DE102019111829B4 - Control valve for controlling coolant flow in a cooling system - Google Patents
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Abstract
Regelventil (26) zur Regelung eines Kühlmittelstroms in einem Kühlsystem (10), insbesondere in einem Kühlsystem (10) zum Kühlen mehrerer Wärmequellen (11, 12), mit einem Ventilgehäuse (31), das wenigstens zwei Einlassöffnungen (32, 33) zum Zuführen eines ersten und eines zweiten Kühlmittelstroms (36, 37) aufweist, mit einem Fluidraum (29), der mit den wenigstens zwei Einlassöffnungen (32, 33) in Strömungsverbindung steht, sowie mit wenigstens einer Auslassöffnung (34), die von dem Fluidraum (29) abführt,wobei den wenigstens zwei Einlassöffnungen (32, 33) jeweils ein Ventil (38, 39) zugeordnet ist, welches zumindest in einer Öffnungsstellung (49) und einer Schließstellung (48) anordenbar ist, wobei die Stellungen der Ventile (38, 39) unabhängig voneinander, zur unabhängigen Regelung der durch die Einlassöffnungen (32, 33) strömenden Kühlmittelströme (36, 37), einstellbar sind,wobei in dem Fluidraum (29) ein Filterelement (30) zum Filtern des aus der Auslassöffnung (34) ausströmenden Kühlmittels vorhanden ist, welches sich in den Fluidraum (29) erstreckt, wobei der Fluidraum (29) im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet ist.Control valve (26) for controlling a coolant flow in a cooling system (10), in particular in a cooling system (10) for cooling a plurality of heat sources (11, 12), with a valve housing (31) which has at least two inlet openings (32, 33) for supply a first and a second coolant flow (36, 37), with a fluid space (29) which is in flow connection with the at least two inlet openings (32, 33), and with at least one outlet opening (34) which is separated from the fluid space (29 ), wherein the at least two inlet openings (32, 33) are each assigned a valve (38, 39) which can be arranged at least in an open position (49) and a closed position (48), the positions of the valves (38, 39 ) can be adjusted independently of one another for independently controlling the coolant streams (36, 37) flowing through the inlet openings (32, 33), with a filter element (30) in the fluid chamber (29) for filtering the coolant flowing out of the outlet opening (34). Lmittel is present, which extends into the fluid space (29), wherein the fluid space (29) is formed substantially cuboid.
Description
Die Erfindung betrifft ein Regelventil zur Regelung eines Kühlmittelstroms in einem Kühlsystem, insbesondere in einem Kühlsystem zum Kühlen mehrerer Wärmequellen.The invention relates to a control valve for controlling a coolant flow in a cooling system, in particular in a cooling system for cooling a plurality of heat sources.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Regelventil zur Regelung eines Kühlmittelstroms in einem Kühlsystem vorzuschlagen, welches zu einer optimierten Kühlung der in dem Kühlkreislauf angeordneten Komponenten beiträgt.The object of the present invention is to propose a control valve for controlling a coolant flow in a cooling system which contributes to optimized cooling of the components arranged in the cooling circuit.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Regelventil gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Besonders bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.According to the invention, this object is achieved by a control valve according to the features of claim 1 . Particularly preferred embodiments of the invention are specified in the dependent claims.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Regelventil wenigstens zwei Einlassöffnungen aufweist, denen jeweils ein Ventil zugeordnet ist, welches zumindest in einer Öffnungsstellung und in einer Schließstellung, und ggf. in Zwischenstellungen zwischen der Öffnungsstellung und der Schließstellung, anordnenbar ist, wobei die Stellung der Ventile unabhängig voneinander, zur unabhängigen Regelung der durch die Einlassöffnungen strömenden Kühlmittelströme, einstellbar (steuerbar bzw. regelbar) ist.According to the invention, it is provided that the control valve has at least two inlet openings, each of which is assigned a valve which can be arranged at least in an open position and in a closed position, and possibly in intermediate positions between the open position and the closed position, with the position of the valves being independent is adjustable (controllable or adjustable) from one another for the independent regulation of the coolant streams flowing through the inlet openings.
Durch das Anordnen der Ventile in der Öffnungs- und/oder Schließstellung und/oder Zwischenstellung kann jedes Ventil unabhängig voneinander vollständig verschlossen oder (vollständig) geöffnet werden. Ist ein Ventil in der Öffnungsstellung angeordnet und das andere Ventil in der Schließstellung, strömt nur einer der beiden Kühlmittelströme durch das geöffnete Ventil in den Fluidraum und verlässt das Regelventil durch die Auslassöffnung. Sind beide Ventile in der Öffnungsstellung angeordnet, strömen beide Kühlmittelströme durch die Ventile hindurch und werden in dem gemeinsamen Fluidraum zu einem Kühlmittelmischstrom zusammengeführt. Der Fluidraum wirkt dann als eine Mischkammer.By arranging the valves in the open and/or closed position and/or intermediate position, each valve can be fully closed or (fully) opened independently of one another. If one valve is in the open position and the other valve is in the closed position, only one of the two coolant streams flows through the open valve into the fluid chamber and leaves the control valve through the outlet opening. If both valves are arranged in the open position, both coolant streams flow through the valves and are combined in the common fluid space to form a coolant mixed stream. The fluid space then acts as a mixing chamber.
Durch das Anordnen wenigstens eines der Ventile in zumindest einer Zwischenstellung, können die (Teil-)Volumenströme der beiden Kühlmittelströme unabhängig voneinander geregelt werden. Insbesondere werden dem Regelventil über die Einlassöffnungen Kühlmittelströme zugeführt, die eine unterschiedliche Temperatur aufweisen. Indem die Volumenströme der Kühlmittelströme getrennt voneinander regelbar sind, kann das Mischungsverhältnis zwischen den beiden Kühlmittelströmen verändert werden. Durch das Mischungsverhältnis der beiden Kühlmittelströme kann die Kühlmitteltemperatur des Kühlmittelmischstroms angepasst werden. Durch Einstellbarkeit der einzelnen (Teil-)Volumenströme der beiden Kühlmittelströme ist der Volumenstrom des Kühlmittelmischstroms unabhängig von dessen Temperatur einstellbar. Die Temperatur und/oder der Volumenstrom des Kühlmittelmischstroms kann dadurch an eine erforderliche Kühlmitteltemperatur und/oder einen erforderlichen Kühlmittelvolumenstrom für eine zu kühlende Wärmequelle angepasst werden.By arranging at least one of the valves in at least one intermediate position, the (partial) volume flows of the two coolant flows can be regulated independently of one another. In particular, coolant streams are supplied to the control valve via the inlet openings have different temperatures. Since the volume flows of the coolant flows can be regulated separately from one another, the mixing ratio between the two coolant flows can be changed. The coolant temperature of the mixed coolant flow can be adjusted by the mixing ratio of the two coolant flows. By being able to adjust the individual (partial) volume flows of the two coolant flows, the volume flow of the mixed coolant flow can be set independently of its temperature. The temperature and/or the volume flow of the mixed coolant flow can thereby be adapted to a required coolant temperature and/or a required coolant volume flow for a heat source to be cooled.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des Regelventils kann vorgesehen sein, dass das Ventil einen Ventilsitz aufweist und in dem Ventilsitz ein bewegliches Ventilelement mit einem Kühlmitteldurchgang angeordnet ist und vorzugsweise der Kühlmitteldurchgang einen Strömungsquerschnitt bildet, der gleichgroß oder größer als ein Strömungsquerschnitt der Einlassöffnung ist. So wird ein Regelventil mit drei Kammern erhalten, wobei die Kammern stromab der Einlassöffnungen, gebildet durch die Kühlmitteldurchgänge, strömungsmechanisch voneinander entkoppelt sind. Die strömungsmechanische Kopplung erfolgt stromabwärts in der Fluidkammer als dritte Kammer. Dadurch kann ein Ventil ausgebildet sein, welches bei guter Mischwirkung einen großen Strömungsquerschnitt für das durchströmende Kühlmittel aufweist. So ergibt sich ein geringer Strömungswiderstand bzw. Druckverlust für den Kühlmittelstrom durch das Ventil.In an advantageous development of the control valve, it can be provided that the valve has a valve seat and a movable valve element with a coolant passage is arranged in the valve seat, and the coolant passage preferably forms a flow cross section that is the same size as or larger than a flow cross section of the inlet opening. A control valve with three chambers is thus obtained, the chambers being flow-mechanically decoupled from one another downstream of the inlet openings, formed by the coolant passages. The fluidic coupling takes place downstream in the fluid chamber as the third chamber. As a result, a valve can be formed which, with a good mixing effect, has a large flow cross section for the coolant flowing through. This results in a low flow resistance or pressure loss for the coolant flow through the valve.
In einer Weiterbildung des Regelventils kann vorgesehen sein, dass das Ventilelement als zylindrischer Körper ausgebildet ist und der Ventilsitz eine zylindrische Innenkontur aufweist, wobei das Ventilelement um dessen Längsachse drehbar in dem Ventilsitz vorgesehen ist. Durch eine solche Ausgestaltung des Ventilelements kann eine möglichst geringe Umlenkung des Kühlmittelstroms in dem Ventil erreicht werden. Dadurch kann der Druckverlust durch das Ventil zusätzlich reduziert werden. Zudem kann durch die zylindrische Form ein geringes Bauvolumen erreicht werden, sodass das Regelventil mit einem geringen Platzbedarf auch innerhalb einer Wärmequelle integriert werden kann. Die Längsachse ist vorzugsweise quer zur Hauptströmungsrichtung ausgerichtet. Dabei kann das Ventilelement platzsparend und effizient durch einen an dessen Stirnseite angeordneten elektrischen Stellantrieb, beispielsweise einen Servomotor, radial verstellt werden.In a development of the control valve, it can be provided that the valve element is designed as a cylindrical body and the valve seat has a cylindrical inner contour, the valve element being provided in the valve seat such that it can rotate about its longitudinal axis. With such a design of the valve element, the least possible deflection of the coolant flow in the valve can be achieved. As a result, the pressure loss through the valve can be further reduced. In addition, due to the cylindrical shape, a small construction volume can be achieved, so that the control valve can also be integrated within a heat source with a small space requirement. The longitudinal axis is preferably aligned transversely to the main direction of flow. The valve element can be adjusted radially in a space-saving and efficient manner by means of an electric actuator, for example a servo motor, arranged on its end face.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Regelventils kann vorgesehen sein, dass das Ventilelement als zylindrischer Hohlkörper ausgebildet ist, wobei der Kühlmitteldurchgang zwei einander gegenüberliegende, z. B. kreisförmige, Fluidöffnungen im Mantel des Hohlkörpers sowie einen Hohlraum im Hohlkörper aufweist oder daraus gebildet ist. Durch die Ausgestaltung des Ventilelements als Hohlkörper kann ein geringes Gewicht des Ventilelements erreicht werden. Das Ausführen einer Stellbewegung des Ventilelements ist dadurch mit einer geringen Stellkraft ermöglicht. Zudem bietet der Hohlraum ein großes Strömungsvolumen für das durch das Ventil strömende Kühlmittel, woraus sich eine weitere Reduzierung des Druckverlustes ergeben kann.In a particularly preferred embodiment of the control valve it can be provided that the valve element is designed as a cylindrical hollow body, the coolant passage having two opposing, z. B. circular, fluid openings in the shell of the hollow body and a cavity in the hollow body or is formed therefrom. Due to the design of the valve element as a hollow body, a low weight of the valve element can be achieved. The execution of an actuating movement of the valve element is thus made possible with a low actuating force. In addition, the cavity offers a large flow volume for the coolant flowing through the valve, which can result in a further reduction in pressure loss.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Regelventils sieht vor, dass ein Innendurchmesser DH des Hohlkörpers und/oder der Fluidöffnungen gleich groß oder größer ausgebildet ist als der Strömungsquerschnitt DE der Einlassöffnung und/oder der Zuführungsleitungen an das Regelventil DE. Beispielsweise kann das Verhältnis DH /DE zwischen 1 und 1,5, z. B. 1,2 betragen. Durch eine solche Ausgestaltung kann ein möglichst großes Strömungsvolumen für das Kühlmittel innerhalb des Hohlkörpers ausgebildet sein. Auch dadurch wird eine möglichst geringe Beeinflussung der Kühlmittelströmung mit dem Ziel eines möglichst geringen Druckverlustes erreicht.An advantageous development of the control valve provides that an inside diameter D H of the hollow body and/or the fluid openings is designed to be the same size or larger than the flow cross section DE of the inlet opening and/or the feed lines to the control valve DE . For example, the ratio D H /D E can be between 1 and 1.5, e.g. B. be 1.2. Such a configuration allows the largest possible flow volume for the coolant to be formed within the hollow body. This also ensures that the coolant flow is influenced as little as possible, with the aim of achieving as little pressure loss as possible.
Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Ventilelemente gleichartig ausgestaltet sind. Dadurch ist eine möglichst einfache konstruktive Ausgestaltung des Regelventils erreichbar. Zudem vereinfacht die gleichartige Ausgestaltung der Ventilelemente eine aufeinander abgestimmte Regelung der beiden Kühlmittelströme.Provision can preferably be made for the valve elements to be designed in the same way. As a result, the simplest possible structural design of the control valve can be achieved. In addition, the similar design of the valve elements simplifies coordinated regulation of the two coolant flows.
In einer Weiterbildung des Ventils kann vorgesehen sein, dass zumindest eines der Ventilelemente passgenau, jedoch weiterhin drehbar, als Passung in dem Ventilsitz angeordnet ist. Dadurch ist auch ohne Verwendung eines Dichtelementes zur Dichtung des Ventils in Schließstellung und/oder der beiden Kammern bzw. Kühlmitteldurchgänge gegeneinander eine ausreichende Dichtigkeit des Ventils erreichbar.In a development of the valve, it can be provided that at least one of the valve elements is arranged as a fit in the valve seat with an exact fit, but still rotatable. As a result, a sufficient tightness of the valve can be achieved even without using a sealing element for sealing the valve in the closed position and/or the two chambers or coolant passages against one another.
In einer alternativen Weiterbildung des Ventils kann vorgesehen sein, dass zwischen zumindest einem der Ventilelemente und dem Ventilsitz eine Spielpassung vorgesehen ist, sodass in der Schließstellung des zumindest einen Ventilelements eine Restströmung des Kühlmittels durch das Ventil strömbar ist. Bei einem als zylindrische Bohrung ausgebildeten Ventilsitz und einem zylindrischen Ventilelement hat sich eine Spielpassung von z. B. H11/d9 (Toleranzklassenkombination) als geeignet herausgestellt. Aufgrund der durch das Ventil strömenden Restströmung des Kühlmittels kann insbesondere in der Luftfahrt, mit Betrieb in großen Höhen und somit geringen Temperaturen, aber auch beim Winterbetrieb eines Fahrzeugs, ein Einfrieren des Ventils und der stromabwärts angeordneten Wärmequelle bei niedrigen Temperaturen in der Schließstellung verhindert werden. Zugleich kann die Restströmung als Schmiermittel wirken.In an alternative development of the valve, provision can be made for a clearance fit to be provided between at least one of the valve elements and the valve seat, so that in the closed position of the at least one valve element a residual flow of coolant can flow through the valve. With a valve seat designed as a cylindrical bore and a cylindrical valve element, a clearance fit of z. B. H11/d9 (tolerance class combination) turned out to be suitable. Due to the residual flow of coolant flowing through the valve, particularly in in aviation, with operation at high altitudes and thus low temperatures, but also during winter operation of a vehicle, freezing of the valve and the heat source arranged downstream at low temperatures in the closed position can be prevented. At the same time, the residual flow can act as a lubricant.
Bevorzugt können die Ventilelemente und/oder die Ventilsitze jeweils aus dem gleichen Material ausgebildet sein. Vorzugsweise sind das Ventilelement und zumindest der Ventilsitz aus einem Leichtmetall, Kunststoff, Verbundwerkstoff oder dergleichen Werkstoff mit geringem Eigengewicht ausgebildet. Als Leichtmetall kann insbesondere Aluminium(-legierung), z. B. auch mit einer Beschichtung, z. B. einer Eloxidschicht, aber auch andere Leichtmetalle wie beispielsweise Magnesium(-legierung), eingesetzt werden. Durch die gleiche Materialpaarung weisen das Ventilelement sowie zumindest der Ventilsitz gleiche thermische Ausdehnungskoeffizienten auf. So ergeben sich bei Temperaturänderungen gleiche oder zumindest ähnliche Ausdehnungseigenschaften, sodass ein Verklemmen des Ventilelements im Ventilsitz verhindert wird und, bei Vorhandensein einer definierten Spielpassung für eine Restströmung, diese aufrechterhalten wird.The valve elements and/or the valve seats can preferably each be made of the same material. The valve element and at least the valve seat are preferably made of a light metal, plastic, composite material or similar material with a low intrinsic weight. Aluminum (alloy), e.g. B. with a coating, z. B. an anodized layer, but also other light metals such as magnesium (alloy) can be used. Due to the same pairing of materials, the valve element and at least the valve seat have the same thermal expansion coefficients. This results in the same or at least similar expansion properties when the temperature changes, so that the valve element is prevented from jamming in the valve seat and, if there is a defined loose fit for a residual flow, this is maintained.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Regelventils kann den Ventilelementen, insbesondere jeweils, ein elektrischer Stellantrieb zugeordnet sein, durch den eine Stellbewegung der Ventilelemente unabhängig voneinander durch einen elektrischen Stellantrieb ansteuerbar ist und kann vorzugsweise eine Regelung vorgesehen sein, die den Stellantrieb in Abhängigkeit von einem Regelparameter, insbesondere einem Temperaturwert und/oder einem Volumenstromwert, ansteuert. Der Stellantrieb kann z. B. platzsparend und effizient von einem (Servo-)Motor gebildet sein, der an der Stirnseite des Ventilelements angeordnet sein kann und das Ventilelement radial verstellen kann. Dadurch ist ein thermisch geregeltes und/oder volumenstromgeregeltes Regelventil erhältlich, welches eine Volumenstromregelung in Abhängigkeit eines Parameters, insbesondere eines externen Parameters, ermöglicht. Dieser externe Parameter kann beispielsweise eine Betriebstemperatur, insbesondere eine optimale Betriebstemperatur, der Wärmequelle oder ein Parameter des die Wärmequelle durchströmenden Kühlmittelvolumenstroms sein. Auf diese Weise kann die Kühlmitteltemperatur und/oder der Kühlmittelvolumenstrom des Kühlmittelstroms an die optimale Betriebstemperatur der Wärmequelle angepasst werden.In a particularly preferred embodiment of the control valve, an electric actuator can be assigned to the valve elements, in particular each one, by means of which an actuating movement of the valve elements can be controlled independently of one another by an electric actuator and a controller can preferably be provided which controls the actuator as a function of a control parameter , in particular a temperature value and/or a volume flow value. The actuator can z. B. space-saving and efficiently formed by a (servo) motor, which can be arranged on the end face of the valve element and the valve element can be adjusted radially. As a result, a thermally controlled and/or volume flow-controlled control valve is available, which enables volume flow control as a function of a parameter, in particular an external parameter. This external parameter can be, for example, an operating temperature, in particular an optimal operating temperature, of the heat source or a parameter of the coolant volume flow flowing through the heat source. In this way, the coolant temperature and/or the coolant volume flow of the coolant flow can be adjusted to the optimal operating temperature of the heat source.
In einer Weiterbildung des Regelventils kann vorgesehen sein, dass der Stellantrieb in der Weise durch die Regelung ansteuerbar ist, dass das Ventilelement zwischen der Öffnungsstellung und der Schließstellung oder einer dazwischen liegenden Zwischenstellung, für eine Regelung eines kontinuierlichen Volumenstroms, oder zwischen der Öffnungsstellung und der Schließstellung, zur Erzeugung eines pulsierenden Kühlmittelstroms, verstellbar ist. Zur pulsierenden Regelung können z. B. vergleichsweise einfach ausgestaltete, kostengünstige und/oder robuste, Ventile verwendet werden. Die Einstellung der einzelnen Volumenströme ergibt sich aus der zeitlichen Frequenz der Pulsation. Durch die Fluidkammer als „Puffervolumen“ ergibt sich ein kontinuierlicher Kühlmittelmischstrom aus der Auslassöffnung.In a further development of the control valve, it can be provided that the actuator can be controlled by the control in such a way that the valve element can be moved between the open position and the closed position or an intermediate position in between, for control of a continuous volume flow, or between the open position and the closed position , to generate a pulsating flow of coolant, is adjustable. For pulsating control z. B. comparatively simply designed, inexpensive and / or robust valves can be used. The setting of the individual volume flows results from the temporal frequency of the pulsation. The fluid chamber as a "buffer volume" results in a continuous coolant mixed flow from the outlet opening.
In einer erfindungsgemäßen Weiterbildung des Regelventils ist in dem Fluidraum ein Filterelement zum Filtern des aus der Auslassöffnung ausströmenden Kühlmittels vorhanden, welches sich in den Fluidraum erstreckt, wobei der Fluidraum im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet ist. Das Filterelement ist vorzugsweise aus einem Fluid durchlässigen Material, z. B. aus Sintermetall oder einem feinmaschigen Sieb, ausgebildet. Durch ein solches Filterelement kann sichergestellt werden, dass der dem Regelventil nachgeschalteten Wärmequelle nur ein entsprechend gefilterter Kühlmittelstrom zugeführt wird. Dadurch, dass sich das Filterelement in den Fluidraum erstreckt und von außen nach innen durchströmt wird, kann eine Vergrößerung der Filterfläche vorgesehen werden, wodurch sich ein geringerer Druckverlust durch das Filterelement ergibt. Das Filterelement kann hierfür topfförmig, kegelförmig, kegelstumpfförmig, pyramidenförmig oder vergleichbar ausgestaltet sein.In a development of the control valve according to the invention, there is a filter element in the fluid space for filtering the coolant flowing out of the outlet opening, which extends into the fluid space, the fluid space being essentially cuboid. The filter element is preferably made of a fluid permeable material, e.g. B. from sintered metal or a fine-mesh screen formed. Such a filter element can ensure that the heat source downstream of the control valve is supplied only with a correspondingly filtered flow of coolant. Due to the fact that the filter element extends into the fluid space and the fluid flows through it from the outside to the inside, the filter surface can be enlarged, which results in a lower pressure loss through the filter element. For this purpose, the filter element can be pot-shaped, conical, truncated, pyramid-shaped or similar.
Eine kompakte Bauform ergibt sich, wenn das Ventilgehäuse im Wesentlichen (d. h. abgesehen von Anbauten wie Leitungsanschlüssen und/oder Befestigungsstellen) quaderförmig ausgebildet ist. Beispielsweise kann das Ventilgehäuse eine Länge von rund 150 mm und eine Höhe und Tiefe von jeweils weniger als der halben Länge, z. B. eine Höhe von 55 mm und eine Tiefe von rund 60 mm, aufweisen. Das Ventilelement kann dabei z. B. einen Außendurchmesser von rund 40 mm, z. B. 38 mm, und eine Höhe von rund 50 mm aufweisen. Die Maße ergeben sich insbesondere auch nach dem Anwendungsfall.A compact design results when the valve housing is essentially cuboid (i.e. apart from attachments such as line connections and/or fastening points). For example, the valve housing can have a length of around 150 mm and a height and depth of less than half the length, e.g. B. have a height of 55 mm and a depth of about 60 mm. The valve element can z. B. an outer diameter of about 40 mm, z. B. 38 mm, and have a height of about 50 mm. The dimensions result in particular from the application.
Wenn die Einlassöffnungen und die Auslassöffnung derart bezüglich des Fluidraums angeordnet sind, dass im Betrieb die Hautströmungsrichtung des in den Fluidraum einströmenden Kühlmittels rechtwinklig zu der Hauptströmungsrichtung des aus dem Fluidraum ausströmenden Kühlmittels ausgerichtet ist, kann bei kompakter Bauform des Regelventils eine gute und druckverlustarme Durchmischung der Kühlmittelströme in dem Fluidraum erreicht werden. Dies ist insbesondere der Fall, wenn z. B. die Einlassöffnungen an derselben Seite in den Fluidraum münden und die Strömungsquerschnitte der Einlassöffnungen an ihren Mündungen mehr als 50 %, z. B. 70 % der entsprechenden Seitenfläche des Fluidraums einnehmen. Die Mündung der Auslassöffnung nimmt dabei vorzugsweise mehr als 50 % einer anderen, vorzugsweise zu der anderen Seitenfläche rechtwinklig ausgerichteten, Seitenfläche des Fluidraums ein. Der Fluidraum ist zumindest im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet, was Fertigungsvorteile bei der Ausbildung der Dichtflächen bietet.If the inlet openings and the outlet opening are arranged in relation to the fluid space in such a way that during operation the main flow direction of the coolant flowing into the fluid space is aligned at right angles to the main flow direction of the coolant flowing out of the fluid space, good mixing of the coolant flows with low pressure loss can be achieved with a compact design of the control valve can be achieved in the fluid space. This is particularly the case when e.g. B. the inlet openings on the same side open into the fluid space and the flow cross sections of the inlet openings at their mouths more than 50%, z. B. take up 70% of the corresponding side surface of the fluid space. The mouth of the outlet opening preferably occupies more than 50% of another side surface of the fluid chamber, preferably aligned at right angles to the other side surface. The fluid space is at least essentially cuboid in shape, which offers manufacturing advantages in the design of the sealing surfaces.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen derselben werden im Folgenden anhand der in den Figuren dargestellten Beispiele näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmenden Merkmale können einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination erfindungsgemäß angewandt werden. Es zeigen:
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1 ein exemplarisches Schaltschema eines Kühlsystems zum Kühlen mehrerer Wärmequellen mit zwei erfindungsgemäßen Regelventilen, -
2 eine schematische Schnittansicht eines der Regelventile gemäß1 , -
3 eine perspektivische Detailansicht eines Ventilelements des Regelventils gemäß2 , -
4 eine erste Schaltstellung des Regelventils in einer stark schematisierten Darstellung, -
5 eine zweite Schaltstellung des Regelventils in einer stark schematisierten Darstellung und -
6 eine dritte Schaltstellung des Regelventils in einer stark schematisierten Darstellung.
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1 an exemplary circuit diagram of a cooling system for cooling multiple heat sources with two control valves according to the invention, -
2 a schematic sectional view of one of the control valves according to FIG1 , -
3 a detailed perspective view of a valve element of the control valve according to FIG2 , -
4 a first switching position of the control valve in a highly schematic representation, -
5 a second switching position of the control valve in a highly schematic representation and -
6 a third switching position of the control valve in a highly schematic representation.
Die Wärmequellen 11, 12 können als thermische Verbrennungsmaschinen, als Brennstoffzellen, als Elektromotor oder als Kühlung erfordernde Leistungselektronik ausgebildet sein. Insbesondere ist bei dem Kühlsystem 10 eine Kombination verschiedener Wärmequellen 11, 12 vorgesehen, beispielsweise eine Kombination aus einer thermischen Verbrennungsmaschine mit einer Brennstoffzelle oder einem Elektromotor. Das Kühlsystem 10 mit den Wärmequellen 11, 12 kann dadurch als Hybridsystem ausgebildet sein. Solche Kühlsysteme mit verschiedenen Wärmequellen 11, 12 kommen zunehmend in Luftfahrzeugen, insbesondere in Flugzeugen, zum Einsatz. In einem Flugzeug mit einem solchen Kühlsystem übernehmen beispielsweise thermische Strömungsmaschinen die Funktion des Antriebs und eine zusätzliche Brennstoffzelle die elektrische Versorgung der Bordsysteme, wenn das Flugzeug am Boden ist. Aber auch in Kraftfahrzeugen und/oder Schiffen kommen zunehmend solche Hybridsysteme mit unterschiedlichen Wärmequellen 11, 12 zum Einsatz.The heat sources 11, 12 can be designed as thermal combustion engines, as fuel cells, as an electric motor or as power electronics that require cooling. In particular, a combination of
Bei Luftfahrzeugen ist die Entwicklung kontinuierlich bestrebt, sowohl Gewicht als auch Kosten von Kühlsystemen 10 zu reduzieren. Dies kann durch eine Reduzierung der Bauteilanzahl erfolgen, wobei einzelne Komponenten des Kühlsystems 10 gemeinsam genutzt werden. Die Reduzierung der Bauteile bewirkt zudem eine Verringerung der Ausfallwahrscheinlichkeit, sodass dadurch auch sicherheitstechnische Vorteile erreicht werden.In aircraft, there is a continuous effort to reduce both the weight and the cost of cooling
Durch den gemeinsamen Kühlkreislauf 13 sind die Wärmequellen 11, 12 thermisch miteinander verbunden, bilden jedoch voneinander getrennte mechanische und/oder elektrische Systeme. In dem Kühlkreislauf 13 zirkuliert ein Kühlmittel, welches die beiden Wärmequellen 11, 12 zur Kühlung durchströmt. Zum Fördern des Kühlmittels ist stromabwärts zu den Wärmequellen 11, 12 eine Kühlmittelpumpe 14 vorgesehen. Der Kühlkreislauf 13 ist mit einem Ausgleichsbehälter 15 verbunden. Dieser dient dem Ausgleich von Volumenänderungen des Kühlmittels im Kühlkreislauf 13 sowie zur Bevorratung von Kühlmittel. Um einen Überdruck in dem Kühlkreislauf 13 zu vermeiden, weist der Kühlkreislauf 13 zudem eine Bypassleitung 23 mit einem Überdruckventil 24 auf.The heat sources 11, 12 are thermally connected to one another by the
Die Kühlmittelpumpe 14 steht mit einer Kühleinrichtung 21 sowie mit zwei erfindungsgemäßen Regelventilen 26 in Verbindung. Der Kühleinrichtung 21 ist durch die Verbindung mit der Kühlmittelpumpe 14 zumindest ein Teilvolumenstrom des durch die Wärmequellen 11, 12 erwärmten Kühlmittels zuführbar. Durch die Kühleinrichtung 21 wird das durch die Wärmequellen 11, 12 erwärmte Kühlmittel gekühlt und anschließend jeweils ein kalter Kühlmittelstrom 36 über eine Kühlmittelzuführung 22 den Regelventilen 26 zugeführt.The
Die Regelventile 26 stehen zudem mit der Kühlmittelpumpe 14 in Strömungsverbindung, sodass diesen neben dem kalten Kühlmittelstrom 36 auch zumindest ein Teilvolumenstrom des durch die Wärmequellen 11, 12 erwärmten warmen Kühlmittelstroms 37 zuführbar ist. Jedes der Regelventile 26 ist jeweils einer Wärmequelle 11, 12 zugeordnet. Dabei ist jedes der Regelventile 26 über einen separaten Kühlmittelführungspfad 18, 19 mit der dem jeweiligen Regelventil 26 zugeordneten Wärmequelle 11, 12 verbunden.The
In dem Gehäuse 31 ist ein im Wesentlichen quaderförmiger Fluidraum 29 vorgesehen, über den die Einlassöffnungen 32, 33 sowie die Auslassöffnung 34 miteinander in Strömungsverbindung stehen. Der Fluidraum 29 ist stromabwärts der Ventile 38, 39 angeordnet. In dem Fluidraum 29 werden der kalte und warme Kühlmittelstrom 36, 37, für eine kompakte Ausbildung von einer Seitenwand in den Fluidraum 29 einströmend, zusammengeführt. Dadurch erfolgt eine Vermischung der Kühlmittelströme 36, 37 zu einem Kühlmittelmischstrom 40. Dieser Kühlmittelmischstrom 40 kann aus dem Fluidraum 29 durch die Auslassöffnung 34 austreten. Die Auslassöffnung ist, für eine gute Durchmischungswirkung bei kompakter Bauweise, insbesondere an einer rechtwinklig zu der anderen Seitenwand angeordneten Seitenwand des Fluidraums angeordnet.In the
Die Ventile 38, 39 sind beispielsweise jeweils durch einen zylinderförmigen Ventilsitz 41 sowie durch ein in dem Ventilsitz 41 angeordnetes, beispielsweise zylinderförmiges Ventilelement 42 ausgebildet. In den Ventilen 38, 39 können Sensorelemente, z. B. zur Durchfluss- und/oder Temperaturmessung, vorhanden sein (hier nicht gezeigt). Der Ventilsitz 41 ist in dem Gehäuse 31 beispielsweise als eine zylindrische Bohrung ausgebildet. Insbesondere weist der Ventilsitz 41 eine beispielsweise zylindrische Innenkontur auf. Nachfolgende Ausführungen beschränken sich zwar auf die zylinderförmige Ausgestaltung der Ventile 38, 39, jedoch können die Ventilelemente 42 ebenso als kugelförmige Ventilelemente, die in einem kugelförmigen Ventilsitz angeordnet sind, ausgebildet sein oder eine beliebige andere Ausgestaltung aufweisen.The valves 38, 39 are each formed, for example, by a
Eine perspektivische Detailansicht des zylinderförmigen Ventilelements 42 ist in
Das Ventilelement 42 ist in dem Ventilsitz 41 um dessen Längsachse L drehbar gelagert. Zur Verringerung der Reibung bei der Drehbewegung ist vorzugsweise an geeigneter Stelle ein Lager vorhanden (hier nicht gezeigt), das z. B. eine Gleitscheibe umfassen kann oder durch ein Nadellager gebildet sein kann. Das Lager kann insbesondere an einem stirnseitigen Verschlussdeckel des Ventilelements 42 vorgesehen sein, wobei im Betrieb der Mantel des zylindrischen Hohlkörpers 43 gegen den Verschlussdeckel gedrückt wird.The
Durch die drehbare Lagerung des Ventilelements 42 sind eine Schließstellung 48 und eine Öffnungsstellung 49 des Ventilelements 42 durch eine Drehbewegung des Ventilelements 42 einnehmbar. In der Öffnungsstellung 49 sind die Fluidöffnungen 46, 47 und die Eingangsöffnung 32, 33 zumindest im Wesentlichen kongruent zueinander angeordnet. Dadurch kann das Kühlmittel durch den Kühlmitteldurchgang 28 strömen. In der Öffnungsstellung 49 ist der größte Strömungsquerschnitt des Ventils 38, 39 gebildet. Dieser entspricht z. B. dem Strömungsquerschnitt DE der Eingangsöffnungen 32, 33 und/oder dem Strömungsquerschnitt DF der Fluidöffnungen 46, 47. Durch die Stellbewegung des Ventilelements 42 verschieben sich die Fluidöffnungen 46, 47 des Ventilelements 42 zu der Eingangsöffnung 32, 33, wodurch der Strömungsquerschnitt des Ventils 38, 39 graduell verkleinert wird. Daraus resultiert eine Reduzierung des Volumenstroms, der durch das Ventil 38, 39 strömt.Due to the rotatable mounting of the
Die Drehbewegung der Ventilelemente 42 wird jeweils von einem nicht näher dargestellten elektrischen Stellantrieb angesteuert. Dieser Stellantrieb umfasst eine Stelleinrichtung, die mit den Ventilelementen 42 verbunden ist und eine unabhängige Ansteuerung der Ventilelemente 42 ermöglicht. Der Stellantrieb ist beispielsweise ein Servomotor, der an jedem der Ventilelemente 42 stirnseitig angeordnet ist und eine radiale Verstellbewegung bewirkt. Der Stellantrieb wird insbesondere durch eine Regelung 25 angesteuert. Die Regelung 25 steuert den Stellantrieb in Abhängigkeit eines Regelparameters. Dieser Regelparameter ist insbesondere ein erfasster Temperaturwert und/oder ein Volumenstrom im Kühlkreislauf 13. Insbesondere ist der Regelparameter eine Betriebstemperatur der dem jeweiligen Regelventil 26 zugeordneten Wärmequelle 11, 12, eine Ein- oder Austrittstemperatur des Kühlmittels dieser Wärmequelle 11, 12 und/oder eine optimale Betriebstemperatur oder ein optimaler Betriebstemperaturbereich dieser Wärmequelle 11, 12 oder ein Kühlmittelvolumenstromwert des die Wärmequelle 11, 12 durchströmenden Kühlmittels.The rotational movement of the
Die Ventilelemente 42 und zumindest der Ventilsitz 41 und/oder das Gehäuse 31 sind aus dem gleichen Material ausgebildet. Dadurch weisen die Ventilelemente 42 und der Ventilsitz 41 denselben thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf. Die Ventilelemente 42 und zumindest der Ventilsitz 41 und/oder das Gehäuse 31 sind vorzugsweise aus einem Leichtmetall ausgebildet, beispielsweise Aluminium- oder Magnesiumlegierung. Ebenso können die Ventilelemente 42 und zumindest der Ventilsitz 41 und/oder das Gehäuse 31 aus einem Kunststoff oder aus einem Verbundwerkstoff oder dergleichen ausgebildet sein. Bei Temperaturschwankungen wird durch die gleiche Materialpaarung verhindert, dass das Ventilelement 42 in dem Ventilsitz 41 verklemmt. Die beiden Ventilelemente 42 sind insbesondere gleichartig ausgestaltet.The
Die Ventilelemente 42 können passgenau oder mit einer Spielpassung in dem Ventilsitz 41 angeordnet sein. Bei beiden Ausführungsformen ist keine Dichtung zwischen dem Ventilelement 42 und dem Ventilsitz 41 erforderlich. Ist das Ventilelement 42 mit einer Spielpassung in dem Ventilsitz 41 vorgesehen, kann auch in der Schließstellung des Ventilelements 42 eine geringe Restströmung des Kühlmittels durch das Ventil 38, 39 strömen. Dadurch kann ein Einfrieren des Ventils 38, 39 und stromabwärts angeordneter Wärmequellen bei niedrigen Temperaturen verhindert werden.The
In dem Fluidraum 29 ist ein Filterelement 30 zum Filtern des Kühlmittels vorgesehen. Das Filterelement 30 ist an der Auslassöffnung 34 des Fluidraums 29 angeordnet. Das Filterelement 30 ist beispielsweise topfförmig ausgestaltet und erstreckt sich in den Fluidraum 29. Dadurch ist eine große Filterfläche gebildet, die den Druckverlust durch das Filterelement 30 reduziert. Das Filterelement 30 kann auch eine beliebige andere Geometrie aufweisen. Das Filterelement 30 ist insbesondere aus einem Sintermetall ausgebildet.A
Die
In der ersten Schaltstellung gemäß
Die Ventilelemente 42 können unabhängig voneinander unterschiedliche Zwischenpositionen 51 einnehmen. Dadurch sind die Volumenströme des warmen Kühlmittelstroms 37 und des kalten Kühlmittelstroms 36 unabhängig voneinander regelbar. Durch die Regelung der Volumenströme ist ein Mischungsverhältnis zwischen dem warmen Kühlmittelstrom 37 und dem kalten Kühlmittelstrom 36 veränderbar. Durch die Veränderung des Mischungsverhältnisses zwischen dem warmen Kühlmittelstrom 37 und dem kalten Kühlmittelstrom 36 kann ein Kühlmittelmischstrom 40 mit einer Kühlmitteltemperatur erzeugt werden, die zwischen der Kühlmitteltemperatur des kalten und des warmen Kühlmittelstroms 36, 37 liegt. Durch das Regelventil 26 können die Kühlmitteltemperatur und der Volumenstrom des Kühlmittelmischstroms 40 gleichzeitig und/oder unabhängig voneinander geregelt werden.The
Werden beispielsweise die Ventilelemente 38, 39 synchron zueinander verstellt, beispielsweise beide Ventilelemente 42 im gleichen Verhältnis geöffnet oder verschlossen, ändert sich zwar der Volumenstrom des Kühlmittelmischstroms 40, jedoch bleibt die Temperatur des Kühlmittelmischstroms 40 konstant, da das Mischungsverhältnis zwischen dem kalten und warmen Kühlmittelstrom 36, 37 durch die synchrone Verstellung der Ventilelemente 42 nicht verändert wird. Andererseits kann durch eine aufeinander abgestimmte asynchrone Verstellung der Ventilelemente 42, beispielsweise wird ein Ventilelement 42 geöffnet und das andere Ventilelement 42 im gleichen Verhältnis geschlossen, die Kühlmitteltemperatur des Kühlmittelmischstroms 40 aufgrund des veränderten Mischungsverhältnisses zwischen dem warmen und kalten Kühlmittelstrom 36, 37 erhöht oder gesenkt werden, wobei der Volumenstrom des Kühlmittelmischstroms 40 aufgrund der aufeinander abgestimmten Verstellung der Ventilelemente 42 konstant bleibt. Zudem kann durch eine entsprechende asynchrone Verstellung der Ventilelemente 42 die Kühlmitteltemperatur des Kühlmittelmischstroms 40 erhöht oder gesenkt werden und gleichzeitig der Volumenstrom des Kühlmittelmischstroms 40 erhöht oder gesenkt werden.If, for example, the valve elements 38, 39 are adjusted synchronously with one another, for example both
Durch das erfindungsgemäße Regelventil 26 wird eine Mischeinrichtung zur Verfügung gestellt, die durch die getrennte Regelbarkeit des kalten und warmen Kühlmittelstroms zu einer optimierten Kühlung der in dem Kühlkreislauf angeordneten Komponenten beiträgt. Durch die Bauraum- und gewichtsoptimierte Ausbildung kann das Regelventil insbesondere vorteilhaft in der Luftfahrt eingesetzt werden.The
BezugszeichenlisteReference List
- 1010
- Kühlsystemcooling system
- 1111
- Wärmequelleheat source
- 1212
- Wärmequelleheat source
- 1313
- Kühlkreislaufcooling circuit
- 1414
- Kühlmittelpumpecoolant pump
- 1515
- Ausgleichsbehältersurge tank
- 1818
- Kühlmittelführungspfadcoolant path
- 1919
- Kühlmittelführungspfadcoolant path
- 2121
- Kühleinrichtungcooling device
- 2222
- Kühlmittelzuführungcoolant supply
- 2323
- Bypassleitungbypass line
- 2424
- Überdruckventilpressure relief valve
- 2525
- Regelungregulation
- 2626
- Regelventilcontrol valve
- 2828
- Kühlmitteldurchgangcoolant passage
- 2929
- Fluidraumfluid space
- 3030
- Filterelementfilter element
- 3131
- GehäuseHousing
- 3232
- Einlassöffnungintake port
- 3333
- Einlassöffnungintake port
- 3434
- Auslassöffnungexhaust port
- 3636
- kalter Kühlmittelstromcold coolant stream
- 3737
- warmer Kühlmittelstromwarm coolant stream
- 3838
- VentilValve
- 3939
- VentilValve
- 4040
- Kühlmittelmischstrommixed coolant flow
- 4141
- Ventilsitzvalve seat
- 4242
- Ventilelementvalve element
- 4343
- Hohlkörperhollow body
- 4444
- Hohlraumcavity
- 4646
- Fluidöffnungfluid port
- 4747
- Fluidöffnungfluid port
- 4848
- Schließstellungclosed position
- 4949
- Öffnungsstellungopen position
- 5151
- Zwischenstellungintermediate position
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