DE3824444A1 - Drosselventil - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Drosselventil mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1. Ein gattungsgemäßes Drosselventil ist bekannt (JP 60-57 037 (A)). In Abhängigkeit von der Temperatur des das Ventil­ gehäuse durchströmenden hydraulischen Fluids ändert ein aus einer Memory-Metallegierung bestehender Ventilkörper seine Form derart, daß er bei höheren Fluidtemperaturen eine als Hilfsdrossel bezeichnete Öffnung verschließt, durch welche das Fluid bei niederen Temperaturen parallel zu einer nicht verschließbaren Öffnung mit hoher Drossel­ wirkung fließen kann. Bei ansteigender Fluidtemperatur wird durch die temperaturabhängig veränderliche Drossel­ wirkung ein selbsttätiger Druck- bzw. Durchflußausgleich erreicht.

Bei dem bekannten Drosselventil ist der Ventilkörper in einem Ausführungsbeispiel mit Hilfe einer Niete in dem Ventilgehäuse befestigt, in einem anderen Ausführungsbei­ spiel in dem Ventilgehäuse festgeklemmt.

Die beiden Öffnungen sind nebeneinander in eine gerade, parallel zur Hauptströmungsrichtung angeordnete Zwischenwand des Ventilgehäuses eingelassen, wobei der Ventilkörper entweder auf der Anströmseite oder auf der Abströmseite dieser Wand - bei gleichbleibender Strömungs­ richtung - angeordnet ist. Im ersten Fall ist zwar ein ständiger Kontakt zwischen dem Ventilkörper und der Fluidströmung auch bei durch den an der Gehäusewand anliegenden Ventilkörper geschlossener Hilfsdrossel gewährleistet, aber diese Anordnung hat einen höheren Strömungswiderstand als die zweitgenannte.

Konstruktionselemente aus Memory-Metallegierungen sind an sich bekannt (Tautzenberger, Stöckel: "Konstruieren mit Elementen aus Memory-Legierungen" in DE-Z "Der Konstruk­ teur" 15 (1984), Heft 1/2, Seiten 16, 18, 23). Sie können Einweg Verhalten (nur einmaliges "Erinnerungsvermögen" an eine unverformte Struktur) oder das für das hier beschriebene Drosselventil verlangte Zweiweg-Verhalten aufweisen. In dem genannten Artikel wird empfohlen, Memory-Elemente möglichst ohne Temperatureinwirkung, also z. B. durch Schrauben, Klemmen oder Kleben, zu befestigen, um deren Formänderungsverhalten - das im übrigen durch geeignete Legierungswahl fast beliebig einstellbar ist und auch über hohe Zyklenzahlen erhalten bleibt - nicht nachträglich zu verändern. Es können auch verformungseffektfreie Bereiche in den Elementen vorge­ sehen werden. Als verwendbare Legierungen werden NiTi, CuZnAl oder CuAlNi genannt.

Gegenüber für ähnliche Zwecke wie den hier beschriebenen verwendbaren Bimetall- oder Dehnstoffelementen haben die Elemente aus Memory-Legierungen den Vorteil, daß ihre gesamte Formänderung innerhalb eines recht geringen Temperaturbereichs von ca. 10 bis 20 K erfolgt, innerhalb dessen ihre sogenannte Umwandlungstemperatur liegt. Damit läßt sich ein annäherndes Zweipunktverhalten fast ohne kontinuierliche Formänderungen verwirklichen. Mit anstei­ genden Temperaturen ändert sich das Kristallgefüge der Memory-Legierungen in dem genannten Bereich von marten­ sitischer in austenitische Struktur.

Für bestimmte Einsatzfälle ist es erwünscht, über ein Drosselventil zu verfügen, das die Möglichkeit bietet, die Temperatur einer Flüssigkeit weitgehend konstant zu halten, ohne daß eine Betätigung von außen erfolgen muß, indem es bei schneller Reaktion auf Temperaturänderungen zwischen zwei Endlagen ohne Zwischenstellungen sowohl maximalen als auch gedrosselten Durchfluß ermöglicht. Sein Aufbau soll aus Funktions- und Kostengründen möglichst einfach sein.

Aufgabe der Erfindung ist es, das gattungsbildende Drossel­ ventil im Sinne der vorstehend genannten Anforderungen weiterzubilden.

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst.

Die Unteransprüche offenbaren mit ihren kennzeichnenden Merkmalen vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungs­ gemäßen Drosselventils.

Aus den DE-OSen 31 24 153 und 31 24 154 sind Rückschlag­ ventile mit starren, federbelasteten Ventilkörpern be­ kannt, bei welchen eine Abströmöffnung durch den aus seiner Schließlage abgehobenen Ventilkörper verschließbar ist, wobei jedoch parallel zu der Abströmöffnung noch eine nicht verschließbare Drosselbohrung angeordnet ist, die auch in den Ventilkörper selbst eingebracht sein kann. Hierbei sind also auch beide Öffnungen auf einer Strom­ seite des Ventilkörpers angeordnet. Die Rückschlagventile sind in Vakuumleitungen verwendbar und stellen bei leck­ bedingter Druckbeaufschlagung von ihrer Anströmseite her sicher, daß ein abströmseitig fluidisch angeschlossener Vakuum-Bremskraftverstärker nicht schlagartig belüftet werden kann.

Eine temperaturabhängige Arbeitsweise dieser Rückschlag­ ventile ist nicht vorgesehen. Die beiden genannten DE-OSen geben auch keinen Hinweis auf eine erfindungsgemäße Lösung der gestellten Aufgabe.

Beispielsweise kann mit einem erfindungsgemäßen Drossel­ ventil, welches in Reihe hinter einen Wärmeverbraucher geschaltet wird, dessen Temperatur trotz unterschiedlich starker Durchflüsse - die durch unterschiedliche Diffe­ renzdrücke zwischen Vorlauf und Rücklauf bedingt sind - weitgehend konstant gehalten werden. Das gelingt, weil bei Unterschreiten dieser Temperatur voller Durchfluß sicher­ gestellt wird und beim Überschreiten dieser Temperatur der gedrosselte Durchfluß auch bei maximalem Förderdruck so klein ist, daß sich das Fluid im Wärmeverbraucher stark abkühlt und dadurch die Umwandlungstemperatur des Ventil­ körpers unterschreitet. Das Drosselventil wird also in Abhängigkeit von der Fluidtemperatur und vom Förderdruck in unterschiedlichen Frequenzen takten. Da kein Dichtungs­ druck aufgebracht werden muß, brauchen an die Kräfte, die vom Ventilkörper auf seine Anlagefläche an der zweiten Öffnung ausgeübt werden, keine besonderen Anforderungen gestellt zu werden. Außerdem sind nur die Bedingungen "volle Öffnung" und "Drosselung" zu erfüllen, wobei es auf den Grad der Drosselung nicht ankommt, wenn er nur klein genug ist.

Unter den genannten Bedingungen ist es möglich, ein sehr kompaktes und einfaches Drosselventil zu konstruieren. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht es aus zwei axial fluchtenden Gehäuseteilen, in deren Trennfuge der Ventilkörper gehaltert ist. Der - in Strömungsrichtung - erste Gehäuseteil weist eine Strömungsöffnung auf, auf deren Rand der Ventilkörper nach Überschreiten der Um­ wandlungstemperatur aufliegt. Dabei kann entweder eine kleine Ausnehmung im Rand, eine mit Abstand vom Rand angeordnete kleine Bohrung oder eine rauhe Anlagefläche des Randes die nicht verschließbare Drosselöffnung bilden. Bei Unterschreiten der Umwandlungstemperatur gibt der Ventilkörper einen Ringspalt über der Strömungsöffnung frei, welcher maximalen Durchfluß ermöglicht.

Das Fluid umströmt zum Eintreten in die zweite Gehäuse­ hälfte den Ventilkörper grundsätzlich außen oder durch Ausnehmungen in dessen Rand. Dadurch werden Tempera­ turänderungen des Fluids ihm sehr schnell aufgeprägt, zumal die thermische Masse des Ventilkörpers sehr klein sein kann.

Beide Gehäuseteile können ohne zusätzliche Dichtung durch gängige Verbindungsmethoden wie Kleben oder Schweißen verbunden werden; auch eine Clipsverbindung ist möglich, wobei aber dann eine Dichtung in die Trennfuge eingesetzt werden sollte.

Als weitere Anwendungsmöglichkeit dieses Ventilprinzips ist eine Ausführung als Absperr- oder Rückschlagventil - gegen geringe Drücke - denkbar, wenn der Ventilsitz am Rand der Strömungsöffnung mit einer Dichtung versehen wird. Natürlich muß dann die nicht verschließbare Öffnung entfallen; eventuell sollte auch die Strömungsrichtung dann umgekehrt verlaufen.

Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Drosselventils sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden eingehend beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Variante des erfindungsgemäßen Drosselventils;

Fig. 2 eine Schnittansicht aus Fig. 1;

Fig. 3 eine zweite Variante des erfindungsgemäßen Drosselventils;

Fig. 4 eine Schnittansicht aus Fig. 3;

Fig. 5 eine weitere Variante der Ausbildung der nicht verschließbaren Drosselöffnung;

Ein Drosselventil 1 besteht aus einem Ventilgehäuse 2 mit einem ersten Gehäuseteil 3 und einem zweiten Gehäuseteil 4. Die beiden Gehäuseteile 3 und 4 sind miteinander fluiddicht verbunden, z. B. verklebt oder verschweißt. Im ersten Gehäuseteil 3 ist eine erste Öffnung 5 mit sehr kleinem freien Querschnitt und hoher Drosselwirkung in einen Rand 6 einer zweiten Öffnung 7 - die ein Ende eines als Rohrstutzen 7′ in den ersten Gehäuseteil 3 hineinge­ führten Strömungskanals 7′′ bildet - mit verhältnismäßig großem freiem Querschnitt als Ausnehmung eingeformt. Die beiden rotationssymmetrisch geformten, axial fluchtenden Gehäuseteile 3 und 4 weisen in einer kammerartigen Erwei­ terung jeweils an ihrer Innenwand in Strömungsrichtung verlaufende Stege 3.1 bzw. 4.1 auf. In Ausnehmungen 8 der Stege 3.1 ist ein rundscheibenförmiger Ventilkörper 9 an seinem Außenrand 10 quer zu der durch die Mittelachse der beiden Gehäuseteile 3 und 4 definierten Hauptströmungs­ richtung gehaltert. Die Ausnehmungen 8 reichen nicht bis an die Innenwand des Gehäuseteils 3 heran, so daß zwischen letzterer und dem Außenrand 10 des Ventilkörpers 9 ein Überströmquerschnitt 11 freibleibt. Zur Vereinfachung des Einlegens des ansonsten nicht befestigten Ventilkörpers 9 sind die Ausnehmungen 8 in dem Endbereich der Stege 3.1 angeordnet, der dem zweiten Gehäuseteil 4 und dessen inneren Stegen 4.1 zugewandt ist. Die anderseitige Begren­ zung der Ausnehmungen 8 wird also unmittelbar durch die dem ersten Gehäuseteil 3 zugewandten Enden der Stege 4.1 gebildet, so daß beim Zusammenfügen beider Gehäuseteile 3 und 4 der vorher in die Ausnehmungen 8 eingelegte Ventil­ körper 9 zentrisch im Gehäuse 2 axial festgelegt wird. Radial bleibt dem Ventilkörper 9 ein geringer Bewegungs­ spielraum, damit seine Umschnappbewegung beim Passieren der Umwandlungstemperatur der Memory-Metallegierung nicht behindert wird. Der Ventilkörper 9 ist in einer Stellung gezeichnet, welche er nach dem Überschreiten der Umwandlungstemperatur einnimmt. Gestrichelt ist seine Stellung unterhalb dieser Temperatur angedeutet. Bei höheren Temperaturen ist also der aus dünnem Blech beste­ hende rundscheibenförmige Ventilkörper 9 von der zweiten Öffnung 7 weg konkav gekrümmt, während er bei niedrigen Temperaturen zu der Öffnung 7 hin konvex gekrümmt ist. Es ist offensichtlich, daß in der gezeichneten Stellung des Ventilkörpers 9 die Öffnung 7 durch diesen ver­ schlossen ist, weil der Ventilkörper 9 auf dem Rand 6 der Rohrstutzen-Öffnung 7 wie auf einem Ventilsitz aufliegt.

Eine Fluidströmung kann das Drosselventil 1 jetzt nur durch die erste Öffnung 5 passieren. Im Gegensatz zu dem gattungsbildenden Drosselventil wird in der hier gezeigten Ausführung auch bei verschlossener zweiter Öffnung 7 der Ventilkörper 9 ständig umströmt bzw. angeströmt, so daß jede Temperaturänderung des Fluids sich sehr schnell auf den Ventilkörper 9 überträgt. Zu dessen schneller Reaktion auf Über- oder Unterschreitungen der Umwandlungstemperatur seines Materials trägt auch wesentlich sein geringes Volumen bei.

In seiner gestrichelt angedeuteten Stellung gibt der Ventilkörper 9 die zweite Öffnung 7 frei, so daß eine nur geringfügig gedrosselte Durchströmung des Drosselventils möglich ist.

Mit II-II wird in Fig. 1 eine Schnittlinie angezeigt, deren zugehörige Ansicht in Fig. 2 dargestellt ist. Hier wird deutlich, daß die Stege 3.1 bzw. 4.1 gleichmäßig über den Umfang der Gehäuseteileinnenwände verteilt sind und daß der freie Überströmquerschnitt 11 zwischen der Innen­ wand des Gehäuses 2 und dem Ventilkörper-Außenrand 10 verhältnismäßig groß ist und sich insbesondere rings um den Außenrand 10 erstreckt, so daß eine gleichmäßige Umströmung des Ventilkörpers 9 gewährleistet ist.

Fig. 3 zeigt eine andere Ausführung einer Verbindung zweier Gehäuseteile 3′ und 4′ eines Drosselventils 1′, eines freien Überströmquerschnittes 11′ und einer nicht verschließbaren Öffnung 5′.

Die beiden Gehäuseteile 3′ und 4′ sind hier durch eine Clipsverbindung 12 miteinander verbunden. Ihre Trennfuge 13 ist durch eine Gehäusedichtung 14 nach außen fluidisch abgedichtet. Statt der Stege und Ausnehmungen des vorab beschriebenen Ausführungsbeispiels wird zwischen den beiden Gehäuseteilen 3′ und 4′ innen etwa in der Ebene der Trennfuge 13 eine Ringnut 15 gebildet, welche den Außen­ rand 10′ eines Ventilkörpers 9′ aufnimmt und diesen in Strömungsachsrichtung festlegt. Zur Bildung des freien Überströmquerschnitts 11′ sind in den Außenrand 10′ des Ventilkörpers 9′ Ausnehmungen 16 eingeformt. Ferner ist die Öffnung 5′ hier mit geringem Abstand von dem Rand 6 als Querbohrung durch die Wand des Rohrstutzens 7′ ausge­ führt.

Aus der Schnittansicht in Fig. 4, die der Schnittlinie IV-IV in Fig. 3 entspricht, wird die abweichende Ausfüh­ rung im Vergleich mit Fig. 2 ersichtlich. Auch hier ergibt sich durch die Anordnung mehrerer Ausnehmungen 16 rings um den Außenrand 10′ des Ventilkörpers 9′ dessen gleichmäßige Umströmung und damit ein guter Wärmeübergang.

Fig. 5 deutet schließlich als dritte Möglichkeit zur Bildung einer nicht verschließbaren Öffnung als Detail eine Ausbildung des Randes 6 der Öffnung 7 mit einer rauhen Oberfläche, die kein fluiddichtes Aufsitzen des Ventilkörpers 9 ermöglicht und so immer eine wenn auch geringe Durchströmung des Drosselventils erlaubt.

Es ist klar, daß neben den hier gezeigten Varianten auch weitere Ausführungsmöglichkeiten gedacht werden können, die ebenfalls in den Schutzbereich fallen. Es ist z. B. nicht erforderlich, den Ventilkörper ringsum axial fest­ zulegen oder diesen als Rundscheibe auszuführen. Eine einseitige Einspannung des Ventilkörpers bzw. dessen Ausführung als eckiges dünnes Plättchen sind ebenso geeignet, das Drosselventil mit den beanspruchten Eigen­ schaften auszustatten.

Claims (14)

1. Drosselventil mit einer ersten, nicht verschließbaren Öffnung mit starker Drosselwirkung und mit einer zweiten,

• - unmittelbar durch einen homogenen Ventilkörper - dessen Form sich in Abhängigkeit von dessen Temperatur innerhalb eines begrenzten Temperaturbereichs ändert - bei oberhalb dieses Temperaturbereichs liegenden Temperaturen eines das Drosselventil mit Kontakt zu dem Ventilkörper durch­ strömenden Fluids verschließbaren,
• - bei unterhalb dieses Temperaturbereichs liegenden Temperaturen des Fluids jedoch von diesem durchströmbaren Öffnung,

dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper (9, 9′) in einem Ventilgehäuse (2) quer zur Hauptströmungsrichtung unter Freilassung eines die gesamte Fluidströmung durchlassenden Überström­ querschnitts (11, 11′) gehaltert ist und daß die erste Öffnung (5, 5′) und die größere zweite Öffnung (7) beide auf einer Stromseite des Ventilkörpers (9, 9′) angeordnet sind.

2. Drosselventil nach Anspruch 1 mit einem aus einer Memory-Metallegierung bestehenden Ventilkörper, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper (9, 9′) in dem in der Ebene des Ventilkörpers (9, 9′) zweigeteilten Ventilgehäuse (2) formschlüssig in Strömungsrichtung axial festgelegt ist.

3. Drosselventil nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper (9, 9′) unter Freilassung des Über­ strömquerschnitts (11, 11′) zentrisch in dem zweigeteilten Ventilgehäuse (2) axial festgelegt ist und daß die größere zweite Öffnung (7) im Gehäuse (2) zentrisch auf den Ventilkörper (9, 9′) ausgerichtet ist und mit ihrem Rand (6) einen Ventilsitz für den Ventilkörper (9, 9′) bildet.

4. Drosselventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper (9) in Ausnehmungen (8) von an die Innenwand der beiden Teile (3, 4) des Ventilgehäuses (2) in Strömungsrichtung angeformten Stegen (3.1, 4.1) mit geringer radialer Luft axial festgelegt ist.

5. Drosselventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper (9′) in einer längs einer Trennfuge (13) zwischen den beiden Gehäuseteilen (3′, 4′) verlaufenden Ringnut (15) mit geringer radialer Luft ringsum axial festgelegt ist und daß er an seinem in der Trennfuge (13) liegenden Außenrand (10′) mindestens eine, den freien Überströmquerschnitt (11′) bildende Ausnehmung (16) aufweist.

6. Drosselventil nach Anspruch 3 oder 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Rand (6) der zweiten Öffnung (7) das Ende eines als Rohrstutzen (7′) in das Gehäuse (2) hineingeführten Strömungskanals (7′′) bildet und daß die zweite Öffnung (7) denselben freien Querschnitt wie der Strömungskanal (7′′) hat.

7. Drosselventil nach Anspruch 3 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der rundscheibenförmige Ventilkörper (9, 9′) bei unter der Umwandlungstemperatur seines Materials liegenden Temperaturen von der zweiten Öffnung (7) weg konkav gekrümmt ist und bei über der Umwandlungstemperatur liegenden Temperaturen zu der zweiten Öffnung (7) hin konvex gekrümmt ist.

8. Drosselventil nach Anspruch 3 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Öffnung (5) durch eine Ausnehmung in dem Rand (6) der zweiten Öffnung (7) gebildet wird.

9. Drosselventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Öffnung (5′) durch eine geringfügig von dem Rand (6) der zweiten Öffnung (7) entfernte Querbohrung in dem Rohrstutzen (7′) gebildet wird.

10. Drosselventil nach Anspruch 1 oder 3 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Öffnung durch eine rauhe Oberfläche des einen Ventilsitz für den Ventilkörper (9) bildenden Randes (6) der zweiten Öffnung (7) gebildet wird.

11. Drosselventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Gehäuseteile (3, 4) durch Kleben miteinan­ der verbunden sind.

12. Drosselventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Gehäuseteile (3, 4) durch Schweißen mitein­ ander verbunden sind.

13. Drosselventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Gehäuseteile (3′, 4′) durch eine Clipsver­ bindung (12) unter Zwischenlage einer Dichtung (14) miteinander verbunden sind.