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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Verteilen eines Fluids in einem Fluidkreislauf, insbesondere eines Kühlmittels in einem Kühlmittelkreislauf. Die Vorrichtung weist ein Gehäuse mit Anschlusselementen zum Verbinden der Vorrichtung mit Fluidleitungen sowie mindestens zwei innerhalb eines vom Gehäuse umschlossenen Volumens angeordnete Scheibenelemente jeweils mit mindestens einer Durchgangsöffnung auf.
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Bei aus dem Stand der Technik bekannten Personen-Kraftfahrzeugen wird einer hohen Anforderung an den Komfort der Fahrgäste im Fahrgastraum durch Klimatisierungssysteme mit unterschiedlichen Kreisläufen für Kältemittel und Kühlmittel jeweils mit verschieden betriebenen Wärmeübertragern begegnet.
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Herkömmliche Kraftfahrzeuge mit elektromotorischem Antrieb, kurz als Elektrofahrzeuge bezeichnet, oder Kraftfahrzeuge mit einem hybriden Antrieb aus Elektromotor und Verbrennungsmotor, kurz als Hybridfahrzeuge bezeichnet, weisen aufgrund der Ausbildung mit zusätzlichen Komponenten des elektrischen Antriebsstrangs, wie einer Hochvoltbatterie, einem internen Ladegerät, einem Transformer, einem Inverter sowie dem Elektromotor, zudem meist einen höheren Kältebedarf als Kraftfahrzeuge mit einem reinen verbrennungsmotorischen Antrieb auf. Neben dem Kältemittelkreislauf des eigentlichen Klimatisierungssystems sind bekannte Kraftfahrzeuge mit einem reinen elektrischen Antrieb oder einem elektrischen Hybridantrieb mit einem Kühlmittelkreislauf ausgebildet, in welchem das zum Abführen der von den Antriebskomponenten emittierter Wärme zirkulierende Kühlmittel beispielsweise durch einen luftgekühlten Wärmeübertrager geleitet wird. Insbesondere sind die genannten Fahrzeuge mit einer Möglichkeit zum Schnellladen der elektrischen Energiespeicher, wie der Hochvoltbatterie des Antriebsstrangs, als einer gesteigerten Anforderung an die Kühlung der Energiespeicher auszubilden.
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Thermische Systeme elektrisch angetriebener Kraftfahrzeuge weisen aufgrund des erforderlichen Energiebedarfs zum Betreiben einen erheblichen Einfluss auf die Reichweite der Kraftfahrzeuge auf. So wird durch eine bedarfsgerechte Verteilung von Wärmeströmen im Kraftfahrzeug mit verschiedenen Untersystemen beispielsweise eine schnellere Konditionierung von Komponenten ermöglicht, welche eine optimale Betriebstemperatur erfordern. In batterieelektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen und Kraftfahrzeugen mit Hybridantrieb, bei welchen neben der Konditionierung des Fahrgastraums beispielsweise auch die Konditionierung der Hochvoltkomponenten des elektrischen Antriebsstrangs von besonderem Interesse sind, ist der Einfluss des Betriebs der thermischen Systeme auf die Reichweite des Kraftfahrzeugs zu minimieren.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Kältemittelkreisläufe von Klimatisierungssystemen sowohl in einem Modus als Wärmepumpe als auch in einem Modus als Kälteanlage betreibbar auszubilden, um thermische Energien innerhalb des Kraftfahrzeugs zu verteilen. Zum Beispiel kann insbesondere beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs im Wärmepumpenmodus Wärme aus der Umgebungsluft aufgenommen werden, welche anschließend an Komponenten des Kraftfahrzeugs mit Wärmebedarf übertragen wird. Beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs im Kälteanlagenmodus kann Wärme aus dem Fahrgastraum beziehungsweise aus der Zuluft zum Fahrgastraum oder anderen Komponenten aufgenommen und an die Umgebung übertragen werden. Dabei sind innerhalb der thermischen Systeme Wärmeträgerkreisläufe, wie Kältemittelkreisläufe und Kühlmittelkreisläufe, untereinander und mit weiteren Komponenten des Kraftfahrzeugs verbunden. Speziell hybrid angetriebene Kraftfahrzeuge werden dafür ein substanzielles Neudesign erfordern, um das thermische System zum Konditionieren verschiedener Komponenten im vorhanden Bauraum anordnen zu können.
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In 1 ist ein thermisches System mit einem Kältemittelkreislauf und drei Kühlmittelkreisläufen eines Kraftfahrzeugs aus dem Stand der Technik gezeigt. Die Kühlmittelkreisläufe und der Kältemittelkreislauf sind über Wärmeübertrager thermisch miteinander gekoppelt. Die Kühlmittelkreisläufe können von verschiedenen oder einem Kühlmittel beaufschlagt werden und sind mit unterschiedlichen Ventilen ausgebildet, um das Kühlmittel in den und zwischen den Kühlmittelkreisläufen sowie den entsprechenden Komponenten strömen zu lassen.
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Die Ausgestaltung des thermischen Systems zeigt eine hohe Komplexität, insbesondere in der Verschaltung der Kreisläufe, speziell der Kühlmittelkreisläufe, auf. Die Verwendung von aus dem Stand der Technik bekannten, einfachen Kühlmittelventilen würde eine sehr große Anzahl an Ventilen und Leitungen erfordern.
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In der
US 2017 0373359 A1 ist ein Wärmemanagementsystem für ein Kraftfahrzeug mit einer integrierten Kühlmittelbehälteranordnung mit einem Behälter zum Speichern beziehungsweise zum Durchleiten eines flüssigen Mediums offenbart. Der Behälter weist unterschiedliche Anschlüsse zum Verbinden mit unterschiedlichen Komponenten, wie einer Pumpe oder einem Mehrwegeventil, auf.
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Aus der
DE 10 2012 022 211 A1 geht ein als ein Scheibenventil ausgebildetes Mehrwege-Regulierventil hervor. Das Ventil weist ein Gehäuse mit Anschlüssen für ein flüssiges beziehungsweise gasförmiges Medium sowie eine drehbar im Gehäuse gelagerte Ventilscheibe, insbesondere aus Keramik, auf, welche mit mindestens einer ersten Durchströmungsöffnung ausgebildet ist, um in Abhängigkeit einer Drehstellung die Anschlüsse des Gehäuses fluidtechnisch miteinander zu verbinden oder voneinander zu trennen. Die Ventilscheibe liegt auf einer drehfesten und mindestens zwei zweite Durchströmungsöffnungen aufweisenden Dichtscheibe, insbesondere aus Keramik, zumindest flächig auf. Ein zwischen der Dichtscheibe und einem Zwischenboden des Gehäuses angeordnetes, elastisch verformbares und scheibenförmiges Dichtelement weist mit den zweiten Durchströmungsöffnungen fluchtende dritte Durchströmungsöffnungen auf.
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In der
DE 10 2010 064 338 A1 wird ein Ventil zur Steuerung von Volumenströmen eines Kühlmittels in einem Heiz- und/oder Kühlsystem eines Kraftfahrzeugs mit einem Gehäuse mit mindestens einem Einlasskanal sowie mindestens einem Auslasskanal beschrieben. Im Gehäuse ist eine um eine Achse einer Welle drehbare Ventilscheibe angeordnet, welche eine Verbindung zwischen dem Einlasskanal und dem Auslasskanal beeinflusst.
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Den im Stand der Technik bekannten Ventilen ist zueigen, dass mit meist vier Anschlüssen, herkömmlich zwei bis drei Anschlüsse und Strömungskanäle auf einer abgewandten Seite eines Betätigungselements sowie keinem oder maximal einem Anschluss und Strömungskanal auf der Betätigungsseite, keine ausreichende Anzahl an Anschlüssen vorgesehen sind. Zudem sind die Strömungskanäle gemeinsam innerhalb eines Kreisquerschnitts ausgebildet, sodass jeweils nur eine anteilige Querschnittsfläche, beispielsweise in Form eines Tortenstücks, zur Verfügung steht und der Strömungsquerschnitt derart sehr beschränkt ist. Das Vergrößern des kreisförmigen Strömungsquerschnitts mit einem größeren Durchmesser erhöht den Bauraumbedarf und führt zur Zunahme der Betätigungskräfte beziehungsweise Stellkräfte.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung und Weiterentwicklung einer Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Verteilen eines Fluids in einem Fluidkreislauf, insbesondere in Kühlmittelkreisläufen eines thermischen Systems eines Kraftfahrzeugs. Dabei sollen mit einer minimalen Anzahl an Komponenten eine maximale Anzahl an Wärmequellen und Wärmesenken des thermischen Systems, speziell eines batterieelektrisch oder hybridangetriebenen Kraftfahrzeugs, kühlmittelseitig miteinander verbunden werden. Die Herstellungs-, Wartungs- und Betriebskosten sowie der erforderliche Bauraum der Vorrichtung sollen minimal sein. Das thermische System soll mit maximaler Effizienz betreibbar sein.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände mit den Merkmalen der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Verteilen eines Fluids in mindestens einem Fluidkreislauf, insbesondere eines Kühlmittels in mindestens einem Kühlmittelkreislauf, gelöst. Die Vorrichtung weist ein Gehäuse mit Anschlusselementen zum Verbinden der Vorrichtung mit Fluidleitungen sowie mindestens zwei innerhalb eines vom Gehäuse umschlossenen Volumens und parallel zueinander ausgerichtet angeordnete Scheibenelemente auf. Die Scheibenelemente sind jeweils mit mindestens einer Durchgangsöffnung ausgebildet. Jedes Anschlusselement umschließt einen Strömungskanal zum Zuströmen oder Abströmen des Fluids. Dabei mündet jeder von einem Anschlusselement ausgebildeter Strömungskanal in das vom Gehäuse umschlossene Volumen ein.
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Nach der Konzeption der Erfindung sind die Scheibenelemente in einer Richtung einer Längsachse der Vorrichtung beabstandet zueinander angeordnet. Zudem ist in Richtung der Längsachse zwischen den Scheibenelementen ein um eine in der Richtung der Längsachse ausgerichtete Rotationsachse relativ zum Gehäuse drehbar gelagerter Ventilkörper vorgesehen. Der Ventilkörper weist mindestens eine Durchgangsöffnung auf.
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Die jeweils mindestens eine Durchgangsöffnung der Scheibenelemente und die mindestens eine Durchgangsöffnung des Ventilkörpers sind mit der Anordnung des Ventilkörpers relativ zu den Scheibenelementen sowie zum Gehäuse mindestens einen Strömungsquerschnitt eines Strömungspfades durch das Gehäuse mit den Anschlusselementen und durch die Scheibenelemente sowie den Ventilkörper steuernd ausgebildet.
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Die vorzugsweise jeweils unbeweglich und starr mit dem Gehäuse verbundenen Scheibenelemente weisen in Richtung der Längsachse der Vorrichtung vorteilhaft eine konstante Wandstärke auf.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind die Scheibenelemente kreiszylinderförmig ausgebildet. Dabei ist die Achse des Kreiszylinders in Richtung der Längsachse der Vorrichtung ausgerichtet.
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Die Scheibenelemente sind bevorzugt jeweils an einer Stirnseite des vom Gehäuse umschlossenen Volumens angeordnet. Dabei können die Scheibenelemente jeweils an voneinander wegweisenden Stirnseiten mit jeweils mindestens einem Dichtelement zum Gehäuse hin abgedichtet sein. Die Dichtelemente dienen vorteilhaft neben dem Abdichten der Scheibenelemente zum Gehäuse auch dem Verspannen der Scheibenelemente in Verbindung mit dem Ventilkörper gegen das Gehäuse beziehungsweise gegen den Ventilkörper in Richtung der Längsachse, um einerseits die feste und unbewegliche Verbindung zum Gehäuse und andererseits ein Abdichten zum Ventilkörper zu gewährleisten.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Ventilkörper zwischen zueinander weisend ausgerichteten Stirnseiten der Scheibenelemente angeordnet. Die Oberflächen der zueinander weisend angeordneten Stirnseiten der Scheibenelemente und des Ventilkörpers korrespondieren miteinander und liegen aneinander fluiddicht an.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das vom Gehäuse umschlossene Volumen eine im Wesentlichen kreiszylindrische Form aufweist. Dabei korrespondiert eine innere Mantelfläche des Gehäuses jeweils mit einer äußeren Mantelfläche der Scheibenelemente und der Außendurchmesser der Scheibenelemente entspricht jeweils dem Innendurchmesser der Mantelfläche des Gehäuses zuzüglich eines Spiels zur Montage.
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Der Ventilkörper ist vorzugsweise kreiszylinderförmig ausgebildet. Eine äußere Mantelfläche des Ventilkörpers weist einen geringeren Durchmesser als die innere Mantelfläche des Gehäuses auf und die Scheibenelemente sowie der Ventilkörper sind koaxial zueinander und zum vom Gehäuse umschlossenen Volumen ausgerichtet angeordnet, sodass zwischen der äußeren Mantelfläche des Ventilkörpers und der inneren Mantelfläche des Gehäuses ein Strömungspfad in Form eines gleichmäßigen Ringspaltes ausgebildet ist. Dabei ist der Strömungspfad den Ventilkörper vorteilhaft vollständig umlaufend ausgebildet und weist in radialer Richtung eine konstante Breite sowie in Richtung der Längsachse der Vorrichtung eine konstante Höhe über den gesamten Umfang auf.
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Der Strömungspfad ist bevorzugt mit einem in radialer Richtung ausgerichteten, von einem Anschlusselement ausgebildeten Strömungskanal zum Zuströmen oder Abströmen des Fluids verbunden.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen die Durchgangsöffnungen bei einer Ausbildung der Scheibenelemente jeweils mit mindestens zwei Durchgangsöffnungen unterschiedliche, spezifisch geformte Strömungsquerschnitte, insbesondere in Form eines Kreissektors oder eines Kreisausschnitts als Teilfläche einer Kreisfläche, welche von einem Kreisbogen und zwei Kreisradien begrenzt wird, auf.
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Die Scheibenelemente können aus einer Keramik oder einem Metall oder einem Kunststoff ausgebildet sein, während der Ventilkörper aus einem Kunststoff oder aus einem Metall, insbesondere als ein Pulvermetallteil, ausgebildet sein kann.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist der Ventilkörper über ein Verbindungselement mit einem Antriebselement verbunden. Das Verbindungselement kann dabei als eine Welle ausgebildet sein, deren Rotationsachse deckungsgleich mit der Rotationsachse des Ventilkörpers und der Längsachse der Vorrichtung angeordnet ist.
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Nach einem weiteren Vorteil der Erfindung ist das Verbindungselement an einem ersten Ende fest mit dem Antriebselement und an einem zum ersten Ende distal ausgebildeten zweiten Ende in das Gehäuse hineinragend sowie in einem Verbindungsbereich mit dem Ventilkörper verbunden.
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Der Verbindungsbereich ist im Ventilkörper vorzugsweise als eine sich in Richtung der Längsachse der Vorrichtung zumindest teilweise in den Ventilkörper oder vollständig durch den Ventilkörper erstreckende Öffnung ausgebildet.
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Das Verbindungselement ist bevorzugt mit dem zweiten Ende in die im Ventilkörper ausgebildete Öffnung eingreifend angeordnet. Dabei können eine Innenfläche der Öffnung und eine Außenseite des Verbindungselements formschlüssig zueinander, insbesondere als eine Vierkantverbindung, eine Vielzahnverbindung, eine Vielrundverbindung und/oder mit einer Passfeder verbunden, ausgebildet sein. Nach einer alternativen Ausgestaltung ist der Ventilkörper als Spritzgusselement am Verbindungselement angespritzt.
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Das Verbindungselement ist vorteilhaft in mindestens einem Scheibenelement gelagert angeordnet und kann auch in beiden Scheibenelementen gelagert angeordnet sein.
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Das Antriebselement ist vorzugsweise als ein elektrischer Stellmotor, insbesondere als ein Schrittmotor, ausgebildet.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist sich mindestens eine erste Durchgangsöffnung des Ventilkörpers von einer ersten Stirnseite zu einer zweiten Stirnseite vollständig durch den Ventilkörper hindurch erstreckend und an der Mantelfläche geschlossen ausgebildet, während mindestens eine zweite Durchgangsöffnung des Ventilkörpers vorzugsweise ausschließlich in einer Stirnseite des Ventilkörpers mündend und an der Mantelfläche des Ventilkörpers geöffnet ausgebildet ist.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das Gehäuse zweitteilig mit einem Aufnahmeelement und einem Abdeckelement, welche das vom Gehäuse umschlossene Volumen begrenzen, ausgebildet ist.
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Die Aufgabe wird auch durch eine Fördereinheit zum Fördern eines Fluids in mindestens einem Fluidkreislauf, insbesondere eines Kühlmittels in mindestens einem Kühlmittelkreislauf, mit mindestens zwei Fördervorrichtungen gelöst. Die Fördereinheit ist mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Regeln des Durchflusses und zum Verteilen des Fluids im Fluidkreislauf ausgebildet.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind zwei benachbart zueinander angeordnete Fördervorrichtungen, beispielsweise Pumpen, derart konfiguriert, dass die Antriebsrichtungen der Fördervorrichtungen gegenläufig, insbesondere in entgegengesetzter Richtung zueinander ausgerichtet, sind.
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Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht die Verwendung der Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Verteilen eines Fluids in einem Kühlmittelkreislauf eines thermischen Systems, insbesondere eines Thermomanagementsystems, eines Kraftfahrzeugs zum Konditionieren von mindestens einem einem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstrom sowie mindestens einer Komponente eines Antriebsstrangs. Dabei weist das thermische System mindestens einen Kältemittelkreislauf sowie den mindestens einen Kühlmittelkreislauf auch zum Aufnehmen von Wärme aus dem Kältemittelkreislauf auf. Die Vorrichtung dient dann als ein adaptives Mehrwege-Kühlmittelventil für die Fahrzeugklimatisierung.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Verteilen eines Fluids, beispielsweise eines Kühlmittels in einem Kühlmittelkreislauf, ermöglicht insbesondere als ein hochvariables Kühlmittelventil mit einer Vielzahl von möglichen Durchströmungspfaden und einer spezifischen Bauweise eine große Variabilität bezüglich der Anschlüsse und Schaltstellungen. So können bis zu sieben Anschlüsse ausgebildet und vier Hauptpostionen sowie Zwischenpositionen dargestellt werden. Für das Ausführen aller Funktionen wird lediglich ein einzelnes Antriebselement benötigt, sodass keine Vervielfältigungen zum Beispiel des Antriebsmotors, der Elektronik und der Kabelführung notwendig sind.
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Im Hinblick auf die Fördereinheit können die Komponenten des Kühlmittelkreislaufs beim batterieelektrisch betriebenen Kraftfahrzeug zusammengeführt werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist zusammenfassend weitere diverse Vorteile auf:
- - mit minimaler Anzahl an Komponenten können eine maximale Anzahl an Wärmequellen und Wärmesenken des thermischen Systems, speziell eines batterieelektrisch oder hybridangetriebenen Kraftfahrzeugs, kühlmittelseitig miteinander verbunden werden,
- - je nach Bedarf kann Kühlmittel auf unterschiedlichen Temperaturniveaus für unterschiedliche Komponenten verfügbar sein,
- - maximale Effizienz beim Betrieb des thermischen Systems und
- - minimale Herstellungs-, Wartungs- und Betriebskosten sowie minimaler erforderlicher Bauraum.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
- 1: ein thermisches System mit einem Kältemittelkreislauf und drei Kühlmittelkreisläufen eines Kraftfahrzeugs aus dem Stand der Technik,
- 2a: eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Verteilen mindestens eines Fluids in mindestens einem Fluidkreislauf, insbesondere ein Ventil für Kühlmittelkreisläufe eines thermischen Systems eines Kraftfahrzeugs, in einer Teilschnittdarstellung,
- 2b: die Vorrichtung aus 2a in einer Detailansicht,
- 2c und 2d: die Vorrichtung aus 2a in einer Schnittdarstellung einer Frontalansicht und einer Draufsicht,
- 3a und 3b: die Vorrichtung aus 2a jeweils in einer Schnittdarstellung einer Seitenansicht mit unterschiedlichen geöffneten Strömungspfaden,
- 3c: eine Detailansicht der Darstellung aus 3b,
- 4a und 4b: ein drehbares Scheibenelement als Ventilkörper der Vorrichtung aus 2a in einer seitlichen Schnittdarstellung sowie einer perspektivischen Ansicht,
- 5a und 5b: eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Verteilen mindestens eines Fluids in mindestens einem Fluidkreislauf in einer Frontalansicht und in einer Schnittdarstellung einer Seitenansicht,
- 6: eine Fördereinheit mit zwei Fördervorrichtungen zum Fördern des Fluids sowie der Vorrichtung zum Regeln des Durchflusses und zum Verteilen des mindestens einen Fluids in dem mindestens einen Fluidkreislauf.
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Aus den 2a bis 2d geht jeweils eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung 1a zum Regeln eines Durchflusses und Verteilen mindestens eines Fluids in mindestens einem Fluidkreislauf, insbesondere ein Ventil für Kühlmittelkreisläufe eines thermischen Systems eines Kraftfahrzeugs, hervor. Die Vorrichtung 1a ist in 2a in einer Teilschnittdarstellung mit einer Detailansicht in 2b gezeigt, während die Vorrichtung 1a in 2c in einer Schnittdarstellung einer Frontalansicht und in 2d in einer Schnittdarstellung einer Draufsicht gezeigt ist. Aus den 3a und 3b ist die Vorrichtung 1a aus 2a jeweils in einer Schnittdarstellung einer Seitenansicht mit unterschiedlichen geöffneten Strömungspfaden für das Fluid zu entnehmen. 3c zeigt eine Detailansicht der Darstellung der Vorrichtung 1a aus 3b.
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Die Vorrichtung 1a weist ein aus einem Aufnahmeelement 2-1 und einem Abdeckelement 2-2 ausgebildetes zweitteiliges Gehäuse 2 sowie ein Verbindungselement 7a auf. Das Aufnahmeelement 2-1 und das Abdeckelement 2-2 begrenzen im geschlossenen Zustand des Gehäuses 2 ein Volumen, in welchem weitere Komponenten der Vorrichtung 1a angeordnet sind. Dabei sind die Komponenten vorrangig innerhalb des Aufnahmeelements 2-1 angeordnet. Das Abdeckelement 2-2 dient dem Verschließen des Gehäuses 2.
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Das Gehäuse 2 ist mit in eine gemeinsame Richtung x weisenden Anschlusselementen 3-1, 3-2, 3-3, 3-4, 3-5 zum Verbinden mit Verbindungsleitungen des mindestens einen Fluidkreislaufs ausgebildet. Schnittpunkte von Symmetrieachsen von vier Anschlusselementen 3-1, 3-2, 3-3, 3-4 mit einer senkrecht zur Richtung x, durch die Richtungen y und z aufgespannten Ebene bilden ein Rechteck, insbesondere ein Quadrat. Ein fünftes Anschlusselement 3-5 ist im Mittelpunkt des Rechtecks, das heißt im Schnittpunkt der Diagonalen des Rechtecks angeordnet. Dabei sind drei Anschlusselemente 3-1, 3-3, 3-5 am Aufnahmeelement 2-1 des Gehäuses 2 und zwei Anschlusselemente 3-2, 3-4 am Abdeckelement 2-2 des Gehäuses 2 vorgesehen.
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Die äußere Form des Gehäuses 2 kann derart ausgebildet sein, dass die Funktionen, beispielsweise auch eine konkrete Anordnung innerhalb eines Systems, gewährleistet werden und dass eine möglichst kosteneffiziente Serienproduktion bei minimalem Komponentengewicht möglich ist.
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Innerhalb des vom Gehäuse 2 umschlossenen Volumens sind ein erstes Scheibenelement 4 und ein zweites Scheibenelement 5, welche mit dem Gehäuses 2 unbeweglich beziehungsweise feststehend verbunden sind, vorgesehen. Die auch als statische Elemente bezeichneten, feststehenden Scheibenelemente 4, 5 sind in Richtung y gleichmäßig beabstandet zueinander angeordnet. Der gleichmäßige Abstand zwischen dem ersten Scheibenelement 4 und dem zweiten Scheibenelement 5 ergibt sich aus der jeweiligen scheibenförmigen Ausbildung mit im Wesentlichen konstanter Wandstärke der Scheibenelemente 4, 5 und einer parallelen Ausrichtung der Scheibenelemente 4, 5 jeweils in einer durch die Richtungen x und z aufgespannten Ebene.
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Das erste Scheibenelement 4 ist auf einer Oberseite in Richtung y mit Dichtelementen 10 zum Gehäuse 2, insbesondere zum Aufnahmeelement 2-1 hin abgedichtet, während das zweite Scheibenelement 5 auf einer Unterseite in Richtung y ebenfalls mit Dichtelementen 10 zum Gehäuse 2, insbesondere zum Abdeckelement 2-2 hin abgedichtet ist. Die vorzugsweise kreisringförmigen Dichtelemente 10 sind jeweils zwischen dem Scheibenelement 4, 5 und dem Gehäuse 2 angeordnet und dienen neben dem Abdichten auch dem Vorspannen der Scheibenelemente 4, 5 in der Anordnung innerhalb des Gehäuses 2, was beispielsweise eine Rotation der Scheibenelemente 4, 5 um eine Rotationsachse 8 der Vorrichtung 1a verhindert. Dabei können die Dichtelemente 10 als Formdichtungen mit ausreichender Stärke beziehungsweise Höhe, insbesondere von mindestens 2 mm, ausgebildet sein, um eine möglichst lineare, vorbestimmte und gut abstimmbare Federkennlinie aufzuweisen.
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Die Scheibenelemente 4, 5 können jeweils von mehreren, insbesondere jeweils zwei Dichtelementen 10 oder alternativ mit einer einzelnen Formdichtung pro Scheibenelement 4, 5 gegenüber dem Gehäuse 2 abgedichtet und gemeinsam mit einem Ventilkörper 6a vorgespannt werden. Die Dichtelemente 10 sind vorzugsweise als Elastomer-Dichtungen beziehungsweise Gummiformteile ausgebildet.
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Innerhalb des sich in der Richtung y erstreckenden Abstands zwischen dem ersten Scheibenelement 4 und dem zweiten Scheibenelement 5 ist der Ventilkörper 6a als ein drittes Scheibenelement angeordnet. Der Ventilkörper 6a ist in der Richtung y folglich einerseits vom ersten Scheibenelement 4 und andererseits vom zweiten Scheibenelement 5 eingeschlossen. Die Scheibenelemente 4, 5 sind jeweils vorzugsweise aus einer Keramik, einem Metall oder einem Kunststoff ausgebildet.
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Das erste Scheibenelement 4 und das zweite Scheibenelement 5 bilden mit dem Ventilkörper 6a als drittes Scheibenelement eine Art SandwichAnordnung, bei welcher der Ventilkörper 6a von den Scheibenelementen 4, 5 beiderseits bedeckt ist. Während das erste Scheibenelement 4 und das zweite Scheibenelement 5, insbesondere in Bezug zum Gehäuse 2, statisch angeordnet sind, ist der Ventilkörper 6a durch ein Antriebselement über das Verbindungselement 7a angetrieben in Bezug zum Gehäuse 2 und zu den Scheibenelementen 4, 5 um die in Richtung y ausgerichtete Rotationsachse 8 drehbar gelagert. Der Ventilkörper 6a kann aus einem Kunststoff oder einem Metall, insbesondere als ein Pulvermetallteil, ausgebildet sein.
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Die zueinander weisend angeordneten Oberflächen der Scheibenelemente 4, 5 und des scheibenförmigen Ventilkörpers 6a sind gleichmäßig, miteinander korrespondierend geformt, vorzugsweise geschliffen und poliert, sodass die aneinander anliegenden Oberflächen jeweils eine ausreichend fluiddichte Dichtungsstruktur ausbilden, welche für das Fluid, speziell ein Kühlmittel, undurchlässig sind.
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Das Antriebselement, beispielsweise ein elektrischer Antrieb, ist zum Antreiben und Bewegen des Ventilkörpers 6a um die Rotationsachse 8 über das als eine Welle ausgebildete Verbindungselement 7a mit dem Ventilkörper 6a verbunden. Die Längsachse des Verbindungselements 7a und die Rotationsachse 8 sind koaxial zueinander ausgerichtet.
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Das Verbindungselement 7a ist an einem ersten Ende fest mit dem Antriebselement verbunden, welches als Stellmotor ausgebildet sein kann. Mit dem zum ersten Ende distal ausgebildeten zweiten Ende ist das Verbindungselement 7a durch eine Öffnung in das Gehäuse 2 hineinragend angeordnet und mit dem Ventilkörper 6a verbunden.
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Das Verbindungselement 7a und der Ventilkörper 6a sind in einem Verbindungsbereich 9a über eine Welle-Nabe-Verbindung miteinander gekoppelt. Dabei greift das Verbindungselement 7a mit dem zweiten Ende in eine im Ventilkörper 6a ausgebildete Öffnung ein. Die Welle-Nabe-Verbindung ist dabei beispielsweise als eine drehspielminimierte Vierkantverbindung, Vielzahnverbindung oder Vielrundverbindung ausgebildet, mit welcher das Drehmoment vom Verbindungselement 7a auf den Ventilkörper 6a übertragen wird. Der Verbindungsbereich 9a ist folglich zum Übertragen eines Drehmoments vom Verbindungselement 7a an den Ventilkörper 6a konfiguriert. Die im Ventilkörper 6a ausgebildete Öffnung weist einen viereckigen, insbesondere quadratischen Querschnitt auf, welcher mit dem VierkantQuerschnitt des Verbindungselements 7a innerhalb des Verbindungsbereichs 9a korrespondiert. Das Verbindungselement 7a ist einseitig innerhalb des ersten Scheibenelements 4 gelagert.
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Das vom Gehäuse 2 umschlossene Volumen, in welchem die Scheibenelemente 4, 5 und der zwischen den Scheibenelementen 4, 5 drehbeweglich gelagerte Ventilkörper 6a angeordnet sind, weist eine im Wesentlichen kreiszylindrische Form auf. Dabei korrespondiert die innere Mantelfläche des Volumens jeweils mit einer äußeren Mantelfläche der kreiszylinderförmigen Scheibenelemente 4, 5. Der Außendurchmesser der Scheibenelemente 4, 5 entspricht jeweils dem Innendurchmesser der das kreiszylindrische Volumen begrenzenden Wandung des Gehäuses 2 zuzüglich eines geringen Spiels zur Montage der Vorrichtung 1a.
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Die äußere Mantelfläche des kreiszylinderförmigen Ventilkörpers 6a weist einen geringeren Durchmesser auf als die innere Mantelfläche der das kreiszylindrische Volumen begrenzenden Wandung des Gehäuses 2. Da die Scheibenelemente 4, 5 und der Ventilkörper 6a zueinander und zum kreiszylindrischen Volumen koaxial und damit auf einer gemeinsamen Achse, insbesondere der Rotationsachse 8 des Verbindungselements 7a und des Ventilkörpers 6a, angeordnet sind, ist zwischen der äußeren Mantelfläche des Ventilkörpers 6a und der entsprechenden Wandung des Gehäuses 2 ein Strömungspfad 11 in Form eines gleichmäßigen Ringspaltes ausgebildet. Der Ringspalt beziehungsweise Ringraum ist dabei gleichförmig um die äußere Mantelfläche des Ventilkörpers 6a umlaufend und weist eine konstante Breite in radialer Richtung sowie eine konstante Höhe in Richtung y über den gesamten Umfang auf. Der Strömungspfad 11 wird in Richtung y und damit an den Stirnseiten von den Scheibenelementen 4, 5 begrenzt. Der Strömungspfad 11 ist an den Stirnseiten vollumfänglich geschlossen. Zudem ist der Strömungspfad 11 mit einem in radialer Richtung ausgerichteten, vom Anschlusselement 3-5 ausgebildeten Strömungskanal zum Zuströmen oder Abströmen des Fluids verbunden.
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Das rotationssymmetrisch um die in der Längsrichtung y ausgerichtete Rotationsachse 8 ausgebildete, vom Gehäuse 2 umschlossene Volumen ist zudem mit den jeweils als rotationssymmetrische Stutzen ausgebildeten Anschlusselementen 3-1, 3-2, 3-3, 3-4, welche jeweils einen Strömungskanal zum Zuströmen oder Abströmen des Fluids formen, verbunden. Dabei münden die von den zwei Anschlusselementen 3-1, 3-3 ausgebildeten Strömungskanäle an einer ersten Stirnseite in das vom Gehäuse 2 umschlossene Volumen ein, während die von den zwei Anschlusselementen 3-2, 3-4 ausgebildeten Strömungskanäle an einer zweiten Stirnseite in das vom Gehäuse 2 umschlossene Volumen einmünden. An der ersten Stirnseite des vom Gehäuse 2 umschlossenen Volumens ist das erste Scheibenelement 4 angeordnet, während an der zweiten Stirnseite das zweite Scheibenelement 5 angeordnet ist.
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Das vom Gehäuse 2 umschlossene Volumen ist über in den Scheibenelementen 4, 5 ausgebildete Durchgangsöffnungen 12, 13 jeweils mit den Strömungskanälen der Anschlusselemente 3-1, 3-2, 3-3, 3-4 verbindbar. Die Durchgangsöffnungen 12, 13 weisen unterschiedliche, spezifisch geformte Strömungsquerschnitte, beispielsweise in Form eines Kreissektors oder Kreisausschnitts als Teilfläche einer Kreisfläche, welche von einem Kreisbogen und zwei Kreisradien begrenzt wird, auf.
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Die Durchgangsöffnungen 12, 13 der Scheibenelemente 4, 5 korrespondieren je nach Stellung des um die Rotationsachse 8 drehbar gelagerten Ventilkörpers 6a jeweils mit im Ventilkörper 6a ausgebildeten Durchgangsöffnungen 14. Die Durchgangsöffnungen 12, 13, 14 sind jeweils im Wesentlichen in Richtung der Rotationsachse 8, welche auch der Längsachse der Vorrichtung 1a entspricht, ausgerichtet. Über das drehende Bewegen des Ventilkörpers 6a um die Rotationsachse 8 und damit das Bewegen des Ventilkörpers 6a relativ zu den Scheibenelementen 4, 5 und dem Gehäuse 2 werden die Strömungsquerschnitte der Durchgangsöffnungen 12, 13, 14 sich zumindest bereichsweise oder komplett überlappend zueinander angeordnet und dadurch miteinander verbunden. Die Durchgangsöffnungen 12, 13, 14 verbinden dabei im gemeinsamen Zusammenwirken eine bestimmte Kombination der von den Anschlusselementen 3-1, 3-2, 3-3, 3-4, 3-5 ausgebildeten Strömungskanäle oder trennen bestimmte Strömungskanäle voneinander, um das Fluid gezielt durch die Vorrichtung 1a, insbesondere zwischen den Anschlusselementen 3-1, 3-2, 3-3, 3-4, 3-5, zu leiten. Die Anzahl, die Anordnung und die Ausrichtung der Anschlusselemente 3-1, 3-2, 3-3, 3-4, 3-5 des Gehäuses 2 können jeweils je nach Bedarf variieren.
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Die Fertigungstoleranzen der einzelnen Komponenten der Vorrichtung 1a sind derart gewählt, dass das Fluid, insbesondere das Kühlmittel, lediglich durch die Durchgangsöffnungen 12, 13, 14 der Scheibenelemente 4, 5, 6a strömen kann und unerwünschte Bypassströmungen zwischen den Mantelflächen oder Stirnseiten der Scheibenelemente 4, 5, 6a oder dem Gehäuse 2 vermieden werden. Das Gehäuse 2 und die Scheibenelemente 4, 5 werden mit den zusätzlichen Dichtelementen 10 zueinander abgedichtet, um interne Leckagen auszuschließen.
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Mit der gezielten Anordnung der Durchgangsöffnungen 12, 13, 14 der Scheibenelemente 4, 5, 6a zueinander können Durchströmöffnungen zwischen den Anschlusselementen 3-1, 3-2, 3-3, 3-4, 3-5 blockiert oder freigegeben werden.
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Speziell mit dem Bewegen des zwischen den Scheibenelementen 4, 5 angeordneten Ventilkörpers 6a um die Rotationsachse 8 werden mehrere verschiedene Fluidführungen, insbesondere auch das Aktivieren beziehungsweise Öffnen von mehr als drei Strömungskanälen der Anschlusselemente 3-1, 3-2, 3-3, 3-4, 3-5, ermöglicht. Dabei ist der Durchfluss des Fluids sowohl in axialer als auch in radialer Richtung durch den Ventilkörper 6a möglich. Zudem ist der ringspaltförmige Strömungspfad 11, insbesondere gemäß 2d, mit mindestens einer der sich in axialer Richtung y erstreckenden Durchgangsöffnungen 14 des Ventilkörpers 6a verbunden, sodass der Strömungspfad 11 auch mit den Durchgangsöffnungen 12, 13 der Scheibenelemente 4, 5 verbunden werden kann und derart die Fluidströmungen in verschiedene Richtungen umgelenkt werden können.
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So geht aus 3a eine Umkehr der Strömungsrichtung 15 des Fluids von einer axialen in eine radiale Richtung bei geöffneten sowie miteinander verbundenen Strömungskanälen der Anschlusselemente 3-3, 3-5 und umgekehrt hervor, während in 3b eine rein axiale Strömungsrichtung 15 des Fluids zwischen den geöffneten sowie miteinander verbundenen Strömungskanälen der Anschlusselemente 3-3, 3-4 gezeigt ist.
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Mit einer bestimmten Anzahl an Durchgangsöffnungen 12, 13, 14 in Kombination mit einer gezielten Anordnung der Durchgangsöffnungen 12, 13, 14 kann festgelegt werden, welche unterschiedliche Durchströmungen durch die Vorrichtung 1a gewährleistet sein sollen. Die Ausbildung und die Anordnung des Ventilkörpers 6a in Verbindung mit den Scheibenelementen 4, 5 innerhalb der Vorrichtung 1a ermöglichen, dass bestimmte Durchgangsöffnungen 12, 13, 14 bei bestimmten Stellwinkeln des Ventilkörpers 6a zueinander derart angeordnet sind, dass bestimmte Durchströmöffnungen frei oder blockiert sind und das Fluid von einem oder mehreren Anschlusselementen 3-1, 3-2, 3-3, 3-4, 3-5 zu einem der mehreren anderen Anschlusselementen 3-1, 3-2, 3-3, 3-4, 3-5 geleitet wird.
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Damit wird eine Vielzahl an unterschiedlichen Schaltszenarien der Vorrichtung 1a bereitgestellt, welche vom jeweiligen Betriebsmodus des thermischen Systems abhängig sind.
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In den 4a und 4b ist das um die Rotationsachse 8 drehbare dritte Scheibenelement 6a als Ventilkörper 6a der ersten Ausführungsform der Vorrichtung 1a aus 2a in einer seitlichen Schnittdarstellung sowie in einer perspektivischen Ansicht dargestellt. Insbesondere aus 2d geht der innerhalb des Gehäuses 2 angeordnete Ventilkörper 6a bereits in einer Schnittdarstellung einer Draufsicht hervor.
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Der Verbindungsbereich 9a der Welle-Nabe-Verbindung des Ventilkörpers 6a mit dem Verbindungselement 7a ist im Zentrum des Ventilkörpers 6a als eine sich in axialer Richtung vollständig durch den Ventilkörper 6a erstreckende Öffnung ausgebildet. Die Öffnung weist beispielsweise einen im Wesentlichen rechteckigen, speziell einen quadratischen Querschnitt, zur Aufnahme des Verbindungselements 7a auf. Das Verbindungselement 7a ist im Verbindungsbereich 9a ebenfalls mit einem zum Querschnitt der Öffnung des Ventilkörpers 6a korrespondierenden Querschnitt ausgebildet, um das Drehmoment von der Welle auf den Ventilkörper 6a zu übertragen.
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Die Durchgangsöffnungen 14-1, 14-2, 14-3 des Ventilkörpers 6a zum Durchleiten und Umlenken des durch die Vorrichtung 1a strömenden Fluids weisen unterschiedliche Querschnitte, Formen und Erstreckungen auf. So erstreckt sich eine erste Durchgangsöffnung 14-1 von der ersten Stirnseite zur zweiten Stirnseite vollständig durch den Ventilkörper 6a hindurch und ist an der Mantelfläche geschlossen, während eine zweite Durchgangsöffnung 14-2 und eine dritte Durchgangsöffnung 14-3 lediglich in einer Stirnseite des Ventilkörpers 6a münden und im Vergleich zur ersten Durchgangsöffnung 14-1 an der Mantelfläche des Ventilkörpers 6a geöffnet sind. Zudem weisen die erste Durchgangsöffnung 14-1 und die zweite Durchgangsöffnung 14-2 in der Ebene senkrecht zur Rotationsachse 8 einen Querschnitt in der Form eines Kreissektors oder Kreisausschnitts als Teilfläche einer Kreisfläche, welche von einem Kreisbogen und zwei Kreisradien begrenzt wird, auf. Die dritte Durchgangsöffnung 14-3 ist in Richtung y der Rotationsachse 8 mit einem variierenden Querschnitt ausgebildet.
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Der Ventilkörper 6a ist aus einem Material mit hoher Formbeständigkeit und Verschleißbeständigkeit, vorzugsweise aus einem Polymer, wie einem Thermoplast beziehungsweise einem hochtemperaturbeständigen thermoplastischen Kunststoff, beispielsweise aus Polyphenylensulfid, kurz als PPS bezeichnet, oder aus einem Thermoset, insbesondere aus Phenolharz, für eine erhöhte Robustheit gefüllt mit Fasern oder mit Mineralien, wie Calciumcarbonat, kurz CaCO3, oder Aluminiumoxid, kurz Al2O3, beziehungsweise Sand oder Keramik, ausgebildet.
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Um einen ausreichenden Verschleißschutz zu gewährleisten, kann der Ventilkörper 6a auch aus einem Aluminium-Druckguss mit einem Silicium-Gehalt größer als 9 Masse-% oder mittels Metallpulverspritzgießen hergestellt sein.
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In den 5a und 5b ist eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung 1b zum Regeln des Durchflusses und Verteilen mindestens eines Fluids in mindestens einem Fluidkreislauf in einer Frontalansicht und in einer Schnittdarstellung einer Seitenansicht gezeigt.
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Der wesentliche Unterschied zwischen der ersten Ausführungsform der Vorrichtung 1a, insbesondere nach den 2a bis 2d, und der zweiten Ausführungsform der Vorrichtung 1b liegt in der Ausbildung des Ventilkörpers 6b, speziell der Ausbildung des Verbindungsbereichs 9b als Welle-Nabe-Verbindung mit dem Verbindungselement 7b. Gleiche Komponenten der Vorrichtungen 1a, 1b sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Das Verbindungselement 7b der zweiten Ausführungsform der Vorrichtung 1b ist im Unterschied zur ersten Ausführungsform der Vorrichtung 1a in beiden Scheibenelementen 4, 5 gelagert, um eine bestmögliche Zentrierung und höchste Genauigkeit zu gewährleisten.
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Die Welle-Nabe-Verbindung zwischen dem Verbindungselement 7b und dem Ventilkörper 6b wird dabei beispielsweise mit einer nicht dargestellten Passfeder hergestellt. Alternativ könnte das Verbindungselement 7b in ein Formwerkzeug eingelegt und zur Drehmomentübertragung mit Kunststoff zum Ausformen des Ventilkörpers 6b umspritzt werden.
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Das Verbindungselement 7b könnte am ersten, mit dem gestrichelten Kreis dargestellten Ende zum Verbinden mit dem Antriebselement zudem mit einer Kappe ausgebildet sein, um den Hauptdurchmesser des als Welle ausgebildeten Verbindungselements 7b und damit die Herstellungskosten zu reduzieren.
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Aus 6 geht eine Fördereinheit 20 mit zwei Fördervorrichtungen 21, 22 zum Fördern des Fluids sowie der nicht dargestellten Vorrichtung 1a, 1b zum Regeln des Durchflusses und zum Verteilen des mindestens einen Fluids in dem mindestens einen Fluidkreislauf hervor. Die Fördervorrichtungen 21, 22 sind vorzugsweise als Pumpen ausgebildet.
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Die Fördereinheit 20 weist mit den mindestens zwei Fördervorrichtungen 21, 22 und der Vorrichtung 1a, 1b zum Regeln des Durchflusses und zum Verteilen des Fluids im Fluidkreislauf eine ausreichende Anzahl an Anschlusselementen sowie Schaltstellungen und damit Durchflussfunktionen beziehungsweise Verteilfunktionen auf, sodass komplexe Schaltzustände meist elektrifizierter Fahrzeugkonzepten mit einer einzigen Vorrichtung 1a, 1b und folglich mit einem Antriebselement abgebildet werden können.
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Die benachbart zueinander angeordneten Fördervorrichtungen 21, 22 werden dabei in entgegengesetzter Antriebsrichtung gedreht, sodass sich die Reaktionsmomente bei Beschleunigung und Verzögerung gegenseitig kompensieren. Die Auswirkungen der beschleunigten Massen werden minimiert.
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Bezugszeichenliste
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- 1a, 1b
- Vorrichtung
- 2
- Gehäuse
- 2-1
- Aufnahmeelement
- 2-2
- Abdeckelement
- 3-1 bis 3-5
- Anschlusselement
- 4
- erstes Scheibenelement
- 5
- zweites Scheibenelement
- 6a, 6b
- Ventilkörper, drittes Scheibenelement
- 7a, 7b
- Verbindungselement
- 8
- Rotationsachse
- 9a, 9b
- Verbindungsbereich
- 10
- Dichtelement
- 11
- Strömungspfad
- 12
- Durchgangsöffnung erstes Scheibenelement 4
- 13
- Durchgangsöffnung zweites Scheibenelement 5
- 14
- Durchgangsöffnung Ventilkörper 6a, 6b
- 14-1
- erste Durchgangsöffnung Ventilkörper 6a
- 14-2
- zweite Durchgangsöffnung Ventilkörper 6a
- 14-3
- dritte Durchgangsöffnung Ventilkörper 6a
- 15
- Strömungsrichtung Fluid
- 20
- Fördereinheit
- 21
- erste Fördervorrichtung
- 22
- zweite Fördervorrichtung
- x, y, z
- Richtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 20170373359 A1 [0008]
- DE 102012022211 A1 [0009]
- DE 102010064338 A1 [0010]
