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Die Erfindung betrifft ein temperaturabhängig schaltendes Ventil, insbesondere für die Temperaturregelung eines für die Motorkühlung eines Fahrzeugs vorgesehenen Kühlmittelkreislaufs, mit einem von einem Medium durchströmbaren Gehäuse, mit einem Ventilglied, mit einem temperatursensitiven Element zur Betätigung des Ventilglied in Abhängigkeit der Temperatur des Mediums derart, dass bei Unterschreiten einer Grenztemperatur das Ventilglied eine erste Schaltstellung einnimmt, in der in das Gehäuse einströmendes Medium zu einem ersten Auslass geleitet wird und dass bei Überschreiten der Grenztemperatur das Ventilglied eine zweite Schaltstellung einnimmt, in der in das Gehäuse einströmendes Medium zum einem zweiten Auslass geleitet wird. Ferner ist das Ventilglied als verdrehbarer Drehkörper ausgebildet, wobei der Drehkörper von einem temperatursensitiven Element zwischen einer ersten und einer zweiten Schaltstellung verdrehbar in einer Gehäuseausnehmung des Ventilgehäuses angeordnet ist.
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Um eine sehr schnelle Erwärmung einer Verbrennungskraftmaschine während der Kaltstartphase auf Betriebstemperatur zu erreichen und dadurch den Kraftstoffverbrauch und die Abgasemission zu reduzieren, ist erwünscht, unterhalb einer Grenztemperatur den Kühlmittelkühler nicht in den Kühlmittelkreislauf miteinzubinden. Somit ist unterhalb der Grenztemperatur lediglich der kleine Kühlmittelkreislauf (Nebenstromkreis, Kurzschlusskreislauf) aktiviert und das Kühlmedium zirkuliert lediglich über Motor, Wasserpumpe und Heizungswärmetauscher. Oberhalb der Grenztemperatur wird der große Kühlmittelkreislauf (Hauptstromkreis, Hauptstromkreislauf) aktiviert, wobei der Kühler mit in den Kühlmittelkreislauf miteinbezogen wird und die eigentliche Motorkühlung einsetzt.
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Aus dem Stand der Technik sind temperaturabhängig schaltende Dehnstoffthermostatventile bekannt geworden.
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Dabei befindet sich der wachsartige Dehnstoff in einer Metalldose, wobei ein Kolben, der mit dem Ventilgehäuse verbunden ist in den Dehnstoff ragt. An der Metalldose sind zwei Ventilteller befestigt. Je nach Lage der Ventilteller durchströmt die Kühlflüssigkeit den Haupt- oder den Nebenstromkreis des Kühlmittelkreislaufs. Dabei sitzt unterhalb einer Grenztemperatur der erste Ventilteller auf einem ersten Ventilsitz und der zweite Ventilteller ist von einem zweiten Ventilsitz abgehoben. Oberhalb einer Grenztemperatur ist der Dehnstoff derart ausgedehnt, dass der erste Ventilteller vom ersten Ventilsitz abgehoben ist und der zweite Ventilteller auf dem zweiten Ventilsitz sitzt. Dabei ist die Metalldose kontinuierlich von der Kühlflüssigkeit umströmt und steuert folglich die beiden Ventilteller in Abhängigkeit von der Kühlflüssigkeitstemperatur. Unterhalb der Grenztemperatur strömt die Kühlflüssigkeit folglich lediglich durch den zweiten Ventilsitz aus dem Ventil, während oberhalb der Grenztemperatur Kühlflüssigkeit lediglich durch den ersten Ventilsitz aus dem Ventil strömt. Eine derartige Dehnstoffthermostatventilanordnung benötigt relativ viele Bauteile und ist relativ groß gebaut.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein temperaturabhängig schaltendes Ventil bereitzustellen, welches einfach, funktionssicher und bauraumsparend aufgebaut ist.
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Diese Aufgabe wird mit einem temperaturabhängig schaltenden Ventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Folglich sind zwischen dem Drehkörper und dem Gehäuse Zwischenelemente vorgesehen, die den Drehkörper in der Gehäuseausnehmung zentrieren. Insbesondere dann, wenn es sich bei dem temperatursensitiven Element um eine Schrauben- oder Spiralfeder handelt, haben die Zwischenelemente den Effekt, dass der Drehkörper lediglich um die Mittellängsachse verdreht wird und keine Bewegung schräg zur Mittellängsachse stattfindet.
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Vorzugsweise weist der Drehkörper einen hohlen, vom Medium durchströmten Zentralbereich auf, wobei das temperatursensitive Element im Zentralbereich angeordnet ist. Dabei kann das temperatursensitive Element im Zentralbereich vollständig von Medium umströmt sein. Dadurch kann ein besonders platzsparend aufgebautes Ventil bereitgestellt werden.
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In besonders vorteilhafter Weise ist der Zentralbereich dabei hin zu einer Gehäusewandung offen, sodass sich das temperatursensitive Element einerseits an der Gehäusewandung und andererseits am Drehkörper abstützten kann. Dadurch kann eine besonders einfache Schaltung des Drehkörpers bereitgestellt werden, da das temperatursensitive Element unmittelbar an der Gehäusewandung einerseits und am Drehkörper andererseits abgestützt ist und somit der Drehkörper unmittelbar durch die das temperatursensitive Element verdreht werden kann.
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Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn das temperatursensitive Element als eine sich um die Mittellängsachse des Drehkörpers erstreckende Schrauben- oder Spiralfeder ausgebildet ist. Vorzugsweise stützt sich das temperatursensitive Element dabei einerseits am Drehkörper und einerseits an der Gehäusewandung ab, wobei die Federkraft temperaturabhängig ist und in Abhängigkeit der Federkraft eine unmittelbare Verdrehung des Drehkörpers in die erste bzw. die zweite Schaltstellung stattfindet.
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Vorzugsweise weist das Ventil einen sich in oder um die Mittellängsachse erstreckenden Stützabschnitt für das temperatursensitive Element auf. Insbesondere dann, wenn es sich bei dem temperatursensitiven Element um eine Schrauben- oder Spiralfeder handelt, kann ein besonders vorteilhaftes Ventil bereitgestellt werden, da das temperatursensitive Element mittels des Stützabschnitts gestützt werden kann. Dabei kann der Stützabschnitt am Drehkörper und/oder an der Gehäusewandung angeordnet sein. Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist der Stützabschnitt hohl ausgebildet und verläuft im Zentralbereich um die Mittellängsachse des Drehkörpers. Weiterhin ist denkbar, dass das temperatursensitive Element als Schraubenfeder ausgebildet ist und unmittelbar am Stützabschnitt angeordnet ist und entlang der Oberfläche des Stützabschnitts verläuft. Dabei wird das temperatursensitive Element in besonders vorteilhafter Weise gestützt, um ein Ausknicken zu vermeiden.
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Das temperatursensitive Element kann seine Schaltwirkung bzw. eine Betätigung des Ventilglieds insbesondere durch Torsion bereitstellen. Dadurch kann platzsparend die vorgesehenen Betätigung erfolgen.
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Vorteilhafterweise ist die Gehäuseausnehmung zylindrisch, insbesondere kreiszylindrisch, ausgebildet und weist eine Mantelfläche auf, in der eine Einlassöffnung und zwei Auslassöffnungen angeordnet sind. Andererseits ist allerdings auch denkbar, dass die Grund- oder Deckfläche der im Wesentlichen zylindrischen Gehäuseausnehmung die Einlassöffnung beziehungsweise die erste und/oder die zweite Auslassöffnung aufweist.
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Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn der Drehkörper einen mit der Einlassöffnung korrespondierenden Drehkörpereinlass, einen in der ersten Schaltstellung mit der ersten Auslassöffnung korrespondierenden ersten Drehkörperauslass und einen in der zweiten Schaltstellung mit der zweiten Auslassöffnung korrespondierenden Drehkörperauslass aufweist, wobei der Drehkörpereinlass und die beiden Drehkörperauslässe in den Zentralbereich münden.
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Folglich wird das Medium in der ersten Schaltstellung vom Einlass über den Drehkörpereinlass und den ersten Drehkörperauslass zur ersten Auslassöffnung geleitet, während in der zweiten Schaltstellung das Medium von der Einlassöffnung über den Drehkörpereinlass und den zweiten Drehkörperauslass zur zweiten Auslassöffnung geleitet wird. In der ersten Schaltstellung verschließt der Drehkörper dabei die zweite Auslassöffnung, während der Drehkörper in der zweiten Schaltstellung die erste Auslassöffnung verschließt. Somit kann ein besonders einfach aufgebautes Ventil bereitgestellt werden, welches zudem wenig Bauraum beansprucht. Denkbar ist weiterhin, dass das Gehäuse einen Einlassanschluss, der mit der Einlassöffnung verbunden ist, und zwei Ausanschlüsse, die mit den Auslassöffnungen verbunden sind, umfasst. Somit kann eine Mediumzufuhrleitung und Mediumabfuhrleitung räumlich getrennt von den Einlass- und Auslassöffnungen an die Einlass- und Auslassanschlüsse angeschlossen werden. Insbesondere dann, wenn die Einlassöffnung und die Auslassöffnungen in der Mantelfläche einer kreiszylindrisch ausgebildeten Gehäuseausnehmung angeordnet sind, ist denkbar, dass der Einlassanschluss und die Auslassanschlüsse bezüglich der Mittellängsachse der Gehäuseausnehmung radial außen liegend im Gehäuse angeordnet sind. Denkbar ist weiterhin, dass der Einlassanschluss und die Auslassanschlüsse über in radialer Richtung verlaufende Verbindungskanäle mit der Einlassöffnung und den Auslassöffnungen verbunden sind.
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Vorzugsweise ist das temperatursensitive Element aus einem shape memory alloy(SMA)-Werkstoff hergestellt oder umfasst einen solchen. Mithilfe derartiger Formgedächtnislegierungen kann auf besonders einfache Art und Weise eine temperaturabhängige Schaltung des Ventils bereitgestellt werden, insbesondere, wenn das temperatursensitive Element als Schrauben- oder Spiralfeder ausgebildet ist, kann das Ventilglied temperaturabhängig unmittelbar von einer ersten in eine zweite Schaltstellung schalten.
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Weiterhin ist denkbar, dass das Ventil ein Rückstellelement derart umfasst, dass der Drehkörper in die erste Schaltstellung gedrängt wird, wobei sich das Rückstellelement einerseits am Gehäuse und andererseits am Drehkörper abstützt. Bei dem Rückstellelement kann es sich dabei um eine Rückstellfeder handeln. Dabei kann das Rückstellelement eine im Wesentlichen temperaturunabhängige Federkraft aufweisen, während das als Schrauben- oder Spiralfeder ausgebildete temperatursensitive Element eine temperaturabhängige Federkraft aufweist. Dabei drängt das Rückstellelement den Drehkörper in eine erste Schaltstellung, wobei dabei die Federkraft des Rückstellelements größer ist als die Federkraft des temperatursensitiven Elements. Oberhalb einer Grenztemperatur ändert das temperatursensitive Element seine Form derart, dass die Federkraft zunimmt und es der Drehkörper gegen die Federkraft des Rückstellelements in die zweite Schaltstellung drängt. Dabei kann ein besonders effektiv schaltendes Ventil bereitgestellt werden.
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Dabei ist denkbar, dass die Zentrierelemente als Dichtstege ausgebildet sind oder solche umfassen. Diese können in parallel zur Mittellängsachse verlaufenden Ausnehmungen der Mantelfläche des Drehkörpers angeordnet sein, wobei in besonders vorteilhafter Weise die Ausnehmungen jeweils zwischen dem Drehkörpereinlass und den. Drehkörperauslässen sowie zwischen den Drehkörperauslässen vorgesehen sind. Dabei können die Ausnehmungen entlang der gesamten Mantelfläche parallel zur Mittellängsachse des Dichtkörpers verlaufen. Damit können Zwischenelemente bereitgestellt werden, die den Drehkörper nicht nur bezüglich der Gehäuseausnehmung zentrieren, sondern die gleichzeitig eine Mediumleckage wirkungsvoll verhindern. Dabei können die Dichtstege aus einem elastomeren Material bestehen oder ein solches umfassen und dabei eine besonders vorteilhafte Zentrierung und Abdichtung bereitstellen.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung, anhand derer die in den Figuren gezeigte Ausführungsform der Erfindung näher beschrieben und erläutert wird. Es zeigen:
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1 eine Schrägansicht eines erfindungsgemäßen Ventils mit abgenommenen Ventildeckel in einer ersten Schaltstellung;
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2 eine Schrägansicht des erfindungsgemäßen Ventils mit abgenommenen Ventildeckel in einer zweiten Schaltstellung;
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3 eine Explosionsdarstellung des erfindungsgemäßen Ventils;
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4 eine schematische Draufsicht auf das erfindungsgemäße Ventil in der ersten Schaltstellung;
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5 eine schematische Draufsicht auf das erfindungsgemäße Ventil in der zweiten Schaltstellung.
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Die 1 und 5 zeigen ein temperaturabhängig schaltendes Ventil 2 mit einem Gehäuse 4 mit einem Ventilglied, das als Drehkörper 6 ausgebildet ist und mit einem als Schraubenfeder ausgebildeten temperatursensitiven Element 8, das aus einem shape memory alloy(SMA)-Werkstoff hergestellt ist oder einen solchen umfasst. Dabei ist der Drehkörper 6 in einer kreiszylindrischen Gehäuseausnehmung 10, die in 3 besonders deutlich zu erkennen ist, angeordnet. Die Gehäuseausnehmung 10 weist eine Mantelfläche 12 auf, in der eine Einlassöffnung 14 eine erste Auslassöffnung 16 und eine zweite Auslassöffnung 18 angeordnet ist. Der Drehkörper 6 weist einen hohlen Zentralbereich 20 auf, wobei das temperatursensitive Element 8 im Zentralbereich 20 angeordnet ist. Wie insbesondere in der 3 gut zu erkennen ist, weist der Drehkörper 6 einen mit der Einlassöffnung 14 korrespondierenden Drehkörpereinlass 22, einen in der ersten Schaltstellung (vgl. 1) mit der ersten Auslassöffnung 16 korrespondierenden ersten Drehkörperauslass 24 und einen in der zweiten Schaltstellung (vgl. 2) mit der zweiten Auslassöffnung 18 korrespondierenden zweiten Drehkörperauslass 26 auf, wobei der Drehkörpereinlass 22 und die beiden Drehkörperauslässe 24, 26 in den Zentralbereich 20 münden.
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Die Einlassöffnung 14 und die Auslassöffnung 16, 18 sind dabei so ausgebildet, dass in einer, in den 1 und 4 gezeigten, ersten Schaltstellung Medium in Pfeilrichtung 3 durch die Einlassöffnung 14 und den Drehkörpereinlass 22 in den Zentralbereich 20 fließt und umströmt dabei, wie in der 4 besonders deutlich zu erkennen ist, das temperatursensitive Element 8 vollständig. In der ersten Schaltstellung fließt das Medium, angedeutet durch den Pfeil 5, durch den Zentralbereich 20 zum ersten Drehkörperauslass 24 und durch die erste Auslassöffnung 16 in Pfeilrichtung 7 aus dem Ventil, wobei der Drehkörper 6 die zweite Auslassöffnung 18 verschließt. Oberhalb der Grenztemperatur des Mediums wird der Drehkörper 6 durch das temperatursensitive Element 8 um die Mittellängsachse 9 in die zweite Schaltstellung gedreht.
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In der in den 2 und 5 gezeigten zweiten Schaltstellung fließt das Medium, angedeutet durch den Pfeil 5, durch den Zentralbereich 20 zum zweiten Drehkörperauslass 26 und in Pfeilrichtung 9 durch die zweite Auslassöffnung 18 aus dem Ventil, wobei der Drehkörper 6 die erste Auslassöffnung 16 verschließt.
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Wie aus den 1 bis 5 deutlich hervorgeht, weist der Drehkörper 6 weiterhin einen Stützabschnitt 36 auf, welcher hohl ausgebildet ist und um die Mittellängsachse 9 verläuft. Dabei erstreckt sich das temperatursensitive Element 8 längs der Mittellängsachse 9 um den Stützabschnitt 36 und wird folglich von diesem gegen Ausknicken gestützt. Wie insbesondere in den 4 und 5 deutlich zu erkennen ist, umströmt das Medium beim Durchströmen des Zentralbereichs 20 den Stützabschnitt 36 und damit auch das temperatursensitive Element 8 vollständig.
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Wie in den 1 bis 3 zu erkennen ist, sind der Drehkörper 6 und auch der Zentralbereich 20 des Ventilglieds hin zu einer Gehäusewandung offen. Wie insbesondere aus 3 deutlich hervorgeht, ist das Ventil 2 im zusammengebauten Zustand von einem Ventildeckel 28 verschlossen, der mittels Schrauben 46 am Ventilgehäuse 4 verschraubt ist, wobei der Ventildeckel 28 der Drehkörper 6 und insbesondere auch den Zentralbereich 20 dichtend verschließt. Dies ermöglicht unter anderem eine besonders einfache Wartung des erfindungsgemäßen Ventils, da in der Grund- und Deckfläche der im Wesentlichen zylindrischen Gehäuseausnehmung 10 keine Einlass- beziehungsweise Auslassöffnung angeordnet ist und somit der Drehkörper 6 besonders einfach aus der Gehäuseausnehmung 10 entnommen werden kann, indem der Gehäusedeckel 28 abgenommen wird und der Drehkörper 6 aus der Gehäuseausnehmung 10 entnommen wird.
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Dabei stützt sich das temperatursensitive Element 8 einerseits am Gehäusedeckel 28 und andererseits am Drehkörper 6 ab. Die in der 3 deutlich zu erkennenden beiden Endbereiche 13, 15 des als Schraubenfeder ausgebildeten temperatursensitiven Elements 8 stehen dabei im Vergleich zu den übrigen Windungen der Schraubenfeder leicht vom Stützabschnitt 36 ab und sind, wie in den 4 und 5 deutlich zu erkennen ist, mittels jeweils zweier Haltestege 30, 32 einerseits am Drehkörper 6 und andererseits, in den Figuren nicht gezeigt, am Gehäusedeckel 28 drehfest befestigt, sodass ein temperaturabhängiges Verdrehen des Drehkörpers 6 ermöglicht ist.
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Wie aus 3 hervorgeht, weist das Ventil weiterhin ein als Spiralfeder ausgebildetes Rückstellelement 34 auf, welches sich einerseits am Drehkörper 6 und andererseits am Gehäuse 4 abstützt. Dabei weist das Rückstellelement 34 eine im Wesentlichen temperaturunabhängige Federkraft auf, während das aus einer Formgedächtnislegierung bestehende temperatursensitive Element 8 eine temperaturabhängige Federkraft aufweist. Dabei drängt das Rückstellelement den Drehkörper 6 in eine erste Schaltstellung, wobei dabei die Federkraft des Rückstellelements 34 größer ist als die Federkraft des temperatursensitiven Elements 8. Oberhalb einer Grenztemperatur ändert das temperatursensitive Element 8 seine Form derart, dass die Federkraft zunimmt und es der Drehkörper 6 gegen die Federkraft des Rückstellelements 34 in die zweite Schaltstellung drängt.
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Weiterhin weist die Mantelfläche 48 des Drehkörpers 6 drei parallel zur Mittellängsachse 9 verlaufende Ausnehmungen 38 auf, wobei die Ausnehmungen 38 jeweils zwischen dem Drehkörpereinlass 22 und den Drehkörperauslässen 24, 26 sowie zwischen den Drehkörperauslässen 24, 26 vorgesehen sind. Dabei sind, wie in 3 besonders deutlich zu erkennen ist Zwischenelemente 40 in den Ausnehmungen 38 vorgesehen, welche den Drehkörper 6 in der Gehäuseausnehmung 10 zentrieren. Dabei weisen die Zwischenelemente 40 einerseits Federzungen 42 zum Zentrieren des Drehkörpers 6 in der Gehäuseausnehmung 10 und andererseits Dichtstege 44 zum Abdichten auf, wobei die Dichtstege 44 Mediumleckage zwischen dem Einlass und den Auslässen bzw. zwischen den Auslässen verhindern.
