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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ventilvorrichtung, insbesondere für ein Kühlsystem eines Fahrzeugs.
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In der
DE 10 2017 107 688 A1 ist eine Ventilanordnung für ein Kühlsystem eines Fahrzeugs offenbart. Diese umfasst ein Gehäuse mit mindestens zwei Kühlflüssigkeitsanschlüssen, weiter umfassend ein Ventilelement, das zwischen einer eine Verbindung zwischen den Kühlflüssigkeitsanschlüssen freigebenden Öffnungsstellung und einer die Verbindung zwischen den Kühlflüssigkeitsanschlüssen trennenden Schließstellung verstellbar ist, und umfassend einen Antrieb zum Verstellen des Ventilelements zwischen der Öffnungsstellung und der Schließstellung.
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Für kleinere Ventile zur Schaltung von Nebenkreisen in Kühlsystemen von Kraftfahrzeugen sind einfache und preisgünstige elektrisch schaltbare Ventilanordnungen erwünscht. Wegen der vergleichsweise kleinen Volumenströme in solchen Nebenkreisen, und um die Ventilanordnungen einfach und preisgünstig zu gestalten, werden bei diesen Anwendungen häufig Tellerventile (auch als Kolben- oder Stößelventile bezeichnet) eingesetzt.
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Das Bewegen der Tellerventile in die Schließstellung erfolgt gegen den Flüssigkeitsdruck von durch das Kühlsystem fließender Kühlflüssigkeit. Antriebe zum Antreiben des Ventilelements müssen im Schließbereich, also kurz vor und bis zum Erreichen der Schließstellung des Ventilelements, wenn die Druckdifferenz über das nahezu geschlossene Ventilelement zu erhöhten Betätigungskräften führt, für eine geringe Wegstrecke und für kurze Zeit hohe Kräfte aufbringen. Vor Erreichen dieses Schließbereichs und auch für das Öffnen des Ventilelements werden dagegen nur deutlich geringere Kräfte benötigt.
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Im Stand der Technik werden für solche Ventilelemente elektromagnetische Antriebe mit Spulen verwendet. Da die maximal zur Verfügung stehende Betätigungskraft durch die Magnetanordnung vorgegeben ist, muss diese groß dimensioniert werden, um die aus den oben genannten Gründen relativ hohe maximal aufzubringende Betätigungskraft realisieren zu können. Dies macht den Antrieb aufwendig und teuer.
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Darüber hinaus werden in Kühlsystemen von Fahrzeugen teilweise Rückschlagventile eingesetzt, die in einer Fließrichtung durch den Kühlflüssigkeitsstrom selbsttätig aufgedrückt werden, bei einem Kühlflüssigkeitsstrom in entgegengesetzter Fließrichtung jedoch durch den Kühlflüssigkeitsstrom geschlossen werden. Dies ist beispielsweise notwendig, wenn nach Abstellen eines Verbrennungsmotors, und damit der Hauptwasserpumpe, ein geringer Kühlflüssigkeitsstrom, erzeugt durch kleine elektrische Nebenflüssigkeitspumpen, entgegen der im Betrieb vorherrschenden Fließrichtung durch einige Zweige des Kühlsystems zirkulieren soll. Bei aktuellen Kühlsystemen, die eine sogenannte Kaltstartabschaltung besitzen, d.h. die während der Aufheizphase des Verbrennungsmotors keinerlei Kühlflüssigkeitszirkulation zulassen, sind spezielle Rückschlagventile notwendig. Diese sollen z.B. durch eine elektrische Vorrichtung in der geschlossenen Stellung sperrbar sein, um die Kühlflüssigkeitszirkulation vollständig zu unterbinden, zu einem späteren Zeitpunkt jedoch entriegelt werden können, um ihre Funktion als Rückschlagventil zu erfüllen. Die Bereitstellung dieser Rückschlagventilfunktion ist mit bekannten Antrieben ebenfalls aufwendig.
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Bei Elektrofahrzeugen werden häufig zur Absperrung von beispielsweise Batteriekühlkreisläufen Magnetventile verwendet. Dies liegt daran, dass bei Magnetventilen durch den federbeaufschlagten Ventilmechanismus eine vorbestimmte Ventilstellung, in der Regel die Schließstellung, vorliegt, wenn diese nicht mit Strom versorgt werden. Auf diese Weise kann im Falle eines Stromausfalls, wie zum Beispiel bei einem Unfall, das Magnetventil den Kühlkreislauf dennoch schließen, um zu verhindern, dass weiterhin Kühlflüssigkeit zur Batterie bzw. in ein Batteriegehäuse gepumpt wird.
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Eine Anforderung an Elektrofahrzeuge ist es jedoch, so wenig Strom wie möglich zu verbrauchen, um die entsprechenden Komponenten des Fahrzeugs zu betreiben. Daher sind mittels Strom betätigbare Ventile, die nur Strom verbrauchen, wenn ein Ventil geschalten wird, die bevorzugte Lösung.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine alternative Ventilvorrichtung bereitzustellen, die sicher und zuverlässig im Betrieb ist.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine ausfallsichere Ventilvorrichtung vorzusehen, die auch im Störfall, beispielsweise bei einem Unfall und einem damit verbundenen Stromausfall in einem Fahrzeug, eine Ausfallsicherung gewährleistet.
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Eine oder mehrere dieser Aufgaben werden durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den davon abhängigen Unteransprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß ist eine Ventilvorrichtung, insbesondere für ein Kühlsystem eines Fahrzeugs, vorgesehen. Diese umfasst ein Gehäuse mit zumindest zwei Fluidanschlüsse, eine Ventileinrichtung, die zumindest zwischen einer ersten Ventilstellung und einer zweiten Ventilstellung verstellbar ist, und einen Antrieb zum Verstellen der Ventileinrichtung zwischen der ersten Ventilstellung und der zweiten Ventilstellung.
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Die Ventilvorrichtung zeichnet sich durch eine ausfallsichere Verstelleinrichtung aus. Diese ist vorgesehen, um die Ventileinrichtung bei einem Störfall in dem die Stromversorgung, insbesondere des Fahrzeuges, unterbrochen ist von der ersten Ventilstellung (z.B. Öffnungsstellung) in die zweite Ventilstellung (z.B. Schließstellung) zu überführen. Somit ist die Ventilvorrichtung ausgebildet, um ein Ventilelement (Verschlusselement, Absperrkörper) von einer Stellung in eine andere Stellung zu überführen.
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Auf diese Weise ist auch bei einem Störfall, bspw. nach einem Unfall, sichergestellt, dass wenn die normale (Bord-) Stromversorgung eines Fahrzeuges, insbesondere eines Elektro- oder eines Hybridfahrzeuges, durch eine oder mehrere Batterien unterbrochen ist, die Ventileinrichtung dennoch geschlossen werden kann. Somit kann unter anderem sicher und zuverlässig verhindert werden, dass bspw. nach einem Unfall Kühlflüssigkeit in ein Batteriegehäuse gepumpt wird, da die Ventileinrichtung der Ventilvorrichtung mittels der Verstelleinrichtung geschlossen werden kann.
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Ein Störfall kann ein Zustand sein, in dem eine Stromversorgung, insbesondere eines Fahrzeuges, unterbrochen ist, und/oder in dem ein ungültiges Signal vorliegt und/oder in dem ein Störsignal vorliegt und/oder in dem ein entsprechendes Schaltsignal zum Verstellen der Ventileinrichtung mittels der Verstelleinrichtung vorliegt.
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Vorzugsweise kann ein Sensor bzw. eine Detektionseinrichtung zum Detektieren des Störfalls vorgesehen sein
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Die ausfallsichere Verstelleinrichtung kann eine ausfallsichere Stromquelle umfassen, um die Ventileinrichtung auszulenken oder zumindest teilweise oder vollständig von der ersten Öffnungsstellung Ventilstellung in Richtung der zweite Ventilstellung zu überführen.
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Die ausfallsichere Stromquelle versorgt den Antrieb vorzugsweise derart mit elektrischer Energie, so dass dieser das Exzentergetriebe aus einer neutralen Getriebestellung, bei welcher die Ventileinrichtung in ihrer ersten Ventilstellung angeordnet ist, um einen vorbestimmten Winkelbereich in eine ausgelenkte Getriebestellung auslenkt.
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Die ausfallsichere Verstelleinrichtung kann eine Federeinrichtung umfassen, um die Ventileinrichtung zumindest teilweise oder vollständig von der ersten Öffnungsstellung Ventilstellung in Richtung der zweite Ventilstellung zu überführen.
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Die ausfallsichere Verstelleinrichtung kann ein Exzentergetriebe umfassen, um die Ventileinrichtung zumindest teilweise oder vollständig von der ersten Öffnungsstellung Ventilstellung in Richtung der zweite Ventilstellung zu überführen.
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Die Verstelleinrichtung oder Schließeinrichtung kann vorzugsweise eine ausfallsichere Stromquelle und/oder ein Exzentergetriebe und/oder eine Federeinrichtung umfassen, wobei das Exzentergetriebe mit der Ventileinrichtung gekoppelt ist, und wobei die Verstell- bzw. Schließeinrichtung derart ausgebildet ist, dass wenn die Ventileinrichtung in der Öffnungsstellung angeordnet ist, die ausfallsichere Stromquelle den Antrieb derart mit Energie versorgt, so dass dieser das Exzentergetriebe aus einer neutralen Getriebestellung, bei welcher die Ventileinrichtung der ersten Ventilstellung (z.B. Öffnungsstellung) angeordnet ist, um einen vorbestimmten Winkelbereich in eine ausgelenkte Getriebestellung auslenkt, wobei die Federeinrichtung mit dem Exzentergetriebe derart gekoppelt ist, dass das Exzentergetriebe in der ausgelenkten Getriebestellung mittels (oder zumindest bereichsweise unterstützt durch) Federkraft der Federeinrichtung derart bewegt wird, dass die Ventileinrichtung in der zweiten Ventilstellung (z.B. Schließstellung) angeordnet ist.
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Die ausfallsichere Verstelleinrichtung kombiniert die Vorteile der Effizienz eines mit Gleichstrom betätigbaren Kugelventils mit der mechanischen Ausfallsicherheit eines Magnetventils. Die Verstelleinrichtung ist ausgebildet, um die Ventileinrichtung bei einem Störfall von der Öffnungsstellung in die Schließstellung zu überführen. Ein Störfall kann beispielsweise vorliegen nachdem ein Kraftfahrzeug einen Unfall hatte und die Ventilvorrichtung nicht mehr mit der sie sonst versorgenden Gleichspannung betrieben werden kann. Ein Störfall kann auch ein einfacher Ausfall der Stromversorgung des Fahrzeugs sein. Die Verstelleinrichtung umfasst daher die ausfallsichere Stromquelle, die Exzenterscheibe mit dem Exzenterpin und die Federeinrichtung. Die Exzenterscheibe ist mit der Ventileinrichtung gekoppelt, so dass, wenn die Ventileinrichtung in der Öffnungsstellung angeordnet ist, die ausfallsichere Stromquelle den Antrieb der Ventilvorrichtung mit Energie versorgt, so dass dieser die Exzenterscheibe und den Exzenterpin aus der Öffnungsstellung um ein vorbestehenden Winkelbereich auslenkt, wobei die Federeinrichtung mit dem Exzenterpin derart gekoppelt ist, dass der Exzenterpin mittels Federkraft derart bewegt wird, dass die Ventileinrichtung in der Schließstellung angeordnet ist.
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Somit ist die ausfallsichere Verstelleinrichtung auch in einem Störfall in der Lage, die Ventileinrichtung der Ventilvorrichtung von der Öffnungsstellung in die Schließstellung zu überführen, auch wenn die sonst zur Verfügung stehende Stromversorgung unterbrochen ist. Durch das Vorsehen der entsprechenden Federeinrichtung, muss die ausfallsichere Stromquelle nur für einen kurzen Moment eine geringe Menge an Strom bzw. an elektrischer Energie zur Verfügung zu stellen, um den Exzenterpin um einen vorbestimmten Winkelbereich auszulenken. Anschließend übernimmt die Federkraft der Federeinrichtung das Überführen der Ventileinrichtung von der ersten Ventilstellung (z.B. Öffnungsstellung) in die zweite Ventilstellung (z.B. Schließstellung).
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Die Menge an elektrischer Energie, die die ausfallsichere Stromquelle bereitstellt hängt von der baulichen Ausgestaltung der Ventilvorrichtung ab. Je größer der Verschlusskörper und je größer die Widerstände (z.B. Reibung) und somit das zum Betätigen des Verschlusskörpers benötigte Drehmoment ist, desto mehr elektrische Energie wird benötigt, um den Exzenterpin auszulenken.
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Die ausfallsichere Stromquelle kann eine Kapazität von in etwa 2500 uF (Mikro-Farad) bis in etwa 7500 uF bzw. von in etwa 3500 uF bis in etwa 6500 uF bzw. von in etwa 4500 uF bis in etwa 5500 uF und vorzugsweise in etwa 5000 uF aufweisen.
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Die zum Überführen eines Absperrkörpers von einer ersten Ventilstellung in eine zweite Ventilstellung im System gespeicherte Energie ist somit vorzugsweise eine Kombination aus der in der Federeinrichtung gespeicherten Federkraft (mechanische Energie) und dem in der ausfallsicheren Stromquelle gespeicherten Strom (elektrische Energie).
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In der gesamten gespeicherten Energie (elektrische und mechanische Energie) sind in etwa zumindest 3% und maximal in etwa 12% bzw. in etwa zumindest 7% und maximal in etwa 10% gespeicherte elektrische Energie enthalten. Ein Anteil an gespeicherter mechanischer Energie beträgt in etwa zumindest 97% und maximal in etwa 88% bzw. in etwa zumindest 93% und maximal in etwa 90%.
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Die Federeinrichtung kann eine Feder aufweisen, die als Zugfeder oder als Druckfeder ausgebildet ist, um die Federkraft vorzuhalten bzw. zu speichern.
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Eine Zugfeder stellt eine lineare geradlinige Zugkraft bereit, die nahezu ausfallsicher und daher bevorzugt ist. Das Vorsehen einer Druckfeder ist ebenfalls möglich. Durch eine geeignete Führungseinrichtung kann ein eventuelles Blockieren Druckfeder verhindert werden.
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Das Exzentergetriebe kann eine Exzenterscheibe und einen Exzenterpin umfassen.
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Der vorbestimmte Winkelbereich kann zumindest 1° oder 2° oder 3° oder 5° oder 7,5° oder 10° und maximal 30° oder 25° oder 20° und vorzugsweise in etwa 15° betragen.
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Um den Exzenterpin um einen solchen vorbestimmten Winkelbereich auszulenken, ist nur eine geringe Menge an Strom notwendig.
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Der Exzenterpin kann mittels des Antriebs beim Verstellen der Ventileinrichtung zwischen der Öffnungsstellung und der Schließstellung entlang einer Kreisbahn bewegt werden, wobei der Exzenterpin und somit die Ventileinrichtung in einer tiefsten Stellung von 180° in der Öffnungsstellung und in einer höchsten Stellung von 360° in der Öffnungsstellung angeordnet ist.
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Die höchste Stellung des Exzenterpins von 360° in der die Ventileinrichtung in der Schließstellung angeordnet ist, ist eine Stellung, in der der Exzenterpin zu der Federeinrichtung den größten Abstand in einer Federrichtung aufweist.
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Die Öffnungsstellung der Ventileinrichtung, in der der Exzenterpin in einer tiefsten Stellung von 180° angeordnet ist, ist die Stellung, in der der Exzenterpin den geringsten Abstand zur Federeinrichtung in Federrichtung aufweist.
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Unter einer Federrichtung wird eine Richtung verstanden, in der die Federeinrichtung den Exzenterpin mit einer Federkraft beaufschlagt.
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Der Exzenterpin kann mit der Federeinrichtung derart gekoppelt sein, dass beim Überführen der Ventileinrichtung von der Schließstellung in die Öffnungsstellung die Federeinrichtung vorgespannt wird.
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Auf diese Weise wird beim Normalbetrieb der Ventilvorrichtung die notwendige mechanische Energie gespeichert, um die Federeinrichtung im Störfall von der Öffnungsstellung in die Schließstellung zu überführen.
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Der Antrieb kann über ein Getriebe, insbesondere über das Exzentergetriebe oder ein weiteres Getriebe, vorzugsweise ein mehrstufiges Zahnradgetriebe, mit der Ventileinrichtung gekoppelt sein, wobei ein Gang dieses Getriebes durch die Exzenterscheibe ausgebildet wird, der als Exzentergang bezeichnet wird.
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Der Exzentergang kann einen Abschnitt aufweisen, der frei von Zähnen ist, sodass eine geringere Federkraft beim Überführen der Ventileinrichtung von der zweiten Ventilstellung in die erste Ventilstellung notwendig ist.
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Die Federeinrichtung kann über ein Betätigungselement mit dem Exzenterpin gekoppelt sein, um diesen zu betätigen.
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Durch das Vorsehen des Betätigungselements kann der Kraftfluss der vorgespannten Federelemente der Federeinrichtung optimal in Federrichtung auf den Exzenterpin übertragen werden.
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Das Betätigungselement kann in einer Linearführung linear verschiebbar gelagert sein.
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Auf diese Weise ist eine effiziente Kraftübertragung von der Federkraft der Federeinrichtung auf den Exzenterpin möglich.
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Als Antrieb kann vorzugsweise ein Elektromotor vorgesehen sein, der die Ventileinrichtung vorzugsweise indirekt über das Getriebe, antreibt. In besonders kostengünstiger Weise ist der Elektromotor beispielsweise einen Gleichstrommotor.
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Die ausfallsichere Stromquelle kann eine Batterie, ein Akkumulator oder vorzugsweise ein Kondensator sein.
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Durch die ausfallsichere Stromquelle steht im Störfall ausreichend Strom zur Verfügung, um den Exzenterpin in einem vorbestimmten Winkelbereich auszulenken.
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Die Ventileinrichtung kann ein Kugelventilelement sein, wobei eine Kugel mit Durchlasskanal einen Absperrkörper des Kugelventilelements ausbildet.
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Weiterhin kann ein Sensor und vorzugsweise können mehrere Sensoren, insbesondere Hall-Sensoren, vorgesehen sein, um eine Ventilstellung der Ventileinrichtung zu detektieren, und wobei zumindest ein weiterer Sensor zum Detektieren eines Störfalles vorgesehen sein kann, und wobei eine Steuereinrichtung zum Ansteuern der Ventilvorrichtung und der Verstelleinrichtung vorgesehen sein kann, die die Bauteile der Ventilvorrichtung anhand der von den Sensoren erfassten Daten ansteuert.
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Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel kann die Verstelleinrichtung eine ausfallsichere Stromquelle umfassen, deren Menge an elektrischer Energie alleine ausreicht, um die Ventileinrichtung der Ventilvorrichtung von der Öffnungsstellung in die Schließstellung zu überführen.
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Mit der erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung wird zum ersten Mal die Effizienz hinsichtlich des Strombedarfs eines strombetriebenen Ventils, insbesondere eines Kugelventils, und die mechanische Ausfallsicherheit eines Magnetventils kombiniert.
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Weiterhin ist erfindungsgemäß ein ausfallsicheres bzw. redundantes Verfahren zum Schlie-ßen bzw. Absperren der Ventilvorrichtung vorgesehen. Dieses Verfahren kann von den vorstehend erläuterten Sensoren in Verbindung mit der Steuereinrichtung ausgeführt werden.
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Bei der erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung ist vorgesehen, dass wenn die Versorgungsspannung nicht mehr zur Verfügung steht und die Ventileinrichtung in einer ersten Stellung, bspw. der Öffnungsstellung (oder der Schließstellung) angeordnet ist, ein Ausfallhilfemodus aktiviert wird und die Verstelleinrichtung eingreift.
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Dabei ist vorgesehen, dass die ausfallsichere Stromquelle dem Motor Strom zur Verfügung stellt, wodurch eine Antriebswelle des Motors vorzugsweise entgegen dem Uhrzeigersinn bewegt wird.
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Bei der Ventilvorrichtung befindet sich der Exzenterpin in einer untersten Betriebsstellung in der Öffnungsstellung. Durch die Drehbewegung der Antriebswelle des Motors bewegt sich die Exzenterscheibe entgegen dem Uhrzeigersinn.
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Nach einer Drehbewegung um einen vorbestimmten Winkelbereich, vorzugsweise von 15° werden der Exzentergang und der zweite Gang voneinander getrennt. Mittels der Federkraft der Federeinrichtung wird die Exzenterscheibe und die damit verbundene Ventileinrichtung mit der Federkraft der Federeinrichtung beaufschlagt und vorzugsweise um in etwa 303 Grad bewegt. Die Verbindung zwischen den Fluidanschlüssen wird dabei getrennt, so dass die zweite Ventilstellung, bspw. die Schließstellung (oder die Öffnungsstellung) vorliegt.
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Wenn wieder Versorgungsspannung, beispielsweise in einem Fahrzeug, zur Verfügung steht, wird mittels entsprechender Sensoren, beispielsweise mittels Hallsensoren, detektiert, dass kein Ausfallsicherungssignal mehr vorliegt, da die Ventileinrichtung entweder in der normalen Öffnungsstellung oder in der normalen Schließstellung angeordnet ist.
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Der Motor wird dann derart angesteuert, dass er sich langsam, vorzugsweise im Uhrzeigersinn, dreht, um sicherzustellen, dass die Gänge des zweiten Ganges und des Exzenterganges nicht festsitzen.
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Die verbleibende Federkraft von den immer noch nicht voll expandierten Federn der Federeinrichtung stellen sicher, dass der Exzentergang und der zweite Gang wieder in Eingriff miteinander gelangen. Anschließend bewegt sich der Exzentergang im Uhrzeigersinn bis die oberste Stellung des Exzenterpins detektiert ist.
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Das Ventil befindet sich dann wieder im normalen Betriebsmodus.
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Die Normalstellung der Ventileinrichtung ist die geschlossene Stellung. Der Exzenterpin auf dem Exzentergang befindet sich in der obersten Stellung.
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Sobald die Ventilvorrichtung das Signal erhält von der Schließstellung in die Öffnungsstellung umzuschalten, dreht sich die Antriebswelle des Motors vorzugsweise entgegen dem Uhrzeigersinn. Der Exzentergang bewegt sich dann im Uhrzeigersinn.
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Mit Hilfe eines Magneten und eines entsprechenden Hallsensors kann die unterste Stellung des Exzenterpins detektiert werden und die Drehbewegung wird gestoppt. Während dieser Bewegung drückt der Exzenterpin das Betätigungselement und die damit verbundene die Federeinrichtung entgegen der Federrichtung nach unten und spannt die Feder/-n der Federeinrichtung vor.
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Die Ventilvorrichtung befindet sich nun in der geöffneten Stellung. Wenn die Ventilvorrichtung das Signal erhält, das Ventilelement in der Schließstellung anzuordnen, dreht sich die Antriebswelle des Motors vorzugsweise im Uhrzeigersinn. Der Exzentergang dreht sich dann entgegen dem Uhrzeigersinn.
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Mit einem weiteren Hallsensor kann die oberste Stellung des Exzenterpins detektiert werden.
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Die Ventilvorrichtung ist wieder in der normalen Schließstellung.
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Die Ventilvorrichtung kann bspw. zwischen einer eine Verbindung zwischen den Fluidanschlüssen, insbesondere zwischen den Kühlflüssigkeitsanschlüssen freigebenden Öffnungsstellung und einer die Verbindung zwischen den Fluidanschlüssen trennenden Schließstellung verstellbar ist. Die erste oder die zweite Ventilstellung können somit eine geöffnete oder eine geschlossene Ventilstellung sein, je nach Bedarf und Verwendung der ausfallsicheren Ventileinrichtung.
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Unter einer Ventilvorrichtung kann Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Bauteil zur Absperrung oder Steuerung des Durchflusses von Fluiden (Flüssigkeiten oder Gasen) wie z.B. ein Eckventil, ein Durchgangsventil, ein Wegeventil sein, die als (Elektro-)Motorisch betätigte Ventile mit oder ohne Ventilantrieb ausgebildet sind.
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Die Ventileinrichtung kann somit ein Fluid beim Durchströmen in beide Richtungen behindert werden (Stromventile), oder abhängig von der Strömungsrichtung (Rückschlagventile), es kann abhängig vom Druck behindert werden (Druckventile), oder das Durchströmen kann gleichzeitig auf mehreren Leitungen gesteuert werden. (Wegeventile, 3/2 oder höher).
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Die Ventilvorrichtung kann ein Sperrventile bzw. Stromventil, wie z.B. ein Drosselventil, ein Verzögerungsventil, ein Wechselventil (ODER-Element), ein Zweidruckventil (UND-Element), ein Schnellschlussventil, ein Durchgangsventil, ein Stromschaltventil ein 2/2-Wege-Ventil oder ein Rückschlagventil (Drosselrückschlagventil, Schnellentlüftungsventil, KFR-Ventil) oder ein Druckventil (Druckbegrenzungsventil und Zuschaltventil, Druckwaage (Differenzdruckventil), Druckminderventil, Druckregelventil) oder ein Wegeventil (Dreiwegeventile, Vierwegeventile oder Wegeventile höherer Ordnung)
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Als Verschlussarten sind Sitzventile und Schieberventile zu unterscheiden der Dichtkörper bewegt sich entweder in Flussachse oder senkrecht dazu, also auf die Dichtfläche zu (Sitz) oder an ihr entlang (Schieber). Die Ventilvorrichtung kann als Tellerventil (Sitzventil), Rohrventil oder Doppelsitzventil (Sitzventil), Kolbenventil (Schieberventil), Rollmembranventil, Quetschventil, Nadelventile (Sitzventil) und vorzugsweise als Kugelventil (wahlweise Sitz- oder Schieberventil) ausgebildet sein.
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Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben. Diese zeigen in:
- 1 eine erfindungsgemäße Ventilvorrichtung mit geöffnetem Gehäuse in einer perspektivischen Darstellung in einer Schließstellung, in der ein Exzenterpin in einer 0 Grad- bzw. 360 Grad-Stellung angeordnet ist,
- 2 eine weitere geöffnete Darstellung der Ventilvorrichtung in der Schließstellung,
- 3 eine Seitenansicht der Ventilvorrichtung mit geöffnetem Gehäuse, in der der Exzenterpin in einer 90 Grad-Stellung angeordnet ist,
- 4 eine weitere Seitenansicht der Ventilvorrichtung mit geöffnetem Gehäuse, in der der Exzenterpin in einer 180 Grad-Stellung angeordnet ist und die Ventileinrichtung sich in der Öffnungsstellung befindet,
- 5 eine weitere Seitenansicht der Ventilvorrichtung mit geöffnetem Gehäuse, in der der Exzenterpin aus der Schließstellung um 15 Grad ausgelenkt wurde, da ein Ausfallsicherheitssignal detektiert wurde, in der der Exzenterpin nun in einer 195 Grad-Stellung angeordnet ist,
- 6 eine Seitenansicht der Ventilvorrichtung mit geöffnetem Gehäuse, in der die Ventileinrichtung durch die Verstelleinrichtung fast geschlossen ist und in der der Exzenterpin in einer 303 Grad-Stellung angeordnet ist,
- 7 eine Explosionsdarstellung der erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung, und
- 8 bis 16 weitere Darstellungen der erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung in verschiedenen Betriebszuständen,
- 17 eine perspektivische Darstellung einer Ventilvorrichtung mit Umschaltfunktion, und
- 18 eine Seitenansicht der Ventilvorrichtung aus 17.
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Im Folgenden wird eine erfindungsgemäße Ventilvorrichtung 1 für ein Kühlsystem anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben (1 bis 16).
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Die Ventilvorrichtung 1 umfasst ein Gehäuse 2 mit zumindest zwei Fluidanschlüssen 3, 4 die im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Kühlflüssigkeitsanschlüsse ausgebildet sind.
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Im Gehäuse 1 ist eine Ventileinrichtung 5 angeordnet. Die Ventileinrichtung 5 ist ein Kugelventilelement, wobei eine Kugel 6 mit Durchlasskanal 7 einen Absperrkörper des Kugelventilelements ausbildet.
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Die Kugel 6 bzw. der Absperrkörper mit Durchlasskanal 7 ist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zwischen einer eine Verbindung zwischen den Fluidanschlüssen 3, 4 freigebenden Öffnungsstellung 8, die eine erste Ventilstellung darstellt, und einer die Verbindung zwischen den Fluidanschlüssen trennenden Schließstellung 9, die eine zweite Ventilstellung darstellt, verstellbar.
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Weiterhin ist ein Antrieb 10 zum Verstellen der Ventileinrichtung 5 zwischen der Öffnungsstellung 8 und der Schließstellung 9 vorgesehen. Der Antrieb 10 ist als Elektromotor ausgebildet.
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Der Antrieb ist mit einer ausfallsichere Stromquelle (nicht dargestellt) verbunden und kann eine Batterie, ein Akkumulator oder vorzugsweise ein Kondensator sein. Durch die ausfallsichere Stromquelle steht im Störfall ausreichend Strom zur Verfügung, um den Exzenterpin in einem vorbestimmten Winkelbereich auszulenken.
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Eine Antriebswelle 11 des Antriebs 10 ist mit einem Antriebszahnrad 12 verbunden. Das Antriebszahnrad 12 ist über eine erste Zahnradeinrichtung 13 mit zwei Zahnrändern 14, 15 und eine zweite Zahnradeinrichtung 16 mit zwei Zahnrädern 17, 18 mit einer eine Verzahnung 19 aufweisenden Exzenterscheibe 20 verbunden. Diese Verzahnungen bilden ein Exzentergetriebe 35 aus.
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Die Exzenterscheibe 20 weist zudem einen zahnfreien Abschnitt 33 auf, sodass eine geringere Federkraft beim Überführen der Ventileinrichtung von der Schließstellung 9 in die Öffnungsstellung 8 notwendig ist.
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Die Verzahnung 19 der Exzenterscheibe 20 erstreckt sich in etwa über einen Winkelbereich der Exzenterscheibe 20 von in etwa 180° bis 270°. Der übrige Winkelbereich bildet den zahnfreien Abschnitt 33 aus.
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Die Exzenterscheibe 20 wird im Folgenden auch als Exzentergang bezeichnet. Die Verzahnung 19 der Exzenterscheibe 20 ist mit dem Zahnrad 18 der zweiten Zahnradeinrichtung 16 gekoppelt.
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Weiterhin ist die Exzenterscheibe 20 über eine Ventilwelle 21 und eine entsprechende Sicherungs- und Lagerungseinrichtung 22 mit der Kugel 6 der Ventileinrichtung 5 verbunden.
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An einer der Kugeleinrichtung 5 abgewandten Seite der Exzenterscheibe 20 ist ein Exzenterpin 23 angeformt. Der Exzenterpin 23 ist als ein Stab mit rundem Querschnitt ausgebildet, der sich von einer Stirnwandung der Exzenterscheibe 20 orthogonal nach außen erstreckt.
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Die Exzenterscheibe 20 und der Exzenterpin 23 sind Bestandteil einer ausfallsicheren Verstelleinrichtung 24, im vorliegenden Ausführungsbeispiel einer Schließeinrichtung 24.
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Zudem umfasst die Verstelleinrichtung 24 eine Federeinrichtung 25.
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Die Federeinrichtung 25 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei Federn 26 auf. Die Federn erstrecken sich in etwa parallel zur Stirnfläche der Exzenterscheibe 20 in einer Federrichtung 32.
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Die Federeinrichtung 25 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch zwei Druckfedern ausgebildet. Alternativ könne auch eine oder mehrere Zugfedern vorgesehen sein, um die Federeinrichtung auszubilden.
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Weiterhin sind die Federn 26 auf entsprechenden Stiften 27 einer Federaufnahme 28 angeordnet. Die Federaufnahme 28 weist zudem eine Linearführung 29 auf. Die Linearführung 29 umfasst zwei sich in etwa parallel zur Stirnwandung der Exzenterscheibe 20 erstreckende Führungsschienen 30 auf.
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Die Führungsschienen 30 sind ausgebildet, um ein Betätigungselement 31 in und entgegen einer Federrichtung 32 zu Führen.
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Auf den Stiften 27 der Federaufnahme 28 der Federeinrichtung 25 sind die Federn 26 angeordnet und mit dem in den Führungsschienen 30 linear geführten Betätigungselement 31 gekoppelt.
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Weiterhin sind ein Sensor und vorzugsweise mehrere Sensoren (nicht dargestellt), insbesondere Hall-Sensoren, vorgesehen, um eine Ventilstellung der Ventileinrichtung zu detektieren.
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Weiterhin ist zumindest ein weiterer Sensor bzw. eine Detektionseinrichtung (nicht dargestellt) zum Detektieren eines Störfalles vorgesehen.
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Zudem ist eine Steuereinrichtung (nicht dargestellt) zum Ansteuern der Ventilvorrichtung und der Verstelleinrichtung vorgesehen, die die Bauteile der Ventilvorrichtung anhand der von den Sensoren erfassten Daten ansteuert.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist eine Ventilvorrichtung 1 mit Umschaltfunktion vorgesehen (17 und 18). Diese Ventilvorrichtung weist dieselben technischen Merkmale auf, wie die vorstehend beschriebene Ventilvorrichtung.
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Die Ventilvorrichtung 1 mit Umschaltfunktion weist drei Fluidanschlüsse 3, 4 und dient dazu aufzuzeigen, dass die ausfallsichere Verstelleinrichtung für einen Vielzahl von den eingangs beschriebenen Arten von Ventilen geeignet ist.
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Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel (nicht dargestellt) umfasst die Verstelleinrichtung eine ausfallsichere Stromquelle, deren Menge an elektrischer Energie alleine ausreicht, um die Ventileinrichtung der Ventilvorrichtung von der Öffnungsstellung in die Schließstellung zu überführen.
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Weiterhin ist erfindungsgemäß ein ausfallsicheres bzw. redundantes Verfahren zum Schließen bzw. Absperren der Ventilvorrichtung 1 vorgesehen. Dieses Verfahren wird von den vorstehend erläuterten Sensoren in Verbindung mit der Steuereinrichtung ausgeführt, die den Antrieb 10 und somit die Verstelleinrichtung 24 ansteuern.
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Bei der erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung 1 ist vorgesehen, dass wenn eine Versorgungsspannung nicht mehr zur Verfügung steht und die Ventileinrichtung 1 bspw. in der Öffnungsstellung 8 (erste Stellung) angeordnet ist, ein Ausfallhilfemodus aktiviert wird und die Verstelleinrichtung eingreift.
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Dabei ist vorgesehen, dass die ausfallsichere Stromquelle dem Antrieb 10 bzw. dem Elektromotor Strom zur Verfügung stellt, wodurch eine Antriebswelle 11 des Motors 10 vorzugsweise entgegen dem Uhrzeigersinn bewegt wird. Die Drehrichtung kann je nach baulicher Ausgestaltung der Ventilvorrichtung jedoch frei gewählt werden.
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Bei der Ventilvorrichtung 1 befindet sich der Exzenterpin 23 in einer untersten Betriebsstellung in der ersten Stellung, bspw. der Öffnungsstellung 8. Durch die Drehbewegung der Antriebswelle 11 des Motors 10 und der entsprechenden Getriebestufen des Exzentergetriebes 35 bewegt sich die Exzenterscheibe 20 entgegen dem Uhrzeigersinn.
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Nach einer Drehbewegung um einen vorbestimmten Winkelbereich von in etwa 15° werden der Exzentergang und der zweite Gang voneinander getrennt. Mittels der Federkraft der Federeinrichtung 25 werden die Exzenterscheibe 20 und die damit verbundene Ventileinrichtung 5 mit der Federkraft der Federeinrichtung 25 beaufschlagt und um in etwa 303 Grad bewegt. Die Verbindung zwischen den Fluidanschlüssen 3, 4 wird dabei getrennt, so dass die zweite Ventilstellung, bspw. eine Schließstellung, vorliegt.
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Wenn wieder Versorgungsspannung, beispielsweise in einem Fahrzeug, zur Verfügung steht, wird mittels zumindest eines Hallsensors, detektiert, dass kein Ausfallsicherungssignal mehr vorliegt, da die Ventileinrichtung 5 entweder in der ersten Ventilstellung, bspw. einer normalen Öffnungsstellung, oder in der zweiten Ventilstellung, bspw. einer normalen Schließstellung angeordnet ist.
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Der Motor 10 wird dann derart angesteuert, dass er sich langsam, vorzugsweise im Uhrzeigersinn, dreht, um sicherzustellen, dass die Gänge des zweiten Ganges und des Exzenterganges nicht festsitzen.
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Die verbleibende Federkraft von den immer noch nicht voll expandierten Federn der Federeinrichtung 25 stellen sicher, dass der Exzentergang und der zweite Gang wieder in Eingriff miteinander gelangen. Anschließend bewegt sich der Exzentergang im Uhrzeigersinn bis die oberste Stellung des Exzenterpins detektiert ist.
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Das Ventil befindet sich dann wieder im normalen Betriebsmodus.
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Die Normalstellung der Ventileinrichtung 1 ist bspw. die geschlossene Stellung. Der Exzenterpin 23 auf dem Exzentergang befindet sich in der obersten Stellung. Alternativ kann je nach Verwendung der Ventilvorrichtung 1 auch vorgesehen sein, dass die Normalstellung der Ventileinrichtung 1 bspw. die geöffnete Stellung ist. Der Exzenterpin 23 auf dem Exzentergang befindet sich dann trotzdem in der obersten Stellung, um eine Ausfallsicherheit zu gewährleisten.
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Sobald die Ventilvorrichtung das Signal erhält von der Schließstellung in die Öffnungsstellung (oder umgekehrt) bzw. von der ersten Stellung in die zweite Stellung umzuschalten, dreht sich die Antriebswelle 11 des Motors 10 entgegen dem Uhrzeigersinn. Der Exzentergang bewegt sich dementsprechend dann im Uhrzeigersinn.
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Mit Hilfe eines Magneten und eines entsprechenden Hallsensors kann die unterste Stellung des Exzenterpins 23 detektiert werden und die Drehbewegung wird gestoppt. Während dieser Bewegung drückt der Exzenterpin 23 das Betätigungselement 31 und die damit verbundene die Federeinrichtung 25 entgegen der Federrichtung nach unten und spannt die Feder/- n der Federeinrichtung vor.
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Die Ventilvorrichtung 1 befindet sich nun in der geöffneten Stellung. Wenn die Ventilvorrichtung das Signal erhält, das Ventilelement in der Schließstellung anzuordnen, dreht sich die Antriebswelle des Motors vorzugsweise im Uhrzeigersinn. Der Exzentergang dreht sich dann entgegen dem Uhrzeigersinn.
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Mit einem weiteren Hallsensor kann die oberste Stellung des Exzenterpins detektiert werden.
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Die Ventilvorrichtung ist wieder in der normalen Schließstellung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ventilvorrichtung
- 2
- Gehäuse
- 3
- Fluidanschluss
- 4
- Fluidanschluss
- 5
- Ventileinrichtung
- 6
- Kugel
- 7
- Durchlasskanal
- 8
- Öffnungsstellung
- 9
- Schließstellung
- 10
- Antrieb
- 11
- Antriebswelle
- 12
- Antriebszahnrad
- 13
- Erste Zahnradeinrichtung
- 14
- Zahnrad
- 15
- Zahnrad
- 16
- Zweite Zahnradeinrichtung
- 17
- Zahnrad
- 18
- Zahnrad
- 19
- Verzahnung
- 20
- Exzenterscheibe
- 21
- Ventilwelle
- 22
- Sicherungs- und Lagerungseinrichtung
- 23
- Exzenterpin
- 24
- Verstelleinrichtung
- 25
- Federeinrichtung
- 26
- Feder
- 27
- Stift
- 28
- Federaufnahme
- 29
- Linearführung
- 30
- Führungsschiene
- 31
- Betätigungselement
- 32
- Federrichtung
- 33
- zahnfreier Abschnitt
- 34
- Fluidanschluss
- 35
- Exzentergetriebe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017107688 A1 [0002]
