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Die Erfindung betrifft einen Ventilblock und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
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Die
DE 10 2016 102 853 A1 zeigt ein Modul zur thermischen Steuerung, das ausgebildet ist, um Wärme von einer beliebigen geeigneten Wärmequelle zu einer gewünschten Fahrzeugposition zu leiten.
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Die
DE 10 2006 062 373 A1 zeigt einen Steuerblock in metallischer Leichtbauweise zur Realisierung einer hydraulischen Schaltung mit einem System von Schaltungselementen wie Kanälen, Anschlüssen, Ventilsitzen, Dichtflächen und Montageschnittstellen, bei welchem die Schaltungselemente als Kavitäten, Rohrleitungen und Verzweigungen ausgeführt sind, die mit Rippen zu einer zusammenhängenden Struktur verbunden und durch ein generatives Fertigungsverfahren erzeugt sind.
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Die
DE 10 2018 216 271 A1 zeigt einen Gehäuseblock, in welchem Kanäle mit einer Langloch- oder Flachkanalgeometrie ausgebildet sind.
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Die US 2016 / 0 280 197 A1 zeigt einen Hydraulikblock mit Kanälen, Ventilen und einem Drucksensor, welcher Hydraulikblock im 3D-Druck hergestellt ist und Aufnahmestellen für Magnetventile und für den Drucksensor aufweist.
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Die nachveröffentlichte
DE 10 2019 132 178 A1 zeigt eine Ventilinsel, deren Grundkörper mittels additiver Fertigung gefertigt ist, wobei in einem Fluidströmungskanal ein axialer Ventilsitz vorgesehen ist, und wobei ein Druckmesssensor vorgesehen ist.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen neuen Ventilblock und ein neues Verfahren zu dessen Herstellung bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des Anspruchs 1 und des Anspruchs 17.
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Ein Ventilblock weist einen Formkörper und mehrere Ventilkörper auf, welcher Formkörper in additiver Fertigung hergestellt ist, in welchem Formkörper Fluidleitungen und Ventilkörpersitze ausgebildet sind, welche Ventilkörpersitze jeweils dazu ausgebildet sind, eine Aufnahme eines der Ventilkörper zu ermöglichen. Durch die additive Fertigung ergeben sich große Freiheiten bei der Gestaltung des Formkörpers, und die Fluidleitungen und Ventilkörpersitze können zusammen im Formkörper verwirklicht werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Fluidleitungen zumindest teilweise eine Krümmung auf. Das Vorsehen von definierten Krümmungen ist durch die additive Fertigung vorteilhaft möglich.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Fluidleitungen zumindest teilweise in ihrem Verlauf eine Winkeländerung von mindestens 60° auf, bevorzugt von mindestens 90°, bevorzugt von mindestens 100° und besonders bevorzugt von mindestens 180°. Solche Winkeländerungen sind mit verformbaren Schläuchen schwierig vorzusehen, da es beim Biegen zu Knicken in den Schläuchen kommen kann. Bei der additiven Fertigung ist dagegen eine platzsparende Ausbildung der Fluidleitungen im Formkörper möglich.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Fluidleitungen zumindest teilweise unterschiedliche Querschnitte auf. Es können beispielsweise Fluidsammelleitungen mit hohem Durchfluss mit einem größeren Querschnitt ausgebildet werden als Abzweigleitungen mit niedrigerem Durchfluss. Hierdurch kann bei den großen Fluidleitungen der strömungstechnische Widerstand gering gehalten werden, und die kleinen Fluidleitungen ermöglichen einen kompakten Aufbau.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weisen die einzelnen Fluidleitungen zumindest teilweise sich über den Verlauf ändernde Querschnitte auf. Dies ermöglicht eine Optimierung des Fluidflusses durch die Fluidleitungen, und es kann beispielsweise ein hoher strömungstechnischer Widerstand an gekrümmten Abschnitten durch lokale Erhöhung des Querschnitts gesenkt werden. Auch die Form des Querschnitts kann zu Optimierung der strömungstechnischen Eigenschaften variiert werden, beispielsweise von rund zu oval oder zu eckig.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind im Formkörper Halteelemente ausgebildet, welche mindestens zwei Fluidleitungen miteinander verbinden. Die Halteelemente erleichtern zum einen die additive Fertigung, da sie zu einem zusammen hängenden Formkörper führen, und zum anderen erhöhen sie die Stabilität des Formkörpers.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Halteelemente wandartig ausgebildet. Eine wandartige Ausbildung führt zu einer schlanken Verbindung und damit zu einer relativ geringen Masse des Ventilblocks.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Halteelemente zumindest teilweise Aussparungen auf, welche Aussparungen bevorzugt als Durchtrittsöffnungen ausgebildet sind. Die Aussparungen können beispielsweise an Stellen ausgebildet werden, an denen die mechanische Belastung gering ist. Hierdurch werden die Materialmenge und die Masse reduziert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind mehrere der Halteelemente in einer ersten gemeinsamen Ebene angeordnet. Anders als bei Ausgestaltungen mit Einzelventilen und die Einzelventile verbindenden Schläuchen kann der Ventilblock bevorzugt weitgehend in der ersten gemeinsamen Ebene angeordnet werden. Dies führt zu einem kompakten Ventilblock.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind mehrere der Halteelemente in einer zweiten gemeinsamen Ebene angeordnet, welche zweite Ebene bevorzugt parallel zur ersten gemeinsamen Ebene ausgebildet ist. Durch die Ausweitung in die dritte Dimension können auch komplizierte Strukturen platzsparend ausgebildet werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform stehen die Ventilkörpersitze jeweils mit mindestens zwei der Fluidleitungen in Fluidverbindung, bevorzugt mit mindestens drei, weiter bevorzugt mit mindestens vier. Die Ventilkörpersitze mit den zugeordneten Ventilkörpern können hierdurch für vergleichsweise komplizierte fluidtechnische Verschaltungen genutzt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind am Formkörper an den Fluidleitungen zumindest teilweise Dichtungssitze ausgebildet, um eine Abdichtung der Fluidverbindung zwischen der Fluidleitung und dem Ventilkörper zu ermöglichen. Die sich durch die additive Fertigung ergebende Freiheit kann für die Erzeugung solcher Dichtungssitze verwendet werden, und durch die Dichtungssitze können fluidtechnische Verluste vermieden oder reduziert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind im Formkörper Befestigungsmittel vorgesehen, um eine Befestigung eines Ventilkörpers oder eines Aktuators zu ermöglichen. Durch das Vorsehen der Befestigungsmittel im Formkörper kann die mechanische Toleranz stark reduziert werden, und dies führt zu einer hohen Zuverlässigkeit.
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Im Formkörper ist im Bereich mindestens einer Fluidleitung eine Aussparung ausgebildet, wobei ein Messsensor in der Aussparung aufgenommen ist, um eine Messung in der Fluidleitung zu ermöglichen. Das Vorsehen der Aussparung erleichtert das Anbringen des Messsensors, und die Montage wird erleichtert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Messsensor bevorzugt als Drucksensor, als Temperatursensor oder als Durchflusssensor ausgebildet. Das Vorsehen solcher Sensoren ermöglicht ein verbessertes Ansteuern der Ventile und eine vorteilhafte Kühlung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Enden der Fluidleitungen zumindest teilweise mit Anschlussstutzen verbunden, wobei die Anschlussstutzen bevorzugt als VDA-Anschlussstutzen ausgebildet sind oder ein Gewinde aufweisen. VDA-Anschlussstutzen sind Anschlussstutzen, die einer Norm des Verbands der Automobilindustrie (VDA) mit Sitz in Berlin entsprechen. Durch die Anschlussstutzen kann eine Anpassung der Anschlüsse an unterschiedliche Systeme vorgesehen werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Formkörper mindestens einen Werkstoff auf aus der Gruppe bestehend aus:
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Diese Werkstoffe ermöglichen vorteilhaft eine additive Fertigung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind in den Ventilkörpersitzen Ventilkörper aufgenommen.
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Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Ventilblocks wird der Formkörper durch additive Fertigung hergestellt. Die additive Fertigung ermöglicht vorteilhaft die Herstellung eines solchen Ventilblocks.
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Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen und in den Zeichnung dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispielen sowie aus den Unteransprüchen. Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Es zeigt:
- 1 in einer raumbildlichen Darstellung einen Ventilblock,
- 2 in einer Draufsicht den Ventilblock von 1 mit Ventilkörpern,
- 3 in einer Seitenansicht den Ventilblock von 1 mit Ventilkörpern und Aktuatoren,
- 4 in einem Längsschnitt eine Fluidleitung und einen Ventilkörpersitz, und
- 5 in einer Seitenansicht eine alternative Ausführungsform eines Ventilblocks.
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1 zeigt einen Ventilblock 20 mit einem Formkörper 30. Der Formkörper 30 ist in additiver Fertigung hergestellt, und im Formkörper 30 sind Fluidleitungen 32 ausgebildet.
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Durch die additive Fertigung wird eine große Freiheit in der Formgebung der Fluidleitungen 32 ermöglicht.
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Ventilblöcke 20 dienen dazu, den Fluidfluss durch Fluidleitungen zu steuern.
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Die Fluidleitung 32A weist beispielhaft eine Krümmung auf, welche zu einem Verlauf führt, bei dem die Winkeländerung größer ist als 180°. Bei der Verwendung von schlauchartigen Fluidleitungen ist man in der Stärke der Krümmung begrenzt, da es beim Biegen zu Knicken kommen kann, die zu einer Verschlechterung des Durchflusses führen. Bei der additiven Fertigung kann dagegen die Krümmung aus Fertigungssicht frei gewählt werden, wobei bei starkem Volumenstrom zu geringe Radien bzw. zu starke Krümmungen der Fluidleitungen 32 zu einem stärkeren fluidtechnischen Widerstand führen können. Ein weiterer Vorteil der Herstellung gekrümmter Fluidleitungen 32 durch additive Fertigung ist die Möglichkeit einer kompakten Bauweise. Während bei einer Bauweise mit einem flexiblen Rohr als Fluidleitung hinter einer Krümmung ein gerades Stück zur Befestigung mit einer Schelle erforderlich ist, kann eine im Formkörper 30 ausgebildete Fluidleitung 32 direkt in einen anderen Bereich übergehen.
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Eine Fluidleitung 32B hat beispielhaft einen größeren Querschnitt als die Fluidleitung 32A. Es ist also möglich, die Größe der Fluidleitungen 32 im Hinblick auf den gewünschten Fluidfluss zu optimieren.
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Bei der Fluidleitung 32B ist zu sehen, dass der Querschnitt sich zu einer Öffnung 42 hin erweitert, und dies ermöglicht eine fluidtechnische Optimierung des Fluidflusses.
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Im Formkörper 30 sind Halteelemente 34 ausgebildet, welche mindestens zwei Fluidleitungen 32 miteinander verbinden. So ist bspw. eines der Halteelemente 34 zwischen den Fluidleitungen 32A und 32B vorgesehen. Die Halteelemente 34 weisen teilweise Aussparungen 38 auf, welche Aussparungen 38 bevorzugt als Durchtrittsöffnungen ausgebildet sind. Derartige Aussparungen 38 können einerseits zur Verringerung des Gewichts an Stellen ausreichender Stabilität vorgesehen werden, sie können andererseits auch zur Befestigung des Formkörpers 30 verwendet werden.
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Die Halteelemente 34 sind im Ausführungsbeispiel wandartig ausgebildet, sie erstrecken sich flächig zwischen den Fluidleitungen 32.
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Im Ausführungsbeispiel sind die Halteelemente 34 zumindest überwiegend in einer gemeinsamen Ebene angeordnet.
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Im Formkörper 30 sind mehrere Ventilkörpersitze 40 ausgebildet, und die Ventilkörpersitze 40 sind dazu ausgebildet, eine Aufnahme eines Ventilkörpers 70 (vgl. 2) zu ermöglichen.
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Die Ventilkörpersitze 40 stehen jeweils mit mindestens zwei der Fluidleitungen 32 in Fluidverbindungen, wie an den Öffnungen 42 zu sehen ist. Bevorzugt stehen die Ventilkörpersitze 40 mit mindestens drei und weiter bevorzugt mit mindestens vier Fluidleitungen 32 in Fluidverbindung. Anders ausgedrückt münden die Fluidleitungen 32 in den Ventilkörpersitz 40.
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An den Fluidleitungen 32 sind zumindest teilweise Aussparungen 50 ausgebildet, und die Aussparungen 50 sind zur Aufnahme eines Messsensors 74 (vgl. 2) ausgebildet. Ein solcher Messsensor 74 kann hierdurch eine Messung des Kühlmittels in der Fluidleitung 32 durchführen.
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Eine Mehrzahl der Fluidleitungen 32 endet zumindest auf einer Seite an einer vorgegebenen Seite des Formkörpers 30 mit einer Öffnung 44. An den Öffnungen 44 sind im Ausführungsbeispiel Anschlussstützen 76 vorgesehen, welche bspw. durch Einschieben in die Fluidleitungen 32 befestigbar sind.
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2 zeigt den Ventilblock 20 von 1 mit daran vorgesehenen Ventilkörpern 70 und in den Aussparungen 50 vorgesehenen Messsensoren 74. Zudem ist ein Aktuator 72 vorgesehen, um einen zugeordneten Ventilkörper 70 zu bedienen.
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3 zeigt den Ventilblock 20 in einer Seitenansicht, wobei die Öffnungen 44 zu sehen sind. Es ist zu sehen, dass zumindest ein Großteil der Fluidleitungen 32 in einer Ebene 36 angeordnet sind. Dies ermöglicht eine Verringerung der Erstreckung des Ventilblocks 20 quer zur Ebene 36. Ventilkörper 70 sind in den Formkörper 30 eingesetzt und ermöglichen dort eine Mischung, eine Steuerung oder eine Sperrung des Fluidflusses. Auf den Ventilkörpern 70 sind Aktuatoren 72 vorgesehen, welche eine Änderung des Ventilzustands ermöglichen.
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Der Ventilkörper 70 kann jeweils ausgebildet werden als
- - Mischventilkörper,
- - Verteilventilkörper,
- - Sperrventilkörper, oder
- - Umschaltventilkörper.
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4 zeigt beispielhaft den Übergang zwischen der Fluidleitung 32 und dem Ventilkörpersitz 40 in einer geschnittenen Darstellung. Der Ventilkörpersitz 40 ist bevorzugt zylinderförmig ausgebildet und ermöglicht eine Drehung des Ventilkörpers, vgl. 2. An der ventilkörpersitzseitigen Öffnung 42 der Fluidleitung 32 ist ein Dichtungssitz 46 in Form einer Nut ausgebildet. Dieser Dichtungssitz 46 kann ebenfalls im Rahmen der additiven Fertigung ausgebildet werden. Im Dichtungssitz 46 ist eine Dichtung 47 angeordnet, welche beispielhaft als O-Ring ausgebildet ist.
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Die Dichtungssitze 46 sind im Ausführungsbeispiel an einer Stirnseite der Fluidleitung 32 vorgesehen.
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Die Dichtung 47 ermöglicht eine Abdichtung zwischen dem Ventilkörper 70 (vgl. 2) und der Umrandung der Öffnung 42 der Fluidleitung 32.
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Am offenen Ende des Ventilkörpersitzes 40 ist ein Gewinde 41 ausgebildet, um eine Befestigung des Ventilkörpers 70 (vgl. 2) im Ventilkörpersitz 40 durch Verschraubung zu ermöglichen. Das Gewinde 41 kann auf unterschiedliche Art hergestellt werden:
- - Ausbildung des Gewindes direkt bei der additiven Fertigung des Formkörpers 30,
- - Einarbeiten des Gewindes in den Formkörper 30 nach dessen additiver Fertigung, beispielsweise durch einen Schneide- oder Fräßvorgang, und/oder
- - Vorsehen eines Gewindeteils mit dem Gewinde während der additiven Fertigung als Einlegeteil.
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5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Ventilblocks 20. Die Ansicht entspricht der Ansicht von 3, und die Öffnungen 44 der Fluidleitungen 32 sind sichtbar und durch die Halteelemente 34 miteinander verbunden. Der Ventilblock 20 ist in zwei Ebenen 36A und 36B ausgebildet. Beispielhaft sind innerhalb der Ebene 36A zwei Fluidleitungen 32H und 321 dargestellt, und in der Ebene 36B sind Fluidleitungen 32C und 32G dargestellt. Zusätzlich sind Fluidleitungen 32D und 32E vorgesehen, welche sich zwischen den Ebenen 36A und 36B erstrecken und einen Fluidfluss zwischen den Ebenen 36A und 36B ermöglichen. Mehrere Ventilkörper mit zugehörigen Aktuatoren 72 sind vorgesehen, und sie sind bevorzugt jeweils auf der von der anderen Ebene abgewandten Seite vorgesehen. Hierdurch wird die Montage erleichtert.
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Naturgemäß sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung vielfältige Abwandlungen und Modifikationen möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 20
- Ventilblock
- 30
- Formkörper
- 32
- Fluidleitungen
- 34
- Halteelemente
- 36
- Ebene
- 38
- Aussparungen
- 40
- Ventilkörpersitz
- 41
- Gewinde
- 42
- Öffnungen der Fluidleitungen
- 44
- Öffnungen der Fluidleitungen
- 46
- Dichtungssitz
- 47
- Dichtung
- 48
- Befestigungsmittel
- 50
- Aussparung
- 70
- Ventilkörper
- 72
- Aktuator
- 74
- Messsensor
- 76
- Anschlussstutzen
