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Die Erfindung betrifft eine Umlenkungsvorrichtung zur temperaturabhängigen Umlenkung eines Fluids für ein Fahrzeug und eine Verwendung der Umlenkungsvorrichtung, beispielsweise für eine Wasserkühlung oder eine Ölkühlung.
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Eine Umlenkungsvorrichtung zur temperaturabhängigen Umlenkung eines Fluids für ein Fahrzeug kann einen thermischen Aktor verwenden. Der thermische Aktor kann beispielsweise in einer zu verschließenden Leitung angeordnet sein. Diese Anordnung kann z.B. zu Druckverlusten in der Leitung führen. Wenn mehrere Leitungen, z.B. abwechselnd verschlossen werden sollen, dann kann es erforderlich sein, für jede der Leitungen je einen Aktor zu verwenden.
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Die Druckschrift
DE 10 2004 035 344 A1 offenbart ein Thermostatventil zur Regelung der Temperatur der Kühlflüssigkeit einer Brennkraftmaschine, das den Kühlmittelfluss von der Brennkraftmaschine durch einen Bypass oder durch einen Wärmeaustauscher zurück zur Brennkraftmaschine regelt.
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Die
DE 100 19 029 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Kühlen von Öl, mit einem von dem Öl durchströmten Wärmetauscher, dem gekühltes oder heißes Kühlmittel eines Verbrennungsmotors über wenigstens ein Ventil zuführbar ist.
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Die
DE 10 2006 025 064 A1 offenbart ein Thermostatventil für eine Kühlanlage eines Verbrennungsmotors mit einem thermostatischen Arbeitselement, das als Antriebselement für ein Hauptventilelement und für ein Kurzschlussventilelement dient.
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Die
DE 297 15 258 U1 offenbart ein Schaltventil mit einem eine Verbindung zu einer Ventilkammer freigebenden oder absperrenden Schieberventil.
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Die
DE 10 2015 207 232 A1 offenbart ein Thermostatventil zur temperaturabhängigen Steuerung eines Fluidstroms.
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Aus der
DE 10 2016 205 458 A1 ist ein thermostatisches Arbeitselement für ein Thermostatventil bekannt. Es umfasst ein topfförmiges Gehäuse, das einen Gehäusemantel sowie einen Gehäuseboden aufweist und das einen Arbeitsraum enthält, in dem sich ein Dehnstoff befindet. Weiterhin umfasst das Arbeitselement einen axial verstellbaren Arbeitskolben, der durch eine im Gehäuseboden ausgebildete Kolbenöffnung in den Arbeitsraum hineinragt, einen Deckel, der eine dem Gehäuseboden axial gegenüberliegende Gehäuseöffnung verschließt, eine ringförmige Dichtung, die den Arbeitskolben umschließt und daran radial anliegt, und eine im Bereich des Gehäusebodens ausgebildete Axialführung, die den Arbeitskolben umschließt und axial führt.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Umlenkungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche mehrere Leitungen, abhängig von einer Temperatur, ansteuern und damit das Fluid umlenken kann.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Umlenkungsvorrichtung zur temperaturabhängigen Umlenkung eines Fluids für ein Fahrzeug. Das Fluid oder Medium kann ein Gas, eine Flüssigkeit oder eine Suspension sein, wie z.B. Luft, Wasser, eine Kühlflüssigkeit oder ein Öl. Bei dem Fahrzeug handelt es sich beispielsweise um ein Kraftfahrzeug, wie Auto, Bus oder Lastkraftwagen, oder aber auch um ein Schienenfahrzeug, ein Schiff, oder ein Luftfahrzeug, wie Helikopter oder Flugzeug.
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Die Umlenkungsvorrichtung weist eine Fluidzuleitung auf, ferner eine erste Fluidableitung und eine zweite Fluidableitung, welche dazu eingerichtet sind, in Fluidkommunikation mit der Fluidzuleitung zu stehen. Dabei ist die erste Fluidableitung mittels eines ersten Schließelements und die zweite Fluidableitung mittels eines zweiten Schließelements zumindest teilweise abschließbar. Das erste und das zweite Schließelement sind gekoppelt, d.h. beispielsweise mittels eines weiteren Elements verbunden. Die erste Fluidableitung kann z.B. ein Bypass sein und die zweite Fluidableitung kann z.B. eine Hauptleitung sein. Der Bypass kann z.B. innerhalb eines vordefinierten Temperaturbereichs des Fluids, welches durch die Fluidzuleitung strömt, geschlossen sein und innerhalb eines anderen vordefinierten Temperaturbereichs geöffnet sein. Das erste Schließelement wird gelegentlich auch als „Schließelement“ (z.B. für den Bypass) und das zweite Schließelement als „Zustellelement“ (z.B. für die Hauptleitung) bezeichnet.
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Die Umlenkungsvorrichtung weist weiterhin einen thermischen Aktor auf, welcher in der Fluidzuleitung angeordnet ist. Der thermische Aktor kann so in der Fluidzuleitung angeordnet sein, dass der Aktor, solange das Fluid in der Umlenkungsvorrichtung strömt, von dem Fluid angeströmt wird, d.h. dass der Aktor insbesondere nicht in einem Strömungstotbereich der Umlenkungsvorrichtung angeordnet ist. Damit kann ein direktes Anströmen des thermischen Aktors, und/oder eines Ausdehnungselements, welches der Aktor aufweist, realisiert werden. Das direkte Anströmen kann unabhängig von der Betriebsstellung sein. Der thermische Aktor weist einen Thermostatkolben auf, welcher mit dem ersten Schließelement und dem zweiten Schließelement verbunden ist. Der Thermostatkolben weist, bei einer ersten Temperatur des Fluids in der Fluidzuleitung, eine erste Position auf und weist, bei einer zweiten Temperatur, eine zweite Position auf. Dabei ist die zweite Temperatur von der ersten Temperatur verschieden. Dadurch schließt der Thermostatkolben in der ersten Position, mittels des ersten Schließelements, die erste Fluidableitung ab und in der zweiten Position, mittels des zweiten Schließelements, die zweite Fluidableitung ab. Dies führt zu einer Umlenkung des Fluids, abhängig von der Temperatur des Fluids in der Fluidzuleitung, in die erste Fluidableitung oder in die zweite Fluidableitung.
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Damit fungiert die Umlenkungsvorrichtung nicht nur zum Verschließen einer einzigen zu verschließenden Leitung, sondern die Umlenkungsvorrichtung kann mehrere Leitungen, gegebenenfalls auch abwechselnd, verschließen, und damit als eine „Weiche“ oder „Kreuzung“ (d.h. für mehr als zwei Ableitungen) für das Fluid fungieren, das damit temperaturabhängig über verschiedene Abströmungen oder Abströmungskanäle geleitet werden kann. Vorteilhaft ist außerdem, dass die Umlenkungsvorrichtung für diese Funktionalität nicht mehrere Ventile, z.B. elektrisch schaltbare Ventile benötigt, sondern die Umlenkungsfunktionalität ohne weitere Bauteile, z.B. ohne elektrische Aktor- oder Ansteuerungs-Bauteile, realisiert werden kann und dadurch ein abgeschlossenes System bilden kann. Dabei kann das Verschließen der Leitungen vollständig oder teilweise erfolgen. Insbesondere kann die Umlenkungsvorrichtung den Bypasskanal oder die Hauptleitung verschließen. Der Bypasskanal kann im geöffneten Zustand einen großen Querschnitt besitzen, z.B. einen größeren Querschnitt als die Hauptleitung. Der Bypasskanal kann im geschlossenen Zustand eine geringe Leckrate aufweisen, z.B. eine Leckrate von weniger als 1 % des Durchflusses im geöffneten Zustand.
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Erfindungsgemäß ist eine Projektion einer Mittelachse des thermischen Aktors in einem spitzen Winkel zu einer Projektion einer Mittelachse der Fluidzuleitung angeordnet. Die Umlenkungsvorrichtung weist also eine schräge Anstellung des thermischen Aktors gegenüber der Fluidzuleitung auf. Dadurch kann die Umlenkungsvorrichtung eine geringe, z.B. gegenüber einem Stand der Technik reduzierte, Bauraumhöhe aufweisen. Weiterhin kann sich die schräge Anstellung günstig für die Strömungsdynamik des Fluids auswirken, insbesondere können dadurch optimierte Umlenkungen des Fluids realisiert werden, welche zu geringen Strömungsverlusten des Fluids führen. Durch die schräge Anstellung des thermischen Aktors zum Anstrom kann also ein Kompromiss gefunden werden zwischen Strömungsverlust, Umströmung des thermischen Aktors und/oder des Ausdehnelements und dem benötigten Bauraum. Vorteilhaft ist dabei, dass in jedem Schaltzustand das Ausdehnelement in günstiger Weise angeströmt wird, um bei entsprechender Temperatur des Mediums oder Fluids korrekt zu reagieren.
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In einer Ausführungsform beträgt der spitze Winkel zwischen der Mittelachse des thermischen Aktors und der Mittelachse der Fluidzuleitung zwischen 30° und 60°, insbesondere 45°.
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In einer Ausführungsform ist die erste Fluidableitung räumlich versetzt zu der zweiten Fluidableitung angeordnet. Damit ist auch das erste Schließelement räumlich versetzt zu dem zweiten Schließelement angeordnet. Diese Anordnung der Fluidableitungen bzw. der Schließelemente trägt weiterhin zu einer vorteilhaften Gestaltung des Strömungsverlaufs des Fluids in der Umlenkungsvorrichtung bei.
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In einer Ausführungsform sind das erste Schließelement und das zweite Schließelement an einem Rahmen angeordnet, wobei ein Mittelteil des Rahmens im Wesentlichen parallel zu der Mittelachse des thermischen Aktors angeordnet ist. Über die Bewegung des Rahmens wird gleichzeitig die Öffnung des ersten Schließelements geschlossen und dabei die Öffnung des zweiten Schließelements geöffnet. Der Rahmen trägt daher zu der Weichen-/oder Kreuzungsfunktion der Umlenkungsvorrichtung bei. Der Rahmen kann mehrere vorteilhafte Funktionen erfüllen. So verbindet er zum einen die Elemente Thermostatkolben, erstes Schließelement und zweites Schließelement. Weiterhin kann der Rahmen beispielsweise aus thermisch gut leitfähigem Material, etwa aus Stahl oder Aluminium oder einem Guss dieser Materialien bestehen. Dadurch wird die kontinuierliche Anströmung des thermischen Aktors weiter verbessert und somit findet eine thermisch enge Kopplung zwischen der Temperatur des Fluids und dem thermischen Aktor statt. Auch kann der Rahmen so gestaltet sein, dass er sich günstig für die Strömungsdynamik des Fluids auswirkt.
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Erfindungsgemäß weist das erste Schließelement in einem ersten Abschnitt 51a einen zylindrischen Außenumfang und in einem zweiten Abschnitt 51b einen kegelstumpfförmigen Außenumfang auf. Dadurch kann sich das Schließelement durch die Fluidöffnung hindurchbewegen, ohne durch ein Blockieren beschädigt zu werden. Außerdem ist diese Gestaltung in geöffnetem Zustand des ersten Schließelements vorteilhaft für die Strömungsdynamik des Fluids.
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Erfindungsgemäß weist das zweite Schließelement zumindest abschnittsweise eine flache Platte auf, mit einer Oberfläche, welche dazu eingerichtet ist, die zweite Fluidableitung abzuschließen, wobei die Oberfläche gegenüber der Mittelachse des thermischen Aktors einen spitzen Winkel aufweist. Dabei beträgt der spitze Winkel zwischen der Oberfläche der flachen Platte und der Mittelachse des thermischen Aktors beispielsweise zwischen 5° und 20°. Die Gestaltung der flachen Platte trägt einerseits zu der vorteilhaften Strömungsdynamik des Fluids bei und sorgt weiterhin dafür, dass die zweite Fluidableitung mittels eines zweiten Schließelements gut abschließbar ist.
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In einer Ausführungsform ist der Thermostatkolben zumindest abschnittsweise innerhalb des thermisches Aktors angeordnet und wird im Wesentlichen parallel zu der Mittelachse des thermischen Aktors bewegt. Dabei weist der thermische Aktor z.B. einen Korpus auf, der innen hohl ist. Der Korpus des thermischen Aktors kann z.B. zylindrisch, mit einem rechteckigen Grundriss (d.h. quaderförmig) oder einem vieleckigen Grundriss oder als eine Kombination dieser Geometrien gestaltet sein. Der thermische Aktor kann, innerhalb des Korpus, ein temperaturveränderliches Element, z.B. ein Dehnstoffelement, ein Formgedächtnismaterial oder ein Bimetall aufweisen, welches dazu eingerichtet ist, den Thermostatkolben in Abhängigkeit von der Temperatur zu bewegen. Der Thermostatkolben kann eine Rückstellfeder aufweisen, um vorteilhafterweise eine schnelle und definierte Bewegung zwischen den Stellungen des Thermostatkolbens zu erreichen. Die Stellungen des Thermostatkolbens können dabei der ersten und der zweiten Position der Schließelemente entsprechen.
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In einer Ausführungsform ist die erste Fluidableitung räumlich versetzt zu der zweiten Fluidableitung angeordnet. Diese Ausführungsform hat sich als günstig für die Strömungsdynamik des Fluids erwiesen.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Verwendung einer Umlenkungsvorrichtung, wie sie oben und/oder nachfolgend beschrieben ist, für einen Thermostat in einem Fahrzeug, insbesondere für die Umlenkung eines Kühlfluids, z.B. Kühlwasser oder Mtoröl, für einen Fahrzeugmotor.
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Zur weiteren Verdeutlichung wird die Erfindung anhand von in den Figuren abgebildeten Ausführungsformen beschrieben. Diese Ausführungsformen sind nur als Beispiel, nicht aber als Einschränkung zu verstehen.
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Dabei zeigt:
- 1 eine schematische perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
- 2 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung im Querschnitt in einer ersten Stellung;
- 3 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung im Querschnitt in einer zweiten Stellung;
- 4 eine schematische Ansicht eines Fahrzeugs mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Umlenkungsvorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Erfindung in einer schematischen perspektivischen Ansicht. Dabei tritt ein Fluid oder Medium in Strömungsrichtung 21 in die Fluidzuleitung 20 der Umlenkungsvorrichtung 10 ein. Das Fluid strömt den thermischen Aktor 40 an, innerhalb dessen ein Thermostatkolben 42 (in dieser Darstellung nicht sichtbar) angeordnet ist. Der Thermostatkolben 42 ist mit einer Rückstellfeder 43 verbunden. Der Thermostatkolben 42 ist weiterhin mit einem Rahmen 55 verbunden, dessen Mittelteil 56 im Wesentlichen parallel zu der Mittelachse 45 des thermischen Aktors 40 angeordnet ist. Eine Projektion einer Mittelachse 45 des thermischen Aktors 40 ist in einem spitzen Winkel w zu einer Mittelachse 25 der Fluidzuleitung 20 angeordnet. Damit ist der thermische Aktor 40 ist um den Winkel w schräg zu der Fluidzuleitung 20 gestellt. Der Winkel w beträgt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel etwa 45°. Die Umlenkungsvorrichtung 10 ist in einer Stellung gezeigt, bei der eine erste Fluidableitung 31, die als Bypass gestaltet ist, mittels eines ersten Schließelements 51 geöffnet ist. Das erste Schließelement 51 ist mit dem Rahmen 55 verbunden. Außerdem ist ein zweites Schließelement 52 mit dem Rahmen 55 verbunden. Das zweite Schließelement 52 ist dazu eingerichtet, eine zweite Fluidableitung 32 abzuschließen. In der gezeigten Stellung ist die zweite Fluidableitung 32 geschlossen. Die zweite Fluidableitung 32 ist als Hauptleitung der Umlenkungsvorrichtung 10 ausgestaltet.
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2 zeigt eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der Umlenkungsvorrichtung 10 im Querschnitt in einer ersten Stellung. Diese erste Stellung entspricht der zweiten Position der Umlenkungsvorrichtung 10. In dieser Stellung ist die erste Fluidableitung 31, die als Bypass gestaltet ist, mittels des ersten Schließelements 51 geöffnet. Das erste Schließelement 51 weist dabei in einem ersten Abschnitt 51a einen zylindrischen Außenumfang und in einem zweiten Abschnitt 51b einen kegelstumpfförmigen Außenumfang auf. Das erste Schließelement 51 umschließt einen Teil des Thermostatkolbens 42 und wird durch diesen Thermostatkolben 42 bewegt. Der Thermostatkolben 42 ist Teil des thermischen Aktors 40 und ist zumindest teilweise innerhalb des thermischen Aktors 40 angeordnet. Der thermische Aktor 40 wird von dem Fluid über die Fluidzuleitung 20 angeströmt. Dabei ist eine Projektion einer Mittelachse 45 des thermischen Aktors 40 in einem spitzen Winkel w zu einer Mittelachse 25 der Fluidzuleitung 20 angeordnet. Dadurch wird der thermische Aktor 40 von dem Fluid in Strömungsrichtung 21 kontinuierlich angeströmt.
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Dadurch ist eine schnelle Reaktion auf Temperaturänderungen des Fluids in der Fluidzuleitung 20 gewährleistet. Die Rückstellfeder sorgt bei sinkender Temperatur und sich verkürzendem Ausdehnungselement bei der Rückstellung auch zu einer Rückstellung des Rahmens und damit der Zustellelemente.
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Der Thermostatkolben 42 des thermischen Aktors 40 und das erste Schließelement 51 ist mit dem Rahmen 55 (in dieser Darstellung nicht sichtbar) verbunden. Weiterhin ist der Rahmen 55 mit dem zweiten Schließelement 52 verbunden. In der gezeigten Stellung ist die zweite Fluidableitung 32 durch das zweite Schließelement 52 zumindest teilweise verschlossen. Das zweite Schließelement 52 weist dabei eine Oberfläche 52a auf, welche gegenüber der Mittelachse 45 des thermischen Aktors 40 einen spitzen Winkel aufweist. In einem linken Abschnitt der 2 ist noch eine Fortsetzung der zweiten Fluidableitung 32 (der Hauptleitung) dargestellt.
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3 zeigt eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der Umlenkungsvorrichtung 10 im Querschnitt in einer zweiten Stellung. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen die gleichen Elemente wie in 2. Die gezeigte zweite Stellung entspricht der ersten Position der Umlenkungsvorrichtung 10. In dieser Stellung ist die erste Fluidableitung 31, die als Bypass gestaltet ist, mittels des ersten Schließelements 51 verschlossen. Dabei ist deutlich zu sehen, dass das erste Schließelement 51 in einem ersten Abschnitt 51a einen zylindrischen Außenumfang und in einem zweiten Abschnitt 51b einen kegelstumpfförmigen Außenumfang aufweist. Es ist auch die Verkürzung der Rückstellfeder 43 zu sehen, welche gewährleistet, dass bei einer entsprechenden Änderung der Temperatur die Umlenkungsvorrichtung 10 wieder die zweite Position einnimmt.
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4 zeigt eine schematische Ansicht eines Fahrzeugs 15 mit der temperaturabhängigen Umlenkungsvorrichtung 10. Mit dieser Umlenkungsvorrichtung 10 ist beispielsweise eine effektive Kühlung der Fluide des Fahrzeugs möglich.
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Liste der Bezugszeichen
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- 10
- Umlenkungsvorrichtung
- 15
- Fahrzeug
- 20
- Fluidzuleitung
- 21
- Strömungsrichtung
- 25
- Mittelachse der Fluidzuleitung
- 31
- erste Fluidableitung
- 32
- zweite Fluidableitung
- 40
- thermischer Aktor
- 42
- diesen Thermostatkolben / Thermostatkolben
- 43
- Rückstellfeder
- 45
- Mittelachse des thermischen Aktors
- 51
- erstes Schließelement
- 51a
- erster Abschnitt des ersten Schließelements
- 51b
- zweiter Abschnitt des ersten Schließelements
- 52
- zweites Schließelement
- 52a
- Oberfläche des zweiten Schließelements
- 55
- Rahmen
- 56
- Mittelteil des Rahmens