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Die Erfindung betrifft eine Durchflussbegrenzungsvorrichtung, insbesondere für einen Kühlmittelkreislauf eines Kraftfahrzeugs mit Heizungsabzweig. Die Erfindung betrifft auch ein Rohrsystem für insbesondere hydraulische Fluide mit einer solchen Durchflussbegrenzungsvorrichtung .
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Der Kreislauf einer Innenraum-Heizung eines Kraftfahrzeugs ist normalerweise nicht für einen maximalen Druck ausgelegt, der von einer Wasserpumpe erzeugt werden kann. Zur Lösung dieses Problems ist im Stand der Technik bekannt, dass ein elektrisches Sperrventil diesen Kreislauf bei kritischer Drehzahl der Wasserpumpe vollständig abschließt. Dadurch wird jedoch die Innenraum-Heizung praktisch außer Funktion gesetzt.
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Bei einer anderen vorbekannten Lösung ist die Wasserpumpe so ausgelegt, dass sie mit zunehmendem Volumenstrom weniger effizient arbeitet. Damit kann ein konstanter Volumenstrom bei unterschiedlichen Drehzahlen der Wasserpumpe sichergestellt werden. Allerdings bewirkt dies auch, dass die Energieaufnahme der Wasserpumpe mit zunehmendem Volumenstrom ansteigt und weniger stark von zunehmendem Gegendruck beeinflusst wird.
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Ferner sind Durchfluss- und Druckbegrenzungsventile bekannt, die für ihren Betrieb aber ein externes Signal oder eine externe Energiequelle benötigen. Des Weiteren erzeugen diese Ventile oft einen hohen Druckabfall bei geringen Volumenströmen. Oft arbeiten Druckbegrenzungsventile auch nach dem Bypassprinzip, d.h., bei einem bestimmten Überdruck wird ein Überdruckventil geöffnet, welches einen Nebenstrom unter Umgehung des Verbrauchers öffnen. Dabei kann allerdings ein Teil der Fluidströmung nicht mehr genutzt werden. Mit anderen Worten, es wird Energie ungenutzt dissipiert die die Wasserpumpe zur Erzeugung des Volumenstroms aufnimmt.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die vorgenannten Nachteile im Stand der Technik zu vermeiden. Eine Teilaufgabe besteht darin, eine Steuerung von Druck und Volumenstrom in einem Rohrsystem zu verbessern. Eine weitere Teilaufgabe besteht darin, den Volumenstrom und somit die Energieaufnahme einer Pumpe in bestimmten Bereichen des Pumpenkennfelds in einem Rohrsystem zu verringern. Eine weitere Teilaufgabe besteht darin, das Erreichen eines kritischen, d.h., zu hohen, Drucks in einem Abschnitt eines Rohrsystems zu vermeiden, ohne den Abschnitt zu sperren.
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Die Aufgabe wird durch eine Durchflussbegrenzungsvorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 1 oder 4 und ein Rohrsystem mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und bevorzugte Ausführungsformen bilden die Gegenstände der Unteransprüche.
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Das erfindungsgemäße Durchflussbegrenzungsventil kann abhängig vom gegenwärtigen Volumenstrom in einer Leitung ohne externes Signal oder Energie öffnen und schließen. Es kann ausgelegt sein, um einen progressiven Druckabfall bei höheren Volumenströmen zu bewirken. Es kann angepasst werden, um in vielfältigen Anwendungsfällen im Hinblick auf den tatsächlichen Volumenstrom und die erforderliche Begrenzung verwendet zu werden.
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Nach einem ersten Erfindungsgesichtspunkt wird eine Durchflussbegrenzungsvorrichtung vorgeschlagen, welche einen Strömungskanal und wenigstens ein Störelement aufweist, wobei das wenigstens eine Störelement bei steigendem Strömungsdruck im Strömungskanal einen Strömungsquerschnitt des Strömungskanals verengt, ohne den Strömungskanal vollständig zu verschließen, und bei nachlassendem Strömungsdruck erweitert. Mit anderen Worten, die Wirkung der Durchflussbegrenzungsvorrichtung ist rein fluiddynamisch und ist insbesondere, bis auf die Nutzung der einer zu regelnden Strömung innewohnenden Energie, passiv. Ein Störelement ist im Sinne der Erfindung jedwedes Element, das in eine Strömung ragen und einen Strömungsquerschnitt dadurch verengen kann. Ein Durchfluss kann passiv begrenzt werden, der Strömungsdruck daher abgemildert werden, ohne einen Leitungsabschnitt zu sperren, und stromabwärts gelegene Bauelemente können vor einem übermäßigen Druck oder Volumenstrom geschützt werden.
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Wenn das Störelement den Strömungsquerschnitt ab einem vorgegebenen Schwellenwert des Strömungsdruck im Strömungskanal schneller verengt als unterhalb des Schwellenwerts, kann die Verengung progressiv einsetzen. Wenn sich der Strömungsquerschnitt unterhalb des Schwellenwerts nicht verengt, kann der Einsatz der Verengung präzise gesteuert werden, und unterhalb des Schwellenwerts kann die Strömung bis auf unvermeidliche Leitungsverluste unbeeinflusst bleiben.
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Das Störelement kann durch fluiddynamische Wirkung in einer Auslenkungsrichtung ausgelenkt werden, um den Strömungsquerschnitt zu verengen, und kann entgegen der Auslenkungsrichtung federnd vorgespannt sein. Fluiddynamische Wirkungen können alle Wirkungen sein die durch ein bewegtes Fluid erzielt werden können, beispielsweise Staudruckwirkungen, Tragflächenwirkungen, Verwirbelungswirkungen, Sogwirkungen und dergleichen. Die fluiddynamische Wirkung kann unmittelbar am Störelement oder mittelbar an einem verbundenen Element einsetzen.
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Besonders bevorzugt und insoweit einen weiteren Erfindungsgesichtspunkt bildend wird eine Durchflussbegrenzungsvorrichtung vorgeschlagen mit: einem Gehäuse, welches einen Strömungskanal aufweist; einem Staukörper, der in dem Strömungskanal innerhalb des Gehäuse angeordnet ist, um von einem in dem Strömungskanal strömenden Fluid angeströmt zu werden und umströmt und/oder durchströmt zu werden, und der beweglich gelagert und gegen das Gehäuse entgegen einer Anströmrichtung federnd vorgespannt ist; und wenigstens einem Störelement, das auslenkbar ist, um den Strömungskanal zu verengen, und aus einer ausgelenkten Lage rückstellbar ist, um den Strömungskanal zu erweitern, wobei eine Bewegung des Staukörpers gegen seine Vorspannrichtung das Störelement auslenkt und eine Bewegung des Staukörpers in seiner Vorspannrichtung das Störelement rückstellt. Ein Staukörper kann im Sinne der Erfindung jeder Körper sein, der derart in einer Strömung anordenbar ist und konkret in dem Strömungskanal angeordnet ist, dass die Strömung an diesem Körper senkrecht auf einen Staupunkt oder einer Staupunktlinie trifft, sodass die kinetische Energie der Strömung in Druckenergie umgewandelt wird. Damit kann die Strömungsenergie besonders effizient genutzt werden. Der Staukörper mit einem massiven Querschnitt kann umströmt werden, und ein Staukörper mit einem ringförmigen Querschnitt durchströmt und gegebenenfalls umströmt werden.
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In Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass die Auslenkungsrichtung des wenigstens einen Störelements mit einer Bewegungsrichtung des Staukörpers zusammenfällt. Das wenigstens eine Störelement und der Staukörper können beispielsweise starr gekoppelt sein. Es ist auch denkbar, dass ein Element die Funktionen von Störelement und Staukörper in sich vereinigt. Beispielsweise kann der Staukörper einen stromabwärtigen Strömungskanalabschnitt in der Art eines Ventilkörpers/Ventilsitzes verengen, wobei durch Anschlagelemente oder geeignete Formgebung des Staukörpers/Störelements oder des Strömungskanalabschnitts ein vollständiges Verschließen des Strömungskanalabschnitts verhindert wird.
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In Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass das Störelement mit dem Staukörper in einer Weise gekoppelt ist, dass das Störelement von dem Staukörper in Auslenkungsrichtung mitgenommen wird, um den Strömungskanal zu verengen, wenn der Staukörper sich gegen die elastische Vorspannung bewegt, und den Strömungskanal zu erweitern, wenn der Staukörper sich in Richtung der elastischen Vorspannung bewegt. Mit anderen Worten, zwischen dem Störelement und dem Staukörper kann eine Verbindung bestehen, welche die Bewegung des Staukörpers mit der Auslenkung des Störelements koppelt. Die Verbindung kann mehrteilig sein, oder verschiedene Abschnitte eines Bauteils können als Störelement, Staukörper und Verbindungsstück ausgebildet sein. Jedenfalls kann die Auslenkungsrichtung des wenigstens einen Störelements unabhängig von einer Bewegungsrichtung des Staukörpers sein.
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Der Staukörper kann axial entlang einer Achse des Strömungskanals beweglich gelagert sein. Der Staukörper kann einen Staupunkt aufweisen, wobei der Staukörper einen von dem Staupunkt aus rotationssymmetrisch, insbesondere rotationsellipsoidstumpfartig oder rotationsparaboloid, erstreckende Außenfläche aufweisen kann, mit anderen Worten, der Staukörper kann ausgehend von dem Staupunkt umströmt werden. Der Staukörper kann auch eine geschlossene Staupunktlinie aufweisen, mit anderen Worten, der Staukörper kann ausgehend von der Staupunktlinie durchströmt und umströmt werden. Der Staupunkt kann in einer/der Achse des Strömungskanals angeordnet sein bzw. die Staupunktlinie um eine/die Achse des Strömungskanals herum angeordnet sein, was eine im Wesentlichen achsensymmetrische Strömungsführung ermöglicht und damit einen ruhigen Strömungsverlauf und eine sichere Funktion sicherstellen kann, da sich der Staukörper selbst in der Strömung zentrieren kann und radiale Kräfte, die zu einem Verkanten und Verklemmen des Staukörpers führen könnten, weitgehend vermieden werden können.
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Das wenigstens eine Störelement kann sich mit einem ersten Ende gegen eine Wandung des Gehäuses abstützen und mit einem zweiten Ende über ein vorzugsweise flexibles Verbindungselement mit dem Staukörper verbunden sein. Dabei kann das erste Ende des wenigstens einen Störelements über einen flexiblen Verbindungssteg in einer vorzugsweise kranzförmigen Abstützung münden, die an dem Gehäuse fest gelagert ist, und kann die Auslenkungsrichtung wenigstens anfänglich wenigstens anteilig zu einer/der Achse des Strömungskanals weist. Der flexible Verbindungssteg kann in der Art eines Scharniers die Auslenkung des Störelements nach radial innen bewirken. Anfänglich bedeutet hier zu Beginn der Auslenkbewegung. In speziellen Ausführungsformen kann die Auslenkbewegung an ihrem Ende achsparallel sein.
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In Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass das wenigstens eine Störelement im nicht ausgelenkten Zustand an einer Wandung des Gehäuses anliegt. Dadurch kann es den Strömungswiderstand minimieren. Es kann auch im nicht ausgelenkten Zustand im Strömungsschatten der Anströmung liegen; hierzu kann eine taschenartige Aufweitung in einem Aufnahmeabschnitt des Gehäuses vorgesehen sein. Das wenigstens eine Störelement kann schaufelartig geformt sein, wobei eine radial äußere Oberfläche des wenigstens einen Störelements nach außen gekrümmt sein kann. Eine radial innere Kante des wenigstens eine Störelements kann wenigstens im nicht ausgelenkten Zustand ein zu einer Achse des Strömungskanals konzentrisches Kreissegment beschreiben. In Ausführungsformen können mehrere Störelemente vorgesehen sein, die in regelmäßigen Abständen um eine Achse des Strömungskanals angeordnet sind.
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Gemäß einem weiteren Erfindungsgesichtspunkt wird ein Rohrsystem vorgeschlagen , bei welchem eine Druckbegrenzungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche angeordnet ist. Das Rohrsystem ist vorzugsweise für ein oder in einem Kraftfahrzeug vorgesehen bzw. angeordnet.
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Die Druckbegrenzungsvorrichtung kann in einem Leitungsabschnitt stromabwärts einer Fluidfördervorrichtung und stromaufwärts eines Verbrauchers angeordnet sein, wobei ein Sperrventil zwischen der Druckbegrenzungsvorrichtung und dem Verbraucher angeordnet sein kann.
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In Ausführungsformen können der Leitungsabschnitt ein Heizzweig eines Wärmeträgerfluidkreislaufs, die Fluidfördervorrichtung eine Wärmeträgerfluidpumpe und der Verbraucher eine Heizvorrichtung sein. Dabei kann der Heizzweig von einem Verzweigungspunkt stromabwärts der Wärmeträgerfluidpumpe abzweigen, an welchem auch ein Kühlzweig abzweigt, der zu einem Kühler führt.
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In anderen Ausführungsformen kann der Verbraucher ein Ladeluftkühler oder eine anderweitige Wärmequelle beziehungsweise -senke sein.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Aufgaben der Erfindung werden aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen ersichtlich werden. In den Zeichnungen ist bzw. sind:
- 1 eine Prinzipskizze eines Rohrsystems mit einem Durchflussbegrenzungsventil nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 2 ein Diagramm zum Vergleich von Druckverläufen mit und ohne Durchflussbegrenzungsventil;
- 3A ein Zustandsdiagramm zur Veranschaulichung eines Verlaufs von Druck und Volumenstrom ohne Durchflussbegrenzungsventil;
- 3B ein Zustandsdiagramm zur Veranschaulichung eines Verlaufs von Druck und Volumenstrom mit Durchflussbegrenzungsventil;
- 3C ein Zustandsdiagramm zum Vergleich der in 3A und 3B dargestellten Fälle;
- 4 eine perspektivische Darstellung einer Funktionsbaugruppe in einem Durchflussbegrenzungsvorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 5 eine explodierte Darstellung der Funktionsbaugruppe von 4;
- 6 eine Längsschnittdarstellung der Funktionsbaugruppe von 4;
- 7 eine anströmseitige Ansicht der Funktionsbaugruppe von 4;
- 8 eine weitere perspektivische Darstellung der Funktionsbaugruppe von 4;
- 9 eine weitere perspektivische Darstellung der Funktionsbaugruppe von 4;
- 10 eine perspektivische Darstellung einer Durchflussbegrenzungsvorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 11 ein Axialschnitt der Durchflussbegrenzungsvorrichtung von 10 mit der Funktionsbaugruppe von 4;
- 12A, 12B perspektivische Ansichten der Funktionsbaugruppe von 4 zum Vergleich eines Normalzustands und eines Begrenzungszustands;
- 13A, 13B Seitenansichten der Funktionsbaugruppe von 4 zum Vergleich eines Normalzustands und eines Begrenzungszustands;
- 14A, 14B zuströmseitige Ansichten der Funktionsbaugruppe von 4 zum Vergleich eines Normalzustands und eines Begrenzungszustands;
- 15A, 15B schematische Axialschnitt-Teilansichten einer Begrenzungseinheit der Funktionsbaugruppe von 4 zum Vergleich eines Normalzustands und eines Begrenzungszustands;
- 16A, 16B Axialschnitt-Teilansichten eine Begrenzungseinheit der Funktionsbaugruppe von 4 zum Vergleich eines Normalzustands und eines Begrenzungszustands.
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Als Beispiel für ein Rohrsystem wird nachstehend ein Kühlkreislauf mit Heizvorrichtung für ein Kraftfahrzeug betrachtet, wie in 1 schematisch dargestellt. Eine hydraulische Temperiervorrichtung kann Kühlwasser, welches zum Kühlen eines Motors (M) 4 verwendet wird und dessen Wärme über eine Kühler oder Radiator (R) 10 an die Umgebungsluft abgegeben werden kann, auch als Wärmeträgermedium in einer Heizvorrichtung (H) 16 zur Erwärmung einer Innenraumzuluft verwendet werden. Das Kühlwasser kann über ein Pumpenzuflussleitung 1 einer Wasserpumpe (P) 2 zugeführt werden, welche ausgangsseitig über eine Motorzuflussleitung 3 mit dem Motor 4 verbunden sein kann. Vom Motor kann eine Motorausgangsleitung 5 zu einem Thermostat (T) 6 führen. Von dem Thermostat 6 kann eine Thermostatausgangsleitung 7 abgehen, welche sich an einer Verzweigungsstelle in einen Kühlzweig A und einen Heizzweig B teilen kann. Im Kühlzweig A kann eine Kühlerzuleitung zu dem Kühler 10 führen. Der Kühler 10 kann ausgangsseitig mit der Pumpenzuflussleitung 1 verbunden sein. Es kann auch eine Bypassleitung 10 vorgesehen sein, die von einem Pumpenausgang unter Umgehung des Motors 4 direkt zu einem Thermostateingang führt. Der Thermostat 8 kann eingerichtet sein, zwischen der Motorausgangsleitung 5 und der Bypassleitung 11 umzuschalten. Im Heizzweig B führt eine Abzweigleitung 9 zu einer Durchflussbegrenzungsvorrichtung oder Limiter (L) 12, ein erster Zwischenleitungsabschnitt 13 zu einem Sperrventil 14 und ein zweiter Zwischenleitungsabschnitt 15 zu der Heizvorrichtung 16. Die Pumpe 2 ist eine Fluidfördervorrichtung im Sinne der Erfindung. Die Heizvorrichtung 16 ist ein Verbraucher im Sinne der Erfindung, d.h. in dem Sinne, dass sie gefördertes Fluid nutzt.
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Das Sperrventil 14 kann elektrisch betrieben sein und ist auch herkömmlich oft vorgesehen, um den Heizzweig bei Bedarf zu sperren. Die kann beispielsweise dazu dienen, die Warmlaufphase des Motors zu verkürzen, besonders bei niedrigen Außentemperaturen. Grundsätzlich ist das Sperrventil 14 auch geeignet, um bei kritischer Drehzahl der Wasserpumpe 2 vollständig abzuschließen. Herkömmlich dient dies vor allem dem Schutz verschiedener Komponenten im Kreislauf vor einem maximalen Pumpendruck. Ein Steuergerät (nicht dargestellt) für das Sperrventil 14 kann daher mit entsprechender Sensorik (nicht dargestellt) verbunden und entsprechender Signallogik ausgestattet sein. Das Sperrventil 14 kann auch eine Eigensperrfunktion bei einem bestimmten Strömungsdruck aufweisen. Erfindungsgemäß ist die Durchflussbegrenzungsvorrichtung 12 dazu vorgesehen, ein Auslösen des Sperrventils 14 bei Überdruck zu vermeiden. Für die nachstehenden theoretischen Betrachtungen sei aber angenommen, dass das Sperrventil bei einem vorbestimmten Überdruck in dem davon liegenden Zwischenleitungsabschnitt 13 sperrt. Die Wasserpumpe 2 liefert bei Nenndrehzahl n100% einen Normaldruck p100%. Nur für die Zwecke der Anschauung sei angenommen, dass einer maximaler Pumpendruck erreicht wird, wenn die Drehzahl auf 150% der Nenndrehzahl, also n150%, steigt. Der maximale Pumpendruck wird daher nachstehend als p150% bezeichnet.
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Die Durchflussbegrenzungsvorrichtung 12 ist erfindungsgemäß so ausgebildet, dass sie einen Strömungsquerschnitt eines Strömungskanals, der in der Durchflussbegrenzungsvorrichtung 12 ausgebildet ist, abhängig vom anstehenden Fluiddruck oder Volumenstrom verändert, und zwar bei steigendem Fluiddruck reversibel verengt und bei fallendem Fluiddruck erweitert. Die Verengung kann erst bei einem vorgegebenen, gegebenenfalls einstellbaren, Schwellendruck einsetzen, der dem Normaldruck p100% der Wasserpumpe 2 entsprechen kann. Mit anderen Worten, die Verengung wird mit höheren Volumenströmen stark progressiv wirksamer. Der Schwellendruck kann auch oberhalb des Normaldrucks p100% liegen, aber jedenfalls unterhalb des maximal zulässigen Systemdrucks nach dem Ventil, und jedenfalls unterhalb eines Auslösedrucks des Sperrventils 14 (soweit eine solche druckabhängige Auslösung vorgesehen ist).
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Zur Veranschaulichung der Wirkung der Durchflussbegrenzungsvorrichtung 12 kann in einem Diagramm ein Leitungsdruck p über einem Weg x des Heizzweiges B aufgetragen werden, wie in 2 dargestellt. Ein Bereich der Durchflussbegrenzungsvorrichtung 12 kann dabei auf der Abszisse mit L, ein Bereich des Sperrventils mit S und ein Bereich der Heizung mit H bezeichnet werden.
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Zunächst werde der Fall betrachtet, dass das Durchflussbegrenzungsvorrichtung 12 nicht vorgesehen ist. In diesem Fall wird der Leitungsdruck p, wenn der Pumpendruck bei p100% liegt, unter Vernachlässigung von Leitungsverlusten über den Weg x(B) konstant bei p100% bleiben (Kurve 21). Liegt ein Pumpendruck von p150% an, greift das Sperrventil 14, und der Leitungsdruck fällt am Sperrventil 14 auf Null ab (Kurve 22, Druckabfall Δp(S)). Das Sperrventil 14 kann natürlich auch bei Drücken unterhalb des maximalen Pumpendrucks p150% greifen, etwa bereits bei geringem Überschreiten des Normaldrucks p100%, allerdings fällt auch dann der Leitungsdruck p auf Null ab; der Leitungsweg B ist vollständig blockiert.
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Wenn dagegen dem Sperrventil 14 die erfindungsgemäße Durchflussbegrenzungsvorrichtung 12 vorgeschaltet wird, kann der Leitungsdruck p über die Durchflussbegrenzungsvorrichtung 12 auf den Normaldruck p100% abgebaut werden (Kurve 24, Druckabfall Δp(L)). Der Druckabfall Δp(L) in der Durchflussbegrenzungsvorrichtung 12 wächst bei höheren Volumenströmen stark progressiv höher. Bauartbedingt kann aber auch bei Normaldruck p100% ein gewisser Druckabfall 25 auftreten (vgl. Kurve 23).
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Die Wirkung der Durchflussbegrenzungsvorrichtung 12 kann auch anhand von Zustandsdiagrammen nachvollzogen werden, in denen der Pumpenausgangsdruck p2(P) über dem Volumenstrom Q aufgetragen ist, wie in 3A bis 3C dargestellt. Es sei angenommen, dass das Sperrventil 14 ab p100% greift.
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Zunächst werde wieder der Fall ohne Durchflussbegrenzungsvorrichtung 12 betrachtet (3A). Bis zum Erreichen des Normaldrucks p100%, also unterhalb einer Normaldrehzahl n100% der Pumpe 2, stehen beide Strömungswege A und B zu Verfügung. Der Volumenstrom hängt vom Pumpenausgangsdruck p2(P) ab und folgt einer Systemkurve 31, die dem Strömungsquerschnitt der Strömungswege A und B entspricht, über einen Zustandsbereich 31a. Bei Erreichen der Nenndrehzahl n100% und damit des Nenndrucks p100% sperrt das Sperrventil 14, und es steht nur noch der Strömungsweg A (Kühlzweig zum Kühler) zur Verfügung. Dem entspricht eine Systemkurve 33, die dem Strömungsquerschnitt des Strömungswegs A allein entspricht. Der Volumenstrom folgt nun zunächst einer Systemkurve 32, die den Systemzuständen bei konstanter Nenndrehzahl n100% und veränderlichem Strömungsquerschnitt entspricht, über einen Zustandsbereich 32a, der vom Schnittpunkt mit der Systemkurve 31 (Strömungsquerschnitt A & B) zum Schnittpunkt mit der Systemkurve 33 (nur Strömungsquerschnitt A) reicht. Zur Orientierung ist die Systemkurve 32 im Verbund mit einer Kurvenschar dargestellt, welche auch eine Systemkurve 35 bei konstant halber Nenndrehzahl n50% und eine Systemkurve 36 bei maximaler Drehzahl n150 umfasst.
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Es ist festzustellen, dass über den Zustandsbereich 32a der Pumpenausgangsdruck p2(P) bei konstanter Drehzahl steigt. Dies entspricht erwartungsgemäß der Querschnittsverengung von A&B auf A. Bei weiter ansteigender Drehzahl n folgt der Systemzustand nun der Systemkurve 33 für den Strömungsquerschnitt A im Zustandsabschnitt 33a. Dabei steigen Pumpenausgangsdruck p2(P) und Volumenstrom Q im Leitungsweg A weiter an, vergleiche etwa die Volumenströme für A bei n100% und n150%, in der Figur mit ~ A @ n100% und ~ A @ n150% angedeutet. Der Leitungsweg B ist gesperrt, daher wird die Heizvorrichtung 16 nicht mehr versorgt. Es ist festzuhalten, dass der Volumenstrom im Strömungsweg B bei n100% in etwa der auf der Abszisse abgegriffenen Differenz zwischen den Schnittpunkten der Systemkurve 32 mit den Systemkurven 31 und 33, also über den Zustandsbereich 32a, entspricht. Dies ist in der Figur mit ~ B @ n100% angedeutet.
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Nun werde der Fall betrachtet, dass dem Sperrventil 14 die erfindungsgemäße Durchflussbegrenzungsvorrichtung 12 vorgeschaltet ist (3B). Bis zum Erreichen der Nenndrehzahl n100% ändert sich zunächst nichts: es steht der Strömungsquerschnitt der Leitungsabschnitte A & B zur Verfügung; der Systemzustand folgt der Systemkurve 31. Bei Erreichen der Nenndrehzahl n100% beginnt die Durchflussbegrenzungsvorrichtung 12, den Strömungsquerschnitt des Leitungsabschnitts B zu verengen, und zwar druckabhängig. Dieses Verhalten kann durch eine Systemkurve 34 veranschaulicht werden, die von dem Schnittpunkt der Systemkurven 31 und 32 ausgeht und steiler als die Systemkurve 31 ist. Dabei steigen Pumpenausgangsdruck p2(P) und Volumenstrom Q weiter an, vergleiche etwa die Gesamtvolumenströme für A&B bei n100% und n150%, in der Figur mit A & B @ n100% und A & B @ n150% angedeutet. Wenn die maximale Verengung erreicht ist, wird der Zustand in einen Abschnitt einer weiteren Systemkurve übergehen, die einer Summe des Strömungsquerschnitts des Leitungswegs A und eines maximal verengten Strömungsquerschnitt des Leitungswegs B entspricht und die zwischen den Systemkurven 31 und 33 liegen wird (hier nicht dargestellt). Wenn die Verengung des Strömungsquerschnitts durch die Durchflussbegrenzungsvorrichtung 12 schlagartig erfolgt, kann der Zustand entlang der Systemkurve 32 (konstante n100%) auf die weitere Systemkurve springen, ohne den sanften Übergang über die Systemkurve 34. Der genaue Verlauf der Systemkurve 34 wird von der konkreten Ausgestaltung der Durchflussbegrenzungsvorrichtung 12 abhängen.
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Wenn vorstehend von einer sprunghaften Änderung die Rede ist, so ist dies selbstverständlich eine idealisierte Betrachtung. Allgemein treten in der Physik keine Änderungen in Nullzeit auf. D.h., im zuerst betrachteten Fall gemäß 3A wird, wenn eine kontinuierliche Steigerung der Drehzahl erfolgt und das Sperrventil 14 bei n100% auslöst, der Übergang von der Systemkurve 31 (A&B) zur Systemkurve 33 (nur A) nicht exakt der Systemkurve 32 (n100%) folgen, sondern an einem Punkt auf die Systemkurve 33 treffen, der einer geringfügig höhere Drehzahl (vielleicht n101% oder n102%) entspricht.
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Ein Vergleich der beiden Fälle ist in 3C dargestellt. Ohne die Durchflussbegrenzungsvorrichtung 12 greift das Sperrventil bei n100%, was mit unmittelbarem Wegfall des Leitungswegs B und schlagartigem Druckanstieg am Pumpenausgang verbunden ist, dadurch sinken der Strömungsquerschnitt und Volumenstrom und steigt der Pumpenausgangsdruck schlagartig, um mit weiter steigender Drehzahl n kontinuierlich anzusteigen, allerdings auf den Leitungsweg A beschränkt. Mit Durchflussbegrenzungsvorrichtung 12 bleibt der Leitungsweg B mit verringertem Strömungsquerschnitt erhalten, Gesamtvolumenstrom und Pumpenausgangsdruck steigen mit weiter steigender Drehzahl n kontinuierlich an. Der Volumenstrom im Leitungsweg B sinkt allerdings absolut und im Verhältnis zum Gesamtvolumenstrom ab, vergleiche etwa die Volumenströme für A und B bei n100% und n150%, in der Figur mit ~A @ n100% und ~ B @ n100% bzw. ~A @ n150% und ~ B @ n150% angedeutet. Mit anderen Worten, auch nach Erreichen der Nenndrehzahl n100% wird der Volumenstrom im Strömungsweg B zwar weniger, aber nicht Null werden. Die Heizvorrichtung 16 wird also weiter versorgt. Der Druck im Kreislauf der Innenraumheizung wird begrenzt, ohne die beschriebenen Nachteile im Stand der Technik in Kauf nehmen zu müssen. Der Druckverlust bei Nenndrehzahl der Pumpe ist gering. Ferner wird der Pumpenausgangsdruck bei höherer Drehzahl mit Durchflussbegrenzungsvorrichtung 12 geringer sein als ohne Durchflussbegrenzungsvorrichtung 12, was in der Figur mit Δp2 angezeigt ist. Der geringere Pumpenausgangsdruck führt auch zu einer geringeren Energieaufnahme der Pumpe. Die Durchflussbegrenzungsvorrichtung 12 kann daher auch als eine Druckbegrenzungsvorrichtung wirken.
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Der Aufbau der Durchflussbegrenzungsvorrichtung 12 wird nachstehend anhand weiterer 4 bis 11, deren Funktionsweise anhand weiterer 12A bis 16B erläutert.
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Die Durchflussbegrenzungsvorrichtung 12 kann eine Funktionsbaugruppe 40 aufweisen. Die Funktionsbaugruppe 40 kann eine Begrenzungseinheit 41, eine Führungseinheit 42 und eine Rückstellfeder 43 aufweisen, die eine zentrale Achse 44 aufweisen können (vgl. insbesondere 4). Die Begrenzungseinheit 41 kann Störelemente 45 aufweisen, die an einem ersten Ende über Verbindungsstege 46 mit einer in etwa kranz- oder ringförmigen Abstützung 47 verbunden sein können. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind drei Störelemente 45 vorgesehen, dies ist aber rein beispielhaft zu verstehen. Alternativ können auch ein, zwei, vier oder mehr Störelemente 45 vorgesehen sein. Die Verbindungsstege 46 können durch Formgebung und/oder Werkstoffauswahl flexibel, gegebenenfalls elastisch sein, um für die Störelemente 45 als Scharnierelemente gegenüber der Abstützung 47 zu wirken. Die Begrenzungseinheit 42 kann ferner einen Staukörper 48 aufweisen, der über weitere stegartige Verbindungselemente 49 mit jeweiligen zweiten Enden der Störelemente 45 verbunden sein kann. Die Verbindungselemente 49 können durch Formgebung und/oder Werkstoffauswahl flexibel, gegebenenfalls elastisch sein, um für die Störelemente 45 als Mitnehmerelemente bei Bewegung des Staukörpers 48 zu wirken. Die ersten und zweiten Enden sind dabei als Verbindungsstellen zu verstehen; die Störelemente können sich über eine gedachte Verbindungslinie zwischen dem ersten und zweiten Ende hinaus erstrecken.
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Die Führungseinheit 42 kann ein äußeres Führungselement 50 aufweisen, das auch als Käfig bezeichnet werden kann (vgl. insbesondere 5). Das äußere Führungselement 50 kann einen ersten Ring 51, einen zweiten Ring 52, der von dem ersten Ring axial beabstandet ist, und mehrere Verbindungsstege 53, welche den ersten Ring 51 und den zweiten Ring 52 in der Art von Sprossen verbinden, aufweisen. Von dem ersten Ring 51 aus können sich mehrere Streben 54 erstrecken, die ein eine Staukörperstütze 55 halten, welche zum Stützen des Staukörpers 48 vorgesehen ist. Zu diesem Zweck kann die Staukörperstütze 55 einen Verbindungszapfen 56 aufweisen, der in einer Bohrung des Staukörpers 48 aufgenommen sein kann. Die Staukörperstütze 55 kann in axialer Richtung über das äußere Führungselement 50, insbesondere den ersten Ring 51, hinausragen. Die Führungseinheit 42 kann ein inneres Führungselement 57 aufweisen, das auch als Düsenelement bezeichnet werden kann. Das innere Führungselement 57 kann sich von dem ersten Ring 51 aus in Form eines sich verjüngenden Rohrstücks axial in Richtung des zweiten Rings 52 erstrecken. Mit der Bezeichnung als Düsenelement soll die sich verjüngende Struktur beschrieben werden. Das innere Führungselement 57 kann in axialer Richtung über das äußere Führungselement 50, insbesondere den zweiten Ring 52, hinausragen.
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Der Staukörper 48 kann zusammen mit der Staukörperstütze 55 eine in etwa zigarren- oder zeppelin- oder raketen- oder torpedoartige äußere Form aufweisen, die insbesondere eine rotationssymmetrische Struktur aufweisen kann. Dabei kann der Staukörper 48 als Vorderteil dieser Struktur einen Staupunkt 60 und eine sich daran anschließende rotationssymmetrische Außenfläche 61 aufweisen, die sich in einer Außenfläche 62 der Staukörperstütze 55 glatt fortsetzen kann (vgl. insbesondere 6). Die Außenfläche 61 des Staukörpers 48 kann sich dabei von dem Staupunkt 60 aus in axialer Richtung bezüglich der Achse 44 insbesondere rotationsellipsoidstumpfartig oder rotationsparaboloidartig verdicken. Die Außenfläche 62 der Staukörperstütze 55 kann sich von einem Übergang mit der Außenfläche 61 des Staukörpers 48 aus in axialer Richtung bezüglich der Achse 44 gekrümmt oder gerade verjüngen. Der Übergang zwischen Verdickung und Verjüngung kann auch innerhalb einer der Außenflächen 61 oder 62 liegen. Die Außenflächen 61 und 62 können somit insbesondere eine Strömungsfläche bilden, die von dem Staupunkt 60 aus umströmbar ist. Es sei angemerkt, dass die Betrachtung der Außenflächen 61 und 62 unter Außerachtlassung der Verbindungselemente 49 und Streben 54 zu verstehen ist.
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Das innere Führungselement 57 kann eine Innenwand 63 aufweisen, die sich von dem äußeren Ring 51 aus in axialer Richtung verjüngt und in einem Endquerschnitt 64 endet. Die Verjüngung kann erst in einem axialen Abstand zum ersten Ring 51 beginnen. Zwischen dem inneren Führungselement 57 und dem äußeren Führungselement 50 kann ein ringspaltförmiger Raum ausgebildet sein, in welchem die Rückstellfeder 43 aufgenommen sein kann. Die Rückstellfeder 43 kann an dem ersten Ring 51 anliegen oder in diesem hineingedreht sein.
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Zwischen dem ersten Ring 51 der Führungseinheit 42 und der Abstützung 47 der Begrenzungseinheit 41 kann, wenn der Staukörper 48 und die Staukörperstütze 55 miteinander montiert sind, ein axialer Abstand vorgesehen sein, der durch eine Stützscheibe 65 gefüllt sein kann. Die Stützscheibe 65 kann eine ringförmig umlaufende, kontinuierliche oder unterbrochene Erhebung aufweisen, die in einer Nut der Abstützung 47 der Begrenzungseinheit 41 aufgenommen sein kann. Diese Verbindung kann lose oder auf Pressung fest sein, sodass die Stützscheibe 65 mit der Begrenzungseinheit 41 zumindest verliersicher vormoniert werden kann. Diese Art der Verbindung kann auch Verwindungen des Kranzes bei Auslenkung der Störelemente 45 vermeiden helfen.
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Die Verbindungsstege 46 zwischen der Abstützung 47 und den Störelementen 45 können jeweils eine dickere Basis 66 und einen dünneren Biegeabschnitt 67 aufweisen. Ebenso können die Verbindungselemente 49 zwischen dem Staukörper 48 und den Störelementen 45 jeweils eine dickere Basis 68 und einen dünneren Biegeabschnitt 69 aufweisen.
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Die Störelemente 45 können jeweils einen Innenrand 70 aufweisen, der bezüglich der Achse 44 eine radial innere geometrische Begrenzung der Störelemente 45 bildet (vgl. insbesondere 7). Die Innenränder 70 der Störelemente 45 können gemeinsam in ein Inkontur 71 beschreiben. Die Inkontur 71 kann in etwa kreisförmig um die Achse 44 sein. Die Inkontur 71 kann ferner eine Fläche aufweisen, die einen Zuströmquerschnitt 72 der Begrenzungseinheit 41 bzw. der Funktionsbaugruppe 40 definieren kann.
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Die Verbindungselemente 49 und Streben 54 können strömungstechnisch günstig gestaltet sein. Sie können insbesondere von gleicher Zahl sein, in axialer Richtung hintereinander liegen und an einer Berührungsstelle in etwa gleiche Breiten in Umfangsrichtung aufweisen, jeweils bezogen auf die Achse 44 (vgl. insbesondere 8). Die Verbindungselemente 48 können gekrümmte Anströmenden mit einer Staulinie aufweisen (vgl. insbesondere 9).
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Die Begrenzungseinheit 41 kann beispielsweise TPE oder einem anderer Kunststoff mit elastischen Eigenschaften hergestellt sein. Die Führungseinheit 42 kann beispielsweise aus PA66 GF30 oder einem anderen steiferen Kunststoff hergestellt sein. Die Rückstellfeder 43 kann beispielsweise aus Federstahl hergestellt sein. Die Scheibe 65 kann aus Stahl, Messing oder einem anderen geeigneten Werkstoff hergestellt sein.
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Die Durchflussbegrenzungsvorrichtung 12 kann ein Gehäuse 100 aufweisen (10). Das Gehäuse 100 kann ein erstes Teilgehäuse 101 und ein zweites Teilgehäuse 102 aufweisen. Das erste Teilgehäuse 101 kann ein erstes Ende 103 aufweisen, das als Zuströmende der Durchflussbegrenzungsvorrichtung 12 definiert sein kann. Das zweite Teilgehäuse 102 kann ein zweites Ende 104 aufweisen, das als Ausströmende der Durchflussbegrenzungsvorrichtung 12 definiert sein kann. Am ersten Ende 103 kann eine erste Anschlussvorbereitung 105 ausgebildet sein. Die erste Anschlussvorbereitung 105 kann beispielsweise in der Art eines Schnellverbinders nach VDA-Standard ausgeführt sein. Eine Haltefeder 106 kann im Rahmen der ersten Anschlussvorbereitung 105 vorgesehen sein (10, 11). Im Gehäuseinneren können im Rahmen der ersten Anschlussvorbereitung 105 ein Haltering 117 und ein O-Ring 118 vorgesehen sein. Am zweiten Ende 104 kann eine zweite Anschlussvorbereitung 107 ausgebildet sein. Die zweite Anschlussvorbereitung 107 kann beispielsweise in der Art eines einfachen Schlauchabgangs mit einer Riffelung und einem Anschlagring 108 ausgeführt sein. Die genaue Art der Anschlussvorbereitung ist für die Erfindung nicht wesentlich. Es ist jedoch vorteilhaft, wenn die Anschlussvorbereitungen 105, 107 unterschiedlicher Art oder Größe sind, um Einbau- und Anschlussfehler zu erschweren.
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Das Gehäuse 100 kann aus Kunststoff, Edelstahl, Messing oder einem anderen geeigneten Werkstoff hergestellt sein. Die Teilgehäuse 101, 102 können aus gleichem oder unterschiedlichen Werkstoffen hergestellt sein.
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Das Gehäuse 100 kann einen Strömungskanal 109 um die Achse 44 definieren. Die Funktionsbaugruppe 40 kann in dem Gehäuse 100 derart untergebracht sein, dass der Staupunkt 60 des Staukörpers 48 von einer Anströmung 110 im Strömungskanal 109 angeströmt wird. Die Störkörper 45 können in einem Aufnahmeabschnitt 111 des Gehäuses 100 (ersten Teilgehäuses 101) derart aufgenommen sein, dass sie an einer Wandung des Aufnahmeabschnitts 111 anliegen. Die Stützscheibe 65 kann zwischen Flanschabschnitten 112, 113 des ersten und zweiten Teilgehäuses 101, 102 aufgenommen und damit festgelegt sein. Die kranzförmige Abstützung 47 der Begrenzungseinheit 41 kann zwischen der Stützscheibe 65 und dem Flanschabschnitt 112 des ersten Teilgehäuses 101 aufgenommen und damit festgelegt sein. Das Gehäuse 100 (zweite Teilgehäuse 102) kann einen Stützabschnitt 114 aufweisen, an dem sich die Rückstellfeder 43 abstützen kann. Zu diesem Zweck kann auch ein Federsockel 115 vorgesehen sein, in dem die Feder 43 aufgenommen ist und der sich gegen den Stützabschnitt 114 abstützt.
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Die Führungseinheit 42 kann mittels des äußeren Führungselements 50 innerhalb des Gehäuses 100 (zweiten Teilgehäuses 102) zwischen der Stützscheibe 65 und dem Stützabschnitt 114 axial beweglich gelagert und durch die Rückstellfeder 43 gegen die Anströmrichtung 110 vorgespannt sein, sodass es mit dem zweiten Ring 52 an der Stützscheibe 65 anliegt. Der Stützabschnitt 114 kann dabei so gestaltet sein, dass eine Außenwand des inneren Führungselements 57 an einer konischen Verjüngung des Gehäuses 100 (zweiten Teilgehäuses 102) anliegen kann, wenn die Führungseinheit 42 gegen die Vorspannung der Rückstellfeder 43 ausgelenkt wird.
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Stromaufwärts des Aufnahmeabschnitts 111 kann das Gehäuse 100 (erste Teilgehäuse 101) einen Anströmabschnitt 116 aufweisen. Der Anströmabschnitt 116 kann einen Strömungsquerschnitt aufweisen, der dem Zuströmquerschnitt 72 (vgl. 7) entspricht, den die Störelemente 45 aufweisen, wenn sie an der Wandung des Aufnahmeabschnitts 111 anliegen, also nicht ausgelenkt sind. Die Anströmung 110 kann dann vom ersten Ende 103 des Gehäuses 100 (ersten Teilgehäuses 101) aus über den Anströmabschnitt 116 durch den Zuströmquerschnitt 72 in die Funktionsbaugruppe 40 eintreten, am Staupunkt 70 des Staukörpers 48 geteilt werden, um als Umströmung 119 den Staukörper 48 und die Staukörperstütze 55 zu umströmen, sich hinter der Staukörperstütze 55 wieder zu vereinigen, um im weiteren Verlauf das innere Führungselement 57 zu durchströmen, durch den Endquerschnitt 64 des Führungselements 57 aus der Funktionsbaugruppe 40 auszutreten und schließlich das Gehäuse 100 über das zweite Ende 104 zu verlassen.
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Wenn ein Staudruck am Staupunkt 70 des Staukörpers 48 groß genug wird, um die Federkraft der Rückstellfeder 43 zu überwinden, wird der Störkörper 48 in einer Verschiebungsrichtung 130, die der Strömungsrichtung der Anströmung 110 entspricht, zurückweichen und die Führungseinheit 42 mit zurückdrängen, bis es einen Anschlag, beispielsweise am Stützabschnitt 114 des Gehäuses 100, erreicht ( 11, 13B, 15B, 16B). Über die Verbindungselemente 49 werden die Störelemente 45 unter Verformung der Biegeabschnitte 69 der Verbindungselemente 49 mitgenommen, wodurch sie in einer Auslenkungsrichtung 131 nach radial innen ausgelenkt werden, da die Biegeabschnitte 67 der Verbindungsstege 46 nachgeben und als Scharnier gegenüber der Abstützung 47 wirken (12B, 13B, 14B, 15B, 16B). Somit wandern die Innenränder 70 der Störelemente 45 nach radial innen und bilden eine neue Inkontur 141, deren Fläche einem gegenüber dem ursprünglichen Zuströmquerschnitt 72 verengten Zuströmquerschnitt 142 entspricht (7, 14A, 14B). Unter einer Inkontur wird im Rahmen dieser Anmeldung eine Kontur verstanden, die sich von innen an die Innenränder 70 der Störelemente 45 anschmiegt. Der ursprüngliche Zuströmquerschnitt 72 und der verengte Zuströmquerschnitt 142 entsprechen einem (maximal) erweiterten bzw. (maximal) verengten Strömungsquerschnitt des Strömungskanals im Sinne der Erfindung.
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Der Auslösepunkt, also der Punkt, an welchem die Störelemente 45 nach innen wandern, wird maßgeblich durch die Vorspannung der Rückstellfeder 43 bestimmt und kann optional einstellbar sein. Der Staudruck muss an dem Staukörper 48 so groß werden, dass die resultierende Kraft in axialer Richtung (Verschiebungsrichtung 130) diese Vorspannung überwindet. Sobald die Störelemente 45 in die Anströmung 110 ragen, werden sie von dieser ebenfalls dem Strömungsdruck ausgesetzt. Die Formgebung der Störelemente 45 ist dabei maßgeblich für die fluiddynamische Wirkung. Im Ausführungsbeispiel können die Störelemente 45 in etwa schaufelartig gewölbt sein, wobei die Wölbung nach außen gerichtet ist. Dadurch können die Störelemente 45 in nicht ausgelenkter Lage mit ihrer Außenfläche an der Innenwand des Aufnahmeabschnitts 111 anliegen und im Strömungsschatten der Anströmung 110 liegen. Sobald die Störelemente 45 durch die Verbindung mit dem Staukörper 48 nach innen gezogen werden, kommt der Innenrand 70 in den Bereich der Anströmung 110.
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Diese kann dann hinter die Außenflächen der Störelemente 45 greifen, sodass die Störelemente 45 rasch mitgerissen werden und entlang der Auslenkungsrichtung 131 nach radial innen schnellen (13B, 15B, 16B). So kann bewirkt werden, dass die Querschnittsverengung durch die Störelemente 45 schlagartig und progressiv erfolgt. Dabei ist zu beachten, dass die Störelemente 45 in ausgelenkter Lage ebenfalls der Anströmung 110 ausgesetzt sind und den Staukörper 48 sozusagen gegen die Rückstellfeder 43 „nachschieben“. Bei nachlassendem Strömungsdruck bzw. bei nachlassender Strömungsgeschwindigkeit muss die Rückstellfeder 43 daher gegen den gemeinsamen Staudruck des Staukörpers 48 und der Störelemente 45 arbeiten. Dies bewirkt eine gewisse Beharrung in der ausgelenkten Lage (Hysteresewirkung).
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Das Wirkprinzip und einige Vorteile der Strömungsbegrenzungsvorrichtung 12 bzw. der Funktionsbaugruppe kann somit wie folgt zusammengefasst werden:
- - mit zunehmendem Volumenstrom steigt der Staudruck am Staukörper 48;
- - der Staukörper 48 bewegt sich initial nach hinten (gegen die Rückstellfeder 43);
- - dadurch werden die Störelemente 45 nach innen gezogen;
- - dies verengt den Strömungsquerschnitt und beschleunigt die Fluidströmung lokal;
- - der Effekt verstärkt sich selbst;
- - die Strömung wird gestört, aber nicht vollständig blockiert;
- - der Druckverlust erhöht sich stark progressiv.
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Die Erfindung wurde vorstehend anhand von Ausführungsbeispielen und Varianten (die auch als Abwandlungen, Weiterbildungen oder Optionen bezeichnet sein können) beschrieben. Die Erfindung selbst wird durch die beigefügten Ansprüche definiert. Die Darstellung und Beschreibung der Ausführungsbeispiele dient der Erläuterung und dem Verständnis der beanspruchten Erfindung. Einzelmerkmale eines Ausführungsbeispiels oder seiner Varianten können mit jedem anderen Ausführungsbeispiel oder diesbezüglichen Variante kombiniert werden und sollen auch in diesem Sinne als offenbart gelten, auch wenn sie in dem Zusammenhang nicht ausdrücklich beschrieben sind, es sei denn, dies wäre aus technischen oder physikalischen Gründen offensichtlich unmöglich oder sinnlos. Umgekehrt schränken Einzelmerkmale eines Ausführungsbeispiels oder seiner Varianten eine Erfindung nicht ein und können weggelassen werden, sofern die verbleibende Merkmalskombination eine technische Aufgabe löst. Insbesondere kann jede Zusammenstellung von hier beschriebenen Einzelmerkmalen, die eine technische Aufgabe löst, einen eigenen Erfindungsgegenstand bilden.
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Die Bewegung des Staukörpers 48 und der Führungseinheit 42 nach hinten wird lediglich von der Rückstellfeder 43 eingeschränkt. Ein Widerstand der flexiblen Elemente (Verbindungsstege 46 und Verbindungselemente 49) gegenüber ihrer Verformung kann einen Beitrag leisten. Diese Wirkung kann temperaturabhängig sein, also mit zunehmender Temperatur im System und damit verbundener Erweichung des Werkstoffs der Bauteile stark verringert sein. Die Rückstellung der Störkörper 45 wird ebenfalls nahezu ausschließlich durch die Rückstellfeder 43 ausgelöst. Die flexiblen Verbindungsstege 46 und Verbindungselemente 49 haben keinen direkten Einfluss auf die Kraftaufbringung zur Rückstellung. Dies ist jedoch nur ein Beispiel. In Abwandlungen kann die Rückstellung direkt an den Störkörpern 45 erfolgen, durch die Verbindungsstege (Scharnierelemente) 46 oder jeweilige Blattfedern, die sich zwischen den Störelementen 45 und der Abstützung 47 abstützen. Die Auslenkung der Störelemente 45 kann auch allein durch fluiddynamische Wechselwirkung am Störelement 45 selbst bewirkt werden, der in diesem Fall selbst als Staukörper wirken kann.
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Die Störelemente 45 sind im Rahmen des beschriebenen Ausführungsbeispiels schaufelförmig ausgebildet. Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf diese Form der Störelemente 45 beschränkt ist, sondern je nach Umsetzung des Funktionsprinzips auch anders gestaltet und/oder angeordnet sein können.
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In Abwandlungen können die Störelemente 43 so gestaltet sein, dass sie in der nicht ausgelenkten Lage sowie über einen Anfangsweg in Auslenkungsrichtung 131 von der Anströmung 110 nach außen gedrängt werden und erst, wenn sie einen bestimmten Weg entlang der Auslenkungsrichtung 131 (Kipp-Punkt) zurückgelegt haben, von der Anströmung 110 nach innen gerissen werden. Dadurch kann ein gutmütigeres oder sanfteres Regelverhalten im anfänglichen Ansprechen der Durchflussbegrenzungsvorrichtung 12 erzielt werden.
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In Abwandlungen können die Begrenzungseinheit 41 und die Führungseinheit 42 einstückig ausgebildet sein. Die Rückstellfeder 43 kann an- oder eingeformt sein.
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In Abwandlungen kann eine besondere Formgebung der Verbindungselemente 49 bewirken, dass die von der Anströmung auf den Staukörper 48 ausgeübte axiale Kraft bis zu einem Schwellenwert, der höher als die Rückstellkraft der Rückstellfeder 43 ist, zunächst in axialer Richtung in den Verbindungselementen 49, den Störelementen 45, den Verbindungsstegen 46 und der Abstützung 47 abgebaut und in das Gehäuse 100 geleitet wird. Erst oberhalb dieses Schwellenwerts würden die Biegeabschnitte 67 der Verbindungsstege 46 dann nachgeben, wodurch der Kraftfluss in die Abstützung 47 zusammenbricht und die axiale Kraft auf die Rückstellfeder 43 wirkt, die dann ebenfalls nachgibt, sodass die Störelemente 45 entlang der Auslenkungsrichtung 131 nach radial innen schnellen.
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Der Staukörper 48 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel wie ein Torpedo, eine Rakete oder eine Propellernase ausgebildet. In Abwandlungen kann der Staukörper 48 hohl ausgebildet sein, sodass er von der Anströmung 110 zumindest teilweise durchströmt wird. Dies stört die Strömung weniger als ein massiver zentraler Staukörper. Ein hohler Staukörper 48 kann der Anströmung 110 einen ringförmigen stromlinienförmigen Mantel entgegenstellen, etwa in der Art eines Einlaufs eines Strahltriebwerks. Mit anderen Worten, der Staupunkt wird eine kreisförmige Staupunktlinie.
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Der Art und der Funktionsweise des Staukörpers und der Störelemente sind im Rahmen der beanspruchten Erfindung keine Grenzen gesetzt, solange die Störelemente druck- oder durchflussabhängig den Strömungsquerschnitt reversibel verengen. Es sind auch Ausführungen denkbar, in denen auf einen die Auslenkung des/der Störelemente auslösenden Staukörper verzichtet wird, wenn beispielsweise die Störelemente durch elastische Verbindungsstege elastisch an der Wandung des Gehäuses gelagert sind (etwa durch elastische Verbindungsstege an einem kranzartigen Stützelement) und eine Tragflächenprofil aufweisen, das an der dem Strömungskanal zugewandten Oberfläche einen Sog erzeugt, der die Störelemente in den Strömungskanal zieht. Es sind auch Ausführungen denkbar, in welchen irisartige Störelemente mit einem federnd rückstellenden Drehkörper, der schaufelartige Reaktionselemente aufweist, welche durch Wechselwirkung mit der Strömung im Strömungskanal ein Drehmoment induzieren, gekoppelt sind, um bei fluiddynamisch angeregter Drehung des Drehkörpers den Strömungskanal blendenartig zu verengen. Alle hierin beschriebenen Merkmale jedes Ausführungsbeispiels und aller Varianten und Abwandlungen können im Rahmen der beanspruchten Erfindung oder einzeln oder in Gruppen miteinander kombiniert, weggelassen oder hinzugefügt werden, soweit es technisch möglich ist. Eine Einschränkung der Erfindung auf eine Gesamtheit der Merkmale eines beschriebenen Ausführungsbeispiels ist nicht gegeben.
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Das Gehäuse 100 ist in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel in einer radialen Ebene in die Teilgehäuse 101, 102 geteilt. Alternativ kann ein Gehäuse auch in einer axialen Ebene in Halbschalen geteilt sein.
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Die Durchflussbegrenzungsvorrichtung 12, insbesondere dessen Funktionsbaugruppe 40, kann auch in andere Bauteile, etwa das Sperrventil 14, die Heizvorrichtung 16 oder den Thermostat 6 integriert sein, deren jeweiliges Gehäuse dann als Gehäuse der Durchflussbegrenzungsvorrichtung 12 dienen kann.
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Anstelle von Wasser können auch andere Wärmeträgerfluide verwendet werden.
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Die Erfindung ist im Übrigen für Rohrsysteme im Allgemeinen anwendbar, sofern das Rohrsystem eine strömendes Fluid leitet. Im Fahrzeugbereich ist beispielsweise die Anwendung in einem Ladeluftsystem, etwa in der Leitung zu einem Ladeluftkühler, oder vor sonstigen Bauteilen, die entweder geschützt werden sollen oder wenn die Energieaufnahme der Pumpe durch Verringern des Volumenstroms verringert werden soll, denkbar. Das Fluid kann auch eine andere Flüssigkeit als Wasser und kann auch ein Gas sein. Die Ausbildung von Staukörper und/oder Störelementen kann dem betroffenen Fluid angepasst werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Pumpenzuflussleitung (Kaltwasserleitung, Rücklauf)
- 2
- Wasserpumpe (Wärmeträgerfluidpumpe, Fluidfördervorrichtung) (P)
- 3
- Motorzuflussleitung
- 4
- Motor (M)
- 5
- Motorausgangsleitung (Warmwasserleitung, Vorlauf)
- 6
- Thermostat (T)
- 7
- Thermostatausgangsleitung
- 8
- Kühlerzuleitung
- 9
- Abzweigleitung
- 10
- Kühler (Radiator) (R)
- 11
- Bypassleitung
- 12
- Durchflussbegrenzungsvorrichtung (Limiter) (L)
- 13
- Zwischenleitungsabschnitt
- 14
- Sperrventil (S)
- 15
- Zwischenleitungsabschnitt
- 16
- Innenraumheizung (Heizvorrichtung, z.B. Heizlüfter) (H)
- 21
- Druckverlauf ohne Limiter bei Nenndrehzahl
- 22
- Druckverlauf mit Limiter bei Nenndrehzahl
- 23
- Druckverlauf ohne Limiter bei Maximaldrehzahl
- 24
- Druckverlauf mit Limiter bei Maximaldrehzahl
- 31
- Systemkurve für Summe der Wege A und B ohne Limiter
- 31a
- Zustandsbereich
- 32
- Systemkurve beliebigen Strömungsquerschnitts bei Nenndrehzahl
- 32a
- Zustandsbereich
- 33
- Systemkurve für Weg A allein ohne Limiter
- 33a
- Zustandsbereich
- 34
- Systemkurve für Summe der Wege A und B mit Limiter oberhalb Nenndrehzahl
- 35
- Systemkurve beliebigen Strömungsquerschnitts bei halber Nenndrehzahl
- 36
- Systemkurve beliebigen Strömungsquerschnitts bei eineinhalbfacher Nenndrehzahl (maximaler Drehzahl)
- 40
- Funktionsbaugruppe
- 41
- Begrenzungseinheit
- 42
- Führungseinheit
- 43
- Rückstellfeder
- 44
- Achse
- 45
- Störelement
- 46
- Verbindungssteg (Scharnierelement)
- 47
- Abstützung (Kranz)
- 48
- Staukörper
- 49
- Verbindungselement (Koppel)
- 50
- Käfig (äußeres Führungselement)
- 51
- erster Ring
- 52
- zweiter Ring
- 53
- Verbindungssteg (Sprosse)
- 54
- Strebe
- 55
- Staukörperstütze
- 56
- Verbindungszapfen
- 57
- inneres Führungselement
- 60
- Staupunkt
- 61
- Außenfläche
- 62
- Außenfläche
- 63
- Innenfläche
- 64
- Endquerschnitt
- 65
- Stützscheibe
- 66
- Basis
- 67
- Biegeabschnitt
- 68
- Basis
- 69
- Biegeabschnitt
- 70
- Innenrand (radial innere Kante)
- 71
- Inkontur (Inkreis)
- 72
- Zuströmquerschnitt
- 100
- Gehäuse
- 101
- Erstes Teilgehäuse
- 102
- Zweites Teilgehäuse
- 103
- Erstes Ende (Zuströmende)
- 104
- Zweites Ende (Ausströmende)
- 105
- Erste Anschlusseinrichtung
- 106
- Haltefeder
- 107
- Zweite Anschlusseinrichtung
- 108
- Anschlagring
- 109
- Strömungskanal
- 110
- Anströmung
- 111
- Aufnahmeabschnitt
- 112
- Flanschabschnit
- 113
- Flanschabschnitt
- 114
- Stützabschnitt
- 115
- Federsockel
- 116
- Anströmabschnitt
- 117
- Haltering
- 118
- O-Ring
- 119
- Umströmung
- 130
- Verschiebungsrichtung
- 131
- Auslenkungsrichtung
- 141
- Inkontour
- 142
- Verengter Zuströmquerschnitt
- A
- Kühlzweig
- B
- Heizzweig
- H
- Heizelement
- L
- Durchflussbegrenzungsvorrichtung (Limiter)
- M
- Motor
- Q
- Volumenstrom
- R
- Kühler (Radiator)
- S
- Sperrventil
- T
- Thermostat
- n
- Pumpendrehzahl
- n100%
- Nenndrehzahl
- n150%
- Maximaldrehzahl
- n50%
- halbe Nenndrehzahl
- p
- Leitungsdruck
- p100%
- Nenndruck
- p150%
- Maximaldruck
- p2(P)
- Pumpenausgangsdruck
- x
- Weg
- Δp(L)
- Druckabfall am Limiter
- Δp(S)
- Druckabfall am Sperrventil
- Δp2
- Druckunterschied
-
Die vorstehende Liste ist integraler Bestandteil der Beschreibung.
