流体流を制御する制御弁

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