WO2012089422A1 - Ventil zur steuerung von volumenströmen - Google Patents

Abstract

Es wird ein Ventil zur Steuerung von Volumenströmen eines Kühlmittels in einem Heiz- und/oder Kühlsystem eines Kraftfahrzeuges mit einem Ventilgehäuse mit mindestens einem Einlasskanal sowie mindestens einem Auslasskanal vorgeschlagen, wobei in dem Ventilgehäuse mindestens eine um die Achse einer Welle drehbar angeordnete Ventilscheibe vorhanden ist, die die Verbindung zwischen dem mindestens einem Einlasskanal und dem mindestens einen Auslasskanal des Ventils beeinflusst, und wobei eine axial an die Ventilscheibe angefederte Federdichtung (39) in dem mindestens einen Auslasskanal angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Federdichtung (39) einen Dichtungskörper (76) und ein Federelement (78) umfasst, wobei das Federelement (78) aus Einzelsegment-Federn (84) ausgeführt ist, die über seitlich abstehende Verbindungsstellen miteinander als Endlosband verbunden sind.

Description

Beschreibung Titel

Ventil zur Steuerung von Volumenströmen

Die Erfindung betrifft ein Ventil zur Steuerung von Volumenströmen nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs.

Stand der Technik

Ein Kühl- bzw. Heizkreislauf eines Kraftfahrzeuges beinhaltet in der Regel eine zu kühlende Wärmequelle, beispielsweise eine Brennkraftmaschine eines

Kraftfahrzeugs, die mittels eines Kühlmediums durch freie oder erzwungene Konvektion gekühlt werden soll. Die Temperaturdifferenz über der Wärmequelle ist vom Wärmeeintrag und von der Größe des Volumenstroms des Kühlmittels abhängig, während die absolute Temperatur des Kühlmediums durch den

Wärmeeintrag der Wärmequelle, die Wärmeabfuhr über etwaige, im Kühlkreislauf befindliche Kühlerelemente und die Wärmekapazitäten der beteiligten Materialien bestimmt wird. Um einerseits die Brennkraftmaschine vor dem Überhitzen zu schützen und andererseits die Abwärme der Brennkraftmaschine beispielsweise zur Beheizung des Fahrgastraumes nutzen zu können, wird im Kraftfahrzeug ein Kühlmittel umgepumpt, das die überschüssige Wärmeenergie der

Brennkraftmaschine aufnimmt und in gewünschtem Maße abführt.

Der Heiz- bzw. Kühlkreislauf eines Kraftfahrzeuges umfasst in der Regel verschiedene Teilkreisläufe, wie beispielsweise einen Kühlerzweig, einen Bypass- Zweig und/oder auch einen Heizungswärmetauscherzweig. Über einen im

Kühlerzweig angeordneten Kühler oder Radiator kann die überflüssige

Wärmemenge des Kühlmittels an die Umgebungsluft abgegeben werden. Ein Heizungswärmetauscher macht andererseits die zur Verfügung stehende Wärmemenge des Kühlmittels zur Beheizung des Fahrgastraumes nutzbar. Die Verteilung des Kühlmittelstromes auf die verschiedenen Zweige des Kühl- bzw. Heizkreislaufes wird dabei üblicherweise durch zumindest ein Ventil gesteuert.

Hierzu wird in der DE 10 2006 053 310 AI vorgeschlagen, die gewünschte

Kühlmitteltemperatur durch das Mischen eines gekühlten und eines ungekühlten Kühlmittelstroms einzustellen. Dazu wird ein Steuerventil verwendet, dessen Durchströmöffnungen durch ein Verdrehen veränderlich sind. Um die

Durchströmöffnungen zu verstellen, ist in dem Steuerventil ein Elektromotor angeordnet, der über ein Schneckengetriebe die Position einer Ventilscheibe so verstellt, dass durch das Steuerventil ein gewünschter Kühlmittelstrom strömt.

Der Elektromotor ist dabei nicht vom Kühlmittelstrom getrennt, sodass die

Komponenten des Elektromotors, wie etwa der Rotor und das Getriebe, mit

Kühlmittel umflutet sind.

Aus der US 5, 950, 576 ist ferner ein Proportionalkühlmittelventil bekannt, dessen Ventilkörper scheibenförmig ausgebildet ist und eine Mehrzahl von

Durchtrittsöffnungen aufweist, die es erlauben, die gewünschten Verbindungen zwischen dem Einlasskanal des Ventils und mehreren Auslasskanälen herzustellen. Die Ventilscheibe der US 5, 950, 576 wird mittels einer Welle über einen

elektromechanischen Aktuator entsprechend den Vorgaben eines

Verbrennungsmotor- Steuergerätes gestellt.

Aus der DE 10 2006 053 307 AI ist ferner bekannt, die Öffnungen der

Ventilscheibe durch Dichtelemente in Form von Dichtringen, sowie mit

Federelementen, die das Dichtelement an die Ventilscheibe andrücken, zu realisieren, sodass die Leckageraten bei einem geschlossenen Kühlkreislauf nahezu Null sind. Hierzu werden in der bisher noch nicht veröffentlichente DE 10 2009 028 652 AI verschiedene, federelastische Dichtungen vorgeschlagen, die aus einer oder mehreren Metallfedern und einem Dichkörper bestehen. Diese Dichtungen haben ja nach Material des Dichtkörpers entweder einen relativ steifen Dichkörper und damit eine steile Federkennlinie oder einen relativ weichen Dichtkörper und damit zwar eine flache Federkennlinie aber auch geringe Eigenstabilität gegenüber Scherbelastungen und Differenzdrücken. Offenbarung der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Ventil zur Steuerung von Volumenströmen in einem Heiz- und/oder Kühlsystem eines Kraftfahrzeuges bereitzustellen, das eine Federdichtung mit einer flachen Gesamt- Federkennlinie bei ausreichend langem Federweg und ausreichender Eigenstabilität enhält.

Das Ventil zur Steuerung von Volumenströmen eines Kühlmittels in einem Heiz- und/oder Kühlsystem eines Kraftfahrzeuges mit einem Ventilgehäuse mit mindestens einem Einlasskanal sowie mindestens einem Auslasskanal weist in dem Ventilgehäuse mindestens eine um die Achse einer Welle drehbar angeordnete Ventilscheibe auf, die die Verbindung zwischen dem mindestens einem Einlasskanal und dem mindestens einen Auslasskanal des Ventils beeinflusst. In dem mindestens einen Auslasskanal ist eine axial an die

Ventilscheibe angefederte Federdichtung angeordnet. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Federdichtung einen Dichtungskörper und ein

Federelement umfasst, wobei das Federelement aus Einzelsegment- Federn ausgeführt ist, die über seitlich abstehende Verbindungsstellen miteinander als Endlosband verbunden sind. Auf diese Weise ergibt sich eine axial abdichtende Federdichtung mit einer besonders flachen Gesamt- Federkennlinie bei ausreichend langem Federweg (> 1 mm) und geringer Hysterese sowie ausreichender Eigenstabilität zur Aufnahme von Scherkräften und

Differenzdrücken mit ca. 200 kPa. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich durch die in den abhängigen

Ansprüchen angegebenen Merkmale sowie aus der Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung.

In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Einzelsegment- Federn des Federelements E-förmig ausgestaltet sind. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der als 2 K- Teil hergestellte Dichtungskörper der Federdichtung aus einem relativ steifen Dichtungsträger, insbesondere mit einer Druckbelastbarkeit von mehr als 500 MPa, und aus einem flexiblen Dichtungselement, insbesondere mit einer Shore A-Härte von 50 bis 85, besteht. Weiterhin von Vorteil ist der große Federweg des Dichtungselements von mehr als 1,2 mm.

Zeichnung

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren beispielhaft erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen in den Figuren auf gleiche Bestandteile mit einer gleichen Funktionsweise hindeuten. Die Figuren der Zeichnung, deren Beschreibung sowie die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Ein

Fachmann wird diese Merkmale auch einzeln betrachten und zu weiteren sinnvollen Kombinationen zusammenfassen. Insbesondere wird ein Fachmann auch die Merkmale aus unterschiedlichen Ausführungsbeispielen zu weiteren sinnvollen Kombinationen zusammenfassen.

Es zeigen

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Ventils in einer

Übersichtsdarstellung,

Fig. 2 das Ventil gemäß Figur 1 in einer ersten Schnittdarstellung,

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel des Ventils gemäß Figur 1 in einer weiteren Schnittdarstellung,

Fig. 4 eine weitere Schnittansicht des Ventils,

Fig. 5 schematische Darstellungen der erfindungsgemäßen, axialen

Federdichtung des Ventils

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt ein Beispiel für ein Ventil 1 in einer Übersichtsdarstellung. Das Ventil 1 gemäß Fig. 1 besitzt ein Gehäuse 10 mit einem Gehäuseunterteil 12 sowie einem Gehäuseoberteil 14, die über Verbindungsmittel 16, beispielsweise Schrauben, Nieten oder Rastmittel, fluiddicht miteinander verbunden sind. Insbesondere das Gehäuseunterteil 12 ist im Wesentlichen topfförmig ausgebildet, wie dies in den Figuren 2 und 3 dargestellt ist, und ermöglicht in seinem Inneren die Ausbildung einer Ventilkammer zur Aufnahme eines Ventilelementes. Das Gehäuseoberteil 14 kann ebenfalls topfförmig ausgebildet sein bzw. lediglich als eine Art Deckel im Gehäuseunterteil 12 ausgeformt sein. Am Gehäuseunterteil 12 angeformt ist der Stutzen eines Einlasskanals 18. Der Einlasskanal 18 bzw. der Stutzen kann dabei insbesondere einstückig mit dem Gehäuseunterteil 12 ausgeformt, beispielsweise in Kunststoff ausgebildet sein.

Mit dem Gehäuseoberteil 14 verbunden sind ein erster sowie ein zweiter

Auslasskanal 20, 22. Mit Hilfe eines in der Ventilkammer angeordneten und noch näher zu beschreibenden Ventilelementes kann eine Verbindung zwischen dem Einlasskanal 18 und dem ersten bzw. zweiten Auslasskanal 20, 22 geöffnet, geschlossen und in gewünschter Weise variiert werden. Darüber hinaus weist das Ventil 1 noch einen Stellantrieb 24 zur Verstellung des Ventilelementes auf, der in Verbindung mit Fig. 3 noch näher beschrieben wird und der ein eigenes

Antriebsgehäuse 25 aufweist, das mit dem Gehäuse 10, insbesondere dem

Gehäuseoberteil 14, des Ventils 1 verschraubt ist.

Fig. 2 zeigt einen ersten Schnitt durch das Ventil 1, der in etwa senkrecht zur Zeichnungsebene der Fig. 1 verläuft. In der zwischen dem Gehäuseunterteil 12 und dem Gehäuseoberteil 14 ausgebildeten Ventilkammer 26 ist eine Ventilscheibe 28 als Ventilelement angeordnet. Eine Abtriebswelle 30 des in Fig. 3 näher

dargestellten Stellantriebes 24 greift in eine zentrale Öffnung 32 der Ventilscheibe 28 ein. Durch entsprechende Sicherungsmittel 34 ist die Ventilscheibe 28 drehfest auf der Abtriebswelle 30 befestigt, so dass diese Welle auch als Antriebswelle der Ventilscheibe 28 dient. Die Sicherung der Ventilscheibe auf der Welle 30 kann beispielsweise durch eine in Fig. 2 dargestellte Verschraubung bzw. Verrastung erfolgen, oder aber auch durch ein Verpressen der Welle 30 in der zentralen Öffnung 32 der Ventilscheibe 28.

Zwischen dem Gehäuseunterteil 12 und dem Gehäuseoberteil 14 sind Dichtmittel, beispielsweise ein Dichtring 36 vorgesehen, um eine fluiddichte Verbindung zwischen den beiden Gehäuseteilen 12, 14 des Ventilgehäuses 10 zu

gewährleisten. In den Ausführungsbeispielen der Figuren 1 und 2 sind der

Einlasskanal 18 fluchtend auf einer gemeinsamen Achse 37 mit dem ersten Auslasskanal 20 und die Welle 30 entlang einer dazu parallel ausgerichteten Rotationsachse 31 angeordnet.

Im ventilscheibenseitigen Bereich der Auslasskanäle 20, 22 sind Federdichtungen 39 angeordnet, die bei geschlossener Ventilscheibe 28 ein Übertreten von

Kühlmittel aus der Ventilkammer 26 in die Auslasskanäle 20, 22 verhindern sollen. Auf die Ausgestaltung der Federdichtungen 39 wird im Folgenden noch näher eingegangen. Fig. 3 zeigt eine zweite schematische Schnittansicht des Ventils 1 in einem weiteren Ausführungsbeispiel. Die Längsachsen des Einlasskanals 18 und des Auslasskanals 20 sind hier versetzt zueinander angeordnet. In dem zweiten Gehäuse 25 ist ein Rotor 38 und ein Stator 40 des als Elektromotor

ausgebildeten Stellantriebs 24 angeordnet. Der Rotor 38 weist eine Rotorwelle 42 auf, auf der in einem ersten Bereich eine Schneckenverzahnung 44 und in einem zweiten Bereich ein Blechpaket 46 angeordnet sind. Die paketierten Bleche des Blechpakets 46 umfassen dabei radial die Rotorwelle 42 und werden axial durch zwei Blechhülsen 48 begrenzt. In dem Blechpaket 46 ist zumindest ein Magnet 50 angeordnet. Das Blechpaket 46 ist in seiner räumlichen

Anordnung in einer Rotorwellenachse 52 von dem Bereich der

Schneckenverzahnung 44 durch eine radiale Lageraufnahme 54 und dem darin angeordneten ersten radialen Lagerelement 56 abgetrennt. Die Flächen der Rotorwelle 42, die an den radialen Lagerelementen 56, 57 und den axialen Lagerelementen 58, 60 anliegen, weisen dabei einen höheren Härtegrad als die übrigen Flächen der Rotorwelle 42 auf. Die axialen Lagerelemente 58, 60 sind plattenförmig ausgeprägt, wobei das erste axiale Lagerelement 58 in dem

Antriebsgehäuse 25 und das zweite axiale Lagerelement 60 in den

Gehäuseoberteil 14 angeordnet sind. Der Rotor 38 weist an den Enden der Rotorwelle 42 jeweils einen Anlaufpilz 64 auf, der zur Abstützung der Lagerkräfte auf die axialen Lagerelemente 58, 60 dient. Der Rotor 38 sowie der Stator 40, werden durch das Antriebsgehäuse 25 und ein zweites Dichtelement 68 gegenüber der Umgebung abgeschlossen.

Der Stator 40 weist zumindest eine Spule 62 mit einer Mehrzahl von Wicklungen sowie nicht dargestellte Blechpakete auf. Die Spulen 62 erzeugen bei angelegter Spannung ein Magnetfeld, welches den Rotor 38 in Rotation um die

Rotorwellenachse 52 versetzt. Die Spulen 62 können hierbei mit

Wechselspannung betrieben werden oder elektronisch kommutiert werden. Durch die Rotation des Rotors 38 wird über die Schneckenverzahnung 44 ein Stirnrad 66 (vergleiche Fig. 2) angetrieben, welches mit der Ventilscheibe 28 verbunden ist. Die Ventilscheibe 28 weist zumindest eine Öffnung 70 auf, wobei durch ein Verdrehen der Ventilscheibe 28 die Öffnung 70 vor den Auslasskanal 20 gedreht wird. Je nach Stellung der Öffnung 70 vor dem Auslasskanal 20 wird die Durchflussfläche der Ventilscheibe 28 reguliert. Die Öffnung 70 ist mit ihrer Längsachse zur Rotationsachse 31 der Welle 30 bzw. der Ventilscheibe 28 versetzt angeordnet.

Fig. 4 zeigt eine weitere Schnittansicht des Ventils 1 sowie der darin

untergebrachten Federdichtungen 39. Anlageflächen 72 für die Federdichtungen 39 werden an der Ventilscheibe 28 bzw. am Gehäuse 10 gebildet. Die

Anlageflächen 72 können beispielsweise aus Keramik, Hartmetall, Stahl oder Kunststoff bestehen. Eine Kontur 74 der Federdichtung 39 verläuft kreisförmig entlang der zylinderförmigen Verbindungsfläche, die einander gegenüber liegende Anlageflächen 72 miteinander verbindet. Die Kontur 74 kann beispielsweise ringförmig, ellipsenförmig, polygonal oder unregelmäßig geformt sein und parallel zwischen den Anlageflächen 72 verlaufen.

In Fig. 5 ist die erfindungsgemäße, axiale Federdichtung 39 des Ventils 1 schamitisch dargestellt. Die Federdichtung 39 besteht gemäß Fig. 5a aus einem Dichtungskörper 76 und einer Federelement 78. Der Dichtungskörper 76 besteht seinerseits gemäß Fig. 5b aus einem relativ steifen Dichtungsträger 80 (z.B. Werkstoff E-Modul > 500 MPa) und aus einem flexiblen Dichtungselement 82 (z.B. Shore A-Härte 50 bis 85). Der Dichtungsträger 80 sorgt für die

Eigenstabilität gegenüber Scherbelastungen und Differenzdrücken (ca. 200 kPa). Das Dichtungselement 82 ermöglicht aufgrund seiner Flexibilität eine flache Federkennlinie bei geringer Hysterese und sorgt somit für die axiale Abdichtung. Es wird so dimensioniert, dass ein Federweg von > 1,2 mm ermöglicht wird. Der Dichtungskörper 76 wird bevorzugt als 2 K- Teil hergestellt. Das Federelement 78 wird bevorzugt aus E-förmigen Einzelsegment- Federn 84 als Endlosband ausgeführt. Die Federkraft der einzelnen Segment- Federn 84 kann durch die Geometrie der Federarme (z.B. E-Form oder andere) und durch die Werkstoffauswahl dimensioniert werden. Das Band ermöglicht eine präzise Herstellung und stellt Verbindungsstellen 86 für das Federelement 78 (z.B. Schweiß- oder Nietstellen oder dergleichen) zu Verfügung.

Claims

Ansprüche

1. Ventil (1) zur Steuerung von Volumenströmen eines Kühlmittels in einem Heiz- und/oder Kühlsystem eines Kraftfahrzeuges mit einem Ventilgehäuse (10, 12, 14, 25) mit mindestens einem Einlasskanal (18) sowie mindestens einem Auslasskanal (20, 22), wobei in dem Ventilgehäuse (10, 12, 14) mindestens eine um die Achse (31) einer Welle (30) drehbar angeordnete Ventilscheibe (28) vorhanden ist, die die Verbindung zwischen dem mindestens einem Einlasskanal (18) und dem mindestens einen

Auslasskanal (20, 22) des Ventils (1) beeinflusst, und wobei eine axial an die Ventilscheibe (28) angefederte Federdichtung (39) in dem mindestens einen Auslasskanal (20, 22) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Federdichtung (39) einen Dichtungskörper (76) und ein Federelement (78) umfasst, wobei das Federelement (78) aus Einzelsegment- Federn (84) ausgeführt ist, die über seitlich abstehende Verbindungsstellen (86) miteinander als Endlosband verbunden sind.

2. Ventil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die

Einzelsegment- Federn (84) E-förmig ausgestaltet sind.

3. Ventil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der

Dichtungskörper (76) der Federdichtung (39) aus einem relativ steifen Dichtungsträger (80), insbesondere mit einer Druckbelastbarkeit von mehr als 500 MPa, und aus einem flexiblen Dichtungselement (82), insbesondere mit einer Shore A-Härte von 50 bis 85, besteht.

4. Ventil (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Federweg des Dichtungselements (82) mehr als 1,2 mm beträgt.

5. Ventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungskörper (76) als 2 K- Teil hergestellt ist.