用于控制流体流的阀驱动装置和阀装置的制作方法

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于控制流体流的阀驱动装置。这种装置例如记载于de102017110343a1中。

背景技术：

本发明的一个应用领域是用于调节流体通道中的流体流的阀装置，特别是具有线性执行机构(德语：linearstellantrieb)的阀装置，以便设置用于控制流体通道中的流体流的调节阀或控制阀。该阀例如可以构成为膨胀阀或节流阀。流体流可以指液体流、气体流和/或其组合形成的流体流。在一个实例中，流体流是冷却剂流。

近年来，co2作为冷却剂被引入到汽车的冷却回路和/或空调系统中。作为汽车空调系统的冷却剂，co2是迄今所使用的四氟乙烷冷却剂的气候友好型替代方案。co2具有较高的冷却性能，不易燃，不会形成任何分解产物，并且可以低成本地在世界范围内使用。在行业中，天然冷却剂二氧化碳(co2)以缩写r744而为人所知。热泵也可以采用co2进行操作，从而也能够有效地将其用于加热，并且借助冷却/加热概念节能地进行使用。

车辆的发动机舱中的热输入主要由驱动电机引起，该驱动电机可以是内燃机和/或电动机。经验表明，在连续工作状态下，汽车冷却回路的温度通常约为160℃至165℃，短暂达到180℃。因此，冷却回路必须针对运行期间可能出现的温度(包括冷起动时的温度)进行设计，假定这些温度最低为-40℃。为了能够将co2用作冷却回路和/或空调系统中的冷却剂，必须在高压下保持冷却剂流，例如以大约130至25bar的数量级，以便在车辆运行中总体出现的温度约为-40℃至165℃、短暂达到180℃的情况下，从而保持co2的液态或气态或优选超临界的状态。出于安全原因，该系统应以如下方式设计：使其能够承受更高的压力，例如根据tüv(technischeüberwachungsverrein)技术监督协会(德国技术监督协会)的规定，不超过225bar。为了实现较高的效率，空调系统中制冷回路的高压侧压力应处于约60至130bar的数量级。这相当于传统制冷剂压力的数倍。

可以根据环境温度来设置压力，以便将co2冷却剂保持在液态、气态或超临界状态。自约30℃的温度和约75bar的压力起达到超临界状态。更准确地说，co2的临界温度为31℃，临界压力为74bar。超临界聚集态的co2的特性介于气体和液体之间。超临界co2的密度与液体一样，但粘度与气体相同。因此，超临界co2基于其可流动性是一种非常灵活的物质并且已证实其适于用作冷却剂。

为了能够借助co2来运行冷却系统或空调系统，该冷却系统或该空调系统必须总体上针对最高130bar的工作压力和340bar的爆裂压力来设计。这也适用于冷却剂回路中的调节装置，包括阀装置。

汽车的冷却系统必须能够在大约-40℃至大约165℃以及短暂达到180℃的温度下工作，其中具体视车辆和发动机而定，冷却剂回路的恒温阀通常在大约75℃至90℃之间打开。然而，在设计调节装置时，除了车辆的驱动电机所产生的热量外，还需要考虑例如具有电动致动器的阀装置的驱动本身也会产生不可忽视的热量。

为了更好地理解输入这种致动器中的热量，可观察示例性的阀装置。

阀装置例如可以具有：线性执行机构，其具有操作上与电动机耦合的轴；以及流体密封的隔离罩或保护罩，其中容纳有电动机的轴和转子。电动机的定子可以布置在隔离罩的外侧，并同轴地包围转子。隔离罩的壁部位于转子与定子之间的工作气体间隙(工作气隙)中。控制单元布置在隔离罩的外部，并且可以设有壳体，以便容纳线性执行机构、隔离罩和控制单元。所述轴可以与致动器耦合，例如与针阀的封闭元件耦合以控制冷却剂流。

该阀装置还可以具有其中容纳有流体通道和封闭元件的阀组以及用于将隔离罩与阀组连接在一起的适配器块。阀组、适配器块和隔离罩通常由金属制成，进而将热量从冷却剂流和电驱动器传递到阀装置的其他部分。所述隔离罩防止可以通过轴轴承穿过阀组和适配器块而渗透至转子的冷却剂到达定子和控制单元的区域。

主要通过制冷剂将热量输入隔离罩内的电动机中，因此，转子在工作期间的温度例如会永久保持在约165℃，在峰值工作时间期间短暂地(例如在大约10分钟)甚至达到约180℃。其原因在于，隔离罩被冷却剂充满。转子组件将温度传递至定子组件。定子额外产生自热，因此可能会出现额外的温度升高，在设计电子器件和整个系统时必须考虑到这一点。从控制单元的角度来看，隔离罩代表热源。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是提供一种用于控制流体流、特别是用于汽车的冷却回路或空调系统的阀装置，从而保护温度敏感的组件在工作期间免于过热。本发明用以达成上述目的的解决方案在于根据技术方案1所述的阀驱动装置和根据技术方案13所述的阀装置。优选技术方案参阅从属权利要求。

本发明提出一种用于控制流体流的阀驱动装置，其具有：包括操作上与电动机耦合的轴的线性执行机构；流体密封的隔离罩或保护罩，其中容纳有所述轴和所述电动机的转子；位于所述隔离罩外部的控制单元；和壳体，其中容纳有所述线性执行机构、所述隔离罩和所述控制单元。根据本发明，所述壳体在所述隔离罩与所述控制单元之间具有隔热屏。该隔热屏可以具有模制或安装在壳体内侧上的壁部，所述壁部可以沿周向包围所述隔离罩的前端闭合末端。

通过将包含转子的隔离罩与控制单元单独隔开，可以将该控制单元与阀驱动装置的热源隔离。位于隔离罩与控制单元之间的隔热屏用作屏蔽所有热量的屏障，所述热量通过冷却液的导热经由隔离罩被扩散，并且作为热辐射被隔离罩释放。

一个特别简单且有利的解决方案在于，将隔热屏形成为直接模制到壳体内侧的壁部且对其进行定向，使得所述壁部位于隔离罩与控制单元之间，但不与其中的任何一者接触。因此，隔热屏优选以与隔离罩和控制单元间隔一定距离的方式布置。该距离用作安装公差并实现额外绝缘距离。

与壳体一样，隔热屏也可以由塑料，例如聚酰胺制成。此外，所述壳体可以在与隔离罩至少部分重叠的壁部区域中具有开口，以便向外散热。作为替代或附加方案，所述壳体可以在与隔离罩至少部分重叠的壁部区域中具有金属或者与金属体连接，以便向外散热。

所述轴可以通过球轴承在所述轴的朝向执行元件(德语：stellglied)的第一末端处以及通过用于支承所述轴的滑动轴承在背离所述执行元件的第二末端处进行安装，并留有轴向和/或径向间隙。在所描述的应用实例中，这种留有间隙的轴的支承允许对阀装置的组件的不同热膨胀以及工作过程中的公差进行补偿。此外，在阀装置关闭且执行元件抵靠阀座时，以留有间隙的方式进行支承避免了系统的超定。在一个实例中，所述执行元件具有针阀的阀活塞。

此外，还提供一种阀装置，所述阀装置具有其中容纳有流体通道和封闭元件的阀组以及用于将所述隔离罩与所述阀组连接在一起的适配器块，其中所述阀组、所述适配器块和所述隔离罩由金属制成或具有金属，因此具有导热性。

在一个应用实例中，所述阀装置用于控制汽车冷却剂回路或汽车空调系统的co2流体流，其中所述隔离罩由金属，特别是不锈钢制成并且以流体密封的方式与适配器块连接。

附图说明

下面参照附图并结合实例对所述阀装置的其他特征和细节进行说明。其中：

图1为根据一个实施例的阀装置的剖视图；

图2为根据一个实施例的阀驱动装置的局部剖视图；

图3为用于说明温度分布的类似于图2的立体图。

具体实施方式

图1为根据一个实例的阀装置的剖视图。该阀装置包括线性执行机构10，该线性执行机构具有轴12以及包括转子14和定子16的电动机。该电动机例如是步进电机或异步电机，特别是无刷直流电动机。

转子14可以具有转子支架14’和保持在其中的转子磁体14”，其中转子支架14’可以被压配或模制到轴12上。在图1所示的实例中，在轴12的外周，于该轴的中间区段形成有滚花12’，以便将转子14抗扭地与轴12连接在一起。轴12例如可以在滚花12’的区域中被转子支架14’挤压包封，或者该转子支架可被压配到轴12上。转子支架14’可以由塑料制成，其中该塑料可以是玻璃纤维增强塑料以及/或者金属颗粒可以嵌入塑料中，以便形成回路。转子磁体14”例如可以是ndfeb磁体并且视情况可被挤压包封。定子16具有定子叠堆(statorstack)16’和定子绕组16”。在所示实例中，定子叠堆16’和定子绕组16”通过槽绝缘18而电隔离。

转子14被容纳在隔离罩20中，该隔离罩为轴12和转子14提供压力密封且流体密封的外壳。在图1所示的实例中，隔离罩20基本上呈圆柱形，具有圆柱壁20’和位于线性执行机构10的端部的圆顶状穹顶20”。作为穹顶20”的替代方案，隔离罩20也可以在其端部平坦化或呈其他形状，从均匀散热、稳定性和制造技术方面而言，穹顶形状被证实是特别有利的形状。在一个实例中，隔离罩20由不锈钢制成。圆柱壁20’延伸穿过转子14与定子16之间的工作气隙。

上述阀装置还包括阀组30和适配器块40。阀组30和适配器块40可以分别作为压铸件由金属制成，并且以材料接合的方式(例如通过激光焊接或者以螺接的方式)流体密封地连接。具有隔离罩20的线性执行机构10通过适配器块40与阀组30连接。在阀组30中形成有可供冷却剂流过的通道32。如下文所述，通道32具有阀座34，在该阀座的区域中，通道32可以被打开和封闭。

适配器块40将线性执行机构10与阀组30连接在一起，在所示实例中，该适配器块还用于支承轴12并导引阀装置的执行元件50。此外，适配器块40还适于将轴12的旋转运动转换成执行元件50的线性调节运动。

为了在阀组30与线性执行机构10之间建立压力且流体密封的连接，适配器块40例如可以与阀组30螺接，其特别是可以拧入阀组30中，还可以在阀组30与适配器块40之间形成密封件36，例如o形密封圈。此外，隔离罩20可以例如通过激光焊接以材料接合的方式与适配器块40连接以及/或者通过对应的法兰进行连接。设有额外密封和/或焊接。

在根据该实例的适配器块40中还形成有用于容纳球轴承60的轴承座44，以便在该轴的第一末端可旋转地支承轴12。球轴承60可以借助其内圈(未示出)压配到轴12上并且可以借助其外圈(未示出)保持在轴承座44中。扣环62可以将球轴承60固定在轴承座44中。

轴12在其相对的末端(在下文中称为第二末端)处可以被安装在滑动轴承中，为此，可以将轴承体64嵌入(例如压入)隔离罩20的穹顶20”中。轴12在其第二末端可以具有轴承销66，该轴承销在端面与轴12一体成型。轴承销66以间隙配合的方式被导入轴承体64的圆柱形凹口68中。圆柱形凹口68可在其出口区域具有锥形扩展部，以便能够以不复杂的方式插入轴承销66，并且根据需要提供润滑剂储器。

轴承销66在其轴向外端处通过尖端轴承(德语：spurkuppenlagerung)或枢轴轴承进行支承。为此，在轴承体64的凹口68的底部形成有球形或穹顶形的接触面108。

轴承体64可以作为注塑件由塑料制成，例如由pps(聚苯硫醚)制成，其中，在尖端轴承的区域中可以注射金属球或设有另一金属增强材料。

在图1所示实例中，执行元件50被形成为针阀的阀活塞。执行元件50可以是具有扁平前端或截锥形末端的圆柱形。扁平化可有利于压力均衡。执行元件50可以由金属、特别是钢制成。

执行元件50具有内螺纹104。执行元件50通过适配器块40而抗扭并且可轴向运动。与执行元件50的内螺纹104啮合的外螺纹106布置在耦合元件(德语：kopplungsglied)70上。耦合元件70抗扭地与杆部74连接，该杆部不具有螺纹并且抗扭地(即、不可旋转地)与轴12连接或与轴12一体成型。轴12、杆部74和耦合元件70在线性执行机构10工作期间不进行轴向运动，而是仅进行旋转运动。在轴12发生旋转运动时，杆部74和耦合元件70相应地一同旋转。通过与执行元件50的内螺纹104啮合的耦合元件70的外螺纹106将轴12的旋转运动转换成执行元件50的轴向运动。

因此，根据轴12的旋转方向，执行元件50可以沿闭合或打开方向运动。特别是可以移动阀活塞(执行元件50)直至抵靠阀座34，以便完全封闭流体通道32，并且可以沿相反的方向移动该阀活塞，以便完全或逐渐打开流体通道32。

如图1所示，执行元件50可线性移动地支承在阀组30中；轴12通过球轴承60可旋转地支承在适配器块40中。由于执行元件50、耦合元件70和轴12相对阀组30和适配器块40运动，因此，在界面处形成至少毛细管缝隙，冷却剂可以通过该缝隙从通道32渗入隔离罩20的内腔。球轴承60对于冷却剂而言也是可渗透的。此外，通过在转子14与隔离罩20之间形成的气隙，冷却剂还可以渗透到轴承体64。可以假设，隔离罩20的内腔在工作期间含有冷却剂，该冷却剂可以处于液态、气态或超临界状态。该冷却剂可以雾化成细颗粒并且作为薄膜沉积在组件上。在此情况下，该冷却剂还可以为轴承提供润滑膜。

如上所述，冷却剂，特别是在使用co2作为冷却剂时，在工作期间处于相对较高的压力下，其中工作压力通常处于约130bar的数量级。通过冷却剂渗入隔离罩20，隔离罩20也可能存在高达130bar的压力。出于安全原因，整个系统应设计成能够在高达约225bar的压力下正常工作。

图1所示阀装置还包括控制单元80，该控制单元在当前实例中具有印制电路板82(例如印刷电路板)；以及控制电子器件84。控制电子器件84例如包括控制器、驱动器、变压器、晶体管以及其他无源和有源控制构件及传感器，例如霍尔传感器。这些电子构件并不需要具有较高的温度稳定性，可能在受到热负荷时由于环境温度和线性执行机构的自热而产生故障或者甚至失效。

在所示实例中，印制电路板82基本上在线性执行机构10的整个端面上延伸并且延伸超过该端面，以便在线性执行机构10的侧面设置接触插头86且能够以不复杂的方式将其与控制单元80连接。定子16和接触插头86可以通过插式触点、穿刺触点78等与印制电路板82上的电路连接。

在所示实例中，印制电路板82具有凹口88，线性执行机构10的一部分借助隔离罩20延伸穿过该凹口。在所示实例中，隔离罩20的圆顶状的穹顶20”延伸穿过凹口88。这样就能实现特别紧凑的布置。

线性执行机构10容纳在壳体90中，该壳体在所示实例中具有壳体基体92和壳体盖94。壳体基体92包围线性执行机构10，其中该壳体基体包围定子16的外周，并且形成用于插头86的插座。壳体基体92以流体密封且压力密封的方式与适配器块40连接，其中壳体基体92的法兰96抵靠适配器块40的外周。密封圈98可以嵌入至壳体基体92的法兰96与适配器块40之间，以便密封壳体90，防止渗水。

壳体盖94例如借助胶粘或焊接永久地与壳体基体92连接。在壳体盖94的内侧形成或安装有隔热屏100。在所示实例中，隔热屏100具有壁部的形状，该壁部被模制到壳体盖94的内侧。作为替代方案，隔热屏100也可以由安装在壳体盖94内侧的单独的壁部而形成。隔热屏100位于隔离罩20与控制单元80之间并且保护该控制单元免受大部分由隔离罩20发出的热辐射的影响。

在图1所示实例中，隔热屏100特别形成为环形壁，该环形壁在圆顶状穹顶20”的区域沿周向包围隔离罩20的前端封闭的末端。在此情况下，隔热屏100的壁部尤其屏蔽隔离罩20的如下部分：突出于印制电路板82的凹口88并且在没有隔热屏的情况下将热量直接散发至控制单元80。

在所示实例中，隔热屏100界定屏蔽空间(德语：abschirmungsreservoir)102，该屏蔽空间可以吸收隔离罩20所辐射的热量。具体而言，在所示实例中，屏蔽空间102由隔热屏100的周壁和其中所包括的盖部区段的内侧而界定。在所示实例中，当在侧视图中垂直于阀装置的纵向或垂直于轴12的旋转轴的方向观察该阀装置时，隔热屏100部分地与隔离罩20重叠。换句话说，隔离罩20的穹顶20”伸入屏蔽空间102中。在工作过程中，隔离罩20所散发的热量向上上升，因此，根据图1所示的阀装置的安装位置，如下隔热屏100也是有效的，即，该隔热屏界定屏蔽空间102，但却具有在侧视图中不与隔离罩20重叠的壁部。

如图1所示，阀装置处于如下安装位置：控制单元80布置在线性执行机构10上方。如所阐述的那样，在该安装位置上，由线性执行机构10以及视情况由流过通道32的冷却剂而产生的热量向上上升并且被隔离罩20的穹顶20”向上辐射，由此，加热的空气进一步向上上升并且聚集在屏蔽空间102中。通过屏蔽空间102，热量可以通过壳体盖94被散发到外部环境。由此保护控制单元80的电子组件免受热辐射的影响。

和壳体盖94一样，隔热屏100也可以由塑料、特别是聚酰胺制成，其中壳体盖94在由隔热屏100所界定且与隔离罩20至少部分重叠的区段可以具有金属或者可以与金属体(未示出)连接，以便优化向外部环境的散热。在壳体盖94的隔热屏100所界定的区域中，在壳体盖94的外侧例如可以布置有散热器或热交换器。

作为补充或替代方案，壳体盖94可以在隔热屏100所界定且与隔离罩20至少部分重叠的壁部区域中具有一个或多个开口(未示出)，以便直接向外散热。为了密封该壳体，这类开口将必须以流体密封的方式封闭，例如通过集成膜密封。

如图1所示，隔热屏100以与隔离罩20和控制单元80间隔一定距离的方式布置，以便避免热桥。隔热屏100与控制单元80之间的空气引起补充性的隔热。与图1中的图示不同，隔热屏100不一定必须围绕隔离罩20的整个圆周而包围隔离罩20。例如可以设定，在隔离罩20和控制电子器件84之间，仅在该隔离罩的一侧上设有隔热屏，并且屏蔽空间102朝向相对侧敞开，从而也可以将热量散发到阀装置的一侧。

图2和3分别以侧视图和立体图示出图1所示包含线性执行机构10的阀装置的阀驱动装置。该阀驱动装置包括部分地被隔离罩20覆盖的线性执行机构10、隔离罩20、控制单元80、适配器块40以及具有壳体基体92和壳体盖94的壳体90。完整地参考图1的详细描述。为清楚起见，在图2和图3中，仅阀驱动装置的主要组件配设有附图标记。

图2示意性地示出隔离罩20特别是在其上部圆顶状区域中所辐射的热量，其中通过阴影线示出屏蔽空间102。可以看出，大部分隔离罩20所辐射的热量向上上升，并且通过隔热屏100与控制单元80隔离。这样就能控制和减少输入控制单元80的区域中的热量，因此，控制单元80的电子组件不会发生与温度有关的故障或失效。

在测试结构中，在根据本发明的具有隔热屏100的阀驱动装置上进行温度测量。在人工气候室内模拟与在汽车的发动机舱中使用阀驱动装置相应的工作条件，其中假设该阀驱动装置用于控制co2冷却剂流，该冷却剂流在连续工作中具有处于约165℃的数量级的温度。假设发动机舱的环境温度约为80℃，并在人工气候室内相应进行设置。

在六个区域中进行了测量，这些区域在图3中以i至vi示出。区域i相当于汽车发动机舱中阀驱动装置的环境，其温度预设为80℃。区域ii相当于壳体90的内部中容纳有控制单元80的区域。在该实验例中，在控制单元80处测得的温度约为90℃。

该阀驱动装置的最高温度是在区域iii中测得的，假设该区域位于适配器块40的外部，在该区域中，适配器块40与导引冷却剂的阀组直接接触。在工作期间，区域iii中的适配器块的温度约为140℃至150℃。另一区域iv被定义在隔离罩20的下部区段的内部，在该区域中，隔离罩20与适配器块40接触。在该区域中，一方面将热量从适配器块40散发至隔离罩20，另一方面还通过电动机的定子16进行热输入。温度测量结果显示区域iv中的工作温度约为130℃。另一区域v被定义在隔离罩20的上部区段的外侧，即在隔离罩20的末端，该末端远离适配器块40并且热量从该末端被散发至屏蔽空间102中。在区域v的隔离罩20的外侧进行的温度测量表明温度约为110℃至120℃。

隔离罩20上的温度一方面由通过冷却剂的热输入而产生，该冷却剂的温度通过阀组30和适配器块40被传递至隔离罩20，另一方面由电动机的工作而产生。另一热源是汽车的发动机舱中的阀驱动装置的环境空气。

用于温度测量的另一区域vi在屏蔽空间102的内部中被定义在壳体盖94的内侧附近，在该区域中，壳体盖94向外辐射热量。在工作期间，该区域vi中的温度约为110℃。

可以假设，如果不存在隔热屏100，则壳体90的上部区段的温度将类似于屏蔽空间102中(即区域vi中)的温度。因此，与没有隔热屏的情况相比，借助隔热屏，壳体90中安装有控制单元80的区域ii中的温度可以降低大约20℃。在所示实例中，区域ii中的温度以绝对值表示约为90℃，而不是区域vi中(即壳体90内隔离罩20上方)的约110℃。低于100℃的温度对于大多数电子组件来说是非临界的，因此在根据本发明的阀驱动装置中，在常规工作条件下，控制单元区域内的温度可被保持在不会定期出现故障的温度下。

因此，本发明提出一种用于控制流体流的阀的驱动装置和相关的阀装置，其特别是用于汽车的空调系统或冷却剂回路，更详细而言专用于控制co2冷却剂流，所述阀装置借助简单的手段实现用于控制驱动装置的电子组件的热负荷的最小化。通过位于驱动装置的壳体盖内侧的集成式隔热屏将由加热的冷却剂和/或驱动装置的自热而产生的热源与控制单元的电子组件隔离，从而保护这些电子组件免受热辐射的影响。壳体盖可以以如下方式设计：通过导热和/或热辐射将热量散发至阀装置的外部环境。

附图标记说明

10线性执行机构；12轴；12’滚花；14转子；14’转子支架；14”转子磁体；16定子；16’定子叠堆；16”定子绕组；18槽绝缘；20隔离罩；20’圆柱壁；20”穹顶；30阀组；32阀组中的通道；34阀座；36密封件；40适配器块；44轴承座；50执行元件；60球轴承；62扣环；64轴承体；66轴承销；68轴承体中的凹口；70耦合元件；74杆部；78穿刺触点、插式触点；80控制单元；82印制电路板；84控制电子器件；86接触插头；88印制电路板中的凹口；90壳体；92壳体基体；94壳体盖；96壳体基体的法兰；98密封圈；100隔热屏；102屏蔽空间；104内螺纹；106外螺纹；108接触面。