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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Verteilen eines Fluids in einem Fluidkreislauf, insbesondere eines Kühlmittels in einem Kühlmittelkreislauf. Die Vorrichtung weist ein Gehäuse mit Anschlusselementen zum Verbinden der Vorrichtung mit Fluidleitungen sowie mindestens zwei innerhalb des Gehäuses angeordnete Ventilelemente mit einem Antriebselement zum Bewegen der Ventilelemente zueinander sowie relativ zum Gehäuse auf.
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Bei aus dem Stand der Technik bekannten Personen-Kraftfahrzeugen wird einer hohen Anforderung an den Komfort der Fahrgäste im Fahrgastraum durch Klimatisierungssysteme mit unterschiedlichen Kreisläufen für Kältemittel und Kühlmittel jeweils mit verschieden betriebenen Wärmeübertragern begegnet. Herkömmliche Kraftfahrzeuge mit elektromotorischem Antrieb, kurz als Elektrofahrzeuge bezeichnet, oder Kraftfahrzeuge mit einem hybriden Antrieb aus Elektromotor und Verbrennungsmotor, kurz als Hybridfahrzeuge bezeichnet, weisen aufgrund der Ausbildung mit zusätzlichen Komponenten des elektrischen Antriebsstrangs, wie einer Hochvoltbatterie, einem internen Ladegerät, einem Transformer, einem Inverter sowie dem Elektromotor, zudem meist einen höheren Kältebedarf als Kraftfahrzeuge mit einem reinen verbrennungsmotorischen Antrieb auf. Neben dem Kältemittelkreislauf des eigentlichen Klimatisierungssystems sind bekannte Kraftfahrzeuge mit einem reinen elektrischen Antrieb oder einem elektrischen Hybridantrieb mit einem Kühlmittelkreislauf ausgebildet, in welchem das zum Abführen der von den Antriebskomponenten emittierter Wärme zirkulierende Kühlmittel beispielsweise durch einen luftgekühlten Wärmeübertrager geleitet wird. Insbesondere sind die genannten Fahrzeuge mit einer Möglichkeit zum Schnellladen der elektrischen Energiespeicher, wie der Hochvoltbatterie des Antriebsstrangs, als einer gesteigerten Anforderung an die Kühlung der Energiespeicher auszubilden.
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Thermische Systeme elektrisch angetriebener Kraftfahrzeuge weisen aufgrund des erforderlichen Energiebedarfs zum Betreiben einen erheblichen Einfluss auf die Reichweite der Kraftfahrzeuge auf. So wird durch eine bedarfsgerechte Verteilung von Wärmeströmen im Kraftfahrzeug mit verschiedenen Untersystemen beispielsweise eine schnellere Konditionierung von Komponenten ermöglicht, welche eine optimale Betriebstemperatur erfordern. In batterieelektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen und Kraftfahrzeugen mit Hybridantrieb, bei welchen neben der Konditionierung des Fahrgastraums beispielsweise auch die Konditionierung der Hochvoltkomponenten des elektrischen Antriebsstrangs von besonderem Interesse sind, ist der Einfluss des Betriebs der thermischen Systeme auf die Reichweite des Kraftfahrzeugs zu minimieren.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Kältemittelkreisläufe von Klimatisierungssystemen sowohl in einem Modus als Wärmepumpe als auch in einem Modus als Kälteanlage betreibbar auszubilden, um thermische Energien innerhalb des Kraftfahrzeugs zu verteilen. Zum Beispiel kann insbesondere beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs im Wärmepumpenmodus Wärme aus der Umgebungsluft aufgenommen werden, welche anschließend an Komponenten des Kraftfahrzeugs mit Wärmebedarf übertragen wird. Beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs im Kälteanlagenmodus kann Wärme aus dem Fahrgastraum beziehungsweise aus der Zuluft zum Fahrgastraum oder anderen Komponenten aufgenommen und an die Umgebung übertragen werden. Dabei sind innerhalb der thermischen Systeme Wärmeträgerkreisläufe, wie Kältemittelkreisläufe und Kühlmittelkreisläufe, untereinander und mit weiteren Komponenten des Kraftfahrzeugs verbunden. Speziell hybrid angetriebene Kraftfahrzeuge werden dafür ein substanzielles Neudesign erfordern, um das thermische System zum Konditionieren verschiedener Komponenten im vorhanden Bauraum anordnen zu können.
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In 1 ist ein thermisches System mit einem Kältemittelkreislauf und drei Kühlmittelkreisläufen eines Kraftfahrzeugs aus dem Stand der Technik gezeigt. Die Kühlmittelkreisläufe und der Kältemittelkreislauf sind über Wärmeübertrager thermisch miteinander gekoppelt. Die Kühlmittelkreisläufe können von verschiedenen oder einem Kühlmittel beaufschlagt werden und sind mit unterschiedlichen Ventilen ausgebildet, um das Kühlmittel in den und zwischen den Kühlmittelkreisläufen sowie den entsprechenden Komponenten strömen zu lassen.
Die Ausgestaltung des thermischen Systems zeigt eine hohe Komplexität, insbesondere in der Verschaltung der Kreisläufe, speziell der Kühlmittelkreisläufe, auf. Die Verwendung von aus dem Stand der Technik bekannten, einfachen Kühlmittelventilen würde eine sehr große Anzahl an Ventilen und Leitungen erfordern.
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In der
US 3,499,467 A wird ein Mehrwegeventil mit einem Gehäuse mit mindestens vier in einer Umfangsrichtung angeordneten Durchgangsöffnungen und Anschlüssen, welche in ein gemeinsames Volumen einmünden, sowie einem Ventilkörper offenbart. Der innerhalb des Volumens, das Volumen unterteilend angeordnete Ventilkörper ist mit einer ersten und einer zweiten dezentralen Ausformung derart ausgebildet, dass in mindestens einer Ausrichtung des Ventilkörpers über die erste Ausformung mindestens zwei benachbart zueinander angeordnete Öffnungen miteinander verbunden sind und dass in mindestens einer Ausrichtung des Ventilkörpers über die zweite Ausformung mindestens drei benachbart zueinander angeordnete Öffnungen miteinander verbunden sind. Zudem sind die Ausformungen in Bezug zueinander derart angeordnet, dass der Ventilkörper in mindestens einer Ausrichtung mindestens eine der Durchgangsöffnungen verschließt. Mit dem Mehrwegeventil können die unterschiedlichen Anschlüsse je nach Bedarf in verschiedenen Kombinationen miteinander verbunden werden, um eine Vielzahl von Durchströmungen zu ermöglichen.
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Aus der
DE 103 06 094 A1 geht ein Drehventil zur Einpunktstromsteuerung eines Kühlmittels im Kühlsystem eines Verbrennungsmotors hervor. Mit dem Ventil kann ein Kühlmittelmassenstrom vom Verbrennungsmotor in vorbestimmten Strömungsbetriebsmodi entweder gleichzeitig an einen Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager und einen Heizwärmeübertrager oder ausschließlich einen Bypasskreislauf oder ausschließlich an den Heizwärmeübertrager oder gleichzeitig an den Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager und den Bypasskreislauf aufgeteilt werden. Das Drehventil weist ein Gehäuse mit einem Einlassanschluss, einem Auslassanschluss, einem Bypassauslassanschluss und einem Heizwärmeübertragerauslassanschluss sowie einen drehbar im Gehäuse integrierten Ventilkörper mit einer Vielzahl von Fluiddurchgängen auf. Mit den Fluiddurchgängen können abhängig von einer Drehstellung des Ventilkörpers gewünschte Strömungswege zwischen dem Einlassanschluss und den Auslassanschlüssen freigegeben oder verschlossen werden.
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In der
US 2015/0027575 A1 wird ein Wärmemanagement-Ventilmodul mit zumindest einer Strömungskammer beschrieben, in welche ein oder mehrere Einlassanschlüsse oder Auslassanschlüsse einmünden. Innerhalb der Strömungskammer sind ein erster und ein zweiter Ventilkörper jeweils drehbar angeordnet, welche einen einen ersten Anschluss mit der Strömungskammer verbindenden Fluidpfad sowie einen einen zweiten Anschluss mit der Strömungskammer verbindenden Fluidpfad aufweisen und je nach Stellung des Ventilkörpers separate oder gemischte Fluidströme erlauben oder die Fluidströmung blockieren. Zum unabhängigen Verstellen der beiden Ventilkörper sind ein oder mehrere Aktuatoren ausgebildet.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung und Weiterentwicklung einer Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Verteilen eines Fluids in einem Fluidkreislauf, insbesondere in Kühlmittelkreisläufen eines thermischen Systems eines Kraftfahrzeugs. Dabei sollen mit einer minimalen Anzahl an Komponenten eine maximale Anzahl an Wärmequellen und Wärmesenken des thermischen Systems, speziell eines batterieelektrisch oder hybridangetriebenen Kraftfahrzeugs, kühlmittelseitig miteinander verbunden werden. Es soll Kühlmittel auf unterschiedlichen Temperaturniveaus für unterschiedliche Komponenten verfügbar sein. Zudem sollen die Herstellungs-, Wartungs- und Betriebskosten sowie der erforderliche Bauraum der Vorrichtung minimal sein. Das thermische System soll mit maximaler Effizienz betreibbar sein.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände mit den Merkmalen der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Verteilen eines Fluids in mindestens einem Fluidkreislauf, insbesondere eines Kühlmittels in mindestens einem Kühlmittelkreislauf, gelöst. Die Vorrichtung weist ein Gehäuse mit Anschlusselementen zum Verbinden der Vorrichtung mit Fluidleitungen sowie mindestens zwei innerhalb des Gehäuses angeordnete Ventilelemente mit mindestens einem Antriebselement zum Bewegen der Ventilelemente zueinander sowie relativ zum Gehäuse auf.
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Nach der Konzeption der Erfindung sind die miteinander korrespondierend ausgebildeten Ventilelemente mindestens ein Volumen umschließend angeordnet. Zudem weisen die Ventilelemente Durchgangsöffnungen auf, welche mit der Anordnung der Ventilelemente zueinander sowie zum Gehäuse mindestens einen Strömungsquerschnitt eines Strömungspfades durch das Gehäuse mit den Anschlusselementen und durch die Ventilelemente steuernd ausgebildet sind.
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Das Gehäuse ist vorteilhaft hohlzylinderförmig, insbesondere hohlkreiszylinderförmig, mit geschlossenen Stirnseiten und einer Mittelachse ausgebildet. Der Hohlzylinder weist dabei insbesondere die Form eines geraden Zylinders mit parallel zueinander angeordneten Stirnseiten auf.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind die Ventilelemente jeweils hohlkreiszylinderförmig ausgebildet. Dabei ist ein erstes Ventilelement mit einer Mantelfläche koaxial um eine Mantelfläche eines zweiten Ventilelements angeordnet, sodass das zweite Ventilelement zumindest teilweise innerhalb des ersten Ventilelements integriert ist.
Die Rotationsachsen der Ventilelemente sind bevorzugt koaxial und deckungsgleich zueinander sowie zur Mittelachse des Gehäuses angeordnet. Die benachbart zueinander angeordneten Mantelflächen der Ventilelemente sowie eine benachbart zum Gehäuse angeordnete Mantelfläche sind jeweils miteinander korrespondierend ausgebildet.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das erste Ventilelement mit einer offenen Stirnseite und einer geschlossenen Stirnseite ausgebildet ist. Das erste Ventilelement weist bevorzugt die Form eines geraden Zylinders auf, bei welchem die Stirnseiten jeweils in einer Ebene senkrecht zu einer Rotationsachse des Ventilelements angeordnet sind.
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Nach einer ersten alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist das zweite Ventilelement mit einer offenen Stirnseite und einer geschlossenen Stirnseite ausgebildet. Dabei ist das zweite Ventilelement mit der offenen Stirnseite zur geschlossenen Stirnseite des ersten Ventilelements hin derart ausgerichtet angeordnet, dass das von den Ventilelementen umschlossene Volumen von der Mantelfläche und der geschlossenen Stirnseite des zweiten Ventilelements sowie der geschlossenen Stirnseite des ersten Ventilelements begrenzt ist.
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Nach einer zweiten alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist das zweite Ventilelement mit zwei offenen Stirnseiten und einer Trennwand ausgebildet, welche ein von der Mantelfläche des zweiten Ventilelements in Umfangsrichtung umschlossenes Volumen in zwei Teilvolumina unterteilt. Dabei ist das zweite Ventilelement mit einer ersten offenen Stirnseite zur geschlossenen Stirnseite des ersten Ventilelements und mit einer zweiten offenen Stirnseite zu einer Stirnseite des Gehäuses hin derart ausgerichtet angeordnet, dass ein erstes von den Ventilelementen umschlossenes Teilvolumen von der Mantelfläche und der Trennwand des zweiten Ventilelements sowie der geschlossenen Stirnseite des ersten Ventilelements und ein zweites Teilvolumen von der Mantelfläche und der Trennwand des zweiten Ventilelements sowie der Stirnseite des Gehäuses begrenzt sind.
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Das zweite Ventilelement ist vorteilhaft als ein gerader Zylinder ausgebildet, bei welchem die Stirnseiten jeweils in einer Ebene senkrecht zu einer Rotationsachse des Ventilelements angeordnet sind. Zudem ist die Trennwand bevorzugt in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse des zweiten Ventilelements ausgerichtet.
Nach einem weiteren Vorteil der Erfindung sind die Stirnseiten der Ventilelemente jeweils in einem Bereich einer Stirnseite des Gehäuses angeordnet. Zudem sind das von den Ventilelementen umschlossene Volumen beziehungsweise die Teilvolumina an Kontaktflächen der Ventilelemente und zum Gehäuse fluiddicht ausgebildet.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung weisen die Ventilelemente jeweils mindestens drei Durchgangsöffnungen auf, welche in den Mantelflächen der Ventilelemente ausgebildet sind. Zudem sind die Anschlusselemente des Gehäuses und die Durchgangsöffnungen der Ventilelemente vorteilhaft in mindestens einer gemeinsamen Ebene angeordnet, welche senkrecht zur Mittelachse des Gehäuses ausgerichtet ist.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Anschlusselemente des Gehäuses und die Durchgangsöffnungen der Ventilelemente in insbesondere zwei, voneinander abweichenden Ebenen angeordnet. Dabei sind miteinander korrespondierend ausgebildete Anschlusselemente und Durchgangsöffnungen in einer gemeinsamen Ebene angeordnet. Die Ebenen sind in Richtung der Mittelachse des Gehäuses zueinander beabstandet ausgebildet.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass zwischen den beabstandet zueinander angeordneten Ebenen der Anschlusselemente des Gehäuses und der Durchgangsöffnungen des Ventilelements eine Trennwand eines zweiten Ventilelements ausgebildet ist.
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Mit der veränderbaren Anordnung der miteinander korrespondierend ausgebildeten Anschlusselemente des Gehäuses und der Durchgangsöffnungen der Ventilelemente zueinander wird mindestens ein Strömungsquerschnitt mindestens eines Strömungspfades durch mindestens ein Anschlusselement in das Gehäuse sowie mindestens jeweils eine Durchgangsöffnung der Ventilelemente in ein von den Ventilelementen beziehungsweise vom Gehäuse umschlossenes Volumen und durch mindestens jeweils eine Durchgangsöffnung der Ventilelemente aus dem Volumen sowie mindestens ein Anschlusselement aus dem Gehäuse heraus gesteuert.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist jedes Ventilelement über ein Verbindungselement mit einem Antriebselement verbunden ausgebildet, sodass die Ventilelemente unabhängig voneinander antreibbar und bewegbar sind. Die Antriebselemente sind dabei jeweils im Bereich einer Stirnseite des Gehäuses außerhalb des Gehäuses angeordnet. Das Verbindungselement ist jeweils bevorzugt als eine Welle ausgebildet, wobei eine Rotationsachse des Verbindungselements deckungsgleich zur Mittelachse des Gehäuses angeordnet ist.
Das Verbindungselement ist vorteilhaft jeweils an einem ersten Ende fest mit dem Antriebselement und an einem zum ersten Ende distal ausgebildeten zweiten Ende durch eine Stirnseite in das Gehäuse hineinragend und mit dem Ventilelement verbunden angeordnet.
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Das Antriebselement ist bevorzugt jeweils als ein elektrischer Stellmotor, insbesondere als ein Schrittmotor, ausgebildet.
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Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht die Verwendung der Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Verteilen eines Fluids in einem Kühlmittelkreislauf eines thermischen Systems, insbesondere eines Thermomanagementsystems, eines Kraftfahrzeugs zum Konditionieren von mindestens einem einem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstrom sowie mindestens einer Komponente eines Antriebsstrangs. Dabei weist das thermische System mindestens einen Kältemittelkreislauf sowie den mindestens einen Kühlmittelkreislauf auch zum Aufnehmen von Wärme aus dem Kältemittelkreislauf auf. Die Vorrichtung dient dann als ein adaptives Mehrwege-Kühlmittelventil für die Fahrzeugklimatisierung.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist insbesondere als ein hochvariables Kühlmittelventil mit einer Vielzahl von möglichen Durchströmungspfaden zusammenfassend diverse Vorteile auf:
- - mit minimaler Anzahl an Komponenten können eine maximale Anzahl an Wärmequellen und Wärmesenken des thermischen Systems, speziell eines batterieelektrisch oder hybridangetriebenen Kraftfahrzeugs, kühlmittelseitig miteinander verbunden werden,
- - je nach Bedarf kann Kühlmittel auf unterschiedlichen Temperaturniveaus für unterschiedliche Komponenten verfügbar sein,
- - maximale Effizienz beim Betrieb des thermischen Systems und
- - minimale Herstellungs-, Wartungs- und Betriebskosten sowie minimaler erforderlicher Bauraum.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
- 1: ein thermisches System mit einem Kältemittelkreislauf und drei Kühlmittelkreisläufen eines Kraftfahrzeugs aus dem Stand der Technik,
- 2a: eine Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Verteilen mindestens eines Fluids in mindestens einem Fluidkreislauf, insbesondere ein Ventil für Kühlmittelkreisläufe eines thermischen Systems eines Kraftfahrzeugs in einer Seitenansicht,
- 2b: die Vorrichtung aus 2a in einer Draufsicht,
- 3a: eine erste Ausführungsform der Vorrichtung aus 2a in einer Schnittdarstellung durch eine vertikal ausgerichtete Ebene,
- 3b: eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung aus 2a in einer Schnittdarstellung durch eine vertikal ausgerichtete Ebene sowie
- 4a - 4d: eine Ausführungsform der Vorrichtung aus 2a in einer Schnittdarstellung durch eine horizontal ausgerichtete Ebene.
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Aus den 2a und 2b geht jeweils eine Vorrichtung 1 zum Regeln eines Durchflusses und Verteilen mindestens eines Fluids in mindestens einem Fluidkreislauf, insbesondere ein Ventil für Kühlmittelkreisläufe eines thermischen Systems eines Kraftfahrzeugs hervor. 2a zeigt die Vorrichtung 1 in einer Seitenansicht, während die Vorrichtung 1 in 2b in einer Draufsicht dargestellt ist.
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Die Vorrichtung 1 weist ein Gehäuse 2 sowie zwei Antriebselemente 3, 5 mit jeweils einem Verbindungselement 4, 6 auf. Das als ein Hohlkreiszylinder mit einer Mittelachse 8 ausgebildete Gehäuse 2 ist an den Stirnseiten verschlossen. Die Mittelachse 8 ist in einer vertikal verlaufenden Längsrichtung z ausgerichtet. Die Stirnseiten sind parallel zueinander angeordnet.
Nach einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform kann insbesondere die äußere Form des Gehäuses derart ausgebildet sein, dass die Funktionen, beispielsweise auch eine konkrete Anordnung innerhalb eines Systems, gewährleistet werden und dass eine möglichst kosteneffiziente Serienproduktion bei minimalem Komponentengewicht möglich ist.
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Die jeweils als eine Welle beziehungsweise als ein Stellschaft ausgebildeten Verbindungselemente 4, 6 sind an einem ersten Ende fest mit dem Antriebselement 3, 5 verbunden. Mit dem zum ersten Ende distal ausgebildeten zweiten Ende sind die Verbindungselemente 4, 6 jeweils durch eine Stirnseite in das Gehäuse 2 hineinragend angeordnet. Die Achsen der Verbindungselemente 4, 6 sind deckungsgleich auf einer gemeinsamen Rotationsachse 8 angeordnet, welche auch der Mittelachse 8 des Gehäuses 2 entspricht. Die Antriebselemente 3, 5 sind als Stellmotoren zum Antreiben der Verbindungselemente 4, 6 ausgebildet.
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Das rotationssymmetrisch um die in der Längsrichtung z ausgerichtete Mittelachse 8 ausgebildete Gehäuse 2 weist eine Vielzahl von als rotationssymmetrische Stutzen ausgebildete Anschlusselemente 7-1 - 7-7, insbesondere acht Anschlusselemente, zum Verbinden mit Fluidleitungen, speziell Kühlmittelleitungen, auf. Dabei sind vier Anschlusselemente 7-1, 7-3, 7-5, 7-7 einer ersten Gruppe in einer gemeinsamen ersten, von horizontalen Richtungen x, y aufgespannten Ebene angeordnet, während vier Anschlusselemente 7-2, 7-4, 7-6 einer zweiten Gruppe in einer gemeinsamen zweiten, von den horizontalen Richtungen x, y aufgespannten Ebene angeordnet sind. Die erste horizontal ausgerichtete Ebene und die zweite horizontal ausgerichtete Ebene sind in der vertikalen Richtung z voneinander beabstandet.
Die Anschlusselemente 7-1 - 7-7 einer Ebene sind jeweils gleichmäßig über den Umfang am Gehäuse 2 verteilt angeordnet. Dabei sind jeweils ein Anschlusselement 7-1, 7-3, 7-5, 7-7 der ersten Ebene und ein Anschlusselement 7-2, 7-4, 7-6 der zweiten Ebene in eine gemeinsame Richtung weisend ausgerichtet. Die vier Anschlusselemente 7-1 - 7-7 einer Ebene sind jeweils radial zur Mittelachse 8 des Gehäuses 2 und in einem Winkel von 90° zueinander versetzt angeordnet. Dabei können die Anschlusselemente 7-1 - 7-7 auch in anderen Winkeln versetzt zueinander ausgerichtet sein, um die Vorrichtung 1 beispielsweise an einen vorhandenen Bauraum anzupassen.
Zudem können sowohl die Gesamtanzahl der Anschlusselemente des Gehäuses 2 als auch die Anzahl der Anschlusselemente einer Ebene je nach Bedarf variieren. Die Anzahlen der Anschlusselemente sind dabei lediglich durch die Geometrie der Anschlusselemente selbst und den Durchmesser des Gehäuses 2 begrenzt.
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In 3a ist eine erste Ausführungsform der Vorrichtung 1, 1a aus 2a in einer Schnittdarstellung durch eine vertikal ausgerichtete Ebene gezeigt. Die Ebene ist durch die horizontale Richtung x und die vertikale Richtung z aufgespannt.
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Die an den in vertikaler Richtung y ausgerichteten Stirnseiten der Vorrichtung 1a angeordneten Antriebselemente 3, 5 sind über die Verbindungselemente 4, 6, welche jeweils durch eine der Stirnseiten des Gehäuses 2 hindurch in das vom Gehäuse 2 umschlossene Volumen 11a hineinragen, mit einem Ventilelement 9, 10a verbunden. Dabei ist jeweils das erste Ende der Verbindungselemente 4, 6 mit einem Antriebselement 3, 5 und das distal zum ersten Ende ausgebildete zweite Ende mit einem Ventilelement 9, 10a verbunden, sodass von den Antriebselementen 3, 5 erzeugte Drehbewegungen über die Verbindungselemente 4, 6 an die Ventilelemente 9, 10a übertragen werden. Mittels der Antriebselemente 3, 5 können die Ventilelemente 9, 10a unabhängig voneinander um die Rotationsachse 8 bewegt werden.
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Die Ventilelemente 9, 10a sind hohlzylinderförmig mit einem kreisrunden Querschnitt ausgebildet und weisen die Form einer Hülse auf. Die Rotationsachsen 8 der Ventilelemente 9, 10a sind dabei deckungsgleich zueinander sowie zu den Rotationsachsen der Verbindungselemente 4, 6 und der Mittelachse 8 des Gehäuses 2 angeordnet.
Die Ventilelemente 9, 10a sind jeweils mit einer offenen und einer geschlossenen Stirnseite ausgebildet, wobei ein zweites Ventilelement 10a koaxial innerhalb eines ersten Ventilelements 9 integriert angeordnet ist. Die Ventilelemente 9, 10a sind dabei derart ineinander gesteckt, dass das äußere erste Ventilelement 9 mit der offenen Stirnseite in vertikaler Richtung z nach unten ausgerichtet ist, während das innere zweite Ventilelement 10a mit der offenen Stirnseite in vertikaler Richtung z nach oben ausgerichtet ist. Damit umschließen die Ventilelemente 9, 10a ein Volumen 11a, welches in Umfangsrichtung durch eine Mantelfläche des zweiten Ventilelements 10a sowie in vertikaler Richtung z durch die geschlossene Stirnseite des ersten Ventilelements 9 und die geschlossene Stirnseite des zweiten Ventilelements 10a begrenzt ist. Die geschlossenen Stirnseiten der Ventilelemente 9, 10a sind im Bereich der Stirnseiten des Gehäuses 2 angeordnet, wobei jeweils zwischen den Stirnseiten des Gehäuses 2 und der Ventilelemente 9, 10a lediglich ein Spalt zum Bewegen der Ventilelemente 9, 10a in Bezug zum Gehäuse 2 verbleibt.
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Eine Außenseite der Mantelfläche des ersten, äußeren Ventilelements 9 ist mit einem Durchmesser ausgebildet, welcher einem Innendurchmesser einer Mantelfläche des Gehäuses 2 abzüglich eines Spalts zum Bewegen des Ventilelements 9 in Bezug zum Gehäuse 2 entspricht. Zudem ist die Mantelfläche des zweiten, inneren Ventilelements 10a derart ausgebildet, dass eine Außenseite der Mantelfläche einen Durchmesser aufweist, welcher einem Innendurchmesser der Mantelfläche ersten, äußeren Ventilelements 9 abzüglich eines Spalts zum Bewegen der Ventilelemente 9, 10a zueinander entspricht. Die Ventilelemente 9, 10a sind zueinander und zum Gehäuse 2 hin fluiddicht abgedichtet, um lediglich mindestens einen gezielten Einlass und mindestens einen gezielten Auslass des von den Ventilelementen 9, 10a umschlossenen Volumens 11a bereitzustellen und unerwünschte Bypassströmungen zu vermeiden. Insbesondere das zweite Ventilelement 10a ist zudem derart ausgebildet, dass ein durch mindestens ein Anschlusselement 7-1 - 7-7 in das von den Ventilelementen 9, 10a umschlossene Volumen 11a einströmendes Fluid durch ein beliebiges, je nach Betriebsmodus der Vorrichtung 1a geöffnetes Anschlusselement 7-1 - 7-7 wieder ausströmen kann. Die Vorrichtung 1a ist für das Regeln des Durchflusses und Verteilen des Fluids in einem Fluidkreislauf ausgebildet.
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Jedes Ventilelement 9, 10a ist mit mindestens zwei nicht dargestellten Durchgangsöffnungen versehen, welche jeweils in den Mantelflächen der Ventilelemente 9, 10a ausgebildet sind. Die Durchgangsöffnungen sind dabei in der ersten, von den horizontalen Richtungen x, y aufgespannten Ebene, in welcher auch die Gruppe der ersten Anschlusselemente 7-1, 7-3, 7-5, 7-7 am Gehäuse 2 ausgebildet sind, beziehungsweise in der zweiten, von den horizontalen Richtungen x, y aufgespannten Ebene, in welcher auch die Gruppe der zweiten Anschlusselemente 7-2, 7-4, 7-6 am Gehäuse 2 ausgebildet sind, angeordnet. Damit sind die Durchgangsöffnungen in den zwei in vertikaler Richtung z beabstandet zueinander ausgebildeten Ebenen angeordnet. Mit der Anordnung der Durchgangsöffnungen der beiden Ventilelemente 9, 10a zueinander können Durchströmöffnungen zwischen dem von den Ventilelementen 9, 10a umschlossenen Volumen 11a und den Anschlusselementen 7-1 - 7-7 blockiert oder freigegeben werden.
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3b zeigt eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung 1, 1b aus 2a in einer Schnittdarstellung durch eine vertikal ausgerichtete Ebene, welche durch die horizontale Richtung x und die vertikale Richtung z aufgespannt ist.
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Der Unterschied der ersten Ausführungsform der Vorrichtung 1, 1a aus 3a und der zweiten Ausführungsform der Vorrichtung 1, 1b aus 3b liegt in der Ausbildung der zweiten Ventilelemente 10a, 10b. Gleiche Komponenten der Vorrichtungen 1, 1a, 1b sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Zudem wird auf die Beschreibung zu 3a verwiesen.
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Das hohlzylinderförmig ausgebildete zweite Ventilelement 10b weist einen kreisrunden Querschnitt und die Form einer Hülse auf. Dabei sind die Rotationsachsen 8 der Ventilelemente 9, 10b deckungsgleich zueinander sowie zu den Rotationsachsen der Verbindungselemente 4, 6 und der Mittelachse 8 des Gehäuses 2 angeordnet.
Das innerhalb des ersten Ventilelements 9 integriert angeordnete zweite Ventilelement 10b ist mit zwei offenen Stirnseiten und einer Trennwand 12 ausgebildet. Die Ventilelemente 9, 10b umschließen ein Volumen 11b, welches in Umfangsrichtung durch eine Mantelfläche des zweiten Ventilelements 10b sowie in vertikaler Richtung z durch die geschlossene Stirnseite des ersten Ventilelements 9 und das Gehäuse 2 begrenzt ist. Die geschlossene Stirnseite des ersten Ventilelements 9 und eine erste offene Stirnseite des zweiten Ventilelements 10b, welche zur geschlossenen Stirnseite des ersten Ventilelements 9 hin ausgerichtet ist, sind jeweils im Bereich einer ersten Stirnseite des Gehäuses 2 angeordnet. Die zweite offene Stirnseite des zweiten Ventilelements 10b ist zu einer zweiten Stirnseite des Gehäuses 2 hin ausgerichtet. Zwischen den Stirnseiten des Gehäuses 2 und den Ventilelementen 9, 10b ist jeweils lediglich ein Spalt zum Bewegen der Ventilelemente 9, 10b in Bezug zum Gehäuse 2 ausgebildet.
Die Trennwand 12 des zweiten Ventilelements 10b ist in einer von den horizontalen Richtungen x, y aufgespannten Ebene ausgerichtet und unterteilt das von Ventilelementen 9, 10b und dem Gehäuse 2 umschlossene Volumen 11b in zwei Teilvolumina 11b-1, 11b-2. Die horizontal ausgerichtete Ebene der Trennwand 12 ist dabei zwischen den beabstandet zueinander angeordneten horizontalen Ebenen der Anschlusselemente 7-1 - 7-7 ausgebildet. Bei einer mittigen Anordnung der Trennwand 12 in Bezug auf die Ausdehnung des Ventilelements 10b in vertikaler Richtung z wird das von den Ventilelementen 9, 10b und dem Gehäuse 2 umschlossene Volumen 11b in zwei Teilvolumina 11b-1, 11b-2 gleicher Abmessungen, unterteilt. Die Ventilelemente 9, 10b sind zueinander und zum Gehäuse 2 hin fluiddicht abgedichtet, um unerwünschte Bypassströmungen zu vermeiden.
Mit der Trennwand 12 des zweiten Volumenelements 10b sowie der Abdichtung der Ventilelemente 9, 10b zueinander und zum Gehäuse 2, können die Teilvolumina 11b-1, 11b-2 jeweils gezielt mit mindestens einem Einlass und mindestens einem Auslass ausgebildet werden, sodass ein durch mindestens ein Anschlusselement 7-1, 7-3, 7-5, 7-7 in das erste Teilvolumen 11b-1 einströmendes erstes Fluid durch ein beliebiges, je nach Betriebsmodus der Vorrichtung 1b geöffnetes Anschlusselement 7-1, 7-3, 7-5, 7-7 wieder ausströmen kann und dass ein durch mindestens ein Anschlusselement 7-2, 7-4, 7-6 in das zweite Teilvolumen 11b-2 einströmendes zweites Fluid durch ein beliebiges, je nach Betriebsmodus der Vorrichtung 1b geöffnetes Anschlusselement 7-2, 7-4, 7-6 wieder ausströmen kann. Die Vorrichtung 1b ist folglich für das Regeln des Durchflusses und Verteilen eines Fluids in einem Fluidkreislauf oder zweier Fluide in zwei Fluidkreisläufen ausgebildet.
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Die Ventilelemente 9, 10b der Vorrichtung 1b sind ebenfalls, wie die Ventilelemente 9, 10a der Vorrichtung 1a aus 3a, mit mindestens zwei nicht dargestellten Durchgangsöffnungen versehen, welche jeweils in den Mantelflächen der Ventilelemente 9, 10b ausgebildet sind. Die in der ersten, von den horizontalen Richtungen x, y aufgespannten Ebene angeordneten ersten Anschlusselemente 7-1, 7-3, 7-5, 7-7 münden in das erste Teilvolumen 11b-1 ein und werden durch die ebenfalls in der ersten Ebene angeordneten Durchgangsöffnungen verschlossen oder geöffnet, während die in der zweiten, von den horizontalen Richtungen x, y aufgespannten Ebene angeordneten zweiten Anschlusselemente 7-2, 7-4, 7-6 in das zweite Teilvolumen 11b-2 einmünden und durch die in der zweiten Ebene angeordneten Durchgangsöffnungen verschlossen oder geöffnet werden. Mit der Anordnung der Durchgangsöffnungen der beiden Ventilelemente 9, 10b zueinander können Durchströmöffnungen zwischen den von den Ventilelementen 9, 10b und dem Gehäuse 2 umschlossenen Teilvolumina 11b-1, 11b-2 und den Anschlusselementen 7-1 - 7-7 blockiert oder freigegeben werden.
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Mit einer bestimmten Anzahl an Durchgangsöffnungen in Kombination mit einer gezielten Anordnung der Durchgangsöffnungen kann festgelegt werden, welche unterschiedliche Durchströmungen durch die Vorrichtung 1, 1a, 1b gewährleistet sein sollen. Die Ausbildung und die Anordnung der beiden Ventilelemente 9, 10a, 10b innerhalb der Vorrichtung 1, 1a, 1b ermöglichen, dass bestimmte Durchgangsöffnungen bei bestimmten Stellwinkeln der Ventilelemente 9, 10a, 10b zueinander derart angeordnet sind, dass bestimmte Durchströmöffnungen frei oder blockiert sind und das Fluid von einem oder mehreren Anschlusselementen 7-1 - 7-7 zu einem der mehreren anderen Anschlusselemente 7-1 - 7-7 geleitet wird.
Damit wird eine Vielzahl an unterschiedlichen Schaltszenarien der Vorrichtung 1, 1a, 1b bereitgestellt, welche vom jeweiligen Betriebsmodi des thermischen Systems abhängig sind. So kann beispielsweise ein Schaltszenario der Vorrichtung 1, 1a, 1b, das heißt eine Stellwinkelkombination der Durchgangsöffnungen, bewirken, dass das Fluid durch ein erstes Anschlusselement 7-1 - 7-7 in die Vorrichtung 1, 1a, 1b einströmt und durch ein vom ersten Anschlusselement 7-1 - 7-7 abweichendes zweites Anschlusselement 7-1 - 7-7 aus der Vorrichtung 1, 1a, 1b ausströmt, während bei einem anderen Schaltszenario der Vorrichtung 1, 1a, 1b das Fluid durch ein erstes Anschlusselement 7-1 - 7-7 in die Vorrichtung 1, 1a, 1b einströmt und durch drei vom ersten Anschlusselement 7-1 - 7-7 abweichende Anschlusselemente 7-1 - 7-7 aus der Vorrichtung 1, 1a, 1b ausströmt.
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Jedes Ventilelement 9, 10a, 10b kann mit einer maximalen Anzahl an Durchgangsöffnungen ausgebildet sein, welche die Bauteilfestigkeit der Ventilelemente 9, 10a, 10b gewährleisten. Zudem ist die Anzahl der Durchgangsöffnungen geometrisch beschränkt, wobei die Beschränkung von den Durchmessern der Ventilelemente 9, 10a, 10b und von den Durchmessern der Durchgangsöffnungen abhängt. Die Durchgangsöffnungen weisen vorteilhaft einen Durchmesser auf, welcher dem Innendurchmesser der Anschlusselemente 7-1 - 7-7 entspricht.
Des Weiteren kann eine Vielzahl von Durchgangsöffnungen auch derart angeordnet sein, dass Durchgangsöffnungen zu einem Langloch miteinander verbunden sind beziehungsweise die entsprechende Durchgangsöffnung als ein Langloch ausgebildet ist. Auch eine Kombination der Durchgangsöffnungen aus kreisrunden Öffnungen und Langlöchern ist möglich. Zudem können bestimmte Durchgangsöffnungen jeweils mit einem geringeren Durchmesser als der Innendurchmesser der Anschlusselemente 7-1 - 7-7 ausgebildet sein, um gegebenenfalls eine bestimmte Aufteilung des Fluids zu erzielen. Die Anzahl der Durchgangsöffnungen wird bevorzugt im Bereich von drei und sieben oder drei und acht pro Ventilelement 9, 10a, 10b liegen.
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In den 4a bis 4d ist jeweils eine Ausführungsform der Vorrichtung 1 aus 2a in einer Schnittdarstellung durch die durch die horizontalen Richtungen x, y aufgespannte erste Ebene dargestellt, welche durch die Anschlusselemente 7-1, 7-3, 7-5, 7-7 verläuft.
Das erste Ventilelement 9 ist in der ersten Ebene mit drei Durchgangsöffnungen 13 ausgebildet, während das zweite Ventilelement 10a, 10b in der ersten Ebene vier Durchgangsöffnungen 14 aufweist. Auch innerhalb der nicht dargestellten zweiten Ebene können die Ventilelemente 9, 10a, 10b beispielsweise jeweils bis zu vier sowie unterschiedliche Anzahlen an Durchgangsöffnungen aufweisen. Bei der Ausführungsform nach den 4a bis 4d sind benachbart angeordnete Durchgangsöffnungen 13, 14 eines Ventilelements 9, 10a, 10b, entsprechend der Ausrichtung der Anschlusselemente 7-1, 7-3, 7-5, 7-7, jeweils in einem Winkel von 90° versetzt zueinander ausgerichtet. Damit sind die zu den Ventilelementen 9, 10a, 10b zugehörigen Antriebselemente 3, 5, insbesondere Schrittmotoren, derart ausgebildet, die Ventilelemente 9, 10a, 10b in vier 90°-Schritten um die Rotationsachse 8 zu drehen, um eine vollständige Umdrehung der Ventilelemente 9, 10a, 10b um die Rotationsachse 8 zu erreichen. Den einzelnen Schritten sind Positionen der Ventilelemente 9, 10a, 10b zugeordnet, bei welchen jeweils eine Mittelachse einer Durchgangsöffnung 13, 14 und einer Mittelachse eines Anschlusselements 7-1, 7-3, 7-5, 7-7 deckungsgleich angeordnet sind und die Durchgangsöffnungen 13, 14 in Kombination mit den Anschlusselementen 7-1, 7-3, 7-5, 7-7 Durchströmöffnungen für das Fluid freigeben können. Durch Verdrehen der Ventilelemente 9, 10a, 10b in 90°-Schritten um die Rotationsachse 8 sind die Durchströmungsmuster der Vorrichtung 1 einfach variierbar.
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Die Fertigungstoleranzen der einzelnen Komponenten der Vorrichtung 1 sind derart gewählt, dass das Fluid, insbesondere das Kühlmittel, lediglich durch die Durchgangsöffnungen 13, 14 der Ventilelemente 9, 10a, 10b strömen kann und unerwünschte Bypassströmungen zwischen den Mantelflächen oder Stirnseiten der Ventilelemente 9, 10a, 10b oder dem Gehäuse 2 vermieden werden. Das Gehäuse 2 und die Ventilelemente 9, 10a, 10b können mit zusätzlichen Dichtungselementen, wie O-Ringen, zueinander abgedichtet sein, um interne Leckagen auszuschließen.
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Aus 4a geht eine Stellung der Ventilelemente 9, 10a, 10b hervor, bei welcher das Anschlusselement 7-7 als Einlass und die Anschlusselemente 7-1, 7-5 als Auslässe für das Kühlmittel geschaltet sind. Das erste Ventilelement 9 ist das Anschlusselement 7-3 verschließend angeordnet. Mittels einer Verdrehung des ersten Ventilelements 9 um 90° entgegen dem Uhrzeigersinn werden gemäß 4b das Anschlusselement 7-3 geöffnet und das Anschlusselement 7-5 geschlossen, sodass das Anschlusselement 7-7 weiterhin als Einlass und die Anschlusselemente 7-1, 7-3 als Auslässe für das Kühlmittel dienen. Nach einer weiteren Verdrehung des ersten Ventilelements 9 um 90° entgegen dem Uhrzeigersinn werden gemäß 4c das Anschlusselement 7-5 geöffnet und das Anschlusselement 7-1 geschlossen. Damit wird das Anschlusselement 7-7 weiterhin als Einlass und die Anschlusselemente 7-3, 7-5 als Auslässe für das Kühlmittel betrieben.
Nach einer abschließenden Verdrehung des ersten Ventilelements 9 um weitere 90° entgegen dem Uhrzeigersinn sind gemäß 4d das Anschlusselement 7-3 als Einlass und die Anschlusselemente 7-1, 7-5 als Auslässe für das Kühlmittel geschaltet. Das erste Ventilelement 9 ist das Anschlusselement 7-7 verschließend angeordnet.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 1a, 1b
- Vorrichtung
- 2
- Gehäuse
- 3
- erstes Antriebselement
- 4
- Verbindungselement erstes Antriebselement 3
- 5
- zweites Antriebselement
- 6
- Verbindungselement zweites Antriebselement 5
- 7-1 - 7-7
- Anschlusselement
- 8
- Mittelachse, Rotationsachse
- 9
- erstes Ventilelement
- 10a, 10b
- zweites Ventilelement
- 11a, 11b
- Volumen
- 11b-1, 11b-2
- Teilvolumen 11b
- 12
- Trennwand
- 13
- Durchgangsöffnung erstes Ventilelement 9
- 14
- Durchgangsöffnung zweites Ventilelement 10a, 10b
- 15
- Strömungsrichtung Fluid
- x, y
- horizontale Richtung
- z
- vertikale Richtung, Längsrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 3499467 A [0006]
- DE 10306094 A1 [0007]
- US 2015/0027575 A1 [0008]
