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Die Erfindung betrifft einen Fluidregler, insbesondere Kühlmittelregler für ein Brennstoffzellensystem, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner eine Anordnung mit einem solchen Fluidregler und einer Pumpe zum Fördern des Fluides gemäß den Patentansprüchen 13 und 16.
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Fluidregler, insbesondere Kühlmittelregler, sind beispielsweise als sogenannte Thermostatventile aus der Praxis bekannt. Elektrisch angetriebene Kühlungsmodule werden im Bereich der Verbrennungsmotoren vielfältig eingesetzt.
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Ein Fluidregler der eingangs erwähnten Art ist beispielsweise aus der
DE 10 2009 008 445 A1 bekannt. Dieser Fluidregler betrifft eine Dreiwege-Umlenkeranordnung für ein Brennstoffzellensystem mit einem Gehäuse, welches einen ersten Einlass und einen ersten und einen zweiten Auslass aufweist, und mit einem konturierten Ventil, das in dem Gehäuse angeordnet ist und selektiv um eine Achse von einer ersten Positionsgrenze zu einer zweiten Positionsgrenze drehbar ist. Das über den Einlass in das Gehäuse eintretende Fluid wird mittels des konturierten Ventils ein erstes Mal um etwa 90° und schließlich zum Auslass hin ein zweites Mal um etwa 90° umgelenkt.
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Ferner ist aus der
DE 10 2015 000 424 B3 ein Rotationsventil zum Ändern der Fließrichtung von mehreren Strömen eines Fluides in einem Heiz- und Kühlsystem bekannt. Dieses Rotationsventil weist mehrere Fluideingangsöffnungen, mehrere Fluidausgangsöffnungen, einen um eine Drehachse drehbaren zylindrischen Ventilkörper, ein den Ventilkörper aufnehmendes Ventilgehäuse mit den Fluidausgangsöffnungen, mehrere durch den Ventilkörper sich erstreckende Durchgangskanäle und das Ventilgehäuse mit den Fluideingangsöffnungen auf.
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Die
AT 130 992 B offenbart ein Fluidventil mit einer Umlenkanordnung zwischen einem Einlass und einem Auslass, wobei die Umlenkanordnung einen rotationssymmetrisch Umlenkkonus aufweist, dessen Spitze zum Auslass hin weisend angeordnet ist.
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Die
DE 677 769 A beschreibt ein gesteuertes Sicherheitsventil mit einem Hauptventilkegel, mit dem ein gleichachsig auf der Ausströmseite liegender Gegenkegel verbunden ist.
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Die
CH 390 017 A offenbart verschiedene Ausgestaltungen von hydraulischen Schieberventilen.
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Schließlich sind aus der Praxis Anordnungen mit einem Thermostatventil und einer Kühlmittelpumpe bekannt, bei denen Ventil und Kühlmittelpumpe über einen Schlauch miteinander verbunden sind oder bei denen das Ventil an die Kühlmittelpumpe angeflanscht ist.
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Ausgehend von dem zuvor erwähnten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Fluidregler der eingangs erwähnten Art zu schaffen, der strömungstechnisch optimiert ist. Der Erfindung liegt auch die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung mit einem Fluidregler und einer Pumpe zum Fördern des Fluides strömungstechnisch zu optimieren.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Fluidregler der o.g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen und durch eine Anordnung mit einem Fluidregler und einer Pumpe gemäß den Merkmalen der Ansprüche 13 und 16 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
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Erfindungsgemäß hat die Umlenkeranordnung einen rotationssymmetrischen Umlenkkonus, dessen Spitze zum Auslass hin weisend angeordnet ist. Dieser Ausgestaltung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein rotationssymmetrischer Umlenkkonus die auf diesen auftreffende Strömung unabhängig von der Strömungsrichtung verwirbelungsarm und daher mit geringen Druckverlusten, letztlich also strömungsoptimiert, umlenken kann. Da die Spitze des Umlenkkonus zum Auslass hin weisend angeordnet ist, kann das Fluid vom Einlass zum Auslass über lediglich eine 90°-Umlenkung durch den Regler geleitet werden. Auch dieses Merkmal trägt mit dazu bei, die Strömung möglichst verlustarm und damit strömungstechnisch optimiert durch den Regler zu führen. Dadurch, dass der Umlenkkonus rotationssymmetrisch ausgebildet ist, können die Einlässe für das Fluid weitgehend frei gewählt angeordnet sein, da das Fluid unabhängig von der Lage des Einlasses immer unmittelbar auf den Konus treffen kann, sodass dieser unabhängig von der radialen Anordnung der Einlässe die Strömung um 90° umlenken kann.
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Erfindungsgemäß ist weiterhin im Gehäuse wenigstens ein um eine Drehachse drehbarer, zylindrischer Reglerkörper vorgesehen, durch den sich wenigstens eine Durchgangsöffnung hindurch erstreckt, die in einer ersten Drehposition des Reglerkörpers mit dem wenigstens einen Einlass wenigstens teilweise fluchtet und dadurch eine Fluidströmung von dem wenigstens einen Einlass zu dem Auslass ermöglicht und in einer zweiten Drehposition nicht mit dem wenigstens einen Einlass fluchtet und insofern eine solche Fluidströmung verhindert. Der zylindrische Reglerkörper ist besonders einfach in der Lage, einzelne oder mehrere Einlässe aufgrund verschiedener Drehpositionen anzusteuern und ermöglicht, daher unterschiedliche Strömungswege besonders dann, wenn mehrere Einlässe vorhanden und unabhängig voneinander anzusteuern sind, bereitzustellen. Damit lässt sich auf engem Raum eine strömungsoptimierte Schaltung realisieren.
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Gemäß einer Weiterbildung ist der Umlenkkonus koaxial zum Auslass angeordnet. Insbesondere bei dieser Weiterbildung ist das Fluid also lediglich einmal um beispielsweise 90° vom Einlass zum Auslass hin umzulenken, sodass anders als bei dem zuvor beschriebenen Stand der Technik gemäß der
DE 10 2009 008 445 A1 eine weitere 90°-Umlenkung entbehrlich ist. Diese Weiterbildung trägt mit dazu bei, den Fluidregler strömungstechnisch zu optimieren.
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Vorteilhafterweise ist zwischen dem Umlenkkonus und dem Auslass ein rotationssymmetrisches, düsenartiges Strömungselement koaxial zum Umlenkkonus und zum Auslass angeordnet, wobei das Strömungselement vorzugsweise einen in Strömungsrichtung des Fluides vorderen, zum Auslass hin weisenden, zylinderförmigen Abschnitt und einen sich entgegen der Strömungsrichtung daran anschließenden, hinteren, zum Umlenkkonus hin weisenden Abschnitt mit sich entgegen der Strömungsrichtung in radialer Richtung erweiterndem Querschnitt aufweist, Im Umkehrschluss ergibt sich daraus, dass sich der Strömungsquerschnitt, welcher für die Fluidströmung zur Verfügung steht, nach dessen Umlenkung durch den Umlenkkonus zum Auslass hin verringert, wobei ein solches, düsenartig ausgestaltetes Strömungselement in der Lage ist, die Strömung ohne mit besonderen Strömungsverlusten behafteten Ecken und Kanten zum Auslass hin weiterzuführen. Auch diese Weiterbildung ist damit in der Lage, im Fluidregler auftretende Druckverluste möglichst gering zu halten und dadurch die Strömungsführung zu optimieren.
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Vorzugsweise bilden Umlenkkonus und Strömungselement Teile des wenigstens einen Reglerkörpers und sind mit diesem koaxial drehbar.
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Gemäß einer anderen Weiterbildung ist der Umlenkkonus von dem Strömungselement teilweise umgeben und begrenzt das Strömungselement im Gehäuse einen ringförmigen Raum nach innen hin. Die Führung kann durch ein Zusammenwirken von Umlenkkonus und Strömungselement besonders verlustarm umgelenkt und durch den Fluidregler geführt werden. Auch der ringförmige Raum trägt mit zu einem hinsichtlich der Strömung und des Bauvolumens optimierten Aufbau des Fluidreglers bei. Der ringförmige Raum ist ebenfalls in der Lage, die Fluidströmung möglichst verlustarm zu führen.
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Vorteilhafterweise ist in dem Bereich, wo der Umlenkkonus von dem Strömungselement umgeben ist, eine ringförmige Querschnittsfläche zwischen dem Umlenkkonus und dem hinteren Abschnitt des Strömungselements gebildet, die über die Höhe des Umlenkkonus konstant ist und der Querschnittsfläche im vorderen, zylinderförmigen Abschnitt des Strömungselements entspricht. Die Konstanz der Strömungsquerschnittsfläche beugt einer Kavitation vor und gestattet eine weitgehend verlustarme und gleichmäßige Anströmung der Pumpe. Die Einströmphase in die Pumpe ist damit strömungstechnisch besonders optimiert.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung erstreckt sich der hintere Abschnitt des Strömungselements mit seinem den erweiternden Querschnitt bildenden Bereich in den freien Querschnitt des ringförmigen Raums hinein und verengt diesen, wobei vorzugsweise der wenigstens eine Einlass in Höhe des vorderen Abschnitts des Strömungselements in den ringförmigen Raum mündet. Damit trifft das durch den wenigstens einen Einlass in den Fluidregler einströmende Fluid zunächst auf den zylindrischen Abschnitt des Strömungselements, um sich dann möglichst verlustarm in dem ringförmigen Raum verteilen. Durch den hinteren Abschnitt wird die Strömung dann ebenfalls weitgehend verlustarm von dem ringförmigen Raum in Richtung Auslass umgelenkt, sodass sich die über den wenigstens einen Einlass in den Fluidregler eintretende Fluidströmung zunächst gewissermaßen beruhigen kann und erst in einem zweiten Schritt über den hinteren Abschnitt des Strömungselements, welcher sich dann in Strömungsrichtung des Fluides verengt, umgeleitet und weitergeführt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung sind im Gehäuse wenigstens zwei koaxial um die Drehachse getrennt voneinander drehbare Reglerkörper vorgesehen, wobei der eine, innere Reglerkörper innerhalb des anderen, äußeren Reglerkörpers so angeordnet ist, dass der andere, äußere Reglerkörper den einen, inneren Reglerkörper teilweise unter Belassung eines Zwischenraums umgibt und der Zwischenraum derart ausgebildet und angeordnet ist, dass er eine Fluidströmung von dem wenigstens einen Einlass zum Auslass ermöglicht. Die wenigstens zwei Reglerkörper gestatten somit eine größere Vielfalt an Strömungsführungen durch den Fluidregler. Da die Fluidströmung auch durch den Zwischenraum zum Auslass strömen kann, sind letztlich mehrere zumindest teilweise voneinander getrennte Fluidströme durch den Fluidregler ermöglicht. Damit lässt sich die Schaltung der verschiedenen Fluidströme durch den Fluidregler an unterschiedliche Einsatzfälle in der Praxis anpassen, was mit zu einer optimalen Strömungsführung beiträgt. Ein derartiger Fluidregler kann damit bei einer Vielzahl von praktischen Einsatzfällen zum Einsatz kommen.
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Vorteilhafterweise weist der innere Reglerkörper den hinteren Abschnitt des Strömungselements und der äußere Reglerkörper den vorderen Abschnitt des Strömungselements derart auf, dass hinterer Abschnitt und vorderer Abschnitt unter Belassung des Zwischenraums voneinander getrennt sind. Daraus folgt implizit, dass einzelne Teilströme der Fluidströmung teilweise getrennt voneinander durch den Fluidregler leitbar sind.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterbildung weisen das Gehäuse mehrere Einlässe und die Reglerkörper mehrere mit diesen verbindbare Durchgangsöffnungen auf, wobei die Durchgangsöffnungen der Reglerkörper mit den Einlässen derart verbindbar sind, dass wenigstens eine erste Fluidströmung durch beide Reglerkörper und wenigstens eine zweite Fluidströmung durch den Zwischenraum und den äußeren Reglerkörper ermöglicht ist. Diese Weiterbildung ermöglicht somit, unterschiedliche Fluidströmungen gleichzeitig durch Fluidregler zu leiten. Eine derartige Strömungsführung trägt mit zu einer Strömungsoptimierung bei, da die zunächst getrennten Fluidströme besonders verlustarm vereinigt werden können. Insbesondere können die verschiedenen Fluidströme unterschiedlich hohe Volumenströme ausbilden. Diese stören sich dann nicht gegenseitig, und es wird letztlich eine gleichmäßigere Verteilung und ein höherer Wirkungsgrad in Folge geringerer Druckverluste über dem Fluidregler erreicht.
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Andere Weiterbildungen betreffen Anordnungen mit einem Fluidregler und einer Pumpe zum Fördern des Fluides, insbesondere einer Kühlmittelpumpe. Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist der Fluidregler an die Pumpe integriert. Eine solche Weiterbildung ermöglicht extrem kurze Strömungswege zwischen dem Fluidregler und der Pumpe. Schläuche als Verbindungselemente zwischen dem Fluidregler und der Pumpe sind ebenso entbehrlich wie Flanschverbindungen zwischen Fluidregler und Pumpe, welche höhere Druckverluste als eine integrierte Ausführungsform zwischen Fluidregler und Pumpe verursachen können.
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Gemäß einer Weiterbildung ist der vordere Abschnitt des Strömungselements koaxial mit einem Einlass der Pumpe so verbunden, dass ersterer und letzterer ineinander gesteckt angeordnet sind. Insofern wirkt das Strömungselement im Sinne einer Doppelwirkung einerseits dahingehend, die Strömung möglichst verlustarm zu führen, andererseits dahingehend, eine strömungsoptimierte kurze Verbindung mit der Pumpe bereitzustellen.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind vorderer Abschnitt des Strömungselements und Einlass der Pumpe derart ineinander gesteckt angeordnet, dass sich der ringförmige Raum um den Einlass der Pumpe herum erstreckt. Dadurch entsteht eine besonders kompakte Anordnung aus Fluidregler und Pumpe und insofern eine Anordnung mit einem äußerst geringen Bauvolumen. Auch diese Weiterbildung trägt dadurch mit zu einer strömungsoptimierten Ausgestaltung der Anordnung bei.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in
- 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen Fluidregler gemäß einer ersten Ausführungsform in perspektivischer Darstellung;
- 2 einen schematischen Querschnitt durch den Fluidregler gemäß 1 entlang der Linie II-II in perspektivischer Darstellung;
- 3 eine schematische, perspektivische, teilweise Ansicht des Fluidreglers gemäß 1 in teilweise geschnittener Darstellung;
- 4 einen im Vergleich zu 1 anderen Längsschnitt durch den Fluidregler in einer perspektivischen Darstellung;
- 5 eine schematische Draufsicht auf einen Fluidregler gemäß einer zweiten Ausführungsform;
- 6 einen schematischen Längsschnitt durch den Fluidregler gemäß 5;
- 7 den Längsschnitt durch den Fluidregler gemäß 6 in vergrößertem Maßstab;
- 8 ein schematisches Fließbild betreffend den teilweisen Fluidkreislauf eines Motors;
- 9a eine schematische Draufsicht auf den Fluidregler gemäß 5 mit geöffnetem Einlass vom Kühler;
- 9b eine schematische Draufsicht auf den Fluidregler gemäß 5 mit geöffnetem Einlass vom Kühler, vom Bypass und von der Heizeinrichtung;
- 9c eine schematische Draufsicht auf den Fluidregler gemäß 5 mit geöffnetem Einlass vom Bypass und von der Heizeinrichtung; und
- 9d eine schematische Draufsicht auf den Fluidregler gemäß 5 mit geöffnetem Einlass von der Heizeinrichtung.
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In 1 ist ein schematischer Längsschnitt durch einen Fluidregler 1, insbesondere, aber nicht ausschließlich, durch einen Kühlmittelregler bzw. ein Thermostatventil für ein Brennstoffzellensystem (nicht gezeigt), gemäß einer ersten Ausführungsform in einer perspektivischen Ansicht dargestellt.
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Der Fluidregler 1 hat ein Gehäuse 3 mit wenigstens einem Einlass 4 und einem Auslass 5 für das Fluid. Wie zuvor bereits angedeutet kann das Fluid beispielsweise ein Kühl- und/oder Wärmemittel sein.
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Der wenigstens eine Einlass 4 und der Auslass 5 sind über eine im Gehäuse 3 angeordnete strömungstechnische Umlenkeranordnung 6 zum Umlenken des Fluides miteinander verbunden. Die Umlenkeranordnung 6 hat einen rotationssymmetrischen Umlenkkonus 7, dessen Spitze 10 zum Auslass 5 hinweisend angeordnet ist, wobei der Umlenkkonus 7 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform koaxial zum Auslass 5 positioniert ist.
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Zwischen dem Umlenkkonus 7 und dem Auslass 5 ist ein rotationssymmetrisches, düsenartiges Strömungselement 11 koaxial zum Umlenkkonus 7 und zum Auslass 5 vorgesehen. Wie insbesondere in den 1 und 4 gezeigt, hat das Strömungselement 11 einen in Strömungsrichtung (siehe Pfeil A in 4) des Fluides vorderen, zum Auslass 5 hin weisenden zylinderförmigen Abschnitt 12. Das Strömungselement 11 hat ferner einen sich entgegen der Strömungsrichtung daran anschließenden hinteren, zum Umlenkkonus 7 hin weisenden Abschnitt 13 mit sich entgegen der Strömungsrichtung (siehe Pfeil A in 4) in radialer Richtung erweiterndem Querschnitt 14.
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Im Gehäuse ist ferner wenigstens ein zylindrischer Reglerkörper 15 vorgesehen, der um eine Drehachse 16, die mit der Längsachse des Fluidreglers 1 koaxial zusammenfällt, drehbar ist. Durch den Reglerkörper 15 erstreckt sich wenigstens eine Durchgangsöffnung 17 hindurch. Die wenigstens eine Durchgangsöffnung 17 ist in einer umfangseitigen Außenwand 20 des Reglerkörpers 15 ausgebildet. Die wenigstens eine Durchgangsöffnung 17 fluchtet in einer ersten Drehposition des Reglerkörpers 15, wie sie rein schematisch in den 1 sowie 9a angedeutet ist, mit dem wenigstens einen Einlass 4 und ermöglicht dadurch eine Fluidströmung von dem wenigstens einen Einlass 4 zu dem Auslass 5. In einer zweiten Drehposition, wie sie rein schematisch in 9d angedeutet ist, fluchtet die wenigstens eine Durchgangsöffnung nicht mit dem wenigstens einen Einlass 4 und verhindert insofern eine Fluidströmung durch diesen. Der Begriff „fluchten“ wird so definiert, dass er zumindest eine teilweise Überlappung der Querschnitte der wenigstens einen Durchgangsöffnung und des wenigstens einen Einlasses gestattet.
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Wie genauer in 1 gezeigt, bilden Umlenkkonus 7 und Strömungselement 11 Teile des wenigstens einen Reglerkörpers 15 und sind mit diesem koaxial drehbar.
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Die zuvor mit Bezug auf den in den 1 bis 4 dargestellten Fluidregler 1 beschriebenen Merkmale gelten in analoger Weise auch für den Fluidregler 21 gemäß einer zweiten Ausführungsform, wie er in den 5 bis 7 dargestellt ist.
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Nachfolgend werden nun zunächst die Merkmale des Fluidreglers 1 erläutert, welche lediglich bei diesem verwirklicht sind. Anschließend werden diejenigen Merkmale erläutert, die ausschließlich bei dem Fluidregler 21 gemäß der zweiten Ausführungsform verwirklicht sind.
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Gemäß den 1 und 3 ist bei dem Fluidregler 1 gemäß der ersten Ausführungsform der Umlenkkonus 7 von dem Strömungselement 11 teilweise umgeben. Ferner begrenzt das Strömungselement 11 im Gehäuse 3 einen ringförmigen Raum 22 nach innen hin. Radial nach außen hin ist der ringförmige Raum durch die Außenwand 20 des Reglerkörpers 15 begrenzt.
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Ferner ist in dem Bereich, wo der Umlenkkonus 7 von dem Strömungselement 11 umgeben ist, eine ringförmige Querschnittsfläche 18 zwischen dem Umlenkkonus 7 und dem hinteren Abschnitt 13 des Strömungselements 11 gebildet, die über die Höhe des Umlenkkonus 7 konstant ist und der Querschnittsfläche im vorderen, zylinderförmigen Abschnitt 12 des Strömungselements 11 entspricht. Entlang der Strömungsrichtung bleibt die für das Fluid zur Verfügung stehende ringförmige Querschnittsfläche 18 zwischen dem Umlenkkonus und dem sich entgegen der Strömungsrichtung in radialer Richtung erweiternden Querschnitt 14 des hinteren Abschnitts 13 des Strömungselements 11 konstant. Diese ringförmige Querschnittsfläche 18 entspricht, wie zuvor erwähnt, der Querschnittsfläche des vorderen Abschnitts 12 des Strömungselements 11.
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1 und 4 verdeutlichen ferner, dass der hintere Abschnitt 13 des Strömungselements 11 sich mit seinem den erweiterten Querschnitt 14 bildenden Bereich in den freien Querschnitt 23 des ringförmigen Raums 22 hinein erstreckt und diesen verengt.
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Wie in den 1, 2 und 4 gezeigt, mündet der wenigstens eine Einlass 4 in Höhe des vorderen Abschnitts 12 des Strömungselements 11 in den ringförmigen Raum 22, sodass die durch den Einlass 4 in den Fluidregler 1 gemäß dem Pfeil B eintretende Fluidströmung sich beim Auftreffen auf den zylinderförmigen, vorderen Abschnitt 12 des Strömungselements gemäß den Pfeilen C und D in 2 aufteilt und sich im ringförmigen Raum beruhigen kann, bevor die Teilströme gemäß den Pfeilen C und D an der dem Einlass gegenüber liegenden Seite aufeinander treffen und schließlich entlang der Pfeile E (siehe 3 und 4) über das düsenartige Strömungselement 11 zum Auslass 5 strömen.
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Nachfolgend werden die Merkmale genauer beschrieben, wie sie bei dem Fluidregler 21 gemäß der zweiten Ausführungsform verwirklicht sind. Dieser Fluidregler ist wie erwähnt in den 5 bis 7 genauer dargestellt.
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Im Gehäuse 3 sind wenigstens zwei koaxial um die Drehachse 16 drehbare Reglerkörper 24, 25 vorgesehen. Die Reglerkörper 24, 25 können gemäß einer anderen, nicht gezeigten Ausführungsform auch als einheitlicher, insbesondere einstückiger Reglerkörper ausgebildet sein. Gemäß der in den 5 bis 7 gezeigten Ausführungsform weist der Fluidregler 21 zwei Reglerkörper 24, 25 auf. Die beiden Reglerkörper 24, 25 sind getrennt voneinander drehbar, wobei in den 5 bis 7 lediglich eine Antriebseinheit 26 für einen der beiden Reglerkörper dargestellt ist. Die Antriebseinheit für den anderen Reglerkörper ist der Einfachheit halber weggelassen. Es wird darauf hingewiesen, dass die Reglerkörper auch gemeinsam drehbar ausgebildet sein können. Im letztgenannten Fall ist lediglich eine Antriebseinheit vorzusehen.
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Wie in den 6 und 7 gezeigt, ist der eine, innere Reglerkörper 24 innerhalb des anderen, äußeren Reglerkörpers 25 so angeordnet, dass der äußere Reglerkörper 25 den inneren Reglerkörper 24 teilweise unter Belassung eines Zwischenraumes 27 umgibt. Dieser Zwischenraum 27 ist derart ausgebildet und angeordnet, dass er eine Fluidströmung von dem wenigstens einen Einlass 4 zum Auslass 5 ermöglicht. Diese Fluidströmung strömt gemäß 7 entlang der Pfeile F über einen weiteren Einlass 30 und den Zwischenraum 27 über den zylinderförmigen Abschnitt 12 des Strömungselements 11 zum Auslass 5. Wie insbesondere in 7 gezeigt, stellt die entlang der Pfeile F strömende Fluidströmung einen Teilstrom dar, während der Hauptstrom entlang der Pfeile G und A über den Einlass 4 und den inneren Reglerkörper 24 zum zylinderförmigen Abschnitt 12 und schließlich zum Auslass 5 strömt.
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Wie insbesondere in 7 angedeutet weist der innere Reglerkörper 24 den hinteren Abschnitt 13 des Strömungselements 11 und der äußere Reglerkörper 25 den vorderen Abschnitt 12 des Strömungselements 11 derart auf, das hinterer Abschnitt 13 und vorderer Abschnitt 12 unter Belassung des Zwischenraumes 27 voneinander getrennt sind.
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Gemäß einer besonders bevorzugten und in den 5 bis 7 dargestellten Ausführungsform weisen das Gehäuse 3 mehrere Einlässe 4, 30, 31 und die Reglerkörper 24, 25 mehrere mit diesen verbindbare Durchgangsöffnungen 17, 32, 33 auf. Die Durchgangsöffnungen 17, 32, 33 der Reglerkörper 24, 25 sind mit den Einlässen 4, 30, 31 mittels einer Drehung des Reglerkörpers bzw. der Reglerkörper derart verbindbar, dass wenigstens eine erste Fluidströmung entlang der Pfeile G und A durch beide Reglerkörper 24, 25 und wenigstens eine zweite Fluidströmung entlang der Pfeile F durch den Zwischenraum 27 und den äußeren Reglerkörper 25 ermöglicht ist. In dem Zwischenraum 27 zwischen vorderem Abschnitt 12 und hinterem Abschnitt 13 des Strömungselements 11 sowie im vorderen Abschnitt 12 vermischen sich die beiden Fluidströme miteinander, wobei der Fluidströmung entlang der Pfeile G und A einen größeren Volumenstrom als die zweite Fluidströmung entlang der Pfeile F darstellen kann.
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Dadurch können Teilströme mit hohem Volumenstrom von denjenigen mit geringem Volumenstrom weitgehend getrennt sein. Ein Vermischen der beiden Volumenströme erfolgt erst im vorderen Bereich 12 des Strömungselements 11 und damit nahe am Auslass 5 des betreffenden Fluidreglers 21.
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Die Erfindung betrifft ferner Anordnungen 34, 37 mit einem Fluidregler 1, 21 und einer Pumpe 35 zum Fördern des Fluides.
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Eine solche Anordnung 34 ist in Bezug auf den Fluidregler 1 gemäß der ersten Ausführungsform in 1 angedeutet, wobei von der Pumpe 35 lediglich der Einlass 36 und der Pumpendeckel 38 angedeutet ist.
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In der Anordnung 37 gemäß 7 mit dem Fluidregler 21 und der Pumpe 35 ist der Einlass 36 der Pumpe lediglich gestrichelt dargestellt.
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Gemäß der Anordnung 34 ist der Fluidregler 1 an die Pumpe 35 integriert. Das bedeutet, dass der vordere Abschnitt 12 des Strömungselements 11 koaxial mit dem Einlass 36 der Pumpe 35 so verbunden ist, dass ersterer 12 und letzterer 36 ineinander gesteckt angeordnet sind, wobei sich gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der ringförmige Raum 22 um den Einlass 36 der Pumpe 35 herum erstreckt. Eine solche Anordnung ist beispielhaft in 1 gezeigt.
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Bei der Anordnung 37 ist der Fluidregler 21 gemäß der zweiten Ausführungsform ebenfalls an die Pumpe 35 integriert, wobei auch bei dieser Anordnung der vordere Abschnitt 12 des Strömungselements 11 koaxial mit dem Einlass 36 der Pumpe 35 so verbunden ist, dass ersterer 12 und letzterer 36 ineinander gesteckt angeordnet sind. Es wird nochmals darauf hingewiesen, dass die ineinander gesteckte, d.h. integrierte Ausführungsform bei der auf den Fluidregler 21 der zweiten Ausführungsform bezogenen Anordnung 37 in den 6 und 7 lediglich gestrichelt angedeutet ist. Letztlich kann also auch bei dieser Anordnung analog derjenigen, welche in 1 gezeigt ist, der Einlass 36 der Pumpe in einen Teil des Strömungselements 11, insbesondere in den zylinderförmigen Abschnitt 12 des Strömungselements, hineinragen.
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In 8 ist ein Fließbild betreffend einen Teil eines Fluidsystems schematisch dargestellt. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist dies ein teilweise gezeigter Abschnitt aus dem Kühlkreislauf eines ansonsten nicht näher gezeigten Brennstoffzellensystems, welches in ein nicht näher gezeigtes Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, eingebaut ist.
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Gemäß 8 hat der Fluidregler 1, 21 drei Einlässe 4, 30, 31 und einen Auslass 5, durch welchen das Fluid, beispielsweise ein Kühlmittel, zur Pumpe 35 geleitet wird. Die Pumpe 35 wird vorzugsweise mittels einer elektrischen Antriebsvorrichtung 2 betrieben.
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Das Fluid kann insofern über drei Leitungen 41, 42, 43 zum Fluidregler 1, 21 fließen und zwar einmal über die Leitung 41 und eine Heizeinrichtung 44, über die Leitung 42 und einen Kühler 45 und schließlich über die Leitung 43, welche als sog. Bypassleitung, teilweise auch kurz Bypass genannt, ausgebildet ist. Die Leitung 41 ist über die Heizeinrichtung 44 mit dem Einlass 30, die Leitung 42 über den Kühler 45 mit dem Einlass 4 und die Leitung 43 mit dem Einlass 31 des Fluidreglers 1, 21 verbunden.
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Der besseren Übersicht halber ist der Ausgang 5 des Reglers über eine Leitung 46 mit der Pumpe 35, vorzugsweise einer elektrischen Pumpe, verbunden. Es ist aber klar, dass die Anordnung aus Fluidregler 1, 21 und Pumpe 35, wie in den 1 und 7 angedeutet, ausgebildet sein kann, sodass es sich bei der Anordnung um ein integriertes System handeln kann. In letzterem Fall kann die Leitung 46 daher entfallen. Die Pumpe 35 ist gemäß 8 antriebsseitig mit einem Motor M, einem Teil der elektrischen Antriebsvorrichtung 2, verbunden. Der Motor M ist daher ein elektrischer Pumpenmotor.
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Im Fluidregler 1, 21, welcher wie zuvor bereits angedeutet beispielsweise als Thermostatventil ausgebildet ist, wird die gewünschte Mischtemperatur für das Fluid, im beschriebenen Ausführungsbeispiel das Kühlmittel, eingestellt. Das derart temperierte Fluid gelangt dann zur Pumpe 35 und von dort an den jeweiligen Verbraucher.
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9a zeigt die vom Kühler 45 kommende Leitung 42, angeschlossen an den Einlass 4. 9b zeigt die drei Einlässe 4, 30, 31 im einzelnen angeschlossen an die Leitung 42 vom Kühler 45, an die Leitung 41 von der Heizeinrichtung 44 und an die Leitung 43, der Bypassleitung. 9c zeigt den an die Leitung 41 von der Heizeinrichtung 44 angeschlossenen Einlass 30 und den an die Leitung 43 (Bypassleitung) angeschlossenen Einlass 31. 9d zeigt den an die Leitung 41 von der Heizeinrichtung 44 angeschlossenen Einlass 30.
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Wie bereits zuvor angedeutet, wird bei der in den 5 bis 7 gezeigten Ausführungsform der große Volumenstrom, welcher über den Einlass 4 in Richtung des Pfeils G in den Fluidregler 21 eintritt, durch den kleinen Volumenstrom, welcher über den Einlass 30 in Richtung der Pfeile F in den Regler eintritt, nicht gestört, sodass letztlich eine gleichförmigere Verteilung und ein besserer Wirkungsgrad der Pumpe infolge geringerer Druckverluste über dem Regler realisiert werden können.
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Die integrierte Anordnung, wie sie in 1 und in den 6 und 7 angedeutet ist, minimiert die Zahl der Einzelteile, ermöglicht eine Konstruktion und Optimierung sowohl des Fluidreglers als auch der Pumpe gleichzeitig und ist letztlich unabhängig von einem Schlauch, welcher Fluidregler und Pumpe miteinander verbindet. Der Einlass 36 in die Pumpe 35 kann strömungsoptimiert und damit ohne Rücksicht auf beispielsweise genormte Schlauchstutzen ausgeführt sein. Eine derart integrierte Anordnung führt letztlich, wie zuvor bereits erwähnt, zu einem geringeren Bauvolumen und zu einer hohen Integrationsstufe. Insgesamt kann also durch eine derartige Anordnung das zur Verfügung stehende Volumen besser genutzt werden.
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Ein derartiger Fluidregler und eine derartige Anordnung können bevorzugt in elektrische Wasserpumpen aufweisenden Fahrzeugen mit Brennstoffzellen aber auch in Elektrofahrzeugen und in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren zum Einsatz kommen.
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Der zuvor beschriebene Fluidregler 1, 21 kommt beispielsweise als elektrisch angetriebenes Thermostatventil in einem Brennstoffzellen-Fahrzeug zur Temperaturregelung im Kühlkreislauf zur Anwendung. Die zuvor insbesondere mit Bezug auf 8 beschriebene Pumpe 35 ist beispielsweise eine Brennstoffzellen-Kühlwasserpumpe.
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Mit Bezug auf die 5 bis 9 steuert der beispielsweise als Thermostatventil ausgebildete Fluidregler je nach geforderter Kühlmitteltemperatur am Austritt zur Kühlwasserpumpe über einen nicht näher gezeigten elektrischen Steller die einzelnen Volumenströme für das sog. Heißmedium von der Heizeinrichtung 44 über die Leitung 41 kommend, das sog. Kaltmedium über die Leitung 42 vom Kühler 45 kommend und das sog. Kühlmedium aus der Leitung 43 (Bypass) kommend, sodass die geforderte Betriebstemperatur zu jedem Zeitpunkt eingestellt wird. Der vorgenannte elektrische Steller verfährt die Reglerkörper 24, 25 in die geforderte Winkelstellung, sodass der in 10 dargestellte und zuvor beschriebene Drehwinkel so eingestellt wird, dass der jeweilige Eingang 4, 30, 31 geöffnet oder geschlossen oder teilweise geöffnet oder teilweise geschlossen wird.
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Damit ist ein Fluidregler geschaffen, der strömungstechnisch optimiert ist. Damit ist auch eine Anordnung mit einem solchen Fluidregler und einer Pumpe geschaffen, welche strömungstechnisch optimiert ausgebildet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fluidregler gemäß erster Ausführungsform
- 2
- elektrische Antriebsvorrichtung für Kühlwasserpumpe
- 3
- Gehäuse
- 4
- Einlass
- 5
- Auslass
- 6
- Umlenkeranordnung
- 7
- Umlenkkonus
- 10
- Spitze des Umlenkkonus
- 11
- Strömungselement
- 12
- vorderer Abschnitt
- 13
- hinterer Abschnitt
- 14
- sich erweiternder Querschnitt
- 15
- Reglerkörper
- 16
- Drehachse
- 17
- Durchgangsöffnung
- 18
- ringförmige Querschnittsfläche
- 20
- Außenwand
- 21
- Fluidregler gemäß zweiter Ausführungsform
- 22
- ringförmiger Raum
- 23
- freier Querschnitt
- 24
- innerer Reglerkörper
- 25
- äußerer Reglerkörper
- 26
- Antriebseinheit
- 27
- Zwischenraum
- 30
- weiterer Einlass
- 31
- weiterer Einlass
- 32
- weitere Durchgangsöffnung
- 33
- weitere Durchgangsöffnung
- 34
- Anordnung mit Fluidregler gemäß erster Ausführungsform
- 35
- Pumpe
- 36
- Einlass der Pumpe
- 37
- Anordnung mit Fluidregler gemäß zweiter Ausführungsform
- 38
- Pumpendeckel
- 40
- Fluidsystem
- 41
- Leitung zur Heizeinrichtung
- 42
- Leitung zum Kühler
- 43
- Leitung (Bypass)
- 44
- Heizeinrichtung
- 45
- Kühler
- 46
- Leitung
- Pfeil A
- Strömungsrichtung
- Pfeil B
- eintretende Fluidströmung
- Pfeile C, D
- Teilströme
- Pfeil E
- Strömungsrichtung
- Pfeil F
- Strömungsrichtung
- Pfeil G
- Strömungsrichtung
- M
- Motor
