DE102012205262A1

DE102012205262A1 - Variabler Flußwiderstand

Info

Publication number: DE102012205262A1
Application number: DE102012205262A
Authority: DE
Inventors: Dr. Brinkmann Bernd; Harald Kaufeld
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2013-10-02
Also published as: CN103363148A; US9127799B2; US20130255815A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen variablen Flußwiderstand mit einem Fluideinlaß (11), einem Fluidauslaß (12), einer als länglicher Hohlkörper mit einem Hohlkörpermantel (10) ausgebildeten Fluidleitung, welche den Fluideinlaß (11) mit dem Fluidauslaß (12) fluidleitend verbindet, und einer Einrichtung zum Variieren des Strömungsquerschnitts der Fluidleitung zum Einstellen eines durch die Fluidleitung erzeugten Flußwiderstandes. Dabei wird die Einrichtung zum Variieren des Strömungsquerschnitts durch den Hohlkörper selbst in solcher Weise gebildet, dass der Hohlkörpermantel (10) ein Material aufweist, welches entweder in Reaktion auf eine Erhöhung der Schergeschwindigkeit eines durch die Fluidleitung strömenden Fluids oder infolge einer an den Hohlkörper (10) angelegten elektrischen Spannung eine Verringerung des effektiven Strömungsquerschnitts der Fluidleitung bewirkt.

Description

Die Erfindung betrifft einen variablen Flußwiderstand. Wenngleich die Erfindung insbesondere vorteilhaft in einer Entgasungsleitung eines Kühlsystems eines Verbrennungsmotors einsetzbar ist, ist sie generell in sämtlichen Fluidleitungen (z. B. Schlauchleitungen) einsetzbar, in welchen eine Variation des Flußwiderstandes erwünscht ist.
Variable Flußwiderstände werden z. B. in Entgasungsleitungen eines Kühlsystems für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges eingesetzt und weisen herkömmlicherweise z. B. ein Ventil und einen vergleichsweise komplexen Steuerungsmechanismus auf. Dies erweist sich in der Praxis mitunter sowohl unter Bauraum- und Gewichtsaspekten als auch im Hinblick auf die Komplexität des Kühlsystems, etwa hinsichtlich der elektrischen Anschlüsse und der Steuerungsstrategie, sowie nicht zuletzt auch im Hinblick auf das Erfordernis beweglicher Bauteile bzw. Komponenten (u.a. wegen des damit einhergehenden Verschleißes) als nachteilig.
Zum Stand der Technik beispielhaft auf DE 102 54 312 A1 , WO 2009/113020 A1 und DE 699 20 174 T2 verwiesen.
Aus US 7,637,892 B2 ist ein implantierbares variables Infusionspumpensystem bekannt, welches einen Strömungs- bzw. Flußwiderstand z. B. in Form eines in einer Kapillare eingebauten Filaments oder eines Einsatzstückes aufweist, wobei das Einsatzstück aus einem elektroaktiven Polymer aufgebaut sein kann.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen variablen Flußwiderstand bereitzustellen, welcher eine möglichst geringe Komplexität des Aufbaus sowie eine einfache Handhabung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 1 gelöst.
Ein erfindungsgemäßer variabler Flußwiderstand weist einen Fluideinlaß, einen Fluidauslaß, eine als länglicher Hohlkörper mit einem Hohlkörpermantel ausgebildete Fluidleitung, welche den Fluideinlaß mit dem Fluidauslaß fluidleitend verbindet, und eine Einrichtung zum Variieren des Strömungsquerschnitts der Fluidleitung zum Einstellen eines durch die Fluidleitung erzeugten Flußwiderstandes auf.
Der variable Flußwiderstand ist dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Variieren des Strömungsquerschnitts durch den Hohlkörper selbst in solcher Weise gebildet wird, dass der Hohlkörpermantel ein Material aufweist, welches entweder in Reaktion auf eine Erhöhung der Schergeschwindigkeit eines durch die Fluidleitung strömenden Fluids oder infolge einer an den Hohlkörper angelegten elektrischen Spannung eine Verringerung des effektiven Strömungsquerschnitts der Fluidleitung bewirkt.
Der Erfindung liegt somit insbesondere das Konzept zugrunde, einen die Fluidleitung ausbildenden Hohlkörper in solcher Weise auszugestalten, dass in Reaktion auf eine Erhöhung der Schergeschwindigkeit eines durch die Fluidleitung strömenden Fluids oder infolge einer an den Hohlkörper angelegten elektrischen Spannung eine Verringerung des effektiven Strömungsquerschnitts der Fluidleitung unmittelbar durch das Material des Hohlkörpermantels selbst bewirkt wird. In beiden Fällen sind bei dem erfindungsgemäßen variablen Flußwiderstand keinerlei bewegliche Komponenten erforderlich, wodurch Komplexität und Kosten des Aufbaus reduziert werden.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Hohlkörpermantel ein dilatantes Fluid auf. Dass dilatante Fluid kann sich insbesondere in wenigstens einer in dem Hohlkörpermantel ausgebildeten Kammer befinden.
Ein solches, auch als "scherverdickend" (engl: "shear-thickening") bezeichnetes Fluid weist in für sich bekannter Weise eine Viskositätszunahme bei wachsender Schergeschwindigkeit auf, welche auf eine stärkere Wechselwirkung der Fluidpartikel miteinander und eine damit einhergehende Strukturänderung des Fluids zurückzuführen ist.
Bei der vorstehenden Ausgestaltung unter Verwendung eines dilatanten Fluids kann der erfindungsgemäße variable Flußwiderstand vollständig selbststeuernd ausgestaltet sein, wobei insbesondere (neben dem o. g. Verzicht auf bewegliche Komponenten) kein externes Steuerungssystem oder ein (z. B. elektrischer) Aktuator erforderlich ist. Zur Realisierung der gewünschten Funktion muß das dilatante Fluid nicht nur scherverdickende Eigenschaften besitzen, sondern gleichzeitig auch eine Volumenzunahme bei zunehmendem Druck aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Hohlkörpermantel aus einem elektroaktiven Polymer hergestellt oder der Hohlkörpermantel Kammern gefüllt mit einem elektroaktiven Polymer aufweist. Unter einem elektroaktiven Polymer (kurz: EAP) werden im Einklang mit der üblichen Terminologie Polymere verstanden, bei welchen das Anlegen einer elektrischen Spannung eine Formveränderung bewirkt, weshalb elektroaktive Polymere auch als "künstliche Muskeln" bezeichnet werden.
Besonders geeignet erscheinen nach heutigem Stand der Technik ionische EAP. Sie zeichnen sich durch niedrige Steuerspannung von wenigen Volt bei hohen Volumenänderungen von bis zu 40% aus.
Ionische EAPs enthalten in der Regel einen wäßrigen Elektrolyten und müssen gegen Austrocknung geschützt werden. Daher ist zu beachten, dass die mindestens eine Kammer das EAP sowie die leitfähige Anschlußfläche nach Außen und Innen hermetisch abschließt, um ein Austrocknen des EAP zu verhindern.
Die Innendurchmesser von Entgasungsleitungen liegen in der Regel zwischen 4 und 8 mm, während der Flußwiderstand einen Durchmesser von 2 bis 3mm aufweist. Bei geeigneter Dimensionierung des EAP relativ zum Innendurchmesser der Entgasungsleitung sind auch Ausführungsformen denkbar, bei denen der Durchfluß ganz unterbrochen werden kann. Damit wäre die Funktion eines Ventils realisiert.
Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Hohlkörpermantels aus einem elektroaktiven Polymer ist somit – im Unterschied zur zuvor beschriebenen Ausgestaltung mit einem dilatanten Fluid – eine zusätzliche Ansteuerung bzw. Anordnung zum Anlegen einer elektrischen Spannung an den Hohlkörper erforderlich. Auch die Ausgestaltung des Hohlkörpermantels aus einem elektroaktiven Polymer kommt jedoch – wie die zuvor beschriebene Realisierung mit einem dilatanten Fluid – ohne jegliche bewegliche Komponenten aus, so dass im Ergebnis ebenfalls ein variabler Flußwiderstand mit vergleichsweise geringer Komplexität und einfacher Handhabung erhalten wird.
Der erfindungsgemäße variable Flußwiderstand kann beispielsweise für den Einsatz in einem Kühlsystem eines Verbrennungsmotors, weiter insbesondere für den Einsatz in einer Entgasungsleitung, konfiguriert sein. Die Erfindung ist jedoch hierauf nicht beschränkt, sondern generell in jeglichen Fluidleitungen realisierbar, in denen eine Strömungssteuerung mittels eines variablen Flußwiderstands gewünscht ist.
Die Erfindung betrifft ferner eine Entgasungsleitung für ein Kühlsystem eines Verbrennungsmotors, welche einen variablen Flußwiderstand mit den oben beschriebenen Merkmalen aufweist, sowie einen Verbrennungsmotor für ein Kraftfahrzeug mit einem Kühlsystem mit wenigstens einer solchen Entgasungsleitung.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Abbildungen näher erläutert. Es zeigen:
1 und 2 schematische Darstellungen zur Erläuterung von Aufbau und Funktion eines variablen Flußwiderstands gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
3 schematische Darstellung einer Ausführungsform mit elektroaktivem Polymer
Gemäß den 1 und 2 weist ein erfindungsgemäßer variabler Flußwiderstand 1 in einer ersten Ausführungsform der Erfindung eine als länglicher Hohlkörper ausgebildete Fluidleitung auf, welche einen Fluideinlaß 11 mit einem Fluidauslaß 12 fluidleitend verbindet. Der längliche Hohlkörper wird durch einen Hohlkörpermantel 10 ausgebildet, welcher in dem dargestellten Ausführungsbeispiel in wenigstens einer in dem Hohlkörpermantel 10 ausgebildeten Kammer 30 ein dilatantes Fluid 20 aufweist.
Bei der Fluidleitung kann es sich lediglich beispielhaft (und ohne dass die Erfindung hierauf beschränkt wäre) um eine Entgasungsleitung eines Kühlsystems für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges handeln. Die Entgasungsleitung kann beispielsweise einen Durchmesser in der Größenordnung von 10 mm oder weniger aufweisen.
Bei der Darstellung in 1–2 wird nun davon ausgegangen, dass das die Fluidleitung durchströmende Fluid (im o. g. Beispiel etwa die Kühlflüssigkeit im Kühlsystem des Verbrennungsmotors) gemäß 2 mit einer größeren Schergeschwindigkeit bzw. einem größeren Strömungsdruck als gemäß 1 durch die Fluidleitung strömt. Die hiermit gemäß 2 einhergehenden, zunehmenden Scherkräfte in dem dilatanten Fluid 20 führen zu einer Strukturveränderung in dem dilatanten Fluid 20, welche wiederum eine Reduzierung des effektiven Strömungsquerschnitts der Fluidleitung bewirkt.
Die Variation des Flußwiderstandes erfolgt somit bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform vollkommen selbsttätig und ohne externe Steuerung oder Verwendung beweglicher Komponenten.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Hohlkörpermantel 10 auch (teilweise oder vollständig) aus eine elektroaktiven Polymer hergestellt sein, wobei durch Anlegen einer elektrischen Spannung an den Hohlkörper ebenfalls (und wiederum ohne Erfordernis beweglicher Komponenten) eine Variation des Flußwiderstandes erreicht werden kann.
Zusammenfassend wird erfindungsgemäß ein selbsttätiger variabler Flußwiderstand durch geeignete Ausgestaltung des Hohlkörpermantels realisiert, wobei insbesondere (jedoch lediglich beispielhaft) in einer Entgasungsleitung eines Kühlsystems für einen Verbrennungsmotor auf komplexe Steuerungsmechanismen verzichtet werden kann.
3 zeigt weiterhin eine Ausführungsform des Flußwiderstandes mit elektroaktivem Polymer. Dabei weist der Hohlkörper 10 mindestens eine Kammer 30 auf, die mit einem elektroaktivem Polymer 40 gefüllt ist. Gezeigt ist weiterhin eine elektrisch leitfähige Anschlußfläche 41, die z. B. als Platte oder Platten oder Ring ausgebildet sein kann. Sinnvoll kann auch der Einsatz einer Verstärkung 42 sein, die verhindert, daß sich der Hohlkörper nach außen ausdehnt und so die gewollte Flußverminderung behindert. Auch diese Verstärkung 42 kann z. B. als Platte oder Platten oder Ring ausgebildet sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10254312 A1 [0003]
WO 2009/113020 A1 [0003]
DE 69920174 T2 [0003]
US 7637892 B2 [0004]

Claims

Variabler Flußwiderstand, mit einem Fluideinlaß (11); einem Fluidauslaß (12); einer als länglicher Hohlkörper mit einem Hohlkörpermantel (10) ausgebildeten Fluidleitung, welche den Fluideinlaß (11) mit dem Fluidauslaß (12) fluidleitend verbindet; und einer Einrichtung zum Variieren des Strömungsquerschnitts der Fluidleitung zum Einstellen eines durch die Fluidleitung erzeugten Flußwiderstandes; dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Variieren des Strömungsquerschnitts durch den Hohlkörper selbst in solcher Weise gebildet wird, dass der Hohlkörpermantel (10) ein Material aufweist, welches entweder in Reaktion auf eine Erhöhung der Schergeschwindigkeit eines durch die Fluidleitung strömenden Fluids oder infolge einer an den Hohlkörper (10) angelegten elektrischen Spannung eine Verringerung des effektiven Strömungsquerschnitts der Fluidleitung bewirkt.
Variabler Flußwiderstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörpermantel (10) ein dilatantes Fluid (20) aufweist.
Variabler Flußwiderstand nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das dilatante Fluid (20) eine Volumenzunahme bei zunehmendem Druck aufweist.
Variabler Flußwiderstand nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich das dilatante Fluid (20) in wenigstens einer in dem Hohlkörpermantel (10) ausgebildeten Kammer (30) befindet.
Variabler Flußwiderstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörpermantel (10) ein elektroaktives Polymer (20) oder mindestens eine Kammer (30) gefüllt mit elektroaktivem Polymer (20) aufweist.
Variabler Flußwiderstand nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Flußwiderstand derart ausgestaltet ist, dass der Durchfluß ganz unterbrochen werden kann.
Variabler Flußwiderstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser für den Einsatz in einem Kühlsystem eines Verbrennungsmotors, insbesondere für den Einsatz in einer Entgasungsleitung, konfiguriert ist.
Entgasungsleitung für ein Kühlsystem eines Verbrennungsmotors, dadurch gekennzeichnet, dass diese einen variablen Flußwiderstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
Verbrennungsmotor für ein Kraftfahrzeug, mit einem Kühlsystem mit wenigstens einer Entgasungsleitung nach Anspruch 8.