバラップの領域に、弁ハウジングと弁要素の表面との間の最大の間隔があり、この最大の間隔のところで、シール要素のシール面は、もはや弁要素の表面と接触しない。

制御弁のこのような構成は、シール要素が弁要素の表面に当接していないとき、弁要素の運動時の摩擦損失がなくなるという利点を有している。そもそもの摩擦損失の原因は、シール要素が弁要素の表面に沿って滑動することにある。この点で、制御弁の作動範囲にわたって発生する摩擦モーメントを全体として低減でき、このことは、制御弁の効率を相応に改善する。弁要素の表面からのシール要素の離間が、貫通部が管路横断面とオーバラップする領域、つまり、管路横断面内への流体の流入あるいは管路横断面からの流体の流出が所望されている領域に割り当てられていることで、シール要素を介した封止を行わなくても、問題にはならない。つまり、摩擦モーメントの減少は、好適に、シール要素を介した封止を行わなくてもよい、弁ハウジングに対する弁要素の運動領域に割り当てられる。

これに対して、独国特許出願公開第１０２００９０２５３６０号明細書の場合、シール要素は、永続的にそのシール面で弁要素の表面に当接しているので、弁要素が弁ハウジングに対して横方向に移動するとき、シール要素と弁要素との間の接触に基づいて、常にある程度の摩擦が発生してしまう。これに応じて、作動範囲にわたって見たとき、この制御弁の摩擦損失は高くなっている。

本発明にとって重要なことは、間隙の延在寸法が、弁ハウジングに対する弁要素の運動に応じて変化し、貫通部と管路横断面とがオーバラップする領域で、延在寸法の最大値が達成され、延在寸法の最大値のところで、シール要素が、もはや弁要素の表面に当接し得ないことである。しかし、その後、オーバラップから離れれば、シール要素のシール面が弁要素の表面に当接し、これにより封止を提供するような間隙の延在寸法が存在する。

本発明の一実施の形態に応じて、間隙の延在寸法の変化は、弁要素の基体上に貫通部から離れて、弁ハウジングに向かう方向での弁要素の寸法を増加させる付加的な輪郭が載置されていることで、弁要素の表面を非一様に構成することによって実現されている。つまり、弁ハウジングと弁要素との間に生じる間隙の変化は、弁要素側で表面を相応に構成することによって実現されている。

本発明の別の構成可能性では、弁要素の表面は、球表面として又は球表面の一部として構成されている。この構成可能性を先の実施の形態と組み合わせた変化形態では、基体は、第１の球として又は第１の球の一部として存在し、第１の球上又は第１の球の一部上に、第２の球の一部として形成される輪郭が載置されている。これにより、弁要素の変化する表面を、高い信頼性で実現可能である。その際、輪郭の、貫通部の領域で行わなければならない切り欠きは、球状の基体の相応の機械加工によって実現されてもよい。

本発明の別の実施の形態では、互いに異なった、弁ハウジングに向かう方向での弁要素の寸法間の移行部が、それぞれ、傾斜部を介して構成されている。これにより、適当な移行部を形成することができるので、弁要素に当接するときと、弁要素から離間するときとの間での切り換わり時に、シール要素が傾倒して噛んで動かなくなってしまう事態が、高い信頼性で阻止される。

本発明の別の構成可能性では、管路横断面は、弁ハウジングの管体により規定されている。この管体は、流体のための流入部又は流出部として機能する。上述の構成可能性の変化形態では、管体と、弁ハウジングの別の部分とは、間に位置する空間を規定し、空間内には、シール要素を弁要素に向かって付勢するばね要素が収容されている。加えて、シール要素が間隙の最大の延在寸法のところで表面に当接しないようにする、シール要素用の機械的なストッパが設けられている。つまり、ばね要素を介して、貫通部と管路横断面とのオーバラップから離れれば、常に、弁要素へのシール要素の高い信頼性での当接、ひいては封止が保証され、間隙の最大の延在寸法のところでは、ストッパによって、シール要素が表面に向かってさらに移動して表面へ当接することが阻止される。

本発明により、貫通部は、弁要素に好ましくは長穴として構成されているので、弁ハウジングに対する弁要素の運動経過中の相応のオーバラップ領域を規定することができる。本発明の変化形態では、傾斜部は、それぞれ、長穴の両側に設けられており、弁要素の小さい方の寸法へ減寸する傾斜部が、管路横断面と長穴のオーバラップ開始から、管路横断面の完全な開放まで延びている一方、弁要素の大きい方の寸法へ増寸する傾斜部が、長穴による管路横断面の完全な開放の終了から、管路横断面と長穴のオーバラップ終了まで延びている。これにより、弁要素の表面からのシール要素の離間のための好適な移行と、それに続いて再び実施されるシール要素の当接のための好適な移行とが提供される。

本発明によると、管路横断面と貫通部のオーバラップ領域は、弁ハウジングに対する弁要素の運動方向で十分に大きいので、弁ハウジングに対する弁要素の運動経過中、シール要素が表面から離間されている相応の領域が生じる。

本発明の有利な一実施の形態を図面に示し、これについて以下に説明する。

制御弁の概略平面図である。弁要素の周長を展開して示す、図１に示した制御弁の概略断面図である。図１及び２とは異なる位置で本発明の制御弁を示す別の断面図である。

図１は、流体流の制御に用いられる制御弁の概略平面図である。本実施の形態において、この制御弁は、特に内燃機関の冷却媒体回路での使用を想定したものであり、冷却媒体回路において冷却媒体の体積流量を完全に絞ることも部分的にのみ絞ることもでき、あるいは関連する熱源及びヒートシンクに分配することもできる。しかし、本発明に係る制御弁は、一般にその他の流体回路、例えば内燃機関のオイル回路等での使用も可能である。

看取できるように、制御弁は、弁要素１を備え、弁要素１は、球に類似の表面２を有し、表面２の一部の領域には、長穴３の形態の貫通部が穿たれている。弁要素１を取り巻く領域は、長穴３を介して、弁要素１の、図１には看取不能な内部領域に接続される。弁要素１の内部領域には流体を供給することができ、この点で、弁要素１の内部領域は、流体のための流入部として機能している。

弁要素１は、好適な作動部により、図１に示した回転軸線５回りに弁要素１を回転させることで、図２及び３に看取可能な弁ハウジング４に対して相対的に可動となっている。その際、弁ハウジング４に対する弁要素１の運動に応じて、長穴３は、弁ハウジング４の管体７により規定されて、流体のための流出部を形成している管路横断面６とオーバラップした状態にもたらされる。管体７は、図２及び３にそれぞれ看取可能である。

図２、さらには図３に看取可能であるように、管体７と、弁ハウジング４の残余の部分とは、間に位置する空間８を囲繞している。この空間８内では、中空円筒状のシール要素９が移動可能に案内されている。シール要素９は、管路横断面６を半径方向で包囲し、同様に空間８内に収容されるばね要素１０を介して、弁要素１の表面に向かって付勢されている。シール要素９が環状のシール面１１で弁要素１の表面２に当接しているとき、弁要素１への管路横断面６の移行部は、シール要素９の領域で弁要素１の表面２と弁ハウジング４との間にある間隙１２に対して封止される。

特筆すべきは、それぞれ表面２の周長を展開して示した図２、さらには図３に看取できるように、弁要素１の表面２が非一様に構成されていることである。この表面２の非一様性は、第１の寸法１３を規定する球状の基体１４上に、第２の寸法１６を規定し、別の球の一部として存在する輪郭１５が載置されていることで達成される。その際、輪郭１５は、長穴３の領域で切り欠かれているので、表面は、長穴３の領域で寸法１６から寸法１３に減寸する。この減寸は、弁ハウジング４に対する弁要素１の表面２の位置を変える度に、結果として間隙１２の相応の変化も伴う。

図１及び２において、弁要素１は、弁ハウジング４に対して相対的に、管路横断面６が完全に長穴３とオーバラップした位置にもたらされている。この位置においては、最大量の流体流が流入部と流出部との間で流れることが望まれるので、この領域において、シール要素９によって間隙１２を封止することは不要である。この領域では、弁要素１の運動経過中、弁要素１と弁ハウジング４との間の摩擦をできる限り小さく維持すべく、シール要素９がそのシール面１１で弁要素１の表面２に当接することが阻止される。この当接の阻止は、本実施の形態では、管路横断面６が長穴３によって完全に開放されてから、シール要素９で埋めることのできない最大の寸法に間隙１２が拡大したことで達成される。具体的には、この間隙１２の拡大は、弁ハウジング４側の機械的なストッパ１７により達成される。ストッパ１７に対し、シール要素９は、環状のランド１８で当接し、表面２に沿った以後の摺動が阻止される。

弁要素１の、寸法１３に減寸された表面２がオーバラップしてからは、シール要素９が表面２と接触しないことに基づいて、弁要素１は、弁ハウジング４に対して摩擦接触なしに可動である。この場合、いずれにしても、流体が弁要素１の内部領域と管路横断面６との間で流動することが望まれるので、この領域では、弁要素９を介した間隙の封止は不要である。

シール要素９が、離間時、さらには弁要素１の表面２への再当接時に傾倒してしまわないように、弁要素１の表面２には、傾斜部１９，２０，２１及び２２が設けられている。傾斜部１９，２０，２１及び２２は、それぞれ、長穴３の側方において弁要素１の表面２に構成されている。その際、傾斜部１９及び２０は、輪郭１５、ひいては寸法１６から基体１４、ひいては寸法１３に減寸する一方、傾斜部２１及び２２は、その後、再び、弁ハウジング４に向かう方向での弁要素１の延在寸法を、相応に寸法１６へ増加させる。その際、傾斜部１９及び２０は、管路横断面６と長穴３のオーバラップ開始から始まり、長穴３による管路横断面６の完全な開放まで、そして、傾斜部２１及び２２は、長穴３による管路横断面６の完全な開放の終了から、長穴３と管路横断面６との間のオーバラップ終了まで、表面２に沿って延びている。その際、傾斜部１９，２０並びに傾斜部２１及び２２の勾配は、離間時、さらには表面２への再当接時に、シール要素９の傾倒がまさに生じることがないように選択すべきである。

図３は、長穴３が未だ管路横断面６とオーバラップしていない、弁ハウジング４に対する弁要素１の位置で、制御弁を示している。図３に看取できるように、シール要素９は、そのシール面１１で弁要素の表面２に当接し、これにより間隙１２を相応に封止している。この間隙１２の封止は、弁要素１の表面２がこの位置で寸法１６にあり、したがって間隙１２が十分に小さいため、シール要素９が表面２に当接し得ることで達成されている。封止がなされ、しかも、管路横断面６が長穴３とオーバラップしていないため、管路横断面６内、ひいては流出部への流体の流動が遮断される。

本発明によって制御弁を構成することで、作動範囲にわたる制御弁の摩擦損失を低減できる。

１弁要素
２表面
３長穴
４弁ハウジング
５回転軸線
６管路横断面
７管体
８空間
９シール要素
１０ばね要素
１１シール面
１２間隙
１３寸法
１４基体
１５輪郭
１６寸法
１７ストッパ
１８ランド
１９傾斜部
２０傾斜部
２１傾斜部
２２傾斜部

Claims

流体流を制御する制御弁であって、
弁要素（１）であって、該弁要素（１）は、貫通部を有し、弁ハウジング（４）に対して相対的に可動であり、前記貫通部は、前記弁要素（１）の運動により、前記弁ハウジング（４）側で規定される管路横断面（６）とオーバラップして、流体を流動させることができるようになっている、弁要素（１）と、
シール要素（９）であって、該シール要素（９）は、前記管路横断面（６）を半径方向で包囲するように前記弁ハウジング（４）に収容されており、シール面（１１）で前記弁要素（１）の表面（２）と接触して、前記シール要素（９）の領域で前記弁要素（１）の前記表面（２）と前記弁ハウジング（４）との間を延在する間隙（１２）を埋めることができるようになっている、シール要素（９）と、
を備える制御弁において、
前記間隙（１２）の延在寸法は、前記弁ハウジング（４）に対する前記弁要素（１）の運動に応じて変化し、前記貫通部が前記管路横断面（６）とオーバラップする領域で、前記間隙（１２）の最大の延在寸法が生じるようになっており、前記間隙（１２）の最大の延在寸法のところで、前記シール要素（９）の前記シール面（１１）は、前記弁要素（１）の前記表面（２）から離間している、
ことを特徴とする、流体流を制御する制御弁。
前記間隙（１２）の延在寸法の変化は、前記弁要素（１）の基体（１４）上に少なくとも１つの前記貫通部から離れて、前記弁ハウジング（４）に向かう方向での前記弁要素（１）の寸法を増加させる付加的な輪郭（１５）が載置されていることで、前記表面（２）を非一様に構成することによって実現されていることを特徴とする、請求項１に記載の制御弁。
前記弁要素（１）の前記表面（２）は、球表面として又は球表面の一部として構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の制御弁。
前記基体（１４）は、第１の球として又は第１の球の一部として存在し、前記第１の球上又は前記第１の球の一部上に、第２の球の一部として形成される前記輪郭（１５）が載置されていることを特徴とする、請求項２を引用する請求項３に記載の制御弁。
互いに異なった、前記弁ハウジング（４）に向かう方向での前記弁要素（１）の寸法（１３，１６）間の移行部は、それぞれ、傾斜部（１９乃至２２）を介して構成されていることを特徴とする、請求項２に記載の制御弁。
前記管路横断面（６）は、前記弁ハウジング（４）の管体（７）により規定されていることを特徴とする、請求項１に記載の制御弁。
前記管体（７）と、前記弁ハウジング（４）の別の部分とは、間に位置する空間（８）を規定し、前記空間（８）内には、前記シール要素（９）を前記弁要素（１）に向かって付勢するばね要素（１０）が収容されており、さらに、前記シール要素（９）が前記間隙（１２）の最大の延在寸法のところで前記表面（２）に当接しないようにする、前記シール要素（９）用の機械的なストッパ（１７）が設けられていることを特徴とする、請求項６に記載の制御弁。
前記貫通部は、前記弁要素（１）に長穴（３）として構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の制御弁。
前記傾斜部（１９乃至２２）は、それぞれ、前記長穴（３）の両側に設けられており、前記弁要素（１）の小さい方の寸法（１３）へ減寸する傾斜部（１９，２０）が、前記管路横断面（６）と前記長穴（３）のオーバラップ開始から、前記管路横断面（６）の完全な開放まで延びている一方、前記弁要素（１）の大きい方の寸法（１６）へ増寸する傾斜部（２１，２２）が、前記長穴（３）による前記管路横断面（６）の完全な開放の終了から、前記管路横断面（６）と前記長穴（３）のオーバラップ終了まで延びていることを特徴とする、請求項５を引用する請求項８に記載の制御弁。
請求項１から９までのいずれか１項又は複数項に記載の制御弁を備える流体回路。