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Die Erfindung betrifft eine Mehrwegeventileinrichtung mit einem Eingang, welchem ein Fluid zuführbar ist, einem ersten Ausgang und einem zweiten Ausgang, wobei ein erster Strömungspfad vom Eingang zum ersten Ausgang und ein zweiter Strömungspfad vom Eingang zum zweiten Ausgang bereitgestellt ist. Weiterhin umfasst die Mehrwegeventileinrichtung eine erste Verschlusseinrichtung zum Verschließen des ersten Ausgangs, wobei die erste Verschlusseinrichtung eine Offenstellung aufweist, in welcher der erste Strömungspfad freigegeben ist, und eine Schließstellung aufweist, in welcher der erste Strömungspfad gesperrt ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch einen Kühlmittelkreislauf und ein Verfahren zum Steuern einer Mehrwegeventileinrichtung.
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Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche verschiedene Ventileinrichtungen bekannt. Beispiele hierfür sind in der
DE 199 30 868 B4 ,
EP 2 092 222 B1 und der
US 4,930,455 A beschrieben. Im vorliegenden Fall geht es um eine Mehrwegeventileinrichtung, durch welche mehrere Strömungspfade bereitgestellt werden. Ein dem Eingang der Mehrwegeventileinrichtung zugeführtes Fluid kann somit über den ersten Strömungspfad zum ersten Ausgang gelangen und über den zweiten Strömungspfad zum zweiten Ausgang gelangen. Durch Verschlusseinrichtungen lässt sich beispielsweise steuern, wie der Fluidstrom aufgeteilt werden soll oder aus welchem der zumindest zwei Ausgänge er austreten soll. Als eine solche Verschlusseinrichtung kommt oftmals ein Magnetventil zum Einsatz, um die jeweiligen Kühlmittelströme zu schalten. Solche Magnetventile benötigen eine elektrische Ansteuerung und eine entsprechende Logik und verbrauchen Strom. Wünschenswert wäre es entsprechend, eine Mehrwegeventileinrichtung bereitstellen zu können, die effizienter ausgestaltet und gesteuert werden kann.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Mehrwegeventileinrichtung, einen Kühlmittelkreislauf und ein Verfahren bereitzustellen, die eine möglichst einfache, kostengünstige und effiziente Ansteuerung einer Mehrwegeventileinrichtung ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Mehrwegeventileinrichtung, durch einen Kühlmittelkreislauf und ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
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Eine erfindungsgemäße Mehrwegeventileinrichtung weist einen Eingang auf, welchem ein Fluid zuführbar ist, einen ersten Ausgang und einen zweiten Ausgang, wobei ein erster Strömungspfad vom Eingang zum ersten Ausgang und ein zweiter Strömungspfad vom Eingang zum zweiten Ausgang bereitgestellt ist. Weiterhin umfasst die Mehrwegeventileinrichtung eine erste Verschlusseinrichtung zum Verschließen des ersten Ausgangs, wobei die erste Verschlusseinrichtung eine Offenstellung aufweist, in welcher der erste Strömungspfad freigegeben ist, und eine Schließstellung aufweist, in welcher der erste Strömungspfad gesperrt ist. Darüber hinaus ist die erste Verschlusseinrichtung als eine Klappeneinrichtung ausgebildet, die in Abhängigkeit von einem Volumenstrom eines entlang des ersten Strömungspfads strömenden Fluids von der Offenstellung in die Schließstellung bewegbar ist.
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Damit steuert der Volumenstrom die Stellung der Klappeneinrichtung. Somit kann vorteilhafterweise die Ansteuerung der Klappeneinrichtung allein durch Einstellung eines bestimmten Volumenstroms des entlang des ersten Strömungspfads strömenden Fluids bewerkstelligt werden. Die erste Verschlusseinrichtung ist somit als hydrodynamisch schaltendes Ventil bereitgestellt. Dies erfordert vorteilhafterweise keine separate Ansteuerung und verbraucht folglich auch keinen Strom. Die erste Verschlusseinrichtung kann also so ausgestaltet sein, dass durch einen Fluidstrom bestimmter Mindeststromstärke, das heißt wenn dieser einen vorbestimmt hohen Volumenstrom aufweist, eine entsprechend hohe Kraft auf die Klappeneinrichtung erzeugbar ist, durch welche die Klappeneinrichtung von der Offenstellung in die Schließstellung bewegbar ist. Die Kraft zum Bewegen der Klappeneinrichtung von der Offenstellung in die Schließstellung wird also allein durch den Fluidstrom hervorgerufen. Hat sich die Klappeneinrichtung letztendlich in die Schließstellung bewegt, so ist der Durchgang entlang des ersten Strömungspfads gesperrt. Durch den weiterhin vorhandenen Fluiddruck kann die Klappeneinrichtung sicher in ihrer Schließposition gehalten werden. Weiterhin beruht die Erfindung auf der Erkenntnis, dass sich eine solche Mehrwegeventileinrichtung, die sich über den zum Beispiel mittels einer Fluidpumpe steuerbaren Volumenstrom steuern lässt, besonders gut für einen Kühlmittelkreislauf in einem Kraftfahrzeug, insbesondere einem Elektro- oder Hybridfahrzeug mit einer zu kühlenden Batterie, insbesondere einer Hochvoltbatterie, eignet. Eine solche Batterie muss nicht immer gekühlt werden, sondern lediglich situationsabhängig. Wenn eine solche Batterie gekühlt werden muss, hat diese jedoch einen sehr hohen Kühlbedarf. Diese kann beispielsweise in einem Kühlmittelpfad angeordnet sein beziehungsweise mit diesem gekoppelt sein, welcher dem zweiten Strömungspfad zugeordnet ist. Andere zu kühlende Komponenten, die beispielsweise eine deutlich geringere Kühlanforderung haben, dafür aber einen permanenten Kühlbedarf, können stattdessen in einem Kühlmittelpfad angeordnet sein, welcher dem ersten Strömungspfad zugeordnet ist. Ist die Mehrwegeventileinrichtung so geschaltet, dass sich die erste Verschlusseinrichtung in der Offenstellung befindet, was beispielsweise für geringe Volumenströme der Fall ist, so kann die Komponente mit dem geringen, aber permanenten, Kühlbedarf über den ersten Kühlmittelpfad gekühlt werden. Durch Erhöhen des Volumenstroms kann die Klappeneinrichtung in die Schließstellung bewegt werden, wodurch der Fluidstrom nur noch entlang des zweiten Strömungspfads geführt werden kann und so der Batterie zugeführt werden kann. Dieser erhöhte Volumenstrom, der erforderlich ist, um die erste Verschlusseinrichtung in ihre Schließstellung zu bewegen, ist gleichzeitig besonders vorteilhaft, um die Batterie mit ihrem hohen Kühlbedarf zu kühlen. Damit sind die erfindungsgemäße Mehrwegeventileinrichtung und ihre Ausgestaltungen ideal zum Einsatz in einem solchen Kühlmittelkreislauf, da sie gerade synergetisch mit den Kühlanforderungen der Batterie und anderer zu kühlender Komponenten zusammenwirkt. Der Volumenstrom kann somit einfach durch eine Pumpe in Abhängigkeit vom Kühlbedarf der ersten und zweiten zu kühlenden Komponente eingestellt werden und bewirkt gleichzeitig das entsprechende Stellen der Klappeneinrichtung.
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Die Mehrwegeventileinrichtung kann insbesondere als eine sogenannte Verteilventileinrichtung ausgestaltet sein. Ein solches Verteilventil ist typischerweise ein Dreiwegeventil mit einem Eingang und zwei Ausgängen. Der einfließende Fluidstrom kann auf die beiden Ausgänge verteilt oder nur jeweils einem Ausgang zugeführt werden. Auch bei der vorliegenden Mehrwegeventileinrichtung ist es bevorzugt, dass ein dem Eingang zugeführtes Fluid entweder nur aus dem ersten Ausgang austreten kann oder nur aus dem zweiten Ausgang. Der jeweils andere Ausgang kann währenddessen durch eine korrespondierende Verschlusseinrichtung verschlossen sein beziehungsweise der korrespondierende Strömungspfad gesperrt sein. Dass mittels der ersten Verschlusseinrichtung der erste Ausgang verschließbar ist, insbesondere indem der erste Strömungspfad gesperrt ist, wenn sich die erste Verschlusseinrichtung in ihrer Schließstellung befindet, kann dabei einerseits so verstanden werden, dass eine solche Verschlusseinrichtung direkt am ersten Ausgang angeordnet sein kann und somit in ihrer geschlossenen Stellung, das heißt in ihrer Schließstellung, ein Inneres der Mehrwegeventileinrichtung von einer Umgebung der Mehrwegeventileinrichtung separiert, andererseits aber auch so, dass ein entsprechender Verschluss grundsätzlich an jeder beliebigen Stelle entlang des ersten Strömungspfads vom Eingang bis zum ersten Ausgang bereitgestellt werden kann, insbesondere nicht notwendigerweise direkt am ersten Ausgang. Allerdings soll ein Fluidstrom vom Eingang zum zweiten Ausgang auch bei geschlossener Klappeneinrichtung möglich sein.
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Der erste Strömungspfad und der zweite Strömungspfad können sich teilweise überlappen beziehungsweise einen gemeinsamen Teilpfad aufweisen. Insbesondere schließt sich ein solcher Teilpfad in der bestimmungsgemäßen Strömungsrichtung betrachtet unmittelbar an den Eingang an. Erst nach diesem gemeinsamen Teilpfad verzweigen sich die Strömungspfade in den ersten und zweiten Strömungspfad beziehungsweise in voneinander separierte Teile des ersten und zweiten Strömungspfads. Entsprechend ist es vorteilhaft, wenn die erste Verschlusseinrichtung beispielsweise in Strömungsrichtung am Ende des gemeinsamen Teilpfads angeordnet ist, um die Strömung im zweiten Strömungspfad nicht zu beeinträchtigen.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass die erste Verschlusseinrichtung ausschließlich in den beiden definierten Stellungen, nämlich der Offenstellung und der Schließstellung, betrieben wird. Mit anderen Worten ist der erste Strömungspfad entweder freigegeben oder gesperrt. Eine Regelung oder Steuerung des Volumenstroms durch eine Art Zwischenstellung der ersten Verschlusseinrichtung ist nicht vorgesehen. Vielmehr soll durch die vorliegende Mehrwegeventileinrichtung auch nicht der Volumenstrom durch die erste Verschlusseinrichtung gesteuert werden, sondern genau umgekehrt, die Stellung der ersten Verschlusseinrichtung wird durch den Volumenstrom gesteuert, sodass sich die erste Verschlusseinrichtung als Slave zum Volumenstrom verhält.
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Der Volumenstrom, der manchmal auch Durchflussrate oder Durchflussmenge genannt wird, gibt an, wie viel Volumen des Fluids pro Zeitspanne durch einen festgelegten Querschnitt transportiert wird. Als Einheit des Volumenstroms ist Kubikmeter pro Sekunde gebräuchlich. Der Volumenstrom kann damit durch eine Fluidpumpe als Beispiel für eine Pumpeneinrichtung gesteuert werden, die das Fluid durch den Kühlmittelkreislauf pumpt, in welchem die Mehrwegeventileinrichtung Anwendung findet.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Mehrwegeventileinrichtung eine zweite Verschlusseinrichtung zum Verschließen des zweiten Ausgangs auf, wobei die zweite Verschlusseinrichtung eine Offenstellung aufweist, in welcher ein zweiter Strömungspfad vom Eingang zum zweiten Ausgang freigegeben ist, und eine Schließstellung aufweist, in welcher der zweite Strömungspfad vom Eingang zum zweiten Ausgang gesperrt ist, insbesondere in welcher der zweite Ausgang versperrt ist. Die zweite Verschlusseinrichtung kann beispielsweise direkt am zweiten Ausgang angeordnet sein. Beispielsweise kann die zweite Verschlusseinrichtung als federbelasteter Abgang, zum Beispiel mit einem Rückschlagventil, ausgebildet sein. Ist der zweite Strömungspfad gesperrt, so soll dennoch ein Durchfluss über den ersten Strömungspfad möglich sein. Besonders vorteilhaft ist es, wenn also auch die zweite Verschlusseinrichtung abhängig vom Volumenstrom steuerbar ist und somit ohne jegliche eigene Ansteuerung auskommt. Ist also beispielsweise der Pumpendruck sehr niedrig, so befindet sich die erste Verschlusseinrichtung in ihrer Offenstellung und das Fluid kann mit einem geringen Volumenstrom vom Eingang zum ersten Ausgang strömen, während die zweite Verschlusseinrichtung sich in ihrer Schließstellung befindet, da der Fluiddruck nicht ausreichend ist, um die zweite Verschlusseinrichtung zu öffnen. Wird dann der Volumenstrom auf einen deutlich höheren Wert erhöht, so wird dadurch automatisch das Schließen der ersten Verschlusseinrichtung bewirkt. Die daraus resultierende Umlenkung des Fluidstroms zum zweiten Ausgang führt zu einem Druckanstieg am zweiten Ausgang, der das Öffnen der zweiten Verschlusseinrichtung bewirkt.
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Dadurch, dass die zweite Verschlusseinrichtung geschlossen ist, solange sich die erste Verschlusseinrichtung in der Offenstellung befindet, kann erreicht werden, dass auf sehr effiziente Weise ein Schließen der ersten Verschlusseinrichtung bei Erhöhen des Volumenstroms erreicht werden kann, da die durch diesen Volumenstrom erzeugte Kraft auf die erste Verschlusseinrichtung nicht dadurch reduziert ist, dass ein Teil des dem Eingang zugeführten Fluids über den zweiten Ausgang zeitlich parallel abgeführt wird.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist also die zweite Verschlusseinrichtung so ausgestaltet, dass diese, wenn sich die erste Verschlusseinrichtung in der Schließstellung befindet und ein Fluid in den Eingang strömt, bedingt durch den Fluiddruck automatisch öffnet. Auch hierdurch lässt es sich vorteilhafterweise bewerkstelligen, dass keine Ansteuereinrichtung vorgesehen werden muss, um die zweite Verschlusseinrichtung anzusteuern. Auch hier kann das Schließen und Öffnen der zweiten Verschlusseinrichtung rein über den Volumenstrom, der dem Eingang zugeführt wird, gesteuert werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Klappeneinrichtung so ausgestaltet, dass, wenn sich die Klappeneinrichtung in der Offenstellung befindet und die Mehrwegeventileinrichtung entlang des ersten Strömungspfads von einem Fluid mit einem Volumenstrom eines ersten Volumenstromwerts in einem ersten vorgebbaren Wertebereich durchströmt wird, die Klappeneinrichtung in der Offenstellung bleibt, und wenn der Volumenstrom vom ersten Volumenstromwert auf einen zweiten Volumenstromwert in einem bestimmten zweiten Volumenstrombereich erhöht wird, die Klappeneinrichtung von der Offenstellung in die Schließstellung übergeht. Durch Erhöhung des Volumenstroms kann also vorteilhafterweise die Klappeneinrichtung automatisch geschlossen werden. Ein bestimmter Mindestvolumenstromwert, der eine Untergrenze des zweiten Wertebereichs darstellen kann, kann als solcher Volumenstromwert definiert sein, der mindestens erforderlich ist, um die Klappe zum Schließen zu bewegen. Im bestimmungsgemäßen Betrieb der Mehrwegeventileinrichtung ist es bevorzugt, dass ein zweiter Volumenstromwert zum Schließen der Klappeneinrichtung gewählt wird, der größer ist als dieser Mindestvolumenstromwert, um ein zuverlässiges Schließen der Klappeneinrichtung zu erreichen. Der zweite Wertebereich kann darüber hinaus nach oben offen sein. Mit anderen Worten kann das Erhöhen des Volumenstromwerts auf einen beliebigen zweiten Volumenstromwert oberhalb des genannten Mindestvolumenstromwerts immer zu einem Schließen der Klappeneinrichtung führen. Ist die Klappeneinrichtung geschlossen und wird beispielsweise der Volumenstrom weiter erhöht, der nun seinen Weg über den zweiten Strömungspfad nimmt, so bleibt die Klappeneinrichtung weiterhin geschlossen. Das Halten der Klappeneinrichtung in ihrer geschlossenen Position kann, sobald die Klappeneinrichtung geschlossen ist, entsprechend durch den durch den Fluidstrom bewirkten Staudruck auf die erste Klappeneinrichtung bewirkt werden.
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Weiterhin ist es gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Klappeneinrichtung so ausgestaltet ist, dass, wenn sich die Klappeneinrichtung in der Schließstellung befindet und die Mehrwegeventileinrichtung entlang des zweiten Strömungspfads von einem Fluid mit einem Volumenstrom des zweiten Volumenstromwerts oder eines dritten Volumenstromwerts, der kleiner ist als der zweite Volumenstromwert, in einem vorgebbaren dritten Wertebereich durchströmt wird, die Klappeneinrichtung in der Schließstellung bleibt, insbesondere bedingt durch den vom Fluidstrom erzeugten Staudruck auf die Klappeneinrichtung, wie bereits erwähnt. Um die Klappeneinrichtung in ihrer Schließstellung zu halten, ist es jedoch nicht notwendigerweise erforderlich, auch den Volumenstrom weiterhin auf dem zweiten Volumenstromwert zu halten. Zum Halten der Klappeneinrichtung in ihrer Schließstellung kann gegebenenfalls auch ein geringerer Volumenstromwert, unter Umständen sogar kleiner als der oben definierte Mindestvolumenstromwert, der zum Schließen der Klappeneinrichtung erforderlich ist, vorgesehen sein. Die volumenstromabhängige Steuerung der Klappeneinrichtung folgt also entsprechend einem hysteretischen Verlauf. Entsprechend ist es weiter vorteilhaft, wenn die Klappeneinrichtung so ausgestaltet ist, dass, wenn sich die Klappeneinrichtung in der Schließstellung befindet und wenn der Volumenstrom vom zweiten oder dritten Volumenstromwert auf einen vierten Volumenstromwert, der kleiner als der erste Volumenstromwert ist, in einem vorgegebenen vierten Wertebereich reduziert wird, die Klappeneinrichtung von der Schließstellung in die Offenstellung übergeht. Der vierte Volumenstromwert kann dabei auch gleich null sein. Mit anderen Worten kann zum wieder Öffnen der Klappeneinrichtung die Pumpe temporär abgeschaltet werden. Dadurch kommt der Volumenstrom zum Erliegen.
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Gerade in diesem Zusammenhang ist es dann besonders vorteilhaft, wenn die Klappeneinrichtung ein Rückstellelement, insbesondere umfassend eine Feder, aufweist, mittels welchem die Klappeneinrichtung von der Schließstellung in die Offenstellung rückführbar ist, wenn der Volumenstrom des entlang des zweiten Strömungspfads fließenden Fluids auf den vierten Volumenstromwert reduziert wird. So kann auch eine Rückführung der Klappeneinrichtung in die Offenstellung ohne jegliche aktive Ansteuerung auf einfache und effiziente Weise bewerkstelligt werden. Dazu kann auf einfache Weise eine Rückstellfeder an die Klappeneinrichtung angebracht werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Klappeneinrichtung eine um eine Drehachse drehbar gelagerte Klappe auf, die eine Oberfläche mit einer Hydrodynamikkontur aufweist, die so ausgebildet ist, dass ein entlang des ersten Strömungspfads strömendes Fluids eine dynamische Auftriebskraft auf die Klappe erzeugt, die die Klappe, wenn die Auftriebskraft eine bestimmte Mindesthöhe aufweist, in die Schließstellung bewegt, insbesondere indem die Klappe um die Drehachse bis zu einem Anschlag bewegt wird. Diese Mindesthöhe der Auftriebskraft wird insbesondere erreicht, wenn der Volumenstromwert im zweiten Wertebereich liegt.
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Der Begriff „Auftriebskraft“ soll dabei keine Richtung der Kraft vertikal nach oben implizieren, wenn gleich dies dennoch möglich ist. Diese Auftriebskraft kann also auch vertikal nach unten oder horizontal oder grundsätzlich in ihrer Richtung beliebig gerichtet sein, abhängig von der Anordnung und Ausbildung der Mehrwegeventileinrichtung. Dieser Begriff soll lediglich die Art ihrer Entstehung definieren, analog zur Auftriebskraft bei einem Flugzeugflügel. Wenn also die Hydrodynamikkontur der Klappenoberfläche von einem entlang des ersten Strömungspfads fließenden Fluids überströmt, so wird hierdurch eine dynamische Auftriebskraft auf die Klappe erzeugt. Diese wird umso größer, je höher die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids ist, was wiederum über den Volumenstrom des Fluids gesteuert werden kann. Wird also der Volumenstrom weiter erhöht, so überschreitet die Auftriebskraft irgendwann einen Grenzwert, der insbesondere größer ist als die Rückstellkraft des oben genannten Rückstellelements, wodurch die Klappe um die Drehachse gedreht wird, bis sie an einem Anschlag anschlägt. In dieser Stellung verschließt die Klappe den ersten Strömungspfad vollständig. Die Hydrodynamikkontur kann zum Beispiel ähnlich eines Flugzeugflügels im Querschnitt geformt sein. In ihrer Offenstellung ist die Klappe mit ihrer Haupterstreckungsrichtung vorzugsweise im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung entlang des ersten Strömungspfads orientiert. Weiterhin kann die Klappe zum Beispiel zwei Seiten aufweisen, eine erste Seite, die die Oberfläche mit der Hydrodynamikkontur aufweist, und eine gegenüberliegende zweite Seite, die zum Beispiel flach ausgebildet sein kann. Befindet sich die Klappe in der geschlossenen Stellung, so liegt die erste Seite am Anschlag an und die zweite Seite wird vom Fluid angeströmt, was die Klappe in ihrer geschlossenen Stellung hält, solange auch der Volumenstrom aufrecht erhalten wird. Die Ausgestaltung mit einer Hydrodynamikkontur ist dabei besonders vorteilhaft, da dies besonders wenige Bauteile erfordert, um die erste Verschlusseinrichtung umzusetzen. Zudem wird durch eine solche Ausformung der Klappeneinrichtung der Fluidstrom bei geringem Volumenstrom entlang des ersten Strömungspfads besonders wenig beeinträchtigt. Dies führt zu sehr geringen Energieverlusten.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Klappeneinrichtung eine um eine Drehachse drehbar gelagerte Klappe auf, und zusätzlich zumindest ein drehfest mit der Klappe verbundenes Stauelement, welches in der Offenstellung der Klappeneinrichtung in den ersten Strömungspfad ragt, wobei die Klappeneinrichtung so ausgestaltet ist, dass im Falle, dass die Mehrwegeventileinrichtung von einem Fluid entlang des ersten Strömungspfads durchströmt wird, durch das Fluid ein Staudruck auf das Stauelement erzeugt wird, der das Stauelement und die Klappe, wenn der Staudruck eine bestimmte Mindesthöhe aufweist, in die Schließstellung bewegt wird, insbesondere indem die Klappe um die Drehachse bis zu einem Anschlag bewegt wird. Beispielsweise kann die Klappeneinrichtung im Querschnitt L-förmig ausgebildet sein, wobei ein Schenkel dieses Ls durch die Klappe bereitgestellt wird, und der andere dazu senkrecht stehende Schenkel durch das Stauelement. In ihrer Offenstellung liegt die Klappe parallel zur Strömungsrichtung entlang des ersten Strömungspfads, während das Stauelement senkrecht in den Strömungspfad hineinragt. Mit zunehmendem Volumenstrom vergrößert sich entsprechend auch der Staudruck auf dieses Stauelement, bis auch hier irgendwann ein Grenzwert überschritten wird, der größer ist als die Rückstellkraft des Rückstellelements, sodass die Klappeneinrichtung in ihre geschlossene Stellung bewegt wird. Auch hier kann die Klappe wiederum an einem Anschlagelement zum Anliegen kommen und den ersten Strömungspfad komplett verschließen. Auch dies erlaubt eine besonders einfache und vorteilhafte Umsetzung eines hydrodynamisch schaltbaren Ventils.
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Die Schaltzeitpunkte zum Umschalten der Klappeneinrichtung von der Offenstellung in die Schließstellung und umgekehrt lassen sich einfach durch die Ausbildung der Hydrodynamikkontur beziehungsweise der geometrischen Ausprägung und Anordnung des Stauelements, in Anpassung an Strömungsquerschnitte und den Volumenstrom dimensionieren. Insbesondere kann der Umschaltzeitpunkt noch durch die Dimensionierung des Rückstellelements beeinflusst werden. Somit gibt es vielzählige vorteilhafte flexibel nutzbare Möglichkeiten, um die Umschaltzeitpunkte geeignet zu wählen. Dies erlaubt vielzählige Anpassungsmöglichkeiten.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch einen Kühlmittelkreislauf für ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Mehrwegeventileinrichtung oder einer ihrer Ausgestaltungen. Die für die erfindungsgemäße Mehrwegeventileinrichtung und ihre Ausgestaltungen genannten Vorteile gelten in gleicher Weise für den erfindungsgemäßen Kühlmittelkreislauf.
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Der Kühlmittelkreislauf kann dabei beispielsweise wie oben bereits erwähnt ausgestaltet sein. Besonders vorteilhaft ist es zum Beispiel, wenn der Kühlmittelkreislauf einen ersten Kühlmittelpfad aufweist, der den ersten Strömungspfad umfasst, und einen zweiten Kühlmittelpfad, der den zweiten Strömungspfad umfasst. Dabei können der erste und der zweite Strömungspfad einen gemeinsamen Pfadabschnitt aufweisen, in welchem eine Pumpeneinrichtung, insbesondere eine Pumpe, angeordnet ist, wobei der Kühlmittelkreislauf eine Steuereinrichtung zum Ansteuern der Pumpeneinrichtung zur Erzeugung eines bestimmten Volumenstroms eines den Kühlmittelkreislauf durchströmenden Fluids aufweist. Die Steuereinrichtung kann also beispielsweise dazu ausgelegt sein, um die erste Verschlusseinrichtung von der Offenstellung in die Schließstellung zu bewegen, den Volumenstrom entsprechend zu erhöhen. Um die erste Verschlusseinrichtung wieder von der Schließstellung in die Offenstellung zu bewegen, kann die Steuereinrichtung dazu ausgebildet sein, die Pumpeneinrichtung temporär abzuschalten und anschließend den Volumenstrom auf einen ersten Volumenstromwert im ersten Wertebereich erhöhen, um eine Durchströmung des ersten Kühlmittelpfads zu bewirken. Die Steuerung des Volumenstroms kann in Abhängigkeit von angeforderten Kühlleitungen erfolgen, die aktuell von einer oder mehreren zu Kühlenden Komponenten im ersten und/oder zweiten Kühlmittelpfad angefordert werden.
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Weiterhin ist der Kühlmittelkreislauf vorzugsweise so ausgebildet, dass, wenn der erste Ausgang geschlossen ist und der zweite Ausgang geöffnet ist, eine mit dem zweiten Kühlmittelpfad gekoppelte zu kühlende Komponente, insbesondere eine Batterie, gekühlt wird und gleichzeitig auch eine in einem gemeinsamen Pfadabschnitt angeordnete weitere zu kühlende Komponente, wie zum Beispiel ein Ladegerät, ein DC/DC-Wandler oder eine andere Hochvolt-Komponente. Ist dagegen der zweite Ausgang verschlossen und der erste Ausgang geöffnet, so ist die Batterie gebypasst und es wird nur die weitere zu kühlende Komponente, die dem gemeinsamen Pfadabschnitt zugeordnet ist, gekühlt. Weiterhin kann im gemeinsamen Kühlmittelpfad auch ein Kühlmittelkühler angeordnet sein.
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Des Weiteren soll auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Mehrwegeventileinrichtung oder einer ihrer Ausgestaltungen beziehungsweise mit einem erfindungsgemäßen Kühlmittelkreislauf oder einer seiner Ausgestaltungen als zur Erfindung gehörend angesehen werden.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Steuern einer Mehrwegeventileinrichtung mit einem Eingang, welchem ein Fluid zugeführt wird, einem ersten Ausgang und einem zweiten Ausgang, wobei ein erster Strömungspfad vom Eingang zum ersten Ausgang und ein zweiter Strömungspfad vom Eingang zum zweiten Ausgang bereitgestellt ist, und mit einer ersten Verschlusseinrichtung zum Verschließen des ersten Ausgangs, wobei die erste Verschlusseinrichtung eine Offenstellung aufweist, in welcher der erste Strömungspfad freigegeben ist, und eine Schließstellung aufweist, in welcher der erste Strömungspfad gesperrt ist. Dabei ist die erste Verschlusseinrichtung als eine Klappeneinrichtung ausgebildet, die in Abhängigkeit von einem gesteuerten Volumenstrom eines entlang des ersten Strömungspfads strömenden Fluids von der Offenstellung in die Schließstellung bewegt wird.
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Auch hier gelten die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Mehrwegeventileinrichtung und ihren Ausgestaltungen beschriebenen Vorteile in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Mehrwegeventileinrichtung beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung eines Kühlmittelkreislaufs für ein Kraftfahrzeug mit einer Mehrwegeventileinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 eine schematische Darstellung der Mehrwegeventileinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 3 eine schematische Darstellung der Mehrwegeventileinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kühlmittelkreislaufs 10 für ein Kraftfahrzeug mit einer Mehrwegeventileinrichtung 12 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dieser Kühlmittelkreislauf 10 weist mehrere Pfade auf. Grundsätzlich lässt sich der Kühlmittelkreislauf 10 in einen ersten Kühlmittelpfad 14a und einen zweiten Kühlmittelpfad 14b gliedern, wobei diese beiden Kühlmittelpfade 14a, 14b einen gemeinsamen Pfadabschnitt 14c aufweisen. Der Teil des ersten Kühlmittelpfads 14a, der nicht Teil des gemeinsamen Pfads 14c ist, stellt einen Bypass 16 dar, um eine zu kühlende Komponente 18, die vorliegend als zweite Komponente 18 bezeichnet wird, zu bypassen. Im gemeinsamen Pfadabschnitt 14c ist eine erste Komponente 20 angeordnet. Weiterhin ist im gemeinsamen Pfadabschnitt noch ein Kühlmittelkühler 22 sowie eine Pumpe 24 mit einer zugeordneten Steuereinrichtung 26 angeordnet, die ein Fluid, beispielsweise Wasser, gegebenenfalls mit Zusätzen, durch den Kühlmittelkreislauf 10 pumpen kann. Die Steuereinrichtung 26 ist dabei dazu ausgelegt, verschiedene Volumenströme durch Ansteuerung der Pumpe 24 einzustellen.
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Bei der zweiten zu kühlenden Komponente 18 handelt es sich vorzugsweise um eine Kraftfahrzeugbatterie, zum Beispiel eine Hochvoltbatterie. Bei der ersten zu kühlenden Komponente 20 kann es sich um eine beliebig andere Komponente, insbesondere eine andere Hochvoltkomponente wie zum Beispiel einen DC/DC-Wandler, ein Ladegerät oder ähnliches handeln. Unter der ersten Komponente 20 können auch mehrere weitere Einzelkomponenten verstanden werden. Dieser erste Kühlkreisteilnehmer 20 hat nur eine geringe Kühlanforderung und daher ist die Mediumtemperatur des Fluids zweitrangig. Allerdings fordert dieser einen Mindestvolumenstrom. Dies bedeutet, dass die erste Komponente 20 während des Betriebs des Kraftfahrzeugs vorzugsweise permanent gekühlt wird. Entsprechend soll der Fluidstrom durch den gemeinsamen Abschnitt 14c permanent aktiv sein. Die Batterie 18 muss jedoch nur temporär bei Anforderung gekühlt werden, hat dann jedoch einen sehr hohen Kühlbedarf. Dies lässt sich nun vorteilhafterweise durch eine Mehrwegeventileinrichtung 12 auf besonders effiziente und kostengünstige Weise umsetzen, die keine separate Ansteuerung benötigt. Grundsätzlich ist diese Mehrwegeventileinrichtung 12 so aufgebaut, dass diese einen Eingang 28 aufweist, über welchen der Mehrwegeventileinrichtung 12 der Fluidstrom zuführbar ist. Zudem weist die Mehrwegeventileinrichtung 12 einen ersten Ausgang 30a und einen zweiten Ausgang 30b auf. Die Mehrwegeventileinrichtung 12 lässt sich durch den Volumenstrom des Fluids nun vorteilhafterweise so steuern, dass das der Mehrwegeventileinrichtung 12 zugeführte Fluid entweder nur aus dem ersten Ausgang 30a austreten kann, oder nur aus dem zweiten Ausgang 30b. Der jeweils andere Ausgang 30a, 30b ist durch eine korrespondierende Verschlusseinrichtung verschlossen, wie dies nun nachfolgend näher erläutert wird.
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Hierzu zeigt 2 eine schematische Darstellung dieser Mehrwegeventileinrichtung 12 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Diese weist, wie beschrieben, einen Eingang 28, einen ersten Ausgang 30a und einen zweiten Ausgang 30b auf. Vom Eingang 28 zum ersten Ausgang 30a ist entsprechend ein erster Strömungspfad 32a bereitgestellt, und vom Eingang 28 zum zweiten Ausgang 30b ein zweiter Strömungspfad 32b. Auch diese weisen einen gemeinsamen Abschnitt 32c auf. Weiterhin ist dem ersten Ausgang 30a beziehungsweise dem ersten Strömungspfad 32a eine erste Verschlusseinrichtung 34 zugeordnet und dem zweiten Ausgang 30b eine zweite Verschlusseinrichtung 36. Die erste Verschlusseinrichtung 34 ist zum Verschließen des ersten Ausgangs 30a ausgelegt, insbesondere indem diese in einer Schließstellung den ersten Strömungspfad 32a sperrt und in einer Offenstellung freigibt. In 2 ist die erste Verschlusseinrichtung 34 in ihrer Offenstellung dargestellt. Die zweite Verschlusseinrichtung kann beispielsweise als federbelasteter Abgang mit Rückschlagventil ausgebildet sein. Die zweite Verschlusseinrichtung kann also zum Beispiel ein Federelement 38 aufweisen, welches ein Verschlusselement 40 gegen eine hier nicht näher dargestellte, dem zweiten Ausgang 30b zugeordnete Öffnung drückt. Bei entsprechend großem Gegendruck, der durch den Fluidstrom bereitgestellt werden kann, insbesondere wenn sich die erste Verschlusseinrichtung 34 in der Schließstellung befindet, wird entsprechend die Feder 38 zusammengedrückt und der zweite Ausgang 30b freigegeben. Zum Öffnen und Schließen dieser zweiten Verschlusseinrichtung 36 ist damit keine separate Steuereinrichtung oder Steuereinheit erforderlich. Das Öffnen und Schließen kann damit lediglich basierend auf dem Volumenstrom des zugeführten Fluidstroms gesteuert werden. Ebenso verhält es sich mit der ersten Verschlusseinrichtung 34, die vorteilhafterweise ebenfalls keine eigene Ansteuerung benötigt.
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Diese erste Verschlusseinrichtung 34 ist gemäß diesem in 2 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel nun wie folgt ausgebildet: Diese erste Verschlusseinrichtung 34 ist als eine Klappeneinrichtung 34 ausgeführt, die eine um eine Drehachse 42 drehbar gelagerte Klappe 44 umfasst. Diese Klappe 44 weist dabei weiterhin eine erste Seite 44a, sowie eine zweite Seite 44b auf, die nun vorteilhafterweise mit einer Hydrodynamikkontur 46 ausgebildet ist. Weiterhin umfasst die Klappeneinrichtung 34 ein Rückstellelement 48, zum Beispiel in Form einer Rückstellfeder. Die Drehachse 42 ist vorzugsweise in einem Randbereich des Strömungspfads 32a angeordnet. In der Offenstellung ist die Klappe 44 im Wesentlichen parallel zum ersten Strömungspfad 32a ausgerichtet. Das Rückstellelement 48 kann so ausgebildet und an der Klappe 44 einerseits, sowie andererseits an einer Wandung 50 angeordnet sein, dass es in der Offenstellung der Klappe 44 eine Rückstellkraft auf die Klappe 44 ausübt, die vom ersten Strömungspfad 32a weg weist und zum Beispiel senkrecht zu diesem gerichtet ist.
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Wird nun diese Hydrodynamikkontur 46 von einem Fluid überströmt, welches insbesondere in der Offenstellung der Klappe 44 entlang des ersten Strömungspfads 32a strömt, so resultiert daraus eine dynamische Auftriebskraft FA, die auf die Klappe 44 wie in 2 dargestellt wirkt. Das Funktionsprinzip ist dabei ähnlich wie das eines Flugzeugflügels.
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Entsprechend kann die hydrodynamische Kontur 46 beispielsweise im Querschnitt, welcher in 2 dargestellt ist, ähnlich wie der Querschnitt eines Flugzeugflügels ausgebildet sein. Weiterhin umfasst die erste Verschlusseinrichtung 34 auch noch ein Anschlagelement 52. Wird nun das Mehrwegeventil 12, d.h. die Mehrwegeventileinrichtung 12, von einem Fluid entlang des ersten Strömungspfads 32 mit einem geringen Volumenstrom durchströmt, so ist die Fließgeschwindigkeit entlang der Hydrodynamikkontur 46 relativ klein, woraus eine relativ kleine Auftriebskraft FA resultiert. Diese ist insbesondere in dieser Situation kleiner als die Rückstellkraft, die durch das Rückstellelement 48 auf die Klappe 44 in entgegengesetzter Richtung ausgeübt wird, sodass die Klappe 44 in der hier dargestellten geöffneten Position verbleibt. Auch ist in dieser Situation der Druck auf die zweite Verschlusseinrichtung 36 so gering, dass diese in ihrer geschlossenen Position verbleibt. Wird nun beispielsweise der Volumenstrom kontinuierlich erhöht, so würde hierdurch auch die Auftriebskraft FA immer größer werden, bis diese letztendlich größer ist als die vom Rückstellelement 48 erzeugte Rückstellkraft. Dadurch wird ein Schließen der Klappe 44 bewirkt, indem diese um die Drehachse 42 gedreht wird, bis sie am Anschlagelement 52 zum Anliegen kommt. Dadurch wird der erste Strömungspfad 32a vollständig blockiert. Das weiter durch den Eingang 28 zugeführte Fluid trifft entsprechend auf die Rückseite der Klappe 44 auf, die die erste Seite 44a der Klappe 44 darstellt. Dadurch wird ein Staudruck erzeugt, der die Klappe 44 bei unveränderten Strömungsverhältnissen im geschlossenen Zustand hält. Zugleich wird das zugeführte Fluid auf den zweiten Ausgang 30b umgelenkt und führt dort zu einer entsprechenden Druckerhöhung auf die zweite Verschlusseinrichtung 36, wodurch diese öffnet und den zweiten Strömungspfad 32b freigibt.
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Soll nun also die Klappe 44 von ihrer geöffneten Stellung in die geschlossene Stellung überführt werden, zum Beispiel weil die Batterie 18 nun hohen Kühlbedarf hat und gekühlt werden soll, so kann die Steuereinrichtung 26 die Pumpe 24 entsprechend ansteuern, um den Volumenstrom auf einen höheren Wert zu setzen. Dieses Hochfahren muss dabei nicht notwendigerweise kontinuierlich erfolgen, was jedoch der Fall sein kann. Dadurch schließt die Klappe 44 wie beschrieben.
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Soll die Klappe 44 wieder geöffnet werden, zum Beispiel weil die Batterie 18 nunmehr keinen Kühlbedarf hat, so kann die Steuereinrichtung 26 die Pumpe 24 abschalten, zumindest temporär, bis die Klappe 44 durch das Rückstellelement 48 wieder in ihre Ausgangsposition, das heißt ihre Offenstellung, zurückgeführt wurde. Dadurch schließt sich auch die zweite Verschlusseinrichtung 36 wieder. Anschließend kann der Volumenstrom auf einen geringen Wert hochgefahren werden, der nicht zu einem erneuten Schließen der Klappe 44 führt, sondern unter einem bestimmten Grenzwert liegt. Dadurch bleibt die Klappe 44 im geöffneten Zustand und das Fluid strömt entlang des ersten Strömungspfads 32a aus dem ersten Ausgang 30a.
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3 zeigt ein weiteres Beispiel einer solchen Mehrwegeventileinrichtung 12. Diese kann im Übrigen wie zu 2 beschrieben ausgebildet sein, bis auf die nachfolgend beschriebenen Unterschiede. Diese beziehen sich insbesondere auf die Ausbildung der Klappeneinrichtung 34 selbst. Diese weist nun ebenfalls eine Klappe 44 auf, die nun nicht mehr auf ihrer zweiten Seite 44b mit einer Hydrodynamikkontur 46 versehen ist oder versehen sein muss. Zusätzlich weist die Klappeneinrichtung 34 in diesem Beispiel ein Stauelement 54 auf. Dieses Stauelement 54 ist dabei drehfest mit der Klappe 44 verbunden. Mit anderen Worten dreht sich das Stauelement 54 um die Drehachse 42, so resultiert daraus auch eine korrespondierende Drehung der Klappe 44. Dieses Stauelement ragt im geöffneten Zustand der Klappe 44 in den ersten Strömungspfad 32a hinein. Dadurch staut sich das Fluid in Strömungsrichtung an diesem Stauelement 54. Der Staudruck beziehungsweise die aus diesem Staudruck resultierende Staukraft FS auf dieses Stauelement 54 nimmt mit zunehmendem Volumenstrom zu. Durch geeignete Dimensionierung dieses Stauelements 54 kann also vorteilhafterweise ebenfalls erreicht werden, dass bei einem hinreichend großen Volumenstrom die Staukraft FS auf das Stauelement 54 so groß ist, dass die Klappe 44 in ihre Schließstellung bewegt wird, in welcher sie wie zu 2 bereits beschrieben zum Beispiel einem Anschlag 52 zum Anliegen kommt. Auch hier kann wiederum ein Rückstellelement 49 vorgesehen sein, um eine Rückstellung bei reduziertem Volumenstrom von der Schließstellung in die Offenstellung zu bewirken. In diesem Beispiel ist jedoch dieses Rückstellelement 49 nicht als Zugfeder, sondern als Druckfeder ausgebildet, welche eine dem Staudruck beziehungsweise der Staukraft FS entgegengesetzte Rückstellkraft auf das Stauelement 54 ausübt. Nichtsdestoweniger wäre es auch gemäß diesem in 3 dargestellten Beispiel denkbar, dass zusätzlich oder alternativ zu diesem Rückstellelement 49 das zu 2 beschriebene Rückstellelement 48 an der Klappe 44 wie zu 2 dargestellt vorgesehen ist. Mit anderen Worten sind diese Merkmale auch beliebig kombinierbar und austauschbar. Ist die Klappe 44 in ihrer Schließstellung, so wird sie durch das weiterströmende Fluid in dieser Schließstellung gehalten, während sich die zweite Verschlusseinrichtung 36 wie bereits zu 2 beschrieben durch den Fluiddruck öffnet, der aufgrund der Tatsache, dass sich die Klappe 44 geschlossen hat, erhöht hat. Durch diese Klappeneinrichtung 34 ist also in beiden Fällen vorteilhafterweise ein hydrodynamisch schaltendes Ventil bereitgestellt.
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Zusammenfassend wird durch die Mehrwegeventileinrichtung 12 ein hydrodynamisch schaltendes Ventil bereitgestellt, das bei geringen Pumpenansteuerungen in einer Schaltstellung ist, die den ersten Austritt, das heißt den ersten Ausgang 30a, freigibt. Die Rückholfeder 48, 49 ist ausreichend groß, um die Position zu halten. Der zweite Austritt, das heißt der zweite Ausgang 30b, ist mithilfe eines federbelasteten Rückschlagventils 36 versperrt und sperrt bei geringen Volumenströmen den zweiten Kühlkreisteilnehmer 18, zum Beispiel die Batterie 18, ab. Bei maximaler Pumpenansteuerung wird die Klappe 44 in die Strömung gezogen oder gedrückt und wird aufgrund des Staudrucks der Strömungsumlenkung den ersten Ausgang 30a absperren. Die Absperrklappe 44 kann zum Beispiel mithilfe der hydrodynamischen Form 46 bezüglich ihrer Schaltstellung optimiert werden. Die Rückstellung des Ventils 34 kann mit Pumpenabschaltung und Wiederanfahren auf Mindestvolumenstrom für den ersten Kühlkreislaufteilnehmer, das heißt die Komponente 20, erfolgen.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung ein hydrodynamisch schaltendes Kühlmittelventil bereitgestellt wird, das mithilfe des aus der Pumpenansteuerung resultierenden Volumenstroms kommandiert wird und sich als Slave zum Volumenstrom verhält. Dadurch entfällt vorteilhafterweise ein Magnetventil und eine zusätzliche Ansteuerung. Entsprechend ist es ausreichend, wenn ein Ansteuerwert für die Pumpe berechnet wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19930868 B4 [0002]
- EP 2092222 B1 [0002]
- US 4930455 A [0002]
