DE102013225781A1 - Continuous valve with wet runner and valve block with these - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Stetigventil (1) insbesondere für einen Kühlkreislauf eines Verbrennungsmotors und einen Ventilblock mit mehreren dieser Stetigventile. Das Stetigventil (1) enthält ein Gehäuse (2) mit einer Steuerkammer (5) mit einer Zuleitung (6) für ein Fluid und zumindest einer Ableitung (7, 8) des Fluides sowie einem in der Steuerkammer (5) angeordneten, von einem Elektromotor (10) angetriebenen, einen Volumenstrom des Fluides abhängig von einer Steuergröße des Elektromotors (10) stetig steuernden Steuerschieber. Um ein derartiges Stetigventil (1) einfach und mit verbesserter Dichtung auszubilden, ist der Elektromotor (10) in die Steuerkammer (5) integriert und als Nassläufer (9) ausgelegt.The invention relates to a continuous valve (1) in particular for a cooling circuit of an internal combustion engine and a valve block with a plurality of these continuous valves. The continuous valve (1) contains a housing (2) with a control chamber (5) with a supply line (6) for a fluid and at least one discharge line (7, 8) of the fluid and one in the control chamber (5) arranged by an electric motor (10) driven, a volume flow of the fluid depending on a control variable of the electric motor (10) continuously controlling spool. To form such a continuous valve (1) simple and with improved seal, the electric motor (10) in the control chamber (5) is integrated and designed as a wet rotor (9).
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die Erfindung betrifft ein Stetigventil insbesondere für einen Kühlkreislauf eines Verbrennungsmotors und einen Ventilblock mit mehreren derartigen Stetigventilen. Das Stetigventil enthält ein Gehäuse mit einer Steuerkammer mit einer Zuleitung für ein Fluid und zumindest einer Ableitung des Fluides sowie einem in der Steuerkammer angeordneten, von einem Elektromotor angetriebenen, einen Volumenstrom des Fluides abhängig von einer Steuergröße des Elektromotors stetig steuernden Steuerschieber.The invention relates to a continuous valve in particular for a cooling circuit of an internal combustion engine and a valve block with a plurality of such continuous valves. The continuous valve includes a housing having a control chamber with a supply line for a fluid and at least one discharge of the fluid and arranged in the control chamber, driven by an electric motor, a volume flow of the fluid depending on a control variable of the electric motor continuously controlling spool.
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Zur Steuerung von Volumenströmen von hydraulischen Kreisläufen, beispielsweise Kühlkreisläufen in Verbrennungsmotoren und dergleichen werden an den Verwendungszweck angepasste Ventile, beispielsweise Ein- oder Mehrwegventile in den Kreislauf geschaltet, um Fluidströme zu drosseln, zu verzweigen oder umzuschalten. Hierbei erfolgt in sogenannten Stetigventilen eine stetige Änderung des Fluidstroms, indem entsprechende Steuerschieber beispielsweise von einem Elektromotor kontinuierlich verlagert werden, so dass Zuleitungen und Ableitungen sukzessive und nicht schlagartig geöffnet oder geschlossen werden. Aus der
Aufgabe der ErfindungObject of the invention
Aufgabe der Erfindung ist daher, ein kostengünstiges, robustes Stetigventil vorzuschlagen. Weiterhin ist Aufgabe der Erfindung, einen kompakten Ventilblock mit mehreren Stetigventilen vorzuschlagenThe object of the invention is therefore to propose a cost-effective, robust continuous valve. Another object of the invention is to propose a compact valve block with several continuous valves
Allgemeine Beschreibung der ErfindungGeneral description of the invention
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 und den Gegenstand des Anspruchs 9 gelöst. Die von diesen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen der Gegenstands der Ansprüche 1 und 9 wieder.The object is solved by the subject matter of
Das vorgeschlagene Stetigventil eignet sich grundsätzlich für alle hydraulischen Leitungen, die einer Regelung des Volumenstroms eines in diesen geführten Fluides bedürfen, insbesondere für einen Kühlkreislauf eines Verbrennungsmotors. Das Stetigventil enthält ein bevorzugt aus zwei Gehäuseteilen gefügtes, beispielswese verschraubtes oder bevorzugt geklebtes Gehäuse. Das Gehäuse kann aus Metall, beispielsweise Leichtmetall oder dessen Legierungen, spritzgussgefertigten Teilen aus Kunststoff oder dergleichen hergestellt sein. Das Gehäuse umschließt zumindest eine Steuerkammer mit einer Zuleitung für ein Fluid und zumindest einer Ableitung für das Fluid, so dass das Stetigventil als ein- oder mehrkanaliges Ein- oder Mehrwegeventil ausgebildet sein kann. In der zumindest einen Steuerkammer ist jeweils ein Steuerschieber vorgesehen, welcher von einem Elektromotor angetrieben ist. Abhängig von einer Steuergröße des Elektromotors regelt der Steuerschieber den Volumenstrom des Fluides in die einzige oder in eine von mehreren Ableitungen oder verteilt die Volumenströme auf mehrere Ableitungen. Hierbei arbeitet der Steuerschieber nach entsprechender Betätigung durch den Elektromotor stetig, beispielsweise proportional, so dass das Stetigventil als Proportionalventil ausgebildet ist. Hierbei ist vorgesehen, dass der Elektromotor in die Steuerkammer integriert ist, also keine Dichtung zwischen Elektromotor und Steuerkammer vorgesehen ist und das Fluid diesen umspült. Hierzu ist der Elektromotor als Nassläufer ausgebildet. Die Ausbildung und dauerhafte Abdichtung der Bauteile eines Nassläufers, beispielsweise Wicklungen, Polschuhringe, Magnete und dergleichen ist dabei insbesondere bei elektronisch kommutierten Elektromotoren wesentlich einfacher und kostengünstiger als die Bereithaltung einer dynamischen Abdichtung des Rotors oder eines anderen vom Elektromotor angetriebenen Bauteils zur Verlagerung des Steuerschiebers. The proposed continuous valve is basically suitable for all hydraulic lines that require a control of the volume flow of a guided in this fluid, in particular for a cooling circuit of an internal combustion engine. The continuous valve contains a preferably assembled from two housing parts, beispielswese screwed or preferably glued housing. The housing may be made of metal, for example light metal or its alloys, injection-molded parts made of plastic or the like. The housing encloses at least one control chamber with a supply line for a fluid and at least one discharge line for the fluid, so that the continuous valve can be designed as a single-channel or multi-channel single- or multi-way valve. In each case a control slide is provided in the at least one control chamber, which is driven by an electric motor. Depending on a control variable of the electric motor, the control spool regulates the volume flow of the fluid into the single or one of several outlets or distributes the volume flows over several outlets. Here, the spool works steadily after appropriate operation by the electric motor, for example, proportionally, so that the continuous valve is designed as a proportional valve. It is provided that the electric motor is integrated into the control chamber, so no seal between the electric motor and the control chamber is provided and the fluid flows around this. For this purpose, the electric motor is designed as a wet rotor. The training and permanent sealing of the components of a wet rotor, such as windings, Polschuhringe, magnets and the like is much easier and cheaper than the provision of a dynamic seal of the rotor or other driven by the electric motor component for displacement of the spool, especially in electronically commutated electric motors.
Der Elektromotor kann in vorteilhafter Weise als Schrittmotor ausgebildet sein. Weiterhin können in anderer Weise gesteuerte Elektromotoren wie Wechselstrom- oder Gleichstrommotoren mit Pulsweitenmodulation und dergleichen vorgesehen sein.The electric motor can be designed in an advantageous manner as a stepper motor. Furthermore, other controlled electric motors such as AC or DC motors with pulse width modulation and the like may be provided.
Der Steuerschieber kann axial verlagerbar ausgebildet sein, wobei zwischen dem Drehantrieb des Rotors und dem Steuerschieber ein entsprechendes Wandlergetriebe, beispielsweise ein Spindeltrieb vorgesehen ist. Besonders vorteilhaft ist die Ausbildung des Steuerschiebers als koaxial zu einer Rotorachse des Elektromotors angeordneter Drehschieber. Hierbei ist keinerlei weiteres Getriebe zwischen Rotor und Drehschieber notwendig, so dass ein derartiges Ausführungsbeispiel besonders einfach und kostengünstig hergestellt werden kann. Hierbei bildet der Drehschieber entsprechend seines eingestellten Drehwinkels und abhängig von entsprechend profilierten Ausnehmungen wie Kreisen, Ellipsen oder Freiformen einen freien Querschnitt mit einer einer Blende entsprechenden Volumenbegrenzung für den Fluidstrom. Der Drehschieber dichtet dabei in bevorzugter Weise außerhalb der Ausnehmung auftretende Leckströme des Fluides gegenüber dem Gehäuse ab. Hierzu kann zwischen einem Gehäuseabschnitt und dem Drehschieber ein axial wirksames Dichtelement, beispielsweise ein Flachdichtring, ein O-Ring, Quadring oder dergleichen vorgesehen sein. Das Dichtelement kann an dem Drehschieber oder an dem Gehäuseabschnitt angeordnet sein.The spool may be formed axially displaceable, wherein between the rotary drive of the rotor and the spool, a corresponding converter gear, for example, a spindle drive is provided. Particularly advantageous is the formation of the control slide as a coaxial with a rotor axis of the electric motor arranged rotary valve. In this case, no further transmission between the rotor and rotary valve is necessary, so that such an embodiment can be made particularly simple and inexpensive. In this case, the rotary valve forms according to its set rotation angle and depending on correspondingly profiled recesses such as circles, ellipses or freeforms a free cross-section with an orifice corresponding volume limit for the fluid flow. The rotary valve seals in a preferred manner outside the recess occurring leakage currents of the fluid relative to the housing. This can be between a Housing section and the rotary valve an axially effective sealing element, such as a flat gasket, an O-ring, Quadring or the like may be provided. The sealing element can be arranged on the rotary valve or on the housing section.
Um einerseits die Reibung des Drehschiebers gegenüber dem Gehäuse beziehungsweise dem Dichtelement und andererseits die Dichtwirkung zwischen Drehschieber und Gehäuse zu optimieren, kann der Drehschieber axial begrenzt und verdrehbar in dem Gehäuse gelagert sein. Hierbei ist der Drehschieber axial beabstandet von dem Dichtabschnitt des Gehäuses oder zumindest reibungsbelastet aufgenommen und kann bei einer Verdrehung des Drehschiebers mit geringen Drehkräften verdreht werden, so dass vergleichsweise kleine Elektromotoren eingesetzt werden können. Aufgrund einer Anordnung des Dichtabschnitts in Flussrichtung des Fluides zwischen dem Drehschieber und einem Gehäuseabschnitt und gegebenenfalls einer Anordnung des Dichtelements dazwischen kann bei einer Fluidströmung eine selbstverstärkende Dichtung durch den Druck des Fluidstroms erzielt werden. Sollte eine Vorspannung des Drehschiebers gegen den dichtenden Gehäuseabschnitt aufgrund eines dauerhaften Fluidstroms dauerhaft vorhanden sein, kann bei einer Drehbewegung des Drehschiebers gegenüber dem Dichtelement eine axiale Beabstandung des Drehschiebers gegenüber dem Dichtelement vorgesehen sein, welche bevorzugt magnetisch erfolgt. Hierzu können die Polschuhe des Elektromotors entsprechend ausgebildet sein und/oder es kann axial beabstandet zu dem Drehschieber eine bevorzugt während einer Verdrehung des Drehschiebers wirksame Hilfswicklung vorgesehen sein, die den Drehschieber von dem Dichtelement axial beabstandet, indem sie bei Bestromung den Drehschieber anzieht und damit axial weg von dem Dichteingriff zu dem Gehäuseabschnitt verlagert. Hierbei überwindet die Hilfswicklung zumindest die auftretenden Druckkräfte des Fluides. In bevorzugter Weise ist die Hilfswicklung auf radialer Höhe des Rotors des Elektromotors angeordnet, so dass sich die Magnetkräfte der Hilfswicklung und des Rotormagneten gegenseitig verstärken. Der Drehschieber wird dabei bevorzugt soweit axial in Richtung der Hilfswicklung verlagert, dass ein Spiel zwischen Drehschieber und Gehäuseabschnitt beziehungsweise Dichtelement eingehalten oder zumindest die Reibung zwischen Drehschieber und dem Dichtpartner – Gehäuseabschnitt oder Dichtelement – in ausreichendem Maße verringert wird.On the one hand to optimize the friction of the rotary valve relative to the housing or the sealing element and on the other hand, the sealing effect between rotary valve and housing, the rotary valve can be axially limited and rotatably mounted in the housing. Here, the rotary valve is axially spaced from the sealing portion of the housing or at least received friction loaded and can be rotated with a rotation of the rotary valve with low rotational forces, so that comparatively small electric motors can be used. Due to an arrangement of the sealing portion in the flow direction of the fluid between the rotary valve and a housing portion and optionally an arrangement of the sealing member therebetween, a self-energizing seal can be achieved by the pressure of the fluid flow in a fluid flow. If a bias of the rotary valve against the sealing housing portion permanently present due to a permanent fluid flow, during a rotary movement of the rotary valve relative to the sealing element, an axial spacing of the rotary valve relative to the sealing element may be provided, which preferably takes place magnetically. For this purpose, the pole pieces of the electric motor can be designed accordingly and / or it can be provided axially spaced from the rotary valve preferably during a rotation of the rotary valve auxiliary winding, which axially spaced the rotary valve of the sealing element by energizing the rotary valve when energized and thus axially shifted away from the sealing engagement with the housing portion. In this case, the auxiliary winding overcomes at least the pressure forces of the fluid occurring. Preferably, the auxiliary winding is arranged at the radial height of the rotor of the electric motor, so that the magnetic forces of the auxiliary winding and the rotor magnet reinforce each other. The rotary valve is preferably axially displaced so far in the direction of the auxiliary winding, that maintained a match between rotary valve and housing section or sealing element or at least the friction between the rotary valve and the sealing partner - housing section or sealing element - is reduced to a sufficient extent.
Aufgrund der wegfallenden Dichtung des Elektromotors gegenüber der Steuerkammer kann das Gehäuse in einfacher Weise nach außen abgedichtet sein. Beispielsweise kann ein Verkleben der Gehäuseteile ohne weitere Dichtung erfolgen. Due to the omitting seal of the electric motor relative to the control chamber, the housing can be sealed in a simple manner to the outside. For example, a bonding of the housing parts can be done without further seal.
Mehrere der vorgeschlagenen Stetigventile können aufgrund ihrer einfachen Ausbildung und der dadurch erzielbaren geringen Baugröße in vorteilhafter Weise zu einem Ventilblock kombiniert werden. Ein derartiger Ventilblock kann in bevorzugter Weise aus zwei Gehäuseteilen eines einzigen Gehäuses gebildet sein, in die die Stetigventile integriert sind.Several of the proposed continuous valves can be advantageously combined to form a valve block due to their simple design and the achievable small size. Such a valve block may be formed in a preferred manner of two housing parts of a single housing, in which the continuous valves are integrated.
Die Überwachung des Volumenstroms kann mittels eines Sensors zur Erfassung von Drehkennwerten des Drehschiebers erfolgen, beispielsweise kann der Drehschieber zur Ermittlung einer Referenzposition gegen einen Anschlag verdreht werden, so dass der Sensor lediglich entsprechende Drehinkremente relativ erfassen kann. In vorteilhafter Weise kann zur Ermittlung des Drehwinkels bei Verwendung eines Schrittmotors die Anzahl der erregten Schritte des Elektromotors dienen. Desweiteren können Inkrementwinkelsensoren eines elektronisch kommutierten Elektromotors zur Ermittlung des Drehwinkels des Drehschiebers herangezogen werden. Bei einem axial verlagerten Steuerschieber kann eine Ermittlung des Axialweges bei bekannter Übersetzung des Wandlergetriebes ebenfalls aus Drehkennwerten des Elektromotors ermittelt werden. The monitoring of the volume flow can be done by means of a sensor for detecting rotational characteristics of the rotary valve, for example, the rotary valve can be rotated to determine a reference position against a stop, so that the sensor can detect only corresponding Drehinkremente relatively. In an advantageous manner, the number of energized steps of the electric motor can be used to determine the angle of rotation when using a stepping motor. In addition, incremental angle sensors of an electronically commutated electric motor can be used to determine the angle of rotation of the rotary valve. In an axially displaced spool, a determination of the Axialweges with known translation of the converter transmission can also be determined from rotational characteristics of the electric motor.
Das vorgeschlagene Stetigventil zeichnet sich zusammenfassend insbesondere durch folgende Vorteile aus:
- – Es sind Mehrwegestetigventile mit Antrieben geringer Leistung möglich. Die Reibung wird reduziert und erlaubt so Antriebe geringerer Leistung.
- – Die Ausbildung des Elektromotors als Nassläufer erfordert keine Verbindungen nach außen, die wegen der zu übertragenden Bewegung speziell abgedichtet werden müssen, beispielsweise mittels Radialwellendichtring. Alle abzudichtenden Flächen können auch geklebt werden. Spannungen im Gehäuse durch ungleich angezogene Schrauben können dadurch verhindert werden.
- – Die geringere Leistung des Elektromotors trägt einen geringeren Beitrag zur Gesamterwärmung beispielsweise eines Kühlkreislaufs.
- – Der Aufwand zur Bestimmung der aktuellen Drehschieberposition verringert sich, da nur der Nullpunkt bestimmt werden muss. Die aktuelle Position ergibt sich aus der Anzahl der Schritte des Schrittmotors.
- – Die maximale Betriebstemperatur des Elektromotors ergibt sich aus der Temperatur des Mediums wie Fluides.
- – Der Aufbau ist kompakt.
- – Spezielle Formen der Durchbrüche wie Ausnehmungen in der Drehschieber scheibe erlauben besondere Kennlinien für den Durchfluss des Fluides.
- – Das Festfressen eines Elektromotors wird bei Verwendung einer Drehscheibe verhindert, da kein Getriebe existiert, das sich verkeilen kann.
- – Es erfolgt nur eine geringe Ablenkung der Richtung des Fluides. Daraus ergibt sich ein niedriger Druckverlust. Spezielle Formstücke im Strömungskanal der Steuerkammer und den Zu- und Ableitungen können diese Eigenschaften weiter verbessern.
- - It is possible Mehrwegestetigventile with low power drives. The friction is reduced, allowing drives of lower power.
- - The formation of the electric motor as a wet rotor requires no connections to the outside, which must be specially sealed because of the movement to be transmitted, for example by means of radial shaft seal. All surfaces to be sealed can also be glued. Tensions in the housing by unequally tightened screws can be prevented.
- - The lower power of the electric motor contributes less to the overall heating, for example, a cooling circuit.
- - The effort to determine the current rotary valve position is reduced because only the zero point must be determined. The current position results from the number of steps of the stepper motor.
- - The maximum operating temperature of the electric motor results from the temperature of the medium as fluids.
- - The construction is compact.
- - Special forms of breakthroughs such as recesses in the rotary valve disc allow specific characteristics for the flow of the fluid.
- - The seizure of an electric motor is prevented when using a hub, since there is no gear that can wedge.
- - There is only a small deflection of the direction of the fluid. This results in a low pressure loss. Special fittings in the flow channel of the control chamber and the supply and discharge lines can further improve these properties.
Kurze Beschreibung der FigurenBrief description of the figures
Die Erfindung wird anhand des in den
Ausführliche Beschreibung der FigurenDetailed description of the figures
In der Zusammenschau zeigen die
Der Drehschieber
Zwischen dem Drehschieber
Zur erleichterten Verdrehung des Drehschiebers
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Stetigventil continuous valve
- 22
- Gehäuse casing
- 33
- Gehäuseteil housing part
- 44
- Gehäuseteil housing part
- 55
- Steuerkammer control chamber
- 66
- Zuleitung supply
- 77
- Ableitung derivation
- 88th
- Ableitung derivation
- 99
- Nassläufer glandless
- 1010
- Elektromotor electric motor
- 1111
- Statorwicklung stator
- 1212
- Rotor rotor
- 1313
- Rotormagnet rotor magnet
- 1414
- Drehschieber rotary vane
- 1515
- Lagerung storage
- 1616
- Stutzen Support
- 1717
- Ausnehmung recess
- 1818
- Fluidstrom fluid flow
- 1919
- Teilstrom partial flow
- 2020
- Teilstrom partial flow
- 2121
- Gehäuseabschnitt housing section
- 2222
- Dichtelement sealing element
- 2323
- Hilfswicklung auxiliary winding
- A-AA-A
- Schnittlinie intersection
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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