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Die Erfindung betrifft ein Ventil zur Steuerung von Volumenströmen nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs.
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Stand der Technik
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Ein Kühl- bzw. Heizkreislauf eines Kraftfahrzeuges beinhaltet in der Regel eine zu kühlende Wärmequelle, beispielsweise eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, die mittels eines Kühlmediums durch freie oder erzwungene Konvektion gekühlt werden soll. Die Temperaturdifferenz über der Wärmequelle ist vom Wärmeeintrag und von der Größe des Volumenstroms des Kühlmittels abhängig, während die absolute Temperatur des Kühlmediums durch den Wärmeeintrag der Wärmequelle, die Wärmeabfuhr über etwaige, im Kühlkreislauf befindliche Kühlerelemente und die Wärmekapazitäten der beteiligten Materialien bestimmt wird. Um einerseits die Brennkraftmaschine vor dem Überhitzen zu schützen und andererseits die Abwärme der Brennkraftmaschine beispielsweise zur Beheizung des Fahrgastraumes nutzen zu können, wird im Kraftfahrzeug ein Kühlmittel umgepumpt, das die überschüssige Wärmeenergie der Brennkraftmaschine aufnimmt und in gewünschtem Maße abführt.
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Der Heiz- bzw. Kühlkreislauf eines Kraftfahrzeuges umfasst in der Regel verschiedene Teilkreisläufe, wie beispielsweise einen Kühlerzweig, einen Bypass-Zweig und/oder auch einen Heizungswärmetauscherzweig. Über einen im Kühlerzweig angeordneten Kühler oder Radiator kann die überflüssige Wärmemenge des Kühlmittels an die Umgebungsluft abgegeben werden. Ein Heizungswärmetauscher macht andererseits die zur Verfügung stehende Wärmemenge des Kühlmittels zur Beheizung des Fahrgastraumes nutzbar. Die Verteilung des Kühlmittelstromes auf die verschiedenen Zweige des Kühl- bzw. Heizkreislaufes wird dabei üblicherweise durch zumindest ein Ventil gesteuert.
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Hierzu wird in der
DE 10 2006 053 310 A1 vorgeschlagen, die gewünschte Kühlmitteltemperatur durch das Mischen eines gekühlten und eines ungekühlten Kühlmittelstroms einzustellen. Dazu wird ein Steuerventil verwendet, dessen Durchströmöffnungen durch ein Verdrehen veränderlich sind. Um die Durchströmöffnungen zu verstellen, ist in dem Steuerventil ein Elektromotor angeordnet, der über ein Schneckengetriebe die Position einer Ventilscheibe so verstellt, dass durch das Steuerventil ein gewünschter Kühlmittelstrom strömt. Der Elektromotor ist dabei nicht vom Kühlmittelstrom getrennt, sodass die Komponenten des Elektromotors, wie etwa der Rotor und das Getriebe, mit Kühlmittel umflutet sind.
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Aus der
US 5,950,576 ist ferner ein Proportionalkühlmittelventil bekannt, dessen Ventilkörper scheibenförmig ausgebildet ist und eine Mehrzahl von Durchtrittsöffnungen aufweist, die es erlauben, die gewünschten Verbindungen zwischen dem Einlasskanal des Ventils und mehreren Auslasskanälen herzustellen. Die Ventilscheibe der
US 5,950,576 wird mittels einer Welle über einen elektromechanischen Aktuator entsprechend den Vorgaben eines Verbrennungsmotor-Steuergerätes gestellt.
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Aus der
DE 10 2006 053 307 A1 ist ferner bekannt, die Öffnungen der Ventilscheibe durch Dichtelemente in Form von Dichtringen, sowie mit Federelementen, die das Dichtelement an die Ventilscheibe andrücken, zu realisieren, sodass die Leckageraten bei einem geschlossenen Kühlkreislauf nahezu Null sind.
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Bei Ausfall der Versorgungsspannung ist bei den obigen Ventilen eine Verstellung der Ventilscheibe nicht mehr möglich, so dass diese keine definierte Position einnehmen kann. Daher kann es passieren, dass der Verbrennungsmotor überhitzt, weil das Ventil in einer Stellung stehen bleibt, in der nicht ausreichend Kühlmittel zirkulieren kann. Im Extremfall bleibt das Ventil in Vollabsperrung stehen, so dass keine Kühlung mehr möglich ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein energie- und platzsparendes Notlaufkonzept für ein Ventil mit einer um die Achse einer Welle drehbar angeordneten Ventilscheibe vorzusehen, mit dem eine Zirkulation des Kühlmittels auch bei Ausfall der Versorgungsspannung gegeben ist.
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Das Ventil zur Steuerung von Volumenströmen eines Kühlmittels in einem Heiz- und/oder Kühlsystem eines Kraftfahrzeuges weist ein Ventilgehäuse mit mindestens einem Einlasskanal sowie mindestens einem Auslasskanal auf. In dem Ventilgehäuse ist mindestens eine, um die Achse einer Welle drehbar angeordnete Ventilscheibe vorhanden, die die Verbindung zwischen dem mindestens einem Einlasskanal und dem mindestens einen Auslasskanal des Ventils beeinflusst. In dem Ventilgehäuse zwischen dem mindestens einen Einlasskanal und dem mindestens einen Auslasskanal sind weiterhin ein Bypass-Kanal sowie ein Bypass-Ventil angeordnet sind, über die der mindestens eine Einlasskanal und der mindestens eine Auslasskanal im Falle einer Überhitzung des Kühlmittels miteinander verbindbar sind. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Bypass-Ventil einen Ventilteller aufweist, der über eine Hebelverbindung mit einem Magnetkreis derart in einer Wirkverbindung steht, dass der passive Magnetkreis den Ventilteller in einer geschlossenen Position halten kann. In vorteilhafter Weise ergibt sich hierdurch die Möglichkeit, einer unverzögerten Reaktion im Falle der Überhitzung, während übliche thermisch gesteuerte Einrichtungen entweder verzögert oder gar nicht auf ansteigende Temperaturen der Brennkraftmaschine reagieren, da sie thermisch nicht optimal an das System angekoppelt sind. Im Vergleich zu handelsüblichen Magnetventilen mit einem Verstellbereich in der Größenordnung von ca. 4 mm ist zudem ein sehr geringer Energie- und Raumbedarf für das erfindungsgemäße Bypass-Ventil in Verbindung mit einer hermetischen Trennung des Magnetkreises vom Kühlmittel erzielbar.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich durch die in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale sowie aus der Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung.
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So ist vorgesehen, dass die Hebelverhältnisse der Hebelverbindung derart dimensioniert sind, dass sich ein sehr kleiner Bauraum des Magnetkreises ergibt. Wenn die Temperatur des Kühlmittels einen definierten Grenzwert überschritten hat – sich das Ventil also im Notlaufbetrieb befindet –, gibt der Magnetkreis darüber hinaus das Bypass-Ventil frei, so dass der Ventilteller mittels einer Feder in eine geöffnete Position verbringbar ist. Für den Normalbetrieb des Ventils ist vorgesehen, dass ein Rückstellmechanismus einen mit der Welle drehfest verbundenen Mitnehmer umfasst, der außerhalb des Regelbereichs des Ventils den über die Hebelverbindung mit einem Rückschlusselement des passiven Magnetkreises wirkverbundenen Ventilteller derart in einen Dichtsitz verschiebt, dass das Rückschlusselement in den Wirkbereich des Magnetkreises gelangt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist weiterhin vorgesehen, dass das Rückschlusselement infolge der Hebelverbindung im Unterschied zu konventionellen Ventilen keinen linearen Hub, sondern eine rotatorische Bewegung um einen Drehpunkt der Hebelverbindung ausführt. Durch diese Schwenkbewegung sind günstige Hebelverhältnisse erzielbar, die die bereits erwähnte Optimierung des Bauraumes des Magnetkreises ermöglichen.
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Das Rückschlusselement ist derart über ein Ausgleichselement mit einem kleinen Haftmagneten verbunden, dass der Haftmagnet nach dem Gelangen des Rückschlusselements in den Wirkbereich des Magnetkreises mit einer Vertiefung des Magnetkreises in Eingriff kommt. Damit das Rückschlusselement und der Haftmagnet sicher zum Anliegen kommen, steht das Ausgleichselement über eine Kompensationsfeder mit der Hebelverbindung in Wirkverbindung. Diese hat neben dem sicheren Schließen des Bypass-Ventils noch zusätzlich den Nutzen, dass an einer Ventildichtung des Bypass-Ventils eine konstante Kraft anliegt und damit die Belastung der Ventildichtung über deren Lebensdauer so gering wie möglich gehalten werden kann.
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Zeichnung
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren beispielhaft erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen in den Figuren auf gleiche Bestandteile mit einer gleichen Funktionsweise hindeuten. Die Figuren der Zeichnung, deren Beschreibung sowie die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Ein Fachmann wird diese Merkmale auch einzeln betrachten und zu weiteren sinnvollen Kombinationen zusammenfassen. Insbesondere wird ein Fachmann auch die Merkmale aus unterschiedlichen Ausführungsbeispielen zu weiteren sinnvollen Kombinationen zusammenfassen.
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Es zeigen
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Ventils in einer Übersichtsdarstellung,
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2 das Ventil gemäß 1 in einer ersten Schnittdarstellung,
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3 ein zweites Ausführungsbeispiel des Ventils gemäß 1 in einer weiteren Schnittdarstellung,
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4 Schnittdarstellungen eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Notlaufkonzepts des Ventils gemäß 1,
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5 Schnittdarstellungen eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Bypass-Ventils,
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6 schematische Darstellung der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Bypass-Ventils.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt ein Beispiel für ein Ventil 1 in einer Übersichtsdarstellung. Das Ventil 1 gemäß der Ausführungsform in 1 besitzt ein Gehäuse 10 mit einem Gehäuseunterteil 12 sowie einem Gehäuseoberteil 14, die über Verbindungsmittel 16, beispielsweise Schrauben, Nieten oder Rastmittel, fluiddicht miteinander verbunden sind. Insbesondere das Gehäuseunterteil 12 ist im Wesentlichen topfförmig ausgebildet, wie dies in den 2 und 3 dargestellt ist, und ermöglicht in seinem Inneren die Ausbildung einer Ventilkammer zur Aufnahme eines Ventilelementes. Das Gehäuseoberteil 14 kann ebenfalls topfförmig ausgebildet sein bzw. lediglich als eine Art Deckel im Gehäuseunterteil 12 ausgeformt sein. Am Gehäuseunterteil 12 angeformt ist der Stutzen eines Einlasskanals 18. Der Einlasskanal 18 bzw. der Stutzen kann dabei insbesondere einstückig mit dem Gehäuseunterteil 12 ausgeformt, beispielsweise in Kunststoff ausgebildet sein.
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Mit dem Gehäuseoberteil 14 verbunden sind ein erster sowie ein zweiter Auslasskanal 20, 22. Mit Hilfe eines in der Ventilkammer angeordneten und noch näher zu beschreibenden Ventilelementes kann eine Verbindung zwischen dem Einlasskanal 18 und dem ersten bzw. zweiten Auslasskanal 20, 22 geöffnet, geschlossen und in gewünschter Weise variiert werden. Darüber hinaus weist das Ventil 1 noch einen Stellantrieb 24 zur Verstellung des Ventilelementes auf, der in Verbindung mit 3 noch näher beschrieben wird und der ein eigenes Antriebsgehäuse 25 aufweist, das mit dem Gehäuse 10, insbesondere dem Gehäuseoberteil 14, des Ventils 1 verschraubt ist.
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2 zeigt einen ersten Schnitt durch das Ventil 1, der in etwa senkrecht zur Zeichnungsebene der 1 verläuft. In der zwischen dem Gehäuseunterteil 12 und dem Gehäuseoberteil 14 ausgebildeten Ventilkammer 26 ist eine Ventilscheibe 28 als Ventilelement angeordnet. Eine Abtriebswelle 30 des in 3 näher dargestellten Stellantriebes 24 greift in eine zentrale Öffnung 32 der Ventilscheibe 28 ein. Durch entsprechende Sicherungsmittel 34 ist die Ventilscheibe 28 drehfest auf der Abtriebswelle 30 befestigt, so dass diese Welle auch als Antriebswelle der Ventilscheibe 28 dient. Die Sicherung der Ventilscheibe auf der Welle 30 kann beispielsweise durch eine in 2 dargestellte Verschraubung bzw. Verrastung erfolgen, oder aber auch durch ein Verpressen der Welle 30 in der zentralen Öffnung 32 der Ventilscheibe 28.
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Zwischen dem Gehäuseunterteil 12 und dem Gehäuseoberteil 14 sind Dichtmittel, beispielsweise ein Dichtring 36 vorgesehen, um eine fluiddichte Verbindung zwischen den beiden Gehäuseteilen 12, 14 des Ventilgehäuses 10 zu gewährleisten. In den Ausführungsbeispielen der 1 und 2 sind der Einlasskanal 18 fluchtend auf einer gemeinsamen Achse 37 mit dem ersten Auslasskanal 20 und die Welle 30 entlang einer dazu parallel ausgerichteten Rotationsachse 31 angeordnet.
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3 zeigt eine zweite schematische Schnittansicht des Ventils 1 in einem weiteren Ausführungsbeispiel. Die Längsachsen des Einlasskanals 18 und des Auslasskanals 20 sind hier versetzt zueinander angeordnet. In dem zweiten Gehäuse 25 ist ein Rotor 38 und ein Stator 40 des als Elektromotor ausgebildeten Stellantriebs 24 angeordnet. Der Rotor 38 weist eine Rotorwelle 42 auf, auf der in einem ersten Bereich eine Schneckenverzahnung 44 und in einem zweiten Bereich ein Blechpaket 46 angeordnet sind. Die paketierten Bleche des Blechpakets 46 umfassen dabei radial die Rotorwelle 42 und werden axial durch zwei Blechhülsen 48 begrenzt. In dem Blechpaket 46 ist zumindest ein Magnet 50 angeordnet. Das Blechpaket 46 ist in seiner räumlichen Anordnung in einer Rotorwellenachse 52 von dem Bereich der Schneckenverzahnung 44 durch eine radiale Lageraufnahme 54 und dem darin angeordneten ersten radialen Lagerelement 56 abgetrennt. Die Flächen der Rotorwelle 42, die an den radialen Lagerelementen 56, 57 und den axialen Lagerelementen 58, 60 anliegen, weisen dabei einen höheren Härtegrad als die übrigen Flächen der Rotorwelle 42 auf. Die axialen Lagerelemente 58, 60 sind plattenförmig ausgeprägt, wobei das erste axiale Lagerelement 58 in dem Antriebsgehäuse 25 und das zweite axiale Lagerelement 60 in den Gehäuseoberteil 14 angeordnet sind. Der Rotor 38 weist an den Enden der Rotorwelle 42 jeweils einen Anlaufpilz 64 auf, der zur Abstützung der Lagerkräfte auf die axialen Lagerelemente 58, 60 dient. Der Rotor 38 sowie der Stator 40, werden durch das Antriebsgehäuse 25 und ein zweites Dichtelement 68 gegenüber der Umgebung abgeschlossen.
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Der Stator 40 weist zumindest eine Spule 62 mit einer Mehrzahl von Wicklungen sowie nicht dargestellte Blechpakete auf. Die Spulen 62 erzeugen bei angelegter Spannung ein Magnetfeld, welches den Rotor 38 in Rotation um die Rotorwellenachse 52 versetzt. Die Spulen 62 können hierbei mit Wechselspannung betrieben werden oder elektronisch kommutiert werden. Durch die Rotation des Rotors 38 wird über die Schneckenverzahnung 44 ein Stirnrad 66 (vergleiche 2) angetrieben, welches mit der Ventilscheibe 28 verbunden ist. Die Ventilscheibe 28 weist zumindest eine Öffnung 70 auf, wobei durch ein Verdrehen der Ventilscheibe 28 die Öffnung 70 vor den Auslasskanal 20 gedreht wird. Je nach Stellung der Öffnung 70 vor dem Auslasskanal 20 wird die Durchflussfläche der Ventilscheibe 28 reguliert. Die Öffnung 70 ist mit ihrer Längsachse zur Rotationsachse 31 der Welle 30 bzw. der Ventilscheibe 28 versetzt angeordnet.
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In den 4 ist das Notlaufkonzept des Ventils 1 dargestellt. In dem Ventilgehäuse 10, insbesondere in dem Gehäuseoberteil 14, sind zwischen dem nicht dargestellten Einlasskanal 18 und dem Auslasskanal 20 ein Bypass-Kanal 72 sowie ein Bypass-Ventil 74 angeordnet, über die der Einlasskanal 18 und der Auslasskanal 20 im Falle einer Überhitzung des Kühlmittels miteinander verbindbar sind. Im Normalbetrieb ist das Bypass-Ventil 74 geschlossen (4a und 4b). Ein mit einem Ventilkolben 75 verbundener Ventilteller 76 des Bypass-Ventils 74, der eine flexlible Ventildichtung 77 aufweist, wird dazu gemäß 4b in einen Dichtsitz 78 verschoben. Falls das Kühlmittel infolge eines Blockierens der Ventilscheibe 28 im geschlossenen Zustand überhitzt, wird gemäß 4c das Bypass-Ventil 74 geöffnet, so dass das Kühlmittel durch den Bypass-Kanal 72 in den Auslasskanal 20 strömen kann.
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Ein Rückstellmechanismus 80 für das Bypass-Ventil 74 umfasst einen mit der Welle 30 des Ventils 1 drehfest verbundenen Mitnehmer 82. Der Mitnehmer 82 weist eine radiale Ausbuchtung 84 auf, die außerhalb des Regelbereichs des Ventils 1 zu einer Verschiebung des Rückstellmechanismus 80 in Richtung des Bypass-Ventils 74 führt. Dabei drückt ein Federelement 86, insbesondere eine Spiralfeder 88, den Rückstellmechanismus 80 gegen den Mitnehmer 84, um einen dauerhaften Reibkontakt zwischen Rückstellmechanismus 80 und Mitnehmer 82 zu gewährleisten. Unter der Bezeichnung „außerhalb des Regelbereichs” wird verstanden, dass sich die Öffnung 70 der Ventilscheibe 28 in einer Position befindet, in der der Volumenstrom des Kühlmittels zwischen Einlasskanal 18 und Auslasskanal 20, 22 unterbrochen ist.
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5 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bypass-Ventils 74. In 5a ist das Bypass-Ventil 74 in der geschlossenen Position und in 5b in der geöffneten Position dargestellt.
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Das Bypass-Ventil 74 wird über einen passiven Magnetkreis 90, der aus einem Haftmagneten 92 und einem Wicklungselement 94 besteht, geschlossen gehalten. Der Begriff „passiver Magnetkreis” resultiert aus der Eigenschaft, dass der Magnetkreis 90 des Bypass-Ventils 74 nicht in der Lage ist, dieses selbsttätig ohne äußere Einwirkung zu schließen. Vielmehr kann der passive Magnetkreis 90 das Bypass-Ventil 74 lediglich selbsttätig in der geschlossenen Position halten, wenn der Ventilteller 76 durch den Rückstellmechanismus 80 in seinen Dichtsitz 78 verschoben ist. Im Unterschied zu 4 ist in 5 nicht der Ventilteller 76 mit der Ventildichtung 77 versehen, sondern diese ist an einem Teil des Gehäuses 10 angebracht. Für die Funktionsweise des Bypass-Ventils 74 hat diese Konstruktionsvariante aber keine besondere Bedeutung. Vielmehr liegt die erfindungsgemäße Besonderheit in einer Hebelverbindung 96 zwischen dem Ventilkolben 75 des Bypass-Ventils 74 und einem mit dem passiven Magnetkreis 90 in Wirkverbindung stehendem Rückschlusselement 98. im Unterschied zu konventionellen, elektronisch betätigbaren Ventilen führt das Rückschlusselement 98 über die Hebelverbindung 92 keinen linearen Hub sondern eine rotatorische Bewegung um einen Drehpunkt 99 der Hebelverbindung 96 aus.
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Der Haftmagnet 92 hat jedoch nur dann eine ausreichend große Kraft, das Bypass-Ventil 74 geschlossen zu halten, wenn der Abstand des Rückschlusselements 98 zum Magnetkreis 90 sehr klein, vorzugsweise < 0,1 mm, ist. Daher ist es wichtig, dass der Rückstellmechanismus 80 den Haftmagneten 92 beim Schließvorgang zum Anliegen in eine dafür vorgesehene Vertiefung 100 des Magnetkreises 90 bringt. Bedingt durch die konstruktiv vorhandenen Bauteiletoleranzen ist ein nachgiebiges Ausgleichselement 102 notwendig, um einerseits den Haftmagneten 92 sicher zum Anliegen in der Vertiefung 100 zu bringen und anderseits die Langlebigkeit der Bauteile durch verringerten Verschleiß zu erhöhen. Die erfindungsgemäße Konstruktion erlaubt des weiteren eine hermetische Trennung des Magnetkreises 90 vom Kühlmittel.
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Nutzt man nun auch noch das Hebelgesetz im Rahmen des zur Verfügung stehenden Bauraumes aus, so kann der Magnetkreis 90 entsprechend den Hebelverhältnissen kleiner dimensioniert werden. Damit das Rückschlusselement 98 des Magnetkreises 90 sicher zum Anliegen kommt, wird eine Kompensationsfeder 104 vorgesehen, die neben dem sicheren Schließen des Magnetkreises 90 noch zusätzlich für eine konstante Kraft an der Ventildichtung 77 sorgt und damit deren Belastung über die Lebensdauer so gering wie möglich hält.
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In den 4c und 5b ist das Bypass-Ventil 74 im Falle des Notlaufs göffnet. Dazu genügt es, die Energieversorgung des Wicklungselements 94 zu unterbrechen, so dass der Ventilteller 76 sich infolge der Federkraft einer Feder 106, beispielsweise einer Spiralfeder, einer Blattfeder oder dergleichen, in Richtung der Ventilscheibe 28 bewegen kann und das Kühlmittel durch den Bypass-Kanal 72 in den Auslasskanal 20 strömt.
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6 zeigt die Kraft- und Hebelverhältnisse des erfindungsgemäßen Bypass-Ventils 74 in einer vereinfachten, schematischen Darstellung. Dabei bezeichnen
- L1:
- Hebellänge vom Drehpunkt 99 der Hebelverbindung 96 bis zum radialen Mittelpunkt des Ausgleichselements 102,
- L2:
- Hebellänge vom Drehpunkt 99 der Hebelverbindung 96 bis zum radialen Mittelpunkt des Ventilkolbens 75,
- F1:
- Federkraft der Kompensationsfeder 104,
- F2:
- Kraft auf die Ventildichtung 77,
- F3:
- Haltekraft des Haftmagneten 92,
- F4:
- Federkraft der auf den Ventilteller 76 wirkenden Feder 106,
- y:
- Toleranzlage des Wicklungselements 94,
- s:
- Federweg der Kompensationsfeder 104.
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Es gelten damit unter der Bedingung L1 > L2 die fogenden Verhältnisse: F1 < F4 < F2 < F3 mit s ≈ y.
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Das heißt, mittels der Kompensationsfeder 104 lässt sich eine baubedingte Ungenauigkeit der Lage y des Wicklungselements 94 des Magentkreises 90 über den Federweg s ausgleichen. Die Hebelverbindung erlaubt in diesem Zusammenhang des Weiteren ein günstiges Kräfteverhältnis und damit eine sehr geringe Baugröße des Magentkreises 90 sowie des darin zum Einsatz kommenden Haftmagneten 92.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006053310 A1 [0004]
- US 5950576 [0005, 0005]
- DE 102006053307 A1 [0006]
