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Die
Erfindung betrifft eine Ventilanordnung für eine Verbrennungskraftmaschine,
insbesondere eines Automobils, umfassend ein Gehäuse mit
mindestens zwei Fluidanschlüssen und ein hohles, über eine
in dem Gehäuse drehbar gelagerte Ventilwelle zwischen mindestens
zwei Drehstellungen rotierbares Ventilelement, welches mindestens
zwei Öffnungen aufweist, die abhängig von der
Drehstellung des Ventilelements mit den Fluidanschlüssen
des Gehäuses verbunden werden können, weiter umfassend
einen elektromotorischen Antrieb mit einer Antriebswelle zum Drehen
des Ventilelements, wobei die Antriebswelle und die Ventilwelle über
eine Kupplung miteinander verbunden sind. Derartige Ventilanordnungen
kommen beispielsweise in Kühlkreisläufen für
Verbrennungskrafmaschinen von Automobilen zum Einsatz. Dabei sind
oftmals Mehrwegeventilelemente vorgesehen, durch deren geeignete
Drehstellung Kühlflüssigkeit aus einer Kühlflüssigkeitsversorgung
beispielsweise dem Motorblock, einem Bypass oder auch einem Heizkreislauf
des Fahrzeuges zuführbar ist. Bekannt sind solche Anordnungen
aus
DE 10 351 852
A1 oder
DE
10 2006 038 213 A1 .
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Bei
derartigen Ventilanordnungen muss sichergestellt werden, dass auch
bei einem Versagen des Elektromotors der Motorblock mit Kühlflüssigkeit versorgt
wird, um Beschädigungen des Motors zu verhindern. Je nach
Drehstellung des Ventilelements muss dieses also in eine Durchflussstellung
gedreht werden, in der es Kühlflüssigkeit zu dem
Motorblock durchleitet (Fail-Safe-Stellung). Dazu ist beim Stand der
Technik eine drehfeste Kupplung zwischen der Antriebswelle und der
Ventilwelle vorgesehen mit einer Feder, die derart vorgespannt ist,
dass sie bei Versagen des Elektromotors die Ventilwelle und damit
das Ventilelement durch ihre Federkraft in die Fail-Safe-Stellung
dreht. Nachteilig dabei ist jedoch, dass der Elektromotor im normalen
Betrieb gegen die Vorspannung der Feder arbeiten muss.
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Dadurch
entstehen Energieverluste und der Motor muss entsprechend leistungsfähiger
und damit größer und kostenaufwendiger dimensioniert
werden. Außerdem können keine kostengünstigen selbsthemmenden
Antriebe zum Einsatz kommen, da durch die Feder bei einem Versagen
des Motors die Antriebswelle gemeinsam mit der drehfest mit dieser
verbundenen Ventilwelle gedreht werden muss, um das Ventilelement
in die Durchflussstellung zu drehen.
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Ausgehend
von dem erläuterten Stand der Technik liegt der Erfindung
daher die Aufgabe zugrunde, eine Ventilanordnung der eingangs genannten
Art bereitzustellen, die auch bei Versagen des Antriebs eine hohe
Betriebssicherheit gewährleistet und dabei kostengünstig,
energiesparend und von geringer Baugröße ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand
von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden
sich in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung
und den Figuren.
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Für
eine Ventilanordnung der eingangs genannten Art löst die
Erfindung die Aufgabe dadurch, dass die Kupplung die Antriebswelle
und die Ventilwelle bis zu einem vorgegebenen Grenzdrehmoment drehfest
miteinander verbindet und oberhalb des vorgegebenen Grenzdrehmoments
die drehfeste Verbindung zwischen der Antriebswelle und der Ventilwelle
löst, so dass eine Drehung der Ventilwelle relativ zu der
Antriebswelle möglich ist.
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Die
Ventilanordnung kann insbesondere für einen Kühlwasserregler
für den Motorblock eines Automobils vorgesehen sein. Bei
dem Fluid kann es sich entsprechend um Kühlflüssigkeit
handeln. Das Gehäuse kann auch mehr als zwei Fluidanschlüsse besitzen,
wobei auch das Ventilelement dann zwischen mehr als zwei Drehstellungen
verdrehbar sein kann, in denen unterschiedliche Fluidanschlüsse
miteinander verbunden werden können. Das Ventilelement
ist drehfest, beispielsweise einstückig mit der in dem
Gehäuse drehbar gelagerten Ventilwelle verbunden. Zur Drehung
des Ventilelements ist ein Elektromotor, z. B. ein Gleichstrommotor
vorgesehen, der im normalen Betrieb über seine Antriebswelle
und die Kupplung die Ventilwelle und damit das Ventilelement in
gewünschter Weise zwischen seinen Drehstellungen rotiert.
Die Antriebswelle und die Ventilwelle können koaxial zueinander
ausgerichtet sein. Bis zu dem Grenzdrehmoment sind sie drehfest
miteinander verbunden. Erfindungsgemäß wird oberhalb
des Grenzdrehmoments diese drehfeste Kupplungsverbindung zwischen
der Antriebswelle und der Ventilwelle allerdings gelöst,
so dass die Ventilwelle und damit das Ventilelement bei einem Versagen
des Motors und damit möglicherweise einem Feststehen der
Antriebswelle dennoch gedreht werden können. Eine Verbindung
zwischen der Antriebswelle und der Ventilwelle kann dabei zwar auch
oberhalb des Grenzdrehmoments bestehen bleiben, sie ist allerdings
nicht mehr drehfest, sondern ermöglicht eine Relativdrehung
zwischen den Wellen.
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Je
nach Drehstellung der Ventilwelle relativ zu der Antriebswelle kann
die Kupplung oberhalb des Grenzdrehmoments beispielsweise genau
eine Drehrichtung der Ventilwelle zulassen. So kann die Kupplung
bei geschlossenem Ventilelement, wenn also beispielsweise die Fluidanschlüsse
des Gehäuses durch das Ventilelement nicht verbunden sind, gerade
eine Drehung der Ventilwelle derart zulassen, dass das Ventilelement
in seine Durchflussstellung gedreht wird, in der es die Fluidanschlüsse
des Gehäuses zum Durchleiten von Fluid in geeigneter Weise
verbindet. Das Ventilelement kann also in die sogenannte Fail-Safe-Stellung
gedreht werden. Auf diese Weise wird auch bei einem Versagen des
elektromotorischen Antriebs sichergestellt, dass z. B. Kühlwasser
durch die Ventilanordnung zu einem Motorblock eines Automobils geführt
werden kann und damit eine Beschädigung des Motors durch Überhitzen
sicher verhindert wird.
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Erfindungsgemäß ist
also eine Funktion ähnlich einer Rutschkupplung realisiert,
wobei oberhalb des Grenzdrehmoments eine reversible Relativdrehung
zwischen Ventilelement und Antrieb zugelassen wird. Das Grenzdrehmoment
kann beispielsweise etwa das doppelte Nenndrehmoment des Elektromotors
betragen. Es ist weiterhin möglich, dass oberhalb des Grenzdrehmoments
eine Relativdrehung zwischen Ventilwelle und Antriebswelle nur innerhalb eines
begrenzten Winkelbereichs zugelassen wird, beispielsweise in einem
solchen Winkelbereich, um das Ventilelement gerade aus seiner geschlossenen Stellung
in die Durchflussstellung zu drehen. Grundsätzlich ist
aber auch eine vollständige Entkopplung der Wellen oberhalb
des Grenzdrehmoments möglich, so dass eine beliebige Relativdrehung
zwischen den Wellen erlaubt ist.
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Die
Erfindung erlaubt eine kleinere Dimensionierung des Elektromotors,
da er nicht mehr gegen die Vorspannung einer Feder arbeiten muss.
Insoweit ist der Antrieb kompakter, kostengünstiger und gleichzeitig
energiesparender. Auch sind kostengünstige selbsthemmende
elektromotorische Antriebe einsetzbar, da über die Entkopplung
der Ventilwelle von der Antriebswelle die Fail-Safe-Stellung auch bei
nicht drehender Motorantriebswelle eingenommen werden kann.
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Nach
einer besonders praxisgemäßen Ausgestaltung kann
das Ventilelement kugelförmig sein. Es handelt sich also
um ein Kugelventil, insbesondere in Form eines Hohlkugelsegments.
Nach einer weiteren Ausgestaltung kann die Kupplung eine Feder aufweisen,
wobei die Feder die Antriebswelle und die Ventilwelle bis zu dem
Grenzdrehmoment drehfest miteinander verbindet und oberhalb des
Grenzdrehmoments tordiert und so eine Drehung der Ventilwelle relativ
zu der Antriebswelle erlaubt. Bei der Feder kann es sich insbesondere
um eine auf Torsion um ihre Längsachse belastete Schraubenfeder
handeln, beispielsweise eine zylindrische Schraubenfeder. An ihrem
einen Ende ist die Feder mit der Antriebswelle verbunden und an
ihrem anderen Ende mit der Ventilwelle. Oberhalb des Grenzdrehmoments
verdreht die Feder in sich und erlaubt so die Relativdrehbewegung
zwischen der Antriebswelle und der Ventilwelle. Unterhalb des Grenzdrehmoments
tordiert die Feder dagegen im Wesentlichen nicht und stellt so die
drehfeste Verbindung sicher. Mit dieser Ausgestaltung wird in besonders
einfacher Weise die erfindungsgemäße Kupplungsfunktion realisiert.
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Ein
besonders robuster Aufbau ist möglich, wenn die Kupplung
eine Klauenkupplung ist, die oberhalb des Grenzdrehmoments eine
Relativdrehung zwischen der Ventilwelle und der Antriebswelle zulässt.
Die Klauenkupplung kann oberhalb des Grenzdrehmoments, wenn eine
etwaig vorgesehene Kupplungsfeder tordiert, gerade eine solche Relativdrehung
zulassen, dass das Ventilelement bei einem Versagen des Antriebs
in die Durchflussstellung gedreht werden kann, in der seine Öffnungen
die Fluidanschlüsse des Gehäuses in geeigneter
Weise miteinander verbinden. Die Klauen sind also derart ausgebildet,
dass je nach Drehstellung der Wellen zueinander zumindest in einer
Drehrichtung kein Formschluss der Klauen vorliegt.
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Nach
einer weiteren Ausgestaltung kann die Antriebswelle im Bereich ihres
Anschlusses an die Ventilwelle einen halbzylindrischen Vorsprung
aufweisen, und die Ventilwelle im Bereich ihres Anschlusses an die
Antriebswelle einen viertelzylindrischen Vorsprung aufweisen, wobei
der halbzylindrische Vorsprung und der viertelzylindrische Vorsprung
ineinander greifen, so dass die Ventilwelle oberhalb des Grenzdrehmoments
um 90° gegenüber der Antriebswelle gedreht werden
kann. Zumindest einer der Vorsprünge kann z. B. in einem
hohlzylindrischen Schaft angeordnet sein, wobei der andere Vorsprung
an einem Flansch o. ä. angeordnet ist, der in den Schaft
greift, so dass auch die Vorsprünge ineinander greifen
und dabei gemeinsam einen 270°-Zylinder bilden. Die Vorsprünge
erlauben somit eine 90°-Drehung der Ventilwelle relativ
zu der Antriebswelle. Beispielsweise eine etwaig vorgesehene Kupplungsfeder
unterbindet eine solche Drehung allerdings bis zu dem Grenzdrehmoment.
Oberhalb des Grenzdrehmoments tordiert die Feder dann, so dass die
90°-Drehung möglich ist. Die Vorsprünge können
dabei derart zueinander ausgerichtet sein, dass sie eine Drehung
bei geschlossener Ventilstellung gerade in eine Drehrichtung zulassen,
in der die Ventilwelle und damit das Ventilelement um 90° in seine
Durchflussstellung gedreht werden. In der kinematischen Umkehr dieser
Ausgestaltung kann vorgesehen sein, die Ventilwelle im Bereich ihres
Anschlusses an die Antriebswelle einen halbzylindrischen Vorsprung
aufweist, und dass die Antriebswelle im Bereich ihres Anschlusses
an die Ventilwelle einen viertelzylindrischen Vorsprung aufweist,
wobei der halbzylindrische Vorsprung und der viertelzylindrische
Vorsprung ineinander greifen, so dass die Ventilwelle oberhalb des
Grenzdrehmoments um 90° gegenüber der Antriebswelle
gedreht werden kann.
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Die
erfindungsgemäße Ventilanordnung kann weiterhin
einen an der Ventilwelle zumindest mittelbar angreifenden Aktuator
aufweisen, der ein Drehmoment oberhalb des Grenzdrehmoments auf die
Ventilwelle ausüben kann. Dadurch wird beispielsweise eine
Drehung des Ventilelements in eine Drehstellung ermöglicht,
in der die Öffnungen des Ventilelements mit den Fluidanschlüssen
des Gehäuses verbunden sind. Dabei kann der Aktuator an
einem geeigneten Angriffspunkt der Ventilwelle, z. B. einem Vorsprung,
angreifen. Er bringt im Falle des Versagens des elektromotorischen
Antriebs das erforderliche Drehmoment auf die Ventilwelle auf, um die
Kupplung zwischen der Antriebs- und Ventilwelle zu lösen
und das Ventilelement in die Fail-Safe-Stellung zu drehen.
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Dem
Aktuator können entsprechend ein oder mehrere Sensoren
zugeordnet sein, die z. B. eine Motorblocktemperatur der Verbrennungskraftmaschine überwachen
und bei Überschreiten einer Grenztemperatur den Aktuator
ansteuern, um eine Kühlwasserversorgung des Motorblocks
zu gewährleisten. Besonders einfach, kostengünstig
und betriebssicher ist es jedoch, wenn als Aktuator ein Dehnstoffelement,
beispielsweise ein Dehnwachselement, zum Einsatz kommt. Dieses Dehnstoffelement
nimmt die Motorblocktemperatur auf. Ähnlich wie bei einem
Thermostatventil führt die Erwärmung des Dehnstoffelements
zu einer Ausdehnung und damit einem Drehmoment auf die Ventilwelle.
Das Dehnstoffelement sichert so bei Überschreiten einer kritischen
Temperatur, beispielsweise aufgrund eines Versagens des Elektromotors,
automatisch die notwendige Kühlwasserversorgung des Motorblocks, ohne
dass eine zusätzliche Sensorik bzw. Steuerung oder Regelung
erforderlich ist.
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Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand
von Figuren näher erläutert. Es zeigen schematisch:
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1 eine
erfindungsgemäße Ventilanordnung in einer perspektivischen
Explosionsdarstellung,
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2 eine
perspektivische Ansicht des Antriebs der Ventilanordnung aus 1,
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3 eine
perspektivische Ansicht des Ventilelements der Ventilanordnung aus 1,
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4 eine
perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen
Ventilanordnung in einer ersten Betriebsstellung,
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5 eine
perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen
Ventilanordnung in einer zweiten Betriebsstellung, und
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6 eine
perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen
Ventilanordnung in einer dritten Betriebsstellung.
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Soweit
nichts anderes angegeben ist, bezeichnen in den Figuren gleiche
Bezugszeichen gleiche Gegenstände. In 1 ist
in einer perspektivischen Explosionsdarstellung eine erfindungsgemäße Ventilanordnung 10 gezeigt.
Sie weist ein Gehäuse 12 auf, das im dargestellten
Beispiel eine untere Gehäusehälfte 14 und
eine obere Gehäusehälfte 16 aufweist.
An der unteren Gehäusehälfte 14 sind
zwei Fluidanschlüsse 16, 18 vorgesehen,
von denen vorliegend einer mit einer Kühlflüssigkeitsversorgung verbunden
ist und der andere mit einer Zuleitung zu einem nicht gezeigten
Motorblock einer Verbrennungskraftmaschine eines Automobils. Die
Ventilanordnung 10 ist in dem dargestellten Beispiel also
Teil eines Kühlwasserreglers für den Motorblock.
An der unteren Gehäusehälfte 14 sind
zwei Lagerstellen 20, 22 ausgebildet sowie eine
im Wesentlichen sphärische Aufnahme 24, die mit
den um 90° zueinander versetzten, senkrecht zueinander
ausgerichteten Fluidanschlüsse 16, 18 kommuniziert.
Die Ventilanordnung 10 besitzt weiterhin ein kugelschalensegmentförmiges
Ventilelement 26, welches in dem dargestellten Beispiel
zwei Öffnungen 28, 30 aufweist. Das Kugelventil 26 ist
einstückig mit einer zylindrischen Ventilwelle 32 verbunden,
die durch den Hohlraum des Ventilelements 26 unterbrochen
ist. Das Ventilelement 26 kann gemeinsam mit der Ventilwelle 32 in
das Gehäuse 12 eingesetzt werden, wobei die Ventilwelle 32 an
den Lagerstellen 20, 22 der unteren Gehäusehälfte 14 drehbar
gelagert wird und das Ventilelement 26 in der Aufnahme 24 aufgenommen wird.
Je nach Drehstellung der Ventilwelle 32 und damit des Ventilelements 26 können
so die Fluidanschlüsse 16, 18 des Gehäuses 12 durch
die Öffnungen 28 und 30 des Ventilelements 26 miteinander verbunden
werden oder voneinander getrennt werden, wie dies unten noch näher
erläutert wird. Die obere Gehäusehälfte 16 weist
selbstverständlich entsprechende Aufnahmen für
das Ventilelement 26 und die Ventilwelle 32 auf.
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Die
Ventilanordnung 10 besitzt weiterhin einen elektromotorischen
Antrieb 34, vorliegend einen selbsthemmenden elektrischen
Gleichstrommotor 34. Der Gleichstrommotor 34 besitzt
eine Antriebswelle 36, an der über einen Flansch 38 ein
hohlzylindrischer Schaft 40 angeordnet ist. Wie insbesondere in
der vergrößerten Darstellung in 2 zu
erkennen ist, weist die Antriebswelle 36 im Bereich ihres
Anschlusses an die Ventilwelle 32 innerhalb des hohlzylindrischen
Schafts 40 einen halbzylindrischen Vorsprung 44 auf.
An dem im montierten Zustand der Antriebswelle 36 des Motors 34 zugeordneten
Ende der Ventilwelle 32 ist an dieser ebenfalls ein Flansch 42 ausgebildet.
Wie in der vergrößerten Darstellung in 3 zu
erkennen ist, besitzt die Ventilwelle 32 an ihrem Anschluss
an die Antriebswelle 36 einen an dem Flansch 42 angeordneten
viertelzylindrischen Vorsprung 46. Im montierten Zustand
der Ventilanordnung 10 greifen der viertelzylindrische
Vorsprung 46 und der halbzylindrische Vorsprung 44 ineinander und
bilden ein 270°-Zylindersegment. Weiterhin ist an dem Flansch 38 der
Antriebswelle 36 eine Bohrung 48 vorgesehen. An
dem Flansch 42 der Ventilwelle 32 ist ebenfalls
eine solche Bohrung 50 vorgesehen. Im montierten Zustand
ist in diesen Bohrungen 48, 50 eine zylindrische
Schraubenfeder 52 jeweils mit einem ihrer Enden 51, 53 befestigt,
wie dies in den 4 bis 6 zu erkennen
ist. In diesen Figuren ist die oberer Gehäusehälfte 16 zur
Veranschaulichung nicht gezeigt.
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Die
erfindungsgemäße Ventilanordnung 10 umfasst
weiterhin ein Dehnstoffelement 54, vorliegend ein Dehnwachselement 54,
das sich bei Erwärmung ausdehnt. Das Dehnwachselement steht
in thermischer Verbindung mit dem Motorblock des Fahrzeugs. In dem
vorliegenden Beispiel führt die Erwärmung des
Dehnwachses 54 zu einem Anheben eines an der Oberseite
des Dehnwachselements 54 angeordneten Druckelements 56.
Das Ventilelement 26 besitzt an seiner Außenfläche
einen zylindrischen Vorsprung 58, mit dem das Druckelement 56 des Dehnwachselements 54 bei
einer Expansion zusammenwirkt, wie unten noch näher erläutert
werden wird.
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Im
Folgenden soll die Funktion der erfindungsgemäßen
Ventilanordnung näher erläutert werden. In 4 ist
die erfindungsgemäße Ventilanordnung 10 im
montierten Zustand gezeigt, wobei das Ventilelement 26 sich
in einer geschlossenen Stellung befindet, in der die Fluidanschlüsse 16, 18 des Gehäuses 12 nicht
miteinander verbunden sind. Es kann also in dieser Stellung keine
Kühlflüssigkeit von der Kühlflüssigkeitsversorgung
zum Motorblock fließen. In 5 befindet
sich das Ventilelement 26 dagegen in seiner Durchflussstellung,
in der die Fluidanschlüsse 16, 18 des
Gehäuses 12 mittels der Öffnungen 28, 30 des
Ventilelements 26 miteinander verbunden sind. In dieser
Stellung fließt also Kühlflüssigkeit
von der Kühlflüssigkeitsversorgung zu dem Motorblock.
Zwischen den in den 4 und 5 gezeigten
Betriebsstellungen wird das Ventilelement 26 im Normalbetrieb
mittels des elektromotorischen Antriebs 34 gedreht. Dabei
stellt die Feder 52 bis zu einem vorgegebenen Grenzdrehmoment,
vorliegend dem doppelten Nenndrehmoment des Elektromotors 34,
eine drehfeste Verbindung zwischen der Antriebswelle 36 des
Motors 34 und der Ventilwelle 32 des Ventilelements 26 her.
Entsprechend bewirkt eine Drehung der Antriebswelle 36 durch
den Motor 34 eine entsprechende Drehung der Ventilwelle 32 und
damit des Ventilelements 26, wobei die Feder 52 im
Wesentlichen nicht tordiert.
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Wird
dagegen beispielsweise auf die Ventilwelle 32 und damit über
den Flansch 42 auf die Feder 52 ein Drehmoment
oberhalb des Grenzdrehmoments aufgebracht, kommt es zu einer Torsion
der Feder 52 und damit einer Relativbewegung der Ventilwelle 32 zu
der Antriebswelle 36. Befindet sich das Ventilelement 26 beispielsweise
in der in 4 gezeigten geschlossenen Position
und kommt es zu einem Versagen des elektromotorischen Antriebs 34, wird
im Betrieb zunächst die Temperatur des Motorblocks ansteigen,
da dieser nicht mit Kühlflüssigkeit versorgt wird.
Dies wiederum führt zu einer Expansion des Dehnstoffelements 54 und
damit einem Anheben des Druckkörpers 56 des Dehnstoffelements 54. Der
Druckkörper 56 übt dann über
den Vorsprung 58 ein Drehmoment auf das Ventilelement 26 und
damit auf die mit diesem drehfest verbundene Ventilwelle 32 aus,
welches oberhalb des Grenzdrehmoments liegt. Über den Flansch 42 wird
dieses Drehmoment auf die Feder übertragen, so dass diese
tordiert. Aufgrund der Ausbildung der Ventilwelle 32 mit
einem viertelzylindrischen Vorsprung 46 und dem entsprechenden
halbzylindrischen Vorsprung 44 der Antriebswelle 36 kann
die Ventilwelle 32 und mit ihr das Ventilelement 26 dann
gerade um einen Winkel von 90° in die in 6 gezeigte
Durchflussstellung (Fail-Safe-Stellung) gedreht werden, so dass
die Fluidanschlüsse 16, 18 des Gehäuses 12 über
die Öffnungen 28, 30 des Ventilelements 26 miteinander verbunden
sind und der Motorblock mit Kühlflüssigkeit versorgt
wird. In 6 ist die Torsion der Feder 52 aufgrund
der Relativbewegung der Ventilwelle 32 zu der in diesem
Fall feststehenden Antriebswelle 36 zu erkennen.
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Auf
diese Weise gewährleistet die erfindungsgemäße
Ventilanordnung 10 auch bei einem Versagen des elektromotorischen
Antriebs 34 jederzeit eine ausreichende Betriebssicherheit
der Verbrennungskraftmaschine. Gleichzeitig kann aufgrund der erfindungsgemäßen
Kupplung der Elektromotor 34 kleiner dimensioniert werden
und ist kostengünstiger und energiesparender. Auch kann
ein selbsthemmender Antrieb zum Einsatz kommen, was die Kosten weiter
verringert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10351852
A1 [0001]
- - DE 102006038213 A1 [0001]