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Die Erfindung betrifft ein Ventil zur temperaturabhängigen Ansteuerung mindestens eines hydraulischen Verbrauchers, umfassend ein Ventilgehäuse mit mindestens einem Tankanschluss, mindestens einem Arbeitsanschluss und mindestens einem Versorgungsanschluss, einen im Ventilgehäuse verschiebbar angeordneten, durch einen Energiespeicher, wie eine Arbeitsfeder, vorgespannten Steuerkolben zur Ansteuerung der Anschlüsse und ein von einem Fluid mit einer vorgebbaren Temperatur beaufschlagbares Thermoelement, das mit dem Steuerkolben wirkungsmäßig gekoppelt ist. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Hydrauliksystem, das zumindest ein derartiges Ventil beinhaltet.
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In Hydrauliksystemen wird Energie umgewandelt und transportiert, bei dieser Energieumwandlung und dem Energietransport entstehen Verluste. Dabei wird mechanische und hydraulische Energie in Wärme umgewandelt. Die Aufgabe einer Kühlvorrichtung ist es, diese Wärme aus dem Hydrauliksystem abzuführen. Der Lüfter einer Kühlvorrichtung ist typischerweise hydraulisch antreibbar, wobei die Antriebshydraulik für einen zugeordneten Hydromotor als eigener Kreislauf, unabhängig vom Kreislauf des zu kühlenden Fluids, ausgeführt sein kann.
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Aus der nachveröffentlichten
DE 10 2012 008 480.3 ist ein Ventil der eingangs genannten Art bekannt. Das bekannte Ventil ist dazu eingesetzt, einen hydraulischen Antrieb eines Lüfters in Abhängigkeit von der Temperatur des zu kühlenden Fluids anzusteuern, genauer die Lüfterdrehzahl vorzugeben. Das Ventil und der von diesem angesteuerte Lüfterantrieb sind in einem gemeinsamen hydraulischen Kreislauf angeordnet. Der Einsatz des bekannten Ventils in trägen Hydrauliksystemen mit geringer Verstelldynamik lässt noch Raum für Verbesserungen. Weiter wäre es wünschenswert, den von dem Ventil vorgegebenen Steuerdruck begrenzen und somit das Thermoelement vor Überlastungen schützen zu können.
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Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, den Einsatzbereich des Ventils zu erweitern, insbesondere auf träge Hydrauliksysteme mit geringer Verstelldynamik auszuweiten, und das Ventil zur Verbesserung seiner Betriebsweise weiteren Funktionen zugänglich zu machen.
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Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe gelöst durch ein Ventil, das die Merkmale des Patentanspruchs 1 in seiner Gesamtheit aufweist.
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Demgemäß sieht die Erfindung vor, dass das Thermoelement und der Steuerkolben zwei separate Bauteile sind, welche im Ventilgehäuse in einem gemeinsamen Fluidraum angeordnet sein können. Das Thermoelement, auch Thermoarbeitselement genannt, wird mit dem Fluid, beispielsweise einem zu kühlenden Medium, an-, um- oder durchströmt und nimmt dessen Temperatur an. Mit zunehmender Temperatur des Fluids bewirkt das Thermoelement eine Bewegung, Kompression oder Expansion, des Energiespeichers und entsprechend eine Änderung von dessen Vorspannung, welche den durch den Steuerkolben, auch Haupt-Steuerkolben genannt, zu regelnden Druck vorgibt. Durch den Einsatz des typischerweise als Druckfeder ausgebildeten Energiespeichers, also einer Arbeitsfeder, ist ein Einsatz eines erfindungsgemäßen Ventils insbesondere für die Regelung träger Hydrauliksysteme mit geringer Verstelldynamik erreicht. Die erfindungsgemäße Lösung ist aber durchaus auch für höherdynamische Anwendungen einsetzbar.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventils ist zwischen dem Thermoelement und dem Steuerkolben ein im Ventilgehäuse verschiebbarer Drosselkolben angeordnet, der einerseits mit dem Thermoelement, vorzugsweise über ein Stellelement, in Wirkverbindung steht und andererseits mit dem Energiespeicher in Wirkverbindung steht, insbesondere verbunden ist, wobei der Energiespeicher an seinem vom Drosselkolben abgewandten Ende mit dem Steuerkolben in Wirkverbindung steht, insbesondere mit ihm verbunden ist. Vorteilhafterweise ist am Thermoelement ein Stellelement, beispielsweise ein Stößel, ausgebildet, welcher mit zunehmender Temperatur des Fluids einen Hub, d. h. eine Bewegung in Wirkrichtung, auch Stellweg genannt, bei gleichzeitiger Kraftzunahme am Drosselkolben generiert. Genauer ausgedrückt liegt vorteilhafterweise das Stellelement am Drosselkolben an und verschiebt diesen entsprechend seines temperaturabhängigen Stellweges. Der Stellweg und die zugehörige Kraft werden über den Drosselkolben auf den Energiespeicher übergeben.
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Weiter ist es vorteilhaft, dass eine vom Drosselkolben ansteuerbare P-T-Fluidverbindung vom Versorgungsanschluss zum Tankanschluss im Ventilgehäuse ausgebildet ist, und dass der Drosselkolben entsprechend eines Stellweges des Thermoelements die P-T-Fluidverbindung versperrt oder zumindest teilweise freigibt. Der Drosselkolben gibt über den Stellweg, anders ausgedrückt über den Hub des Thermoelements, einen steigenden Drosselquerschnitt vom Versorgungs- zum Tankanschluss frei. Eine P-A-Fluidverbindung vom Versorgungsanschluss zum Arbeitsanschluss, an welchem der zu regelnde Arbeitsdruck herrscht, ist typischerweise am als Hauptsteuerkolben dienenden Steuerkolben ausgebildet.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Ventils ist mindestens eine dem Versorgungsanschluss zugeordnete, vorzugsweise in mindestens einem dem Versorgungsanschluss zugeordneten Fluidarm im Ventilgehäuse angeordnete Eingangsdrossel vorgesehen. Die Druckdifferenz über der Eingangsdrossel wird entsprechend einem steigenden Drosselquerschnitt des Drosselkolbens erhöht, und der Systemdruck im dem hydraulischen Verbraucher zugeordneten hydraulischen System muss überproportional ansteigen, um ein Kräftegleichgewicht am Steuerkolben aufrecht zu erhalten. Daher kann eine eigentlich lineare Druck-Temperatur-Kennlinie der geforderten Verbraucherkennlinie, beispielsweise einer überproportional, wie mit der dritten Potenz, ansteigenden Lüfterkennlinie, angepasst werden.
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Weiter ist es vorteilhaft, dass das Thermoelement an seinem vom Steuerkolben abgewandten Ende in Wirkverbindung mit einem Überlastelement, wie einer Überlastfeder, vorzugsweise mit einer Druckfeder, steht, insbesondere mit dieser verbunden ist, wobei das Überlastelement die über den Energiespeicher am Steuerkolben angreifende Kraft bzw. Vorspannung begrenzt. Auf diese Weise ist eine Art Druckbegrenzung derart realisiert, dass bei einem einen maximal zulässigen Wert übersteigenden Systemdruck der Steuerkolben über den Drosselkolben mit dem Thermoelement auf Block geht und der zu regelnde Druck auf das Überlastelement am Thermoelement wirkt. Der zu regelnde Druck wird auf den von dem Überlastelement vorgegebenen Wert begrenzt und somit das Thermoelement vor Überlastung geschützt.
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Hinsichtlich der Ausbildung des Steuerkolbens des Ventils ist die Anordnung mit Vorzug so getroffen, dass der Steuerkolben als Differentialkolben auf gemeinsamer Kolbenstange ein Haupt-Kolbenteil und ein zweites Kolbenteil mit einer gegenüber dem Haupt-Kolbenteil unterschiedlicher wirksamer Kolbenfläche aufweist, die zwischen sich einen ersten Fluidraum begrenzen, in den der Versorgungsanschluss einmündet, wobei das Haupt-Kolbenteil mit Steuerkanten oder Steuerkerben den Durchlassquerschnitt zwischen dem ersten Fluidraum und dem Arbeitsanschluss steuert.
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Weiterhin können im Ventilgehäuse eine Verbindungsleitung vom ersten Fluidraum zum Drosselkolben sowie eine von diesem zum Tankanschluss führende Abzweigleitung vorgesehen sein, wobei der Fluiddurchgang zwischen Verbindungsleitung und Abzweigleitung mittels des Drosselkolbens steuerbar ist.
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Wenn im Ventilgehäuse zudem für das die Temperatur am Thermoelement vorgebende Fluid ein Fluidweg zwischen externen Fluidanschlüssen im Ventilgehäuse ausgebildet ist und das Thermoelement in diesem Fluidweg angeordnet ist, ergibt sich die Möglichkeit, das erfindungsgemäße Ventil autark, das heißt ohne externe Fluidleitungen, betreiben zu können. Weiter ist es vorteilhaft, eine vom Thermoelement zum Tankanschluss führende Fluidrückführung vorzusehen, welche vorzugsweise ebenfalls im Ventilgehäuse verläuft. Die Fluidzuführung und die Fluidrückführung bilden eine Art interner Spülfluidkanal für die Temperaturbeaufschlagung des Thermoelements.
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Alternativ kann für das die Temperatur des Thermoelements vorgebende Fluid ein Fluidweg zwischen externen Fluidanschlüssen im Ventilgehäuse ausgebildet sein, wobei das Thermoelement im Fluidweg angeordnet ist. Bei dieser Alternative wird auf einen externen Fluidanschluss zurückgegriffen, wobei die Rückführung des Fluids bzw. des Spülfluids nicht intern über das Ventil- bzw. Pumpengehäuse, sondern extern erfolgt.
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Unabhängig von der Ausgestaltung der Fluidbeaufschlagung bzw. Temperaturbeaufschlagung des Thermoelements kann im Ventilgehäuse zumindest ein dem Thermoelement zugeordneter externer Fluidanschluss ausgebildet sein.
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Die Erfindung betrifft gemäß Patentanspruch 10 auch ein Hydrauliksystem mit mindesten einem hydraulischen Verbraucher und mindestens einem erfindungsgemäßen Ventil zur temperaturabhängigen Ansteuerung des mindesten einen an den Arbeitsanschluss des Ventils angeschlossenen hydraulischen Verbrauchers, wobei der Steuerkolben entsprechend der Temperatur des Thermoelements eine P-A-Fluidverbindung vom Versorgungsanschluss zum Arbeitsanschluss zumindest teilweise freigibt oder versperrt.
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Hierbei kann zumindest ein hydraulischer Verbraucher einem Hydromotor zugeordnet sein, welcher mit einer Verstellpumpe ein hydraulisches System, insbesondere eine Motor-Pumpen-Einheit, bildet, wobei der jeweilige hydraulische Verbraucher, bevorzugt über eine Rückkopplung des Arbeitsdrucks, das Fördervolumen der Verstellpumpe beeinflusst, insbesondere deren Schwenkwinkel vorgibt. Im bevorzugten erfindungsgemäßen Hydrauliksystem ist eine temperaturabhängige Ansteuerung des Hydromotors und folglich dessen Motorleistung realisiert. Aufgrund des funktionsbedingten Einsatzes mindestens einer, vorteilhafterweise mehrerer, Federn, besonders bevorzugt Druckfedern in Reihenschaltung, ist eine temperaturabhängige Regelung eines trägen Systems mit geringer Verstelldynamik erreicht. In dieser Ausführung des erfindungsgemäßen Hydrauliksystems ist der entsprechende hydraulische Verbraucher zweckmäßigerweise als Stellzylinder ausgebildet, der arbeitsseitig an den Arbeitsanschluss des Ventils angeschlossen ist und dessen Kolben den Schwenkwinkel der Verstellpumpe vorgibt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hydrauliksystems treibt der Hydromotor einen Lüfter einer Kühlvorrichtung mit einer von dem hydraulischen System vorgegebenen Lüfterdrehzahl an.
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Erfindungsgemäß ist hierbei eine Axialkolbenpumpe mit integriertem Temperaturregelventil für einen Lüfterantrieb bereitgestellt, ohne dass elektrische oder elektronische Komponenten zum Einsatz kommen.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Figuren und der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnung. Die vorstehend genannten und die weiter angeführten Merkmale können erfindungsgemäß jeweils einzeln oder in beliebigen Kombinationen miteinander realisiert sein. Die in den Figuren gezeigten Merkmale sind rein schematisch und nicht maßstäblich zu verstehen. Es zeigen:
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1 eine Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Ventils sowie eines in Symboldarstellung gezeigten, zugeordneten Hydrauliksystems, wobei der aktive Betriebszustand des Systems bei kaltem Zustand des Fluids dargestellt ist;
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2 eine Stellweg-Temperatur-Kennlinie eines Thermoelements als Teil des erfindungsgemäßen Ventils;
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3 eine Systemdruck-Temperatur-Kennlinie eines erfindungsgemäßen Ventils;
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4 eine gegenüber 1 stärker schematisch vereinfacht gezeichnete Darstellung, die den inaktiven Betriebszustand des ersten Ausführungsbeispiels zeigt;
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5 eine der 4 entsprechende Darstellung, die den aktiven Betriebszustand bei warmem, zu kühlenden Fluid zeigt;
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6 eine den 4 und 5 entsprechende Darstellung, die den Betriebszustand der Druckabschneidung bei Überlast zeigt;
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7 teilweise im Schnitt und teilweise in Symboldarstellung ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ventils, wobei der inaktive Betriebszustand gezeigt ist;
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8 eine gegenüber 7 weiter schematisch vereinfacht gezeichnete Darstellung des zweiten Ausführungsbeispiels, wobei der aktive Betriebszustand bei kaltem Fluid dargestellt ist;
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9 eine entsprechende Darstellung des zweiten Ausführungsbeispiels, wobei der Betriebszustand mit warmem, zu kühlenden Fluid dargestellt ist, und
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10 eine entsprechende Darstellung des zweiten Ausführungsbeispiels, wobei der Betriebszustand mit Druckabschneidung bei Überlast dargestellt ist.
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In der 1 ist teilweise im Schnitt, teilweise in Symboldarstellung ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ventillösung gezeigt. Das als Ganzes mit 10 bezeichnete Ventil weist ein Ventilgehäuse 12 auf, das aus drei Teilen 14, 16 und 18 besteht, die einen sinnfälligen Zusammenbau des Ventilgehäuses 12 entlang entsprechender vertikal verlaufender Trennstellen 20 ermöglichen. Im Hinblick auf eine vereinfachte Darstellung ist die Verbindungslösung im Detail nicht aufgezeigt. In Blickrichtung auf das Ventil 10 nach der 1 gesehen befindet sich auf der Unterseite des Ventilgehäuses 12 ein Versorgungs- oder Pumpenanschluss P, ein Arbeits- oder Nutzanschluss A sowie ein Tankanschluss T, der einen Tank oder Umgebungsdruck aufweist. Des Weiteren sind in Blickrichtung auf die 1 gesehen auf der linken Seite des Ventilgehäuseteiles 16 zwei Fluidanschlüsse 22, 24 vorhanden, die von einem Fluid, beispielsweise in Form von Hydrauliköl, in Pfeilrichtung durchströmbar sind.
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Innerhalb des Ventilgehäuseteiles 18 sind in dessen Längsrichtung verlaufend zwei hintereinander angeordnete Fluidräume 26, 28 vorhanden. In den beiden Fluidräumen 26, 28 und innerhalb der Innenwandung des Ventilgehäuses 12 längs verschiebbar geführt ist ein Steuerkolben 30 vorhanden. Auf seiner Kolbenstange 32 sind gemäß der Darstellung nach der 1 in axialer Richtung voneinander beabstandet drei im Durchmesser gegenüber der Kolbenstange 32 verbreiterte Kolbenteile 34, 36 und 38 vorhanden. Die beiden ring- oder zylinderförmig ausgebildeten Kolbenteile 34, 36 weisen denselben Außendurchmesser auf, wohingegen das Kolbenteil 38 demgegenüber im Durchmesser entsprechend reduziert ist, um im Fluidraum 28 verfahren zu können, der entsprechend von seinem Außendurchmesser her gegenüber dem Fluidraum 26 gleichfalls reduziert ist. Der Fluidraum 28 bildet eine Art Federraum aus, in der ein Energiespeicher in Form einer Druckfeder 40 aufgenommen ist. Die erfindungsgemäße Lösung kann aber auch völlig ohne die Druckfeder 40 auskommen.
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Während die Kolbenstange 32 gemäß der Darstellung nach der 1 auf ihrer rechten Seite über das Kolbenteil 38 axial vorsteht, bildet sie insoweit an ihrer freien Stirnseite eine Anschlagfläche 39 aus für eine mögliche Anlage mit der in Flucht liegenden Innenwand des Ventilgehäuses 12 an dieser Stelle. Auf der gegenüberliegenden Seite geht die Kolbenstange 32 jedoch unmittelbar in das Kolbenteil 34 über, das gemäß der Darstellung nach der 1, die einem kalten Betriebszustand der Ventillösung entspricht, an einem Anschlag 42 anliegt, der dadurch gebildet ist, dass ein weiterer Fluidraum 44 vom Durchmesser kleiner ausgebildet ist als der benachbarte Fluidraum 26, 50 dass insoweit ein Durchmessersprung im Ventilgehäuseteil 16 vorhanden ist, der gegenüber dem Ventilgehäuseteil 18 an der genannten vertikal verlaufenden Trennstelle 20 einen Absatz ausbildet, der als Anschlag 42 für den gesamten Steuerkolben 30 dient, sofern dieser wie in 1 gezeigt in seiner linken Anschlagstellung sich befindet.
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An das linke Kolbenteil 34 des Steuerkolbens 30 schließt sich ein weiteres Kolbenteil 46 an, das im Durchmesser entsprechend gegenüber dem Kolbenteil 30 reduziert im weiteren Fluidraum 44 längs verfahrbar geführt ist. Im vorliegend gezeigten Ausführungsbeispiel ist das weitere Kolbenteil 46 einstückiger Bestandteil des Kolbenteils 30 und entlang eines Absatzes 20 im Durchmesser reduziert; es wäre aber auch denkbar, die Kolbenstange 32 durchzuführen und die beiden Kolbenteile 38 und 46 einstückig miteinander auszugestalten. In Blickrichtung auf die 1 gesehen, weist das weitere Kolbenteil 46 auf seiner linken Seite ein Anschlagteil 48 auf, das in Abhängigkeit der Verfahrstellungen der Kolbenanordnung innerhalb des Ventilgehäuses in Anlage bringbar ist mit einer stirnseitigen Anlagefläche eines mit 50 bezeichneten Drosselkolbens. Der Drosselkolben 50 ist innerhalb des Fluidraumes 44 längs verfahrbar geführt und weist zwei ringförmige Kolbenteile 52, 54 die in axialer Richtung gesehen über ein mittig angeordnetes Kolbenstangenteil 56 auf Abstand zueinander gehalten sind. Der dahingehende Drosselkolben 50 ist vorzugsweise einstückig ausgebildet.
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Im in der 1 gezeigten kalten Betriebszustand der Ventilanordnung ist der Drosselkolben 50 mit der freien Stirnseite des linken Kolbens 52 an einem weiteren Anschlag 58 anliegend, der sich wiederum aus einer Durchmesserreduzierung ergibt, hervorgerufen durch einen vierten Fluidraum 60, der in Axialrichtung der Kolbenanordnung gesehen auf seiner rechten Seite von der Stirnseite des Kolbenteils 52 des Drosselkolbens 50 begrenzt ist und auf seiner anderen gegenüberliegenden Seite von einem Thermoelement 62. Ferner ist der vierte Fluidraum 60 in Axialrichtung des Ventils 10 gesehen von einem zu einem Thermoelement 62 zugehörigen Stellelement 64 durchgriffen.
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Das Thermoelement 62 ist in einer Elementaufnahme 66 innerhalb des Ventilgehäuseteils 16 aufgenommen; in Abhängigkeit von dem Betriebszustand des Ventiles 10 ist aber das Thermoelement 62 in der Lage, sich entgegen der Wirkung eines weiteren Energiespeichers in Form einer weiteren Druckfeder 68 in Blickrichtung auf die 1 nach links zu verschieben, wobei dann das Thermoelement 62 an seiner rechten freien Stirnseite einen Abstand zu einer Anschlagfläche 70 einnimmt, was im Folgenden noch näher beschrieben werden wird. Ansonsten stützt sich die weitere Druckfeder 68 an ihrem einen freien Ende an dem Thermoelement 62 ab und an ihrem anderen freien Ende an der Innenseite des Ventilgehäuseteiles 14, das das Ventilgehäuse 12 nach außen hin in der Art einer Abschlusskappe abschließt. Des Weiteren ist das Thermoelement 62 von einer Ringkammer 72 umfasst, in die die Fluidanschlüsse 22, 24 einmünden.
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Zwischen dem Drosselkolben 50 und dem weiteren Kolbenteil 46 erstreckt sich ein weiterer dritter Energiespeicher in Form einer Druckfeder, die im Folgenden mit Arbeitsfeder 74 bezeichnet ist. Wie die 1 weiter verdeutlicht, münden der Versorgungs- oder Pumpenanschluss P sowie der Arbeitsanschluss A zumindest teilweise in den ersten Fluidraum 26 ein, der von den beiden Kolbenteilen 36, 38 randseitig begrenzt ist. Der Tankanschluss T mündet wiederum in den ersten Fluidraum 26 in den Bereich zwischen den beiden Kolbenteilen 34 und 36 des Steuerkolbens 30. Zwischen demjenigen Teil des ersten Fluidraums 26, der sich zwischen den beiden Kolbenteilen 36 und 38 erstreckt, mündet eine Verbindungsleitung 76 ein, die das Ventilgehäuse 12 in ihrem oberen Bereich in Längsrichtung durchgreift und die mit ihrem anderen Ende in den dritten Fluidraum 44 ausmündet und zwar in denjenigen Bereich, der von den beiden Kolbenteilen 52 und 54 des Drosselkolbens 50 begrenzt ist. Die Verbindungsleitung 76 kann jedoch je nach konstruktiver Ausgestaltung anstelle im oberen Bereich in einem hinteren Bereich (nicht dargestellt) des Ventilgehäuses 12 angeordnet sein. Auf der Unterseite des Ventilgehäuses 12 und in axialer Richtung parallel zu der Verbindungsleitung 76 verlaufend ist eine weitere zweite Verbindungsleitung 78 vorgesehen, die mit ihrem einen freien Ende in den Tankanschluss T ausmündet und mit ihrem anderen freien Ende in den vierten Fluidraum 60. Des Weiteren sind quer verlaufende Abzweigleitungen 80, 82 vorhanden, die ausgehend von der zweiten Verbindungsleitung 78 einmal über die Abzweig-leitung 80 in den Arbeitsfederraum 84 ausmünden, in der sich die Arbeitsfeder 74 erstreckt, und einmal über die Abzweigleitung 82 in Richtung des dritten Fluidraumes 44, wobei im kalten Betriebszustand des Ventiles gemäß der Darstellung nach der 1 die dahingehende zweite Abzweigleitung 82 von dem Kolbenteil 54 des Drosselkolbens 50 völlig überdeckt ist.
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Wie die 1 weiter zeigt, ist an das Ventil 10 ein als Differentialzylinder ausgebildeter Einstellzylinder 86 angeschlossen, was im Folgenden noch näher erläutert werden wird, wobei der Kolben 88 des Einstellzylinders 86 innerhalb des Zylindergehäuses einen Kolbenraum 90 von einem Stangenraum 92 in üblicher Weise fluiddicht separiert. Innerhalb des Stangenraumes 92, der von einer Steuerstange 94 durchgriffen ist, die wiederum vorzugsweise als einstückiger Bestandteil des Kolbens 88 von diesem angesteuert wird, ist eine Rückstellfeder 96 vorgesehen, die in Richtung ihres entspannten Zustandes den Kolben 88 in Blickrichtung auf die 1 von rechts nach links zu bewegen sucht. Die als Kolbenstange ausgebildete Steuerstange 94 bildet in Verbindung mit dem Einstell- oder Verstellzylinder 98 die Verstelleinrichtung (Schwenkwinkel SW) einer Verstellpumpe 98 aus, die beispielsweise als Axialkolbenmaschine ausgebildet sein kann. Als Antrieb für die Verstellpumpe 98 kann ein Elektromotor 100 dienen, der ein konstant- aber auch ein drehzahlveränderlicher Motor sein kann. Anstelle eines Elektromotors kann auch eine sonstige Antriebsquelle treten. Für die vorliegende Funktionsbeschreibung der Regelung wird von einer konstanten Antriebsdrehzahl der Pumpe ausgegangen, wobei das im tatsächlichen Betrieb keine unbedingte Voraussetzung ist. Die Verstellpumpe 98 entnimmt das Hydraulikfluid aus dem Tank T und kann dieses ausgangs über eine Kreuzungsstelle 102 in Richtung des Pumpenanschlusses P liefern und mithin an das Ventil, wobei in die dahingehende Zulaufleitung 104 eine Blende oder Drossel 106 als Druckdifferenz- oder Eingangsdrossel geschaltet ist. Ausgehend von der Kreuzungsstelle 102 ist der Stangenraum 92 des Einstellzylinders 86 fluidführend angeschlossen und auf der gegenüberliegenden Seite der Kreuzungsstelle 102 schließt sich ein Hydromotor 108 an, der als Lüfterantrieb dient und ein Lüfterblatt 110 in der Art eines Rotors antreibt. Das von der Verstellpumpe 98 durch den Hydromotor 108 transportierte Fluid läuft wiederum auf die Tankseite T ab. Die von dem Lüfterblatt 110 in üblicher Weise erzeugte Luftstrommenge durchströmt einen Wärmetauscher 112, beispielsweise ausgebildet als Plattenwärmetauscher, an den ein Hydraulikkreis 114 angeschlossen ist, der beispielsweise zum Betätigen einer nicht näher dargestellten hydraulischen Arbeitsgerätschaft dient und dessen Fluid, das mittels einer weiteren nicht näher dargestellten Pumpeinrichtung durch den Wärmetauscher 112 gefördert wird, zu temperieren, insbesondere zu kühlen ist. Der Hydraulikkreis 114 kann über nicht näher dargestellte Fluidführungen eingangsseitig an den ersten Fluidanschluss 22 und ausgangsseitig an den zweiten Fluidanschluss 24 des Ventils 10 angeschlossen sein; es besteht aber auch die Möglichkeit, in einem separierten Fluidkreis die Temperatur über den ersten und zweiten Fluidanschluss 22 und 24 abzunehmen, der nur indirekt die Betriebstemperatursituation im Hydraulikkreis 114 widerspiegelt. Neben diesen angesprochenen Fluidführungen ist der Kolbenraum 90 des Einstellzylinders 86 über eine weitere Verbindungsleitung 116 an den Arbeitsanschluss A angeschlossen.
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Bevor die Funktion der gezeigten Ventillösung näher erläutert wird, sei noch darauf hingewiesen, dass für eine sinnfällige Funktion die Druckfeder 40 im zweiten Fluidraum 28 auch entfallen kann und dass in prinzipieller Darstellung gezeigt eine Dämpfungsdrossel 118 in eine Fluidverbindung zwischen Nutzanschluss A und Tankanschluss T innerhalb des Ventilgehäuses 12 geschaltet ist. Der Fluidraum 28 sollte gegen die Tankseite T hin entlastet sein, was nicht dargestellt ist.
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Zur Erläuterung der Funktionsweise wird zunächst auf 4 Bezug genommen, in der ein inaktiver Betriebszustand des Ventils 10 und des zugeordneten Hydrauliksystems gezeigt ist. Dabei ist der Systemdruck p0=0, weil bei ausgeschaltetem Antriebs- oder Elektromotor 100 die Antriebsdrehzahl der Stellpumpe 98n An=0. Wie 4 zeigt, ist dabei die Verstellpumpe 98 auf einen vollen Volumenstrom eingestellt, d. h. der Schwenkwinkel SW der Verstellpumpe 98 ist maximiert. Der als Differenzflächenkolben ausgebildete Steuerkolben 30 ist dabei durch die Arbeitsfeder 74 in der rechtsseitigen A-T-Stellung gehalten, so dass der Arbeitsanschuss A und damit der Kolbenraum 90 des Stellzylinders 86 mit dem Tankanschluss T verbunden sind. Aufgrund der hergestellten Tankverbindung zum Kolbenraum 90 wird der im Stellzylinder 90 geführte Kolben 88 durch die Rückstellfeder 96 in seiner einem maximalen Schwenkwinkel SW entsprechenden Stellung gehalten. Das Vorhandensein der Rückstellfeder 96 im Stellzylinder 86 ist für die Funktion nicht zwingend erforderlich, da auch Stellsysteme ohne Federrückstellung durchaus realisierbar sind. Im Übrigen besteht eine permanente Verbindung zwischen Arbeitsanschluss A und Tankanschluss T über die im Ventilgehäuse 12 über die Dämpfungsdrossel 118 gebildete Verbindung. Entsprechend der minimalen Temperatur TFluid=min des Fluids sind der Stellweg S = min des Stellelements 64 des Thermoelements 62 sowie die am Drosselkolben 50 wirkende Kraft F = min minimiert, optimalerweise gleich Null. Folglich verbleibt der Steuerkolben 30 im Wesentlichen unverändert in seiner A-T-Stellung. An der dem Thermoelement 62 zugeordneten Seite liegt der Drosselkolben 50 im inaktiven Betriebszustand an einem Anschlag 58 (s. 5) in Form einer Durchmesserreduzierung im Inneren des Ventilgehäuses 12 an.
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Wird das System aus dem inaktiven Zustand in den aktiven Betriebszustand überführt, dann wird die Verstellpumpe 98 mit Nenndrehzahl nAN angetrieben. Aufgrund des noch kalten Fluids wirkt über das Thermoelement 62 im Wesentlichen keine Kraft F = f(Smin) auf den Drosselkolben 50, so dass dieser die Verbindungsleitungen 76 und 78 über die geschlossene Steuerkante voneinander trennt. Der sich am Versorgungsanschluss P aufbauende Systemdruck p0 wird somit nicht über die Verbindungsleitung 76 abgesenkt und wirkt daher in vorgebbarer Stärke auf die Differenzdruckflächen des Steuerkolbens 30 ein, welcher durch die entstehende hydraulische Gesamtkraft gegen die Arbeitsfeder 74 verschoben wird und dadurch die P-A-Verbindung freigibt, wie in 1 gezeigt. Der aus dem Druckgefälle zwischen dem Versorgungsanschluss P und dem Arbeitsanschluss A resultierende Volumenstrom bewirkt gemeinsam mit dem am Differentialkolben ausgeführten Verstellkolben 88 eine Kraft auf die große Kolbenfläche. Übersteigt diese Kraft die Kraftwirkung der stangenseitig druckbeaufschlagten, und somit kleineren Kolbenringfläche, erfährt der Verstellkolben 88 eine Verschiebung in Richtung seiner in 1 rechtsseitig gesehenen Endposition. Als Folge davon wird zunächst das stangenseitige Volumen des Einstellzylinders 86 auf ein Minimum gebracht, wodurch das Fördervolumen der Verstellpumpe 98 zunächst auf ein Minimum verringert wird, indem der Kolben 88 des Stellzylinders 86 den Schwenkwinkel SW in Richtung auf kleine Werte verändert.
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Der sich einstellende Systemdruck p0 entspricht im Wesentlichen der Summe der Kräfte aus der relativ schwach vorgespannten Arbeitsfeder sowie der erforderlichen Stellkräfte des Pumpenverstellmechanismus und liegt idealerweise unterhalb des für ein Anlaufen des den Lüfter 110 antreibenden Hydromotors 108 erforderlichen Mindestdrucks. Bei eine geringe Temperatur aufweisendem Fluid besitzt das Stellelement 64 des Thermoelements 62 seine minimale Stelllänge, d. h. es ist komplett eingefahren. Fmin ist die aus der minimalen Stelllänge resultierende Kraft, die auf den Drosselkolben 50 wirkt und die im nicht näher definierten kalten Zustand des Fluids annähernd mit Null angenommen werden kann. Das bedeutet für den Drosselkolben 50, dass er bei kaltem Fluid seine Ausgangsposition gegenüber dem inaktiven Betriebszustand gemäß 4 nicht ändert, so dass die Leitungen 76 und 78 wie oben beschrieben durch die geschlossene Steuerkante voneinander getrennt sind. Eine Änderung des Zustands erfolgt erst aufgrund einer eintretenden Temperaturerhöhung des Fluids.
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Dieser Zustand ist in 5 dargestellt. Entsprechend ansteigender Temperatur TFluid des Fluids ergibt sich ein erhöhter Stellweg des Thermoelements 62 bzw. dessen Stellelements 64 und damit eine entsprechende Verschiebung des Drosselkolbens 50.
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Die in 2 gezeigte Stellweg-Temperatur-Kennlinie des Thermoelements 62 soll die Funktion des Thermoelements 62 verdeutlichen und zeigt einen ersten Bereich mit einem regulären Stellweg Sreg, welcher mit einer ersten Steigung, hier nahezu 1, linear mit der Temperatur TFluid des Fluids ansteigt, und einen sich anschließenden zweiten Bereich mit einem nicht-regulären Stellweg Sover, welcher mit einer gegenüber der ersten Steigung verringerten zweiten Steigung linear mit der Temperatur TFluid des Fluids bis zu einem Maximalwert ansteigt. Der reguläre Stellweg Sreg entspricht dabei einem Hub des Thermoelements 62 oder seines Stellelements 64 im Regelbereich, entsprechend entspricht der nicht-reguläre Stellweg Sover einem Überhub des Thermoelements 62 oder seines mit ihm verbundenen Stellelements 64.
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Entsprechend der durch eine Temperaturerhöhung des Fluids bewirkten Verlängerung des Stellweges des Stellelements 64 des Thermoelements 62 ergibt sich eine Verschiebung des Drosselkolbens 50, so dass sich über die Arbeitsfeder 74 eine erhöhte Vorspannung am Steuerkolben 30 ergibt. Die zunehmende Kraft der Arbeitsfeder 74 verschiebt den Steuerkolben 30 in 5 nach rechts, wodurch die Steuerkante am Kolbenteil 36 die P-A-Fluidverbindung vom Versorgungsanschluss P zum Arbeitsanschluss A und weiter zum Kolbenraum 90 des Stellzylinders 86 zunehmend verringert, wodurch eine Bewegung des Kolbens 88 des Stellzylinders 86 den Schwenkwinkel SW der Verstellpumpe 98 zunehmend vergrößert, um das Fördervolumen entsprechend zu erhöhen. Gleichzeitig gibt der Drosselkolben 50 mit der am Kolbenteil 54 befindlichen Steuerkante die Verbindung zwischen der Verbindungsleitung 76 und der zweiten Verbindungsleitung 78, die zum Tankanschluss T führt, zunehmend frei. Dadurch wird der hinter der Eingangsdrossel 106 im Fluidraum 26 auf den Steuerkolben 30 einwirkende Steuerdruck abgesenkt, was bedeutet, dass der an der Druckseite der Verstellpumpe 98 gegebene Systemdruck p0 überproportional ansteigen muss, um das Kräftegleichgewicht am Steuerkolben 30 aufrecht zu erhalten. Die eigentlich lineare Druck-Temperatur-Kennlinie wird dadurch, wie in 3 verdeutlicht, nicht linear, sondern ist an die in der dritten Potenz steigende Lüfterkennlinie angepasst, siehe 3. In dieser sind mit I der Arbeitspunkt des inaktiven Systems, mit II der Arbeitspunkt des aktiven Systems bei kaltem Fluid und mit III ein Arbeitspunkt innerhalb des Regelbereichs bei warmem Fluid angegeben. Wie ersichtlich, ist gegenüber einem dem linearen Druck entsprechenden Steuerdruck P1 wegen des Druckabbaus über den Drosselkolben 50 ein zusätzlicher Druck P2 zur Aufrechterhaltung des im Regelbereich herrschenden Steuerdrucks erforderlich. Mit zunehmender Temperatur des Fluids ergibt sich ein entsprechender Anstieg des Systemdrucks P0 mit entsprechender Erhöhung der vom Hydromotor 108 erzeugten Lüfterdrehzahl.
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Die 6 zeigt einen Betriebszustand, bei dem der Systemdruck P0 auf einen Wert angestiegen ist, der einem Überlastzustand entspricht. Der hierbei im Fluidraum 26 herrschende, auf den Steuerkolben 30 einwirkende Druck erzeugt eine in 6 nach links gerichtete Kolbenkraft einer Stärke, bei der der Kolben mit seinem Anschlagteil 48 (s. 1) mit dem Drosselkolben 50 auf Block geht, anders ausgedrückt am Drosselkolben 50 anliegt, so dass der Druck über den Drosselkolben 50 auf das Stellelement 64 und damit auf das Thermoelement 62 einwirkt. Eine Überlastung des Thermoelements 62 ist jedoch dadurch vermieden, dass die das Thermoelement 62 abstützende weitere Feder 68 als Überlastsicherung dient, die eine nachgebende Bewegung des Thermoelements 62 ermöglicht. Gleichzeitig ist bei der dem Überlastzustand entsprechenden Stellung des Steuerkolbens 30 die P-A-Verbindung am Ventilgehäuse 12 praktisch ungedrosselt, so dass für eine Druckabschneidung der Kolben 88 des Stellzylinders 86 bewegt wird, um den Schwenkwinkel SW der Stellpumpe 98 in Richtung auf minimales Fördervolumen zu bewegen und dadurch eine Druckabschneidung zu bewirken. In 3 ist auf der Druck-Temperatur-Kennlinie mit IV der Arbeitspunkt bei Erreichen des Überlastzustandes angegeben.
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Die 7 bis 9 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel. Dieses unterscheidet sich vom ersten Beispiel dadurch, dass im Ventilgehäuse 12 eine interne Fluidzuführung über eine Fluidleitung 27 vom Versorgungsanschluss P zum Anschluss 22 am Thermoelement 62 und von diesem über eine Rückleitung 29 zur zweiten Verbindungsleitung 78 und damit zum Tankanschluss T vorgesehen ist. Da somit eine interne Spülfluidleitung für das die Temperatur des Thermoelements vorgebenden Fluids vorgesehen ist, könnte alternativ auf den externen Anschluss 22 des Thermoelements an sich verzichtet werden, wie er in der Zeichnung dargestellt ist. Die interne Fluidverbindung stellt insoweit eine Alternative zum externen Anschluss dar, falls ein völlig autarker Betrieb des Lüfterantriebes gewünscht ist. Die interne Fluidleitung 27 ist mit dem Versorgungsanschluss P über eine Eingangsdrossel 31 verbunden, und eine zweite Eingangsdrossel 33 befindet sich zwischen dem Versorgungsanschluss P und dem Fluidraum, der an das Kolbenteil 38 angrenzt. Ein weiterer Unterschied gegenüber dem ersten Beispiel besteht darin, dass hinter dem Versorgungsanschluss P eine Trennung von Steuerfluid und Stellfluid gebildet ist, indem der Steuerkolben 30 zwischen dem endseitigen Kolbenteil 38 und dem Kolbenteil 36 ein Zwischenkolbenteil 35 aufweist, das die gleiche wirksame Kolbenfläche wie das Kolbenteil 36 besitzt. In den Fluidraum 26 zwischen dem Kolbenteil 36 und dem Zwischenkolbenteil 35 mündet ein vom Versorgungsanschluss P abzweigender Fluidarm 37. Diese Trennung zwischen dem im Fluidraum 26 als Steuerkraft am Steuerkolben 30 wirksamen Steuerdruck und dem Stelldruck, der über den abzweigenden Fluidarm 37 in der vom Kolbenteil 36 gesteuerten Weise am Arbeitsanschluss A ansteht, eröffnet die Möglichkeit, mit einem Steuerdruck zu arbeiten, der unterhalb des erforderlichen Mindeststelldruckes des Einstellzylinders 86 liegt. Ein entsprechend niederer Steuerdruck mit geringen, erforderlichen Federhärten am Steuerkolben 30 ermöglicht einen geringeren Steuerölverbrauch und insoweit geringeren Wirkungsgradverlust am Regelventil.
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Im Übrigen entspricht die Funktionsweise des zweiten Ausführungsbeispiels derjenigen des ersten Ausführungsbeispiels, so dass hierauf nicht näher eingegangen werden muss.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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