DE102014207674A1

DE102014207674A1 - Ventilanordnung

Info

Publication number: DE102014207674A1
Application number: DE102014207674.9A
Authority: DE
Inventors: Hooshiar Mahdjour
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2014-04-24
Filing date: 2014-04-24
Publication date: 2015-10-29

Abstract

Die Erfindungsmeldung betrifft eine Ventilanordnung (1), insbesondere für einen Kühlkreislauf eines Verbrennungsmotors, mit einem zwischen einer Zuleitung (7) und einer Ableitung (8) eingebrachten Ventil (3) mit einem Ventilstück (5) mit einem von einem Fluidstrom eines Fluidkreislaufs durchströmten, nach außen abgedichteten Arbeitsvolumen (15) und einem abhängig von einem Betätigungszustand eines axial wirksamen Ventiltreibers (4) einstellenden, gegenüber einer Dichtfläche des Ventilstücks (5) verlagerbaren Dichtelement (20, 21) und einer den Ventiltreiber (4) steuernden Steuereinrichtung. Um Dichtigkeitsprobleme und Verschleißprobleme von dynamischen Dichtungen zwischen Ventiltreiber (4) und Dichtelement (10, 11) zu vermeiden, sind der Ventiltreiber (4) vollständig außerhalb des Arbeitsvolumens (15) und das Dichtelement (10, 11) vollständig innerhalb des Arbeitsvolumens (15) angeordnet und das Dichtelement (10, 11) und das Ventilstück (5) gegeneinander mittels eines das Arbeitsvolumen (15) flexibel ändernden Wellrohrs (6) gegeneinander verlagerbar vorgesehen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindungsmeldung betrifft eine Ventilanordnung, insbesondere für einen Kühlkreislauf eines Verbrennungsmotors, mit einem zwischen einer Zuleitung und einer Ableitung eingebrachten Ventil mit einem Ventilstück mit einem von einem Fluidstrom eines Fluidkreislaufs durchströmten, nach außen abgedichteten Arbeitsvolumen und einem abhängig von einem Betätigungszustand eines axial wirksamen Ventiltreibers einstellenden, gegenüber einer Dichtfläche des Ventilstücks verlagerbaren Dichtelement und einer den Ventiltreiber steuernden Steuereinrichtung.
Hintergrund der Erfindung
Bei den meisten Anwendungen im Maschinenbau müssen bestimmte Systembereiche gezielt mittels Kühlkreisläufen mit unterschiedlichen flüssigen oder gasförmigen Fluiden gekühlt werden. In Kraftfahrzeugen kann ein effizientes Kühlverfahren eine Reduzierung des Treibstoffverbrauchs und der CO₂-Emission ermöglichen. Hierzu müssen intelligente Kühlwasserzirkulationen zwischen mehreren Teilen wie beispielsweise Zylinderkurbelgehäuse, Motorkühler, Abgasturbolader und dergleichen stattfinden. Bis vor wenigen Jahren wurde das Kühlwasser ohne beträchtliche kontrollierte Dosierung durch die verschiedenen Teile gepumpt, wobei gegebenenfalls manche Teile zu wenig und andere zu stark gekühlt wurden. Nachfolgend wurden spezifisch kühlende Kühlkreisläuse vorgeschlagen. Beispielsweise ist es vorteilhaft, manche Bereiche, wie das Motoröl beim Motorstart schnell auf Temperaturen gegen 125°C zu erwärmen, das heißt, die anfangs entstehende oder von anderen Wärmequellen herangeführte Wärme zuerst dem Motoröl zuzuführen. Hierzu werden Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotoren mit intelligenten Thermomanagementsystemen mit mehreren schaltbaren Ventilanordnungen ausgerüstet.
Beispielsweise können zur Bereitstellung eines fein dosierbaren Kühlkreislaufs aus der EP 1 431 643 A1 bekannte Ventile mit zwei aufeinander abgestimmten Drehschiebern vorgesehen werden. Dabei ist zwischen den Drehschiebern und einem diese aufnehmenden Ventilstück eine dynamische Dichtung vorgesehen, die in jeder Drehposition ein Arbeitsvolumen des Kühlkreislaufs abdichtet. Derartige dynamische, das heißt während einer Verdrehung der Drehschieber gegenüber dem Ventilstück dynamisch belastete Dichtungen sind aufwendig und verschleißanfällig. Desweiteren sind zusätzliche Dichtungen der Drehlager der Drehschieber gegenüber dem Gehäuse notwendig.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist, eine Ventilanordnung insbesondere für einen Kühlkreislauf eines Verbrennungsmotors vorzuschlagen, bei der auf dynamische Dichtungen verzichtet werden kann.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Die von dem Anspruch 1 abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen des Gegenstands des Anspruchs 1 wieder.
Die vorgeschlagene Ventilanordnung ist insbesondere für einen Kühlkreislauf eines Verbrennungsmotors vorgesehen. Weiterhin kann die Ventilanordnung in anderen Kühlkreisläufen eingesetzt werden. Durch Kombination mehrerer, beispielsweise mit unterschiedlichen
Öffnungsquerschnitten versehene Ventilanordnungen kann ein verzweigter und/oder mit unterschiedlichen Fluidströmen versehender Kühlkreislauf gebildet werden. Die vorgeschlagene Ventilanordnung enthält ein Ventil mit einem zwischen einer Zuleitung und einer Ableitung angeordneten wie eingebrachten Ventilstück. Das Ventil weist ein von einem Fluidstrom eines Fluidkreislaufs wie Kühlkreislaufs durchströmten, nach außen abgedichtetes Arbeitsvolumen auf. Die Betätigung des Ventiles erfolgt mittels eines bezüglich seiner Betätigungsrichtung axial wirksamen Ventiltreibers. Abhängig von einem Betätigungszustand des Ventiltreibers verstellt sich gegenüber einer Dichtfläche des Ventilstücks ein gegenüber dem Ventilstück verlagerbares, das Ventil öffnendes und schließendes Dichtelement. Der Ventiltreiber wird von einer Steuereinrichtung gesteuert. Zur Vermeidung dynamischer Dichtungen zwischen dem Ventilstück und dem Dichtelement erfolgt eine komplette Trennung des Ventiltreibers und seiner mechanischen Komponenten von dem Dichtelement einerseits und von dem Arbeitsvolumen des Ventils andererseits. Hierzu ist der Ventiltreiber vollständig außerhalb des Arbeitsvolumens und das Dichtelement ist vollständig innerhalb des Arbeitsvolumens angeordnet. Die mechanische Verbindung zwischen dem Ventiltreiber und dem Dichtelement zur Betätigung des Dichtelements durch den Ventiltreiber erfolgt unter Zwischenschaltung eines Wellrohrs. Hierbei sind das Dichtelement und das Ventilstück gegeneinander mittels eines das Arbeitsvolumen flexibel ändernden Wellrohrs gegeneinander verlagerbar angeordnet. Dies bedeutet, dass der Ventiltreiber das Wellrohr außerhalb des Arbeitsvolumens betätigt und das Wellrohr die Betätigungsbewegung auf das innerhalb des Arbeitsvolumens befindliche Dichtelement überträgt. Dabei wird die axiale Betätigungsbewegung des Ventiltreibers durch die axiale Flexibilität des Wellrohrs kompensiert. Das Innenvolumen des Wellrohrs steht in Verbindung mit dem Arbeitsvolumen und wird durch das Volumen des Fluidkreislaufs ausgeglichen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform erfolgt die axiale Betätigungsbewegung des Ventiltreibers im Wesentlichen achsparallel zu einer Strömungsachse des Fluids zwischen Zuleitung und Ableitung. Beispielsweise können hierzu das Dichtelement und das Ventilstück zueinander komplementäre Dichtflächen und Öffnungsquerschnitte aufweisen. Das Dichtelement ist dabei zwischen Zuleitung und Ableitung axial gegen den Ventilkörper verlagerbar aufgenommen. Die Zuleitung und die Ableitung beziehungsweise das die Ableitung aufnehmende Ventilstück können dabei gehäusefest aufgenommen sein. Das Dichtelement ist innerhalb des Wellrohrs angeordnet. Mit dem Wellrohr ist außerhalb des Arbeitsvolumens beziehungsweise des Innenvolumens des Wellrohrs ein von dem Ventiltreiber axial verlagerter Haltering verbunden. Bei einer axialen Verlagerung des Dichtelements mittels des Halterings gegen das Ventilstück treffen die komplementären Dichtflächen und Öffnungsquerschnitte des Dichtelements und des Ventilstücks aufeinander und dichten gegeneinander ab und verschließen damit das Ventil. Bei einer axialen Verlagerung des Ventiltreibers beziehungsweise eines gegenüber einem Gehäuse des Ventiltreibers axial verlagerbaren Betätigungsbolzens trennen sich die komplementären Dichtflächen und Öffnungsquerschnitte wieder und das Ventil wird geöffnet.
In einer einfachen Ausführungsform kann ein rundes Dichtelement eine im Wesentlichen halbkreisförmige Dichtfläche und einen gegenüberliegenden, halbkreisförmigen Öffnungsquerschnitt aufweisen. An dem Ventilstück oder einem vorgelagerten Wellrohrabschnitt sind hierzu komplementär ein halbkreisförmiger Öffnungsquerschnitt und eine halbkreisförmige Dichtfläche vorgesehen. Beispielsweise zur besseren Strömungsgestaltung können mehrfach über den Umfang abwechselnde, beispielsweise fächerförmige, gitterförmige oder in anderer Weise abwechselnd angeordnete Dichtflächen und Öffnungsquerschnitte vorgesehen sein.
Dichtflächen des Dichtelements und Öffnungsquerschnitte des Ventilstücks und umgekehrt können im geschlossenen Zustand plan aneinander liegen, so dass die Kanten oder an diesen ausgebildete Gegendichtflächen gegenüber den Dichtflächen abdichten. Es hat sich beispielsweise zur Verbesserung der Dichtwirkung und zur Einstellung einer weniger sprunghaften Ausbildung des Fluidstroms während des Öffnens und Schließens des Ventils als vorteilhaft erwiesen, die Dichtflächen wie Oberflächen der Dichtflächen kappenartig, das heißt als Dichtkappen auszubilden, die axial in die Öffnungsquerschnitte eingreifen. Durch kalottenartige, runde oder abflachende Übergangsbereiche zwischen den Dichtkanten der Öffnungsquerschnitte und den Dichtflächen kann ein sprungartiger Anstieg oder ein sprungartiges Abfallen des Fluidstroms während der Betätigung des Ventils vermieden werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Ventilanordnung sind das Wellrohr und der Ventiltreiber bezüglich seiner Wirkrichtung quer zu einer Achse zwischen Zuleitung und Ableitung angeordnet. Hierbei ist das Dichtelement als gegenüber dem Ventilstück verlagerbarer Schieber ausgebildet. Der Schieber verschließt dabei den Öffnungsquerschnitt des Ventilquerschnitts bevorzugt als Flachschieber mittels einer radialen Bewegung durch axiale Verlagerung des Druckstücks des Ventiltreibers. Das Druckstück belastet dabei eine Stirnseite des Wellrohrs, das innerhalb des Innenvolumens den Schieber belastet, so dass Ventiltreiber und der als Dichtelement wirksame Schieber voneinander räumlich getrennt sind.
Während der Betätigung des Schiebers wird das Wellrohr axial elastisch verlagert, so dass sich dessen Innenvolumen verändert. In vorteilhafter Weise ist hierbei das Innenvolumen des Wellrohrs mit einem Teil des durch den Schieber getrennten Arbeitsvolumens verbunden. Bevorzugt ist eine Verbindung des Innenvolumens bei geschlossenem Ventil mit dem mit der Zuleitung verbundenen Teil des Arbeitsvolumens vorgesehen. Bei teilweise oder vollständig geöffnetem Ventil steht das Innenvolumen mit dem gesamten Arbeitsvolumen in Verbindung.
Der Ventiltreiber ist aus einem Gehäuse und einem gegenüber diesem beispielsweise elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch verlagerten Druckstück gebildet. Beispielsweise kann der Ventiltreiber als monostabiles Relais, beispielsweise als Magnetschalter gebildet sein, welches das Dichtelement entgegen der Wirkung eines Energiespeichers verlagert, so dass das Dichtelement bei Betätigung des Relais von dessen Druckstück verlagert wird und der Energiespeicher vorgespannt wird. Bei Deaktivierung des Relais kehrt das Druckstück mittels der Vorspannung des Energiespeichers in seine Ausgangsstellung zurück. Hierbei kann das Ventil von dem Energiespeicher vorgespannt geschlossen sein und von dem Ventiltreiber aktiv geschlossen werden. In bevorzugter Weise ist das Ventil im nicht aktiven Zustand des Ventiltreibers geöffnet und wird entgegen der Wirkung des Energiespeichers geschlossen und bei nicht aktivem Ventiltreiber mittels des Energiespeichers wieder geöffnet. Der Energiespeicher kann je nach Anordnung zwischen dem Druckstück oder dem Dichtelement und einem gehäusefesten Anschlag als eine auf Zug oder Druck belastete Schraubenfeder wie Zug- oder Druckfeder, eine Tellerfeder, ein Tellerfederpaket oder dergleichen ausgebildet sein.
Alternativ kann der Ventiltreiber als elektrischer, pneumatischer oder hydraulischer Servomotor ausgebildet sein, so dass das Dichtelement schrittweise, bevorzugt proportional zu einer Sollvorgabe betätigt werden kann. Der Servomotor kann selbsthemmend ausgebildet sein, so dass das Ventil in einer vorgegebenen Öffnungs- oder Schließposition ohne Betätigung des Ventiltreibers wie Servomotor gehalten werden kann. Zusammenfassend ausgedrückt, kann mithilfe der vorgeschlagenen Ventilanordnung eine Aktuatorik eines Ventils, beispielsweise ein Ventiltreiber vollständig außerhalb des Fluidkreislaufs, beispielsweise eines in einem Nassraum geführten Kühlmittels eines Kühlkreislaufs eines Verbrennungsmotors platziert werden. Zwischen dem Nass- und Trockenraum sind keine sich bewegenden Teile vorgesehen. Prinzipiell lassen sich daher Ventiltriebe wie kostengünstige Bürstenmotoren einsetzen, deren Einsatz in Nassräumen nicht empfehlenswert ist.
Durch die Dezentralisierung eines Kühlmittelverteilersystems mittels entsprechend verteilter Ventilanordnungen lassen sich Subkühlmittelverteiler an entsprechenden Positionen in Kühlkreisläufen integrieren und damit Konstruktionsaufwand reduzieren und Bauraum sparen.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die Erfindung wird anhand der in den 1 bis 8 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine Ventilanordnung in schematischer Darstellung,
2 ein Detail der 1,
3 einen beweglichen und einen statischen Scheibenteller der 1 und 2,
4 eine gegenüber der Ventilanordnung der 1 bis 3 abgeänderte Ventilanordnung mit Schieber in schematischer Darstellung,
5 die Ventilanordnung der 4 im Querschnitt (a, b) und in Seitenansicht (c, d) jeweils in betätigtem und nicht betätigtem Zustand,
6 die Ventilanordnung der 1 bis 5, schematisch dargestellt entsprechenden Bauräumen,
7 einen ausschnittsweise in schematischer Darstellung dargestellten Kühlkreislauf mit Ventilanordnungen der 1 bis 6 und
8 ein elektrisches Schaltbild zur Steuerung von Ventilanordnungen der 1 bis 7.
Ausführliche Beschreibung der Figuren
Die Ventilanordnungen 1, 101 der 1 bis 6 zeigen eine Anbringung der Aktuatoren 2, 102 in Form der Ventiltreiber 4, 104 des Ventils 3, 103 vollständig außerhalb einer Kühlmittelregion wie einem Nassraum. Es wird kein sich bewegendes Teil zwischen dem Nass- und Trockenraum, beispielsweise ein Drehlager eines Drehschiebers, ein Druckstück eines Schiebers und dergleichen vorgesehen und eine Weitergabe des mechanischen Impulses des Aktuators räumlich getrennt in den Nassraum eingeleitet.
Die 1 zeigt schematisch das Grundkonzept und die Architektur der Ventilanordnung 1 für einen Kühlmittelkreislauf mit dem Ventil 3, dem Aktuator 2 in Form des Ventiltreibers 4 und dem das Ventilstück 5 des Ventils 3 bildenden Wellrohr 6 wie Wellschlauch oder Schlauchrohr mit der Zuleitung 7 des Fluids wie Kühlmittels in Richtung des Pfeils 9 und der Ableitung des Fluids. Das Wellrohr 6, die gehäusefest aufgenommene Zuleitung 7 und die gehäusefest aufgenommene Ableitung 8 liegen damit in einer Achse der Fluidströmung. In jeweils einem Wellring 12, 13 des Wellrohrs 6 sind ein statischer Scheibenteller 10 und ein axial verlagerbarer Scheibenteller 11 in dem Innenvolumen 14 des Wellrohrs 6 angeordnet. Die Zuleitung 7, das Wellrohr 6 mit dem Innenvolumen 14 und die Ableitung 8 bilden das Arbeitsvolumen 15 des Ventils 3. Die Wellringe 12, 13 sind in einem statischen, gehäusefest aufgenommenen Haltering 16 und einem axial verlagerbaren Haltering 17 aufgenommen. Der axial verlagerbare Haltering 17 und damit der mittels des Wellrings 13 räumlich von dem Haltering getrennte Scheibenteller 11 sind zusammen entlang der Längsachse des axial flexiblen Wellrohrs gegenüber dem gehäusefest aufgenommenen Haltering 16 verlagerbar, so dass die beiden Dichtelemente 10, 11 bildende Scheibenteller gegeneinander verlagert werden können und gegeneinander abdichten und damit das Ventil 3 schließen können. Hierzu weisen die beiden Dichtelemente 10, 11 jeweils zueinander komplementäre Öffnungsquerschnitte 18, 19 und Dichtflächen 20, 21 auf. Die Dichtflächen 20, 21 sind als sogenannte Scheibenkappen axial kappenartig wie kalottenartig erweitert. Die kappenartigen Erweiterungen der Dichtflächen 20, 21 bewirken beim axialen Zusammenbringen mit den komplementären Öffnungsquerschnitten 18, 19 eine Abdichtung der Dichtelemente 10, 11 gegeneinander und damit eine Dichtung zwischen Zuleitung 7 und Ableitung 8.
Der axial verlagerbare Haltering 17 und damit das Dichtelement 11 ist über den Wellring 13 mittels des Aktuators 2 gesteuert axial verlagerbar. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der als Aktuator 2 ausgebildete Ventiltreiber 4 als monostabiles Relais 22 ausgebildet. Der Betätigungsbolzen 23 des monostabilen, beispielsweise elektrisch betriebenen Relais 22 ist entlang der Längsachse des in der gleichen Richtung flexiblen Wellrohrs 6 gegenüber dem fest aufgenommenen Gehäuse 24 axial verlagerbar. Ist das Relais 22 bestromt, wird der axial verlagerbare Haltering 17 unter Komprimierung der Energiespeicher 25 in Richtung der Pfeile 26 verlagert, so dass die Dichtelemente 10, 11 voneinander beabstandet sind und einen Fluidstrom zwischen der Zuleitung 7 und der Ableitung 8 ermöglichen: das Ventil 3 ist geöffnet. Zur besseren Führung des Halterings 17 und einer Vermeidung eines Verkantens ist dieser an einem der dem Betätigungsbolzen 23 gegenüberliegenden Seite angeordneten, ebenfalls einen Energiespeicher 25 aufweisenden Führungsstift 27 axial geführt. In weiteren Ausführungsformen können der Betätigungsbolzen 23 und mehrere, bevorzugt zwei Führungsstifte 27 über den Umfang verteilt angeordnet sein.
Die 2 zeigt die Ventilanordnung 1 mit dem als Ventiltreiber 4 in Form des Relais 22 ausgebildeten Aktuator 2 und dem Ventil 3 im geschlossenen Zustand des Ventils 3. Hierbei ist das Relais 22 stromlos geschaltet, so dass die Energiespeicher 25 den Haltering 17 mit Unterstützung des Drucks des in Richtung des Pfeils 9 anliegenden Fluidstroms gegen den axial festen Haltering 16 verlagern. Hierbei werden die in den Wellringen 12, 13 aufgenommenen Scheibenteller 10, 11 gegeneinander gepresst, so dass Dichtelemente 20, 21 in die Öffnungsquerschnitte 18, 19 (1) eintreten und gegeneinander abdichten: das Ventil 3 ist geschlossen. In diesem Fall ist das Ventil 3 im nicht betätigten Zustand des Aktuators 2 geschlossen. Das Wellrohr 6 wird dabei zwischen den beiden Halteringen 16, 17 axial verpresst und zwischen der Zuleitung 7 und dem Haltering 17 gedehnt. Um eine sichere Dichtwirkung zu erzielen, sind die axiale Höhe der Dichtflächen 20, 21 der Dichtelemente 10, 11, die Druckkraft der Energiespeicher 25 und der Abstand der Halteringe 16, 17 so aufeinander abgestimmt, dass die Dichtflächen 20, 21 die Öffnungsquerschnitte 18, 19 komplett schließen und abdichten.
Die Energiespeicher 25 können durch eine entsprechende axialelastische Ausbildung des axial elastischen Wellrohrs 6 unterstützt werden oder ganz entfallen. Soll das Ventil 3 bei bestromtem Relais 22 geschlossen werden, genügt eine Umlagerung der Energiespeicher 25 an den Führungsstiften 27 und an dem Betätigungsbolzen 23 oder eine Verwendung der Energiespeicher 25 als Zug- beziehungsweise Druckfedern. Das Relais 22 kann im bestromten Zustand den Betätigungsbolzen 23 ziehend oder drückend ausgebildet sein.
Das Wellrohr 6 weist bei vorgegebener axialer Elastizität eine ausreichende Robustheit gegenüber mechanischen und thermischen Belastungen auf. Die in 1 dargestellten Dichtelemente 10, 11 weisen zwei jeweils sich radial gegenüberliegende Dichtflächen 20, 21 und Öffnungsquerschnitte 18, 19 auf und sind damit vergleichsweise einfach aufgebaut. Prinzipiell lassen sich andere, von dem Erfindungsgedanken umfasste Formen und Strukturen, beispielsweise die in der 3 dargestellten rosettenförmigen Strukturen anwenden. Hierbei wechseln sich an den Dichtelementen 10a, 11a über den Umfang die Dichtflächen 20a, 21a mit Öffnungsquerschnitten 18a, 19a ab. In einem mittleren Kreisabschnitt wechseln sich wieder zwei radial gegenüberliegende Dichtflächen 20b, 21b und komplementär angeordnete Öffnungsquerschnitten 18b, 19b ab. Durch die über die Querschnittsfläche der Dichtelemente 10a, 11a homogene Verteilung von Öffnungsquerschnitten 18a, 18b, 19a, 19b und Dichtflächen 20a, 20b, 21a, 21b wird eine bessere Durchströmung des Ventils 3 (1 und 2) erzielt.
Die 4 zeigt in schematischer Darstellung die Ventilanordnung 101 mit dem Ventil 103 und dem nur teilweise dargestellten, das Ventil 103 betätigenden Aktuator 102. Das Ventilstück 105 leitet das im Fluidkreislauf mittels des Fluidstroms transportierte Fluid wie Kühlmittel eines Kühlkreislaufs in Richtung der Pfeile 109 zwischen der Zuleitung 107 und der Ableitung 108 durch das Ventil 103. Das Ventil 103 regelt den Durchfluss des Fluids mittels des quer, beispielsweise senkrecht zu der Strömungsachse a angeordneten und verlagerbaren Schiebers 128, der als Dichtelement 120 den Öffnungsquerschnitt 118 des Arbeitsvolumens 115 verschließt und teilweise oder vollständig freigibt.
Hierzu verlagert der Betätigungsbolzen 123 eines nicht detailliert dargestellten Ventiltreibers 104 als Ausführungsform des Aktuators 102 den Schieber 128 in die Richtungen des Doppelpfeils 126. Zur Trennung des Außenraums von dem Arbeitsvolumen 115 ist das Wellrohr 106 mit den beiden Halteelementen 116, 117 vorgesehen. Die Halteelemente 116, 117 dichten das Wellrohr 106 nach außen unter Einschluss des Innenvolumens 114 ab, wobei das Halteelement 117 fest mit dem Ventilstück 105 und das Halteelement 116 außen mit dem Betätigungsbolzen 123 und innen mit dem Schieber 128 verbunden ist. Bei einer Verlagerung des Schiebers 128 zum Schließen des Ventils 103 wird das Wellrohr elastisch zusammenpresst und beim Öffnen wieder entlastet. Um den hierfür notenwendigen Volumenausgleich zwischen dem sich hierbei ändernden Innenvolumen 114 und dem Arbeitsvolumen 115 auszubilden, ist in dem Halteelement 116 die Ausgleichsöffnung 129 vorgesehen, die hier zwischen dem zwischen der Zuleitung 107 und dem Schieber 128 gebildeten Teilvolumen 130 des Arbeitsvolumens 115 und dem Innenvolumen 114 angeordnet ist.
Die 5a und 5b zeigen die Querschnitte durch die Ventilanordnung 101 der 4 bei geöffnetem Ventil 103 (5a) und bei geschlossenem Ventil 103 (5b). Die 5c und 5d zeigen Längsschnitte der Ventilanordnung entlang der Strömungsachse a der Ventilanordnung 101 der 4 in geöffnetem Zustand (5c) und in geschlossenem Zustand (5d). Das Wellrohr 106, beispielsweise ein Wellschlauch ist in dem Gehäuse 131 geführt und aufgenommen. Das Gehäuse 131 dient dem Schutz und der geradlinigen Führung des Wellrohrs 106 entlang der Betätigungsachse b (5d) des Betätigungsbolzens 123 des Ventiltreibers 104. Der Ventiltreiber 104 kann beispielsweise als elektromagnetisch schaltendendes Relais, Servomotor oder dergleichen ausgebildet sein. Das Wellrohr 106 kann im Querschnitt rund, rechteckig wie quadratisch oder in anderer Weise ausgebildet sein. In gleicher Weise ist der Querschnitt des Schiebers 128 rechteckig wie quadratisch oder in anderer Weise ausgebildet. Der Öffnungsquerschnitt 118 ist bevorzugt rund ausgebildet, kann aber auch in anderer Weise ausgebildet sein. Die Randflächen des Schiebers 128 sind gegenüber dem Ventilstück 105 mittels der aus Dichtschienen gebildeten Dichtelemente 132 abgedichtet, um einen Leckstrom des Fluids bei geschlossenem Ventil 103 zu verhindern.
Der Ventiltreiber 104 kann so angesteuert werden, dass er nicht nur die Zustände ZU und AUF annehmen kann, sondern auch Betätigungszustände zwischen diesen beiden extremen Betätigungszuständen, wobei der Öffnungsquerschnitt 118 jeweils teilweise bedeckt ist. Hierdurch kann insbesondere bei mehreren Fluid- wie Kühlmittelsträngen eines Fluidkreislaufs wie Kühlkreislaufs eine anwendungsorientierte Verteilung des Fluids wie Kühlmittels erzielt werden. Die Ventile 103 können von einem zentralen Steuergerät angesteuert und kontrolliert werden, indem mehrere der vorgeschlagenen Ventilanordnungen 101 und/oder Ventilanordnungen 1 (1) vorgesehen und bevorzugt von einer einzigen Steuereinrichtung gesteuert werden. Die Ventiltreiber 104 sind hierbei bevorzugt als Servooder Schrittmotoren ausgebildet. Die Ventiltreiber 104 können mit einer entsprechenden Sensorik ausgestattet sein, die den Betriebsstatus, die Position, die Bewegungsrichtung der Schieber 128 ermittelt und an die Steuereinrichtung weiterleitet. Bei einer Ausbildung der Ventiltreiber 4, 104 als Relais kann eine Kontaktsensorik ausreichend sein, die ausgibt, ob sich das Ventil 103 im Zustand ZU oder AUF befindet.
Die 6a zeigt in schematischer Darstellung die Ventilanordnung 1 der 1 und 2. Die 6b zeigt die Ventilanordnung 101 der 4 und 5 in schematischer Darstellung. Die Ventilanordnungen 1, 101 sind jeweils als kompakte Baueinheiten dargestellt, die flexibel und modular in einem Fluidkreislauf einsetzbar sind. Die von entsprechenden Gehäusen 33, 133 umgebenen Ventilanordnungen 1, 101 besitzen eine einheitliche, bevorzugt standardisierte Schnittstelle 34, 134 zur Energieversorgung und Steuerung. Beispielsweise sind Spannungsleitungen U₁, U₂ für eine Gleichspannungsversorgung des Ventiltreibers 4, 104 und der Sensorleitung U_sens für ein Sensorsignal vorgesehen.
Die 7 zeigt eine schematische Darstellung eines verzweigten Kühlkreislaufs 200 mit einer Ventilanordnung 1 mit einem als Relais ausgebildeten Ventiltreiber 4 und drei Ventilanordnungen 101 mit als Servomotoren ausgebildeten Ventiltreibern 104. Diese vier Ventilanordnungen 1, 101 steuern hier als Subkühlmittelverteiler den Kühlmittelfluss in verzweigten Subkühlmittelkreisen 202, 203, 204, 205 und stehen in Verbindung mit dem gemeinsamen Kühlmittelkanal 201. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel münden die Subkühlmittelkreise 202, 203, 204 mit den Ableitungen 8, 108 der Ventile 3, 103 in dem Kühlmittelkanal 201, während das Ventil 103a mit dessen Zuleitung 107a den Subkühlmittelkreis 205 mit Kühlmittel aus dem Kühlmittelkanal 201 versorgt. In der dargestellten Ausführungsform sind beispielsweise gerade die Subkühlmittelkreise 202, 205 geschlossen und die Subkühlmittelkreise 203, 204 geöffnet. Die Ventilanordnungen 1, 101 sind in einem gemeinsamen Gehäuse 206 untergebracht. Die Subkühlmittelverteiler lassen sich als selbstständige Module installieren und einsetzen. Die Subkühlmittelverteiler können von einer zentralen Steuereinrichtung gesteuert werden. Hierdurch können für jede Anwendung mit unterschiedlichen Strömungsverteilungsanforderungen in Baukastenweise die gleichen Ventilanordnungen 1, 101 und dieselbe Steuereinrichtung verwendet werden. Die Subkühlmittelverteiler können dezentralisiert und gegebenenfalls einzeln optimal platziert und in einen Kühlkreislauf integriert werden, so dass Konstruktionsaufwand und Bauraum gespart werden kann.
Die 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Steuereinrichtung 301 zur Steuerung der Ventilanordnungen 1, 101 beziehungsweise dem Kühlkreislauf 200 der vorhergehenden Figuren in schematischer Darstellung mit drei Ventiltreibern 104 in Form eines Servomotors und einer Ventilanordnung 1 mit einem Ventiltreiber 4 in Form eines Relais. Die Steuereinrichtung 301 enthält den Spannungsregler V_reg, den Mikrokontroller µC, drei H-Brücken für jeden Ventiltreiber 104 mit Servomotor und einen Leistungsverstärker Drv für den Ventiltreiber 4. Der Spannungsregler V_reg versorgt die Bauteile der Steuereinrichtung 301 aus der Batteriespannung U_batüber die Versorgungsleitungen U_c, U₀, dargestellt ist jedoch nur die Versorgung des Mikrocontrollers µC. Zum Treiben der Ventiltreiber 4, 104 über die Spannungsleitungen U_1,U₂ weist der Mikrokontroller µC drei Pulsweitenmodulationsausgänge PWM1, PWM2, PWM3 für die Eingänge der H-Brücken auf. Von einem Ausgang I/O wird der Leistungsverstärker Drv angesteuert, um das Relais des Ventiltreibers 4 zu betreiben. Die Sensorleitungen U_sens jedes Ventiltreibers 4, 104 werden zur Analyse des Betriebsstatus der Ventiltreiber 4, 104 in Ausgänge I/O des Mikrocontrollers µC eingespeist.
Bezugszeichenliste

1: Ventilanordnung
2: Aktuator
3: Ventil
4: Ventiltreiber
5: Ventilstück
6: Wellrohr
7: Zuleitung
8: Ableitung
9: Pfeil
10: Dichtelement
10a: Dichtelement
11: Dichtelement
11a: Dichtelement
12: Wellring
13: Wellring
14: Innenvolumen
15: Arbeitsvolumen
16: Haltering
17: Haltering
18: Öffnungsquerschnitt
18a: Öffnungsquerschnitt
18b: Öffnungsquerschnitt
19: Öffnungsquerschnitt
19a: Öffnungsquerschnitt
19b: Öffnungsquerschnitt
20: Dichtfläche
20a: Dichtfläche
20b: Dichtfläche
21: Dichtfläche
21a: Dichtfläche
21b: Dichtfläche
22: Relais
23: Betätigungsbolzen
24: Gehäuse
25: Energiespeicher
26: Pfeil
27: Führungsstift
33: Gehäuse
34: Schnittstelle
101: Ventilanordnung
102: Aktuator
103: Ventil
103a: Ventil
104: Ventiltreiber
105: Ventilstück
106: Wellrohr
107: Zuleitung
107a: Zuleitung
108: Ableitung
109: Pfeil
114: Innenvolumen
115: Arbeitsvolumen
116: Halteelement
117: Halteelement
118: Öffnungsquerschnitt
120: Dichtelement
123: Betätigungsbolzen
126: Doppelpfeil
128: Schieber
129: Ausgleichsöffnung
130: Teilvolumen
131: Gehäuse
132: Dichtfläche
133: Gehäuse
134: Schnittstelle
200: Kühlkreislauf
201: Kühlmittelkanal
202: Subkühlmittelkreis
202: Subkühlmittelkreis
203: Subkühlmittelkreis
204: Subkühlmittelkreis
205: Subkühlmittelkreis
206: Gehäuse
301: Steuereinrichtung
a: Strömungsachse
b: Betätigungsachse
Drv: Leistungsverstärker
I/O: Ausgang
U₀: Versorgungsleitung
U₁: Spannungsleitung
U₂: Spannungsleitung
U_bat: Batteriespannung
U_c: Versorgungsleitung
U_sens: Sensorleitung
PWM1: Pulsweitenmodulationsausgang
PWM2: Pulsweitenmodulationsausgang
PWM3: Pulsweitenmodulationsausgang
V_reg: Spannungsregler
µC: Mikrocontroller

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

EP 1431643 A1 [0003]

Claims

Ventilanordnung (1, 101), insbesondere für einen Kühlkreislauf (200) eines Verbrennungsmotors, mit einem zwischen einer Zuleitung (7, 107) und einer Ableitung (8, 108) eingebrachten Ventil (3, 103, 103a) mit einem Ventilstück (5, 105) mit einem von einem Fluidstrom eines Fluidkreislaufs durchströmten, nach außen abgedichteten Arbeitsvolumen (15, 115) und einem abhängig von einem Betätigungszustand eines axial wirksamen Ventiltreibers (4, 104) gegenüber einer Dichtfläche (20, 20a, 20b, 21, 21a, 21b, 132) des Ventilstücks (5, 105) verlagerbaren Dichtelement (10, 10a, 11, 11a, 120) und einer den Ventiltreiber (4, 104) steuernden Steuereinrichtung (301), dadurch gekennzeichnet, dass der Ventiltreiber (4, 104) vollständig außerhalb des Arbeitsvolumens (15, 115) und das Dichtelement (10, 10a, 11, 11a, 120) vollständig innerhalb des Arbeitsvolumens (15, 115) angeordnet sind und das Dichtelement (10, 10a, 11, 11a, 120) und das Ventilstück (5, 105) gegeneinander mittels eines das Arbeitsvolumen (15, 115) flexibel ändernden Wellrohrs (6, 106) gegeneinander verlagerbar sind.
Ventilanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (10, 10a, 11, 11a) und das Ventilstück (5) zueinander komplementäre Dichtflächen (20, 20a, 20b, 21, 21a, 21b) und Öffnungsquerschnitte (18, 18a, 18b, 19, 19a, 19b) aufweisen und das Dichtelement (10, 10a, 11, 11a) von dem Ventiltreiber (4) in einer Strömungsachse (a) zwischen Zuleitung (7) und Ableitung (8) axial gegen das Ventilstück (5) verlagerbar aufgenommen ist.
Ventilanordnung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Zuleitung (7) und Ableitung (8) gehäusefest aufgenommen sind, das Dichtelement (10, 10a, 11, 11a) innerhalb des Wellrohrs (6) angeordnet und außerhalb des Wellrohrs (6) ein von dem Ventiltreiber (4) axial verlagerter Haltering (17) vorgesehen ist.
Ventilanordnung (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass Dichtflächen (20, 20a, 20b, 21, 21a, 21b) und Öffnungsquerschnitte (18a, 18b, 19a, 19b) fächerartig, über den Umfang abwechselnd angeordnet sind.
Ventilanordnung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtflächen (20, 20a, 20b, 21, 21a, 21b) kappenartig axial in Richtung Öffnungsquerschnitte (18, 18a, 18b, 19, 19a, 19b) erweitert sind.
Ventilanordnung (101) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellrohr (106) und der Ventiltreiber (104) bezüglich einer Betätigungsachse (b) quer zu einer Strömungsachse (a) zwischen Zuleitung (107) und Ableitung (108) angeordnet sind und das Dichtelement (120) als gegenüber dem Ventilstück (105) verlagerbarer Schieber (128) ausgebildet ist.
Ventilanordnung (101) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Innenvolumen (114) des Wellrohrs (106) mit einem Teilvolumen (130) des durch den Schieber (128) getrennten Arbeitsvolumens (115) verbunden ist.
Ventilanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventiltreiber (4) als monostabiles Relais (22), welches das Dichtelement (11, 11a) entgegen der Wirkung eines Energiespeichers (25) verlagert, ausgebildet ist.
Ventilanordnung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (3) im nicht aktivierten Zustand des Ventiltreibers (4) geöffnet ist.
Ventilanordnung (101) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventiltreiber (104) als Servomotor ausgebildet ist.