WO2019043101A1 - Rotationsventil mit optimiertem durchfluss sowie verfahren - Google Patents

Rotationsventil mit optimiertem durchfluss sowie verfahren Download PDF

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WO2019043101A1
WO2019043101A1 PCT/EP2018/073354 EP2018073354W WO2019043101A1 WO 2019043101 A1 WO2019043101 A1 WO 2019043101A1 EP 2018073354 W EP2018073354 W EP 2018073354W WO 2019043101 A1 WO2019043101 A1 WO 2019043101A1
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groove
rotary valve
pocket
opening
valve body
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PCT/EP2018/073354
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Inventor
Hannes HOFSTETTER
Viktor Racz
Original Assignee
Magna Powertrain Bad Homburg GmbH
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    • F16K11/00—Multiple-way valves, e.g. mixing valves; Pipe fittings incorporating such valves
    • F16K11/02—Multiple-way valves, e.g. mixing valves; Pipe fittings incorporating such valves with all movable sealing faces moving as one unit
    • F16K11/08—Multiple-way valves, e.g. mixing valves; Pipe fittings incorporating such valves with all movable sealing faces moving as one unit comprising only taps or cocks
    • F16K11/085—Multiple-way valves, e.g. mixing valves; Pipe fittings incorporating such valves with all movable sealing faces moving as one unit comprising only taps or cocks with cylindrical plug
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P7/00—Controlling of coolant flow
    • F01P7/14—Controlling of coolant flow the coolant being liquid
    • F01P7/16—Controlling of coolant flow the coolant being liquid by thermostatic control
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16K5/00—Plug valves; Taps or cocks comprising only cut-off apparatus having at least one of the sealing faces shaped as a more or less complete surface of a solid of revolution, the opening and closing movement being predominantly rotary
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01P7/14—Controlling of coolant flow the coolant being liquid
    • F01P2007/146—Controlling of coolant flow the coolant being liquid using valves

Definitions

  • the invention relates to a rotary valve for use in coolant flows with a valve housing and a valve body therein and an actuator for moving the valve body in the valve housing.
  • the invention also extends to a method for operating a rotary valve.
  • Such valves can be used to control the coolant flow of an internal combustion engine to ensure an optimal coolant temperature in the fluid circuit depending on the load case.
  • GB2385903 shows a rotary valve with valve body in the cooling flow of a motor vehicle.
  • a flow divider is rotatably received in the valve body and includes a plurality of fluid passages that provide preset flow paths between the inlet port and the outlet ports in response to a rotational position of the flow diverter.
  • An actuator is responsive to a control signal for determining the rotational position.
  • the valve has through holes with different geometry. These have the disadvantage that every smallest change in position of the valve body has a large flow change result. It is therefore an object of the invention to provide a rotary valve, which makes it possible to represent a precise flow control in a large control range.
  • a rotary valve comprising a housing with a valve chamber, wherein the valve chamber has at least one inlet and at least one outlet, wherein the inlet and / or the drain can be at least partially closed by a valve body which is rotatable about an axis and arranged in the valve chamber are, and the valve body has at least one opening which completely breaks through the wall of the valve body, wherein at least a region of reduced wall thickness is connected to the opening.
  • At least one region of reduced wall thickness is a groove and / or a pocket. This makes it possible to optimally control the opening of the valve via a simple geometry.
  • the groove and / or the pocket has a depth which extends to half the wall thickness of the valve body.
  • further boundary conditions such as possible contamination particle sizes, must be taken into account.
  • the groove and / or the pocket extends in the longitudinal extent of the total length of the opening to a quarter of the total length of the opening.
  • the depth of the groove and / or the pocket is constant over the entire area.
  • the depth of the groove and / or pocket may be variable over the range.
  • the groove and / or the pocket extends in radial expansion up to a third of the total radial extent of the opening.
  • the groove and / or the pocket extend on either side of the radial extent of the opening.
  • the groove and / or the pocket has a phase in the transition to the valve body.
  • the geometry of the groove and / or pocket can be designed with optimal tangential surfaces, radii, Entformungen, undercuts between the lateral surface of the valve body and the bottom of the area flow optimal.
  • the object is also achieved with a method for operating a thermal management module using a rotary valve.
  • Fig. 2 shows a section through a valve body
  • Fig. 3 shows sections through the wall of the valve body.
  • valve 1 shows a section through a rotary valve 1 with a cylindrical valve body 3 surrounding the housing 2.
  • the tubular or cup-shaped valve body 3 has in its outer periphery openings 4, which with over sliding seals 5 - on the cylindrical outer circumference of the valve body fitting - sealed inflows and outflows 6 interact.
  • the housing 2 is also designed tubular or cylindrical in its inner region and thus surrounds the recorded and rotatably mounted valve body 3, wherein between the outer periphery of the valve body 3 and the inner wall of the housing 2, a gap is formed.
  • a cover 7 At the top of the valve housing 2 is closed with a cover 7.
  • the cover 7 has an opening through which a valve body 3 pivoting shaft is performed, which is coupled with a drive not shown.
  • the direction of the fluid flow is indicated by the arrow.
  • the fluid leaves the valve, the valve housing 3 on its underside via a drain 10.
  • the cup-shaped valve body 3 is inserted with the bottom part facing up into the receptacle of the valve housing 2.
  • the open bottom of the valve body 3 rests on a collar-shaped taper within the housing. This taper has openings 1 1, so that the fluid flows both inside the valve body 3 and in the gap-shaped area outside of the valve body 3.
  • Figure 2 shows a longitudinal section through the valve body 3 having an entire length L.
  • the valve body 3 has two openings 4.
  • the opening 4 arranged on the right side of the figure extends over a radial region R1 of the valve body. It can be seen a groove 14, which connects directly to the opening 4.
  • the groove 4 has a radial extent R2, which is significantly smaller than the radial extent R1 of the opening.
  • the groove 14 did not extend over the entire length of the opening 4, but only over a partial area L2.
  • This portion L2 has in this embodiment about 1/3 of the length of the opening 4.
  • the depth of the groove 14 is shown in FIG. In the left part of the figure, a section through the wall 13 of the valve body 3 is shown. The wall thickness D1 of the valve body is reduced in the region of the groove 14 to a depth D2.
  • the depth of the groove D2 is approximately half the wall thickness of the valve body.
  • the depth D2 must not influence the stability of the valve body.
  • the groove is shown in a radial extent R2, a length L2 and a depth D2. In this case, the depth of the groove over the entire recess area can be made the same.
  • the depth of the groove is variable, especially in the transition regions at the point 20 and at the contact point 21 to the opening 4, the depth of the groove can be variable and also form a specific phase.
  • an opening 4 is provided with a pocket 15.
  • the pocket 15 extends over the entire length of the opening 4 and has a tapered shape on a tip 22.
  • the pocket 15 in different radial extensions R3.
  • the bag may have variable depths.

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Abstract

Rotationsventil (1) umfassend ein Gehäuse (2) mit einer Ventilkammer, wobei die Ventilkammer zumindest einen Zulauf (6) und zumindest einen Ablauf (10) aufweist, wobei der Zulauf und/ oder der Ablauf durch einen um eine Achse drehbaren und in der Ventilkammer angeordneten Ventilkörper (3) bedarfsweise zumindest teilweise verschließbar sind, und der Ventilkörper mindestens eine Öffnung (4) aufweist, die die Wand (13) des Ventilkörpers vollständig durchbricht, wobei an die Öffnung (4) mindestens ein Bereich (14, 15) reduzierter Wandstärke angeschlossen ist.

Description

Rotationsventil mit optimiertem Durchfluss sowie Verfahren
Die Erfindung geht aus von einem Rotationsventil zum Einsatz in Kühlmittelströmen mit einem Ventilgehäuse und einem darin befindlichen Ventilkörper und einem Aktuator zur Bewegung des Ventilkörpers im Ventilgehäuse.
Die Erfindung erstreckt sich auch auf ein Verfahren zum Betrieb eines Rotationsventils.
Stand der Technik
Derartige Ventile können zur Steuerung des Kühlmittelstroms einer Brennkraftmaschine zum Einsatz kommen, um im Fluidkreislauf je nach Lastfall eine optimale Kühlmitteltemperatur zu gewährleisten.
Für ein solches Thermalmanagement-Modul wird eine gut steuerbare Durchflussregelung benötigt. Um sämtlichen Toleranzen des Systems gerecht zu werden, ist es notwendig, eine sehr gute Durchflussaufteilung einzustellen und zu garantieren. Durch Vorgaben des Bauraums, sowie der Zuordnung der Zu- und Abflüsse sind einfache Lösungen oft nicht möglich.
GB2385903 zeigt ein Drehventil mit Ventilkörper im Kühlstrom eines Kraftfahrzeugs. Ein Stromverzweiger ist drehbar im Ventilkörper aufgenommen und enthält eine Vielzahl von Fluiddurchgängen, die in Abhängigkeit einer Drehstellung des Stromverzweigers für voreingestellte Strömungswege zwischen dem Einlassan- schluss und den Auslassanschlüssen sorgen. Ein Stellglied reagiert auf ein Steuersignal zum Festlegen der Drehstellung. Das Ventil weist durchgängige Öffnungen mit unterschiedlichen Geometrie auf. Diese haben den Nachteil, dass jede kleinste Positionsänderung des Ventilkörpers eine große Durchflussänderung zur Folge hat. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Drehventil zu schaffen, das es ermöglicht eine genaue Durchflussregelung in einem großen Regelbereich darzustellen.
Die Aufgabe wird gelöst mit einem Rotationsventil umfassend ein Gehäuse mit einer Ventilkammer, wobei die Ventilkammer zumindest einen Zulauf und zumindest einen Ablauf aufweist, wobei der Zulauf und/oder der Ablauf durch einen um eine Achse drehbaren und in der Ventilkammer angeordneten Ventilkörper bedarfsweise zumindest teilweise verschließbar sind, und der Ventilkörper mindestens eine Öffnung aufweist, die die Wand des Ventilkörpers vollständig durchbricht, wobei an die Öffnung mindestens ein Bereich reduzierter Wandstärke angeschlossen ist.
Dabei ist es vorteilhaft, dass mindestens ein Bereich reduzierter Wandstärke einen Nut und/oder einen Tasche ist. Dadurch ist es möglich, das Öffnen des Ventils über eine einfache Geometrie optimal anzusteuern.
Zur Optimierung des Ventils weist die Nut und/oder die Tasche einen Tiefe auf, die sich bis zur halben Wandstärke des Ventilkörpers erstreckt. Bei der Bestimmung der Tiefe des Bereiches müssen weitere Randbedingungen, wie mögliche Verschmutzungspartikelgrößen, berücksichtigt werden.
Es ist weiterhin von Vorteil, dass sich die Nut und/oder die Tasche in der Längenausdehnung von der Gesamtlänge der Öffnung bis zu einem Viertel der Gesamtlänge der Öffnung erstreckt.
Vorteilhafterweise ist die Tiefe der Nut und/oder der Tasche über den gesamten Bereich konstant.
Alternativ dazu kann die Tiefe der Nut und/oder der Tasche über den Bereich variabel sein. Um eine optimale Ansteuerung zu erhalten, erstreckt sich die Nut und/oder die Tasche in radialen Ausdehnung bis zu einem Drittel der gesamten radialen Ausdehnung der Öffnung.
Um sowohl den Öffnungsprozess als auch das Schließen des Rotationsventils zu kontrollieren, erstrecken sich die Nut und/oder die Tasche auf beiden Seiten der radialen Ausdehnung der Öffnung.
Um Geräuschbildungen zu vermeiden und die Strömungssituation zu verbessern, besitzt die Nut und/oder die Tasche im Übergang zum Ventilkörper eine Phase.
Die Geometrie der Nut und/oder Tasche kann mit tangentialen Flächen, Radien, Entformungen, Unterschneidungen zwischen der Mantelfläche des Ventilkörpers und dem Boden des Bereiches strömungsoptimal gestaltet werden.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst mit einem Verfahren zum Betrieb eines Ther- malmanagementmoduls unter Verwendung eines Rotationsventils.
Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Drehventils,
Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch einen Ventilkörper
Fig. 3 zeigt Schnitte durch die Wandung des Ventilkörpers.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch ein Rotationsventil 1 mit einem den zylinderförmigen Ventilkörper 3 umgebendem Gehäuse 2. Der rohrförmig bzw. topfförmig gestaltete Ventilkörper 3 weist in seinem Außenumfang Öffnungen 4 auf, die mit über Gleitdichtungen 5 - am zylindrischen Außenumfang des Ventilkörpers anliegend - gedichteten Zu- bzw. Abflüssen 6 zusammenwirken. Das Gehäuse 2 ist in seinem Innenbereich ebenfalls rohr- bzw. zylinderförmig gestaltet und umgibt so den aufgenommenen und drehbar gelagerten Ventilkörper 3, wobei zwischen Außenumfang des Ventilkörpers 3 und Innenwand des Gehäuses 2 ein Spalt gebildet wird. An der Oberseite ist das Ventilgehäuse2 mit einem Deckel 7 geschlossen. Der Deckel 7 weist eine Öffnung auf, durch welche eine den Ventilkörper 3 verschwenkende Welle durchgeführt ist, die mit einem -nicht dargestellten- Antrieb gekoppelt ist.
Die Richtung der Fluidströmung ist mit dem Pfeil gekennzeichnet. Das Fluid ver- lässt das Ventil, das Ventilgehäuse 3 an dessen Unterseite über einen Abfluss 10. Der topfförmige Ventilkörper 3 ist mit dem Bodenteil nach oben weisend in die Aufnahme des Ventilgehäuses 2 eingesetzt. Die offene Unterseite des Ventilkörpers 3 liegt an einer bundförmigen Verjüngung innerhalb des Gehäuses auf. Diese Verjüngung weist Durchbrüche 1 1 auf, so dass das Fluid sowohl innerhalb des Ventilkörpers 3 als auch in dem spaltförmigen Bereich außerhalb des Ventilkörpers 3 strömt.
Figur 2 zeigt einen Längsschnitt durch den Ventilkörper 3 der eine gesamte Länge L aufweist. Im Ausführungsbeispiel zeigt der Ventilkörper 3 zwei Öffnungen 4.
Die auf der rechten Seite der Figur angeordnete Öffnung 4 erstreckt sich über einen radialen Bereich R1 des Ventilkörpers. Man erkennt eine Nut 14, die sich direkt an die Öffnung 4 anschließt. Die Nut 4 besitzt eine radiale Ausdehnung R2, die deutlich kleiner als die radiale Erstreckung R1 der Öffnung ist.
Die Nut 14 erstreckte sich nicht über die gesamte Länge der Öffnung 4, sondern nur über einen Teilbereich L2. Dieser Teilbereich L2 weist in diesem Ausführungsbeispiel etwa 1/3 der Länge der Öffnung 4 auf. Die Tiefe der Nut 14 wird in Figur 3 dargestellt. Im linken Bereich der Figur ist ein Schnitt durch die Wand 13 des Ventilkörpers 3 dargestellt. Die Wandstärke D1 des Ventilkörpers wird im Bereich der Nut 14 auf eine Tiefe D2 reduziert.
Die Tiefe der Nut D2 ist dabei in etwa die halbe Wandstärke des Ventilkörpers. Die Tiefe D2 darf die Stabilität des Ventilkörpers nicht beeinflussen. In diesem Ausführungsbeispiel wird somit die Nut in einer radiale Erstreckung R2, einer Länge L2 und einer Tiefe D2 dargestellt. Dabei kann die Tiefe der Nut über den gesamten Vertiefungsbereich hinweg gleich ausgebildet sein.
In einer alternativen Ausführungsform ist allerdings die Tiefe der Nut variabel, speziell in den Übergangsbereichen am Punkt 20 sowie an der Kontaktstelle 21 zur Öffnung 4 kann die Tiefe der Nut veränderlich sein und auch speziell eine Phase ausbilden.
Im Ausführungsbeispiel, das auf der rechten Seite der Figur 2 dargestellt ist, ist eine Öffnung 4 mit einer Tasche 15 versehen. Die Tasche 15 erstreckt sich über die gesamte Länge der Öffnung 4 und besitzt eine auf eine Spitze 22 zulaufende Form.
Wie bereits oben für die Nut 14 ausgeführt ist es möglich, die Tasche 15 in unterschiedlichen radialen Erstreckungen R3 auszugestalten. Besonders im Bereich der Spitze 22 sowie der Kontaktstelle 21 zur Öffnung 4 kann die Tasche variable Tiefen aufweisen.
Die genaue Auslegung der Taschen und der Nuten erfolgt mit den Anforderungen an das Rotationsventil. Es werden dabei nicht nur reine Steueraspekte berücksichtigt, sondern auch die Geräuschbildung durch die Strömungssituation als auch die Verschleißminderung am Gleitkörper berücksichtigt.
Durch den Einsatz von Nuten und Taschen wird dem eigentlichen Öffnungspro- zess ein Anfahrprozess vorgeschaltet. Genauso wird bei Verschließen des Ventils ein Nachverschließprozess realisiert. Das Rotationsventil ist daher besser ansteuerbar und toleranter gegenüber produktionsbedingten Toleranzen.
Bezugszeichenliste Rotationsventil
Gehäuse
Ventilkörper
Öffnungen
Gleitdichtung
Zufluss
Deckel
0 Abfluss
1 Durchbruch
2 Achse
3 Wand 4 Nut 3 Wand
15 Tasche 0 Punkt
21 Übergang
22 Spitze
R1 , R2, R3 radiale Erstreckungen L, L1 , L2 Längen D1 Wamdstärke
D2 Tiefe

Claims

Ansprüche
1 . Rotationsventil (1 ) umfassend ein Gehäuse (2) mit einer Ventilkammer, wobei die Ventilkammer zumindest einen Zulauf (6) und zumindest einen Ablauf (10) aufweist, wobei der Zulauf und/oder der Ablauf durch einen um eine Achse drehbaren und in der Ventilkammer angeordneten Ventilkörper (3) bedarfsweise zumindest teilweise verschließbar sind, und der Ventilkörper mindestens eine Öffnung (4) aufweist, die die Wand (13) des Ventilkörpers vollständig durchbricht, dadurch gekennzeichnet, dass an die Öffnung (4) mindestens ein Bereich (14, 15) reduzierter Wandstärke angeschlossen ist.
2. Rotationsventil nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Bereich reduzierter Wandstärke einen Nut (14) und/oder einen Tasche (15) ist.
3. Rotationsventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (14) und/oder die Tasche (15) einen Tiefe (D2) aufweist, die bis zur halben Wandstärke (D1 ) des Ventilkörpers geht.
4. Rotationsventil nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Nut (14) und/oder die Tasche (15) in der Längenausdehnung (L2) von der Gesamtlänge (L1 ) der Öffnung (4) bis zu einem Viertel der Gesamtlänge (L1 ) der Öffnung (4) erstreckt.
5. Rotationsventil nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe (D2) der Nut (14) und/oder der Tasche (15) über den gesamten Bereich konstant ist.
6. Rotationsventil nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe (D2) der Nut (14) und/oder der Tasche (15) über den Bereich variabel ist.
7. Rotationsventil nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Nut (14) und/oder die Tasche (15) in radialen Ausdehnung (R2) bis zu einem Drittel der gesamten radialen Ausdehnung (R1 ) der Öffnung (4) erstreckt.
8. Rotationsventil nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Nut (14) und/oder die Tasche (15) auf beiden Seiten der radialen Ausdehnung der Öffnung erstrecken.
9. Rotationsventil nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (14) und/oder die Tasche (15) im Übergang zum Ventilkörper (3) eine Fase aufweisen.
10. Verfahren zum Betrieb eines Thermalmanagementmoduls unter Verwendung eines Rotationsventils nach Anspruch 1 bis 9.
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