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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft ein vereinfachtes Ventilsystem zur Minimierung
der Wirkung von hohem Druck am Ölkühlerteil
eines hydraulischen Servolenksystems und die Verbesserung der Getriebeerwärmungszeit
der Getriebe- oder Motorölsysteme ohne
Gefährdung
der Kühlung
während
des Hochtemperaturzyklus.
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Beschreibung
der verwandten Technik
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Motor-,
Getriebe- und Servolenksysteme verwenden Öl mit einer Viskosität, die mit
Temperaturänderungen
stark schwankt. Ölkühler führen die Wärme aus
dem Öl
ab. Die Hochleistungskühlerkernrohre
weisen kleine hydraulische Durchmesser auf, was auch als kleine
Kanäle
aufweisend beschrieben werden kann. Diese Kanäle können auch "Turbulatoren" oder "Rippen" enthalten, um die Wärme besser zur Rohraußenwand
abzuführen.
Kaltes Wetter verursacht eine starke Einschränkung des Ölflusses durch diese kleinen
Kanäle,
da sich die Viskosität
des Öls
bei den niedrigeren Temperaturen stark erhöhen kann.
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Bei
kaltem Wetter müssen
die Ölsysteme
immer noch in der Lage sein, die übermäßige Wärme abzuführen. Ein Teil oder Teile des
Systems gibt/geben oftmals in Bereichen, die als "Heißstellen" bezeichnet werden
können,
kontinuierlich Wärme
in das Öl
ab. Solche Heißstellen
sind in Bereichen wie Motorkolben, Getriebedrehmomentwandler, Hydrauliklüftermotoren,
hydraulischen Servolenkmotoren, Lager- und Zahnradbereichen zu finden.
Bei kaltem Wetter muss das Öl
immer noch durch die "Heißstellen"-Bereiche fließen, so
dass Wärme
in das und aus dem fließenden Öl abgeführt werden
kann.
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Dies
trägt dazu
bei, ein Überhitzen
oder Verbrennen des Öls
zu verhindern.
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Das
Drehmomentwandleröl
eines Automatikgetriebes muss bei Betrieb im "Schlupf"-Modus durch den Kühler gekühlt werden. Dieser Modus tritt
auf, wenn der Wandler als eine Strömungskupplung wirkt und wenn
der Wandlerstator verriegelt ist, um Drehmomentverstärkung bereitzustellen.
Das vom Kühler zurückkehrende Öl wird in
der Regel zur Schmierung der Kupplungsringe, Lager und Zahnradflächen verwendet.
Das Öl
wird zur "Kupplungsbetätigung" (Betätigung des
Kupplungskolbens) durch eine Zufuhröffnung und ein Speichersystem
zur Zeiteinstellung der Energieaufnahme bei "Kupplungseingriff" verwendet. Die Kupplungsbetätigungszeiteinstellung wird
geändert,
wenn das kalte Öl
mit höherer
Viskosität
langsamer fliegt, um den "Kupplungsbetätigungs"-Kreislauf zu füllen. Die "Kupplungsbetätigung" kann auch durch ein Regelventil gesteuert werden,
das durch ein elektrohydraulisches Elektromagnetsignal gesteuert
wird. Der Hydraulikteil der Elektromagnetvorrichtung arbeitet mit
einer kleineren Zufuhröffnung,
und die Ventilsignalreaktion wird auch durch Erhöhen der Ölviskosität beeinflusst.
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Der Ölbetriebsbereich
wird bei Temperaturen zwischen 40°C
und 100°C
(104°F und
212°F) beschrieben.
Die Getriebeöltemperatur
könnte
optimiert werden, um eine gleich bleibende Schaltqualität bei Temperaturen
zwischen ca. 60°C
und 100°C
(140°C und
212°F) bei
einem Kühlbereich
zwischen ca. 80°C und
121°C (176°F und 250°F) und einem
optimierten Kühlbereich
bei ca. 80°C
(121°F)
sowie einem ungefähren
oberen Grenzgebrauch von 135°C
(275°F) bereitzustellen.
An kalten Tagen muss sich die Öltemperatur
schnell erhöhen,
um die Schaltleistung zu verbessern.
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Hochleistungskühler verwenden
lange röhrenförmige Öffnungen
mit kleinen Querschnitten, um Turbulenzströmung zu optimieren, so dass
der Ölfluss
stark beeinflusst wird, wenn sich das Öl abkühlt. Die Fähigkeit des Fluids, in kleinen
hydraulischem Durchmessern zu strömen, hängt von der steigenden Temperatur
ab. Bei abnehmender Temperatur wird das Öl sehr dick und erfordert einen
viel höheren
Differentialdruck, um durch den Kern zu fließen, oder in Fällen extremer
Kälte,
könnte
der Fluss praktisch zum Stillstand kommen. Der Kühlkreislauf muss es dem Öl gestatten,
zum Energiesystem, aus dem es kam, zurückzufließen, um sowohl als Kühlmittel
als auch als Schmiermittel zu wirken. Kaltölfluss kann am Kühler blockiert
werden und sowohl die Kühl-
als auch die Schmierfähigkeiten
vermindern.
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Es
sind einige Bypasskreisläufe
vorgeschlagen worden, wie zum Beispiel die in der
US-PS 5,575,329 beschriebenen, die
einen Bypassöffnungskreislauf
beschreibt, der eine kontrollierte Leckströmung und eine kontrollierte
Wärmeabgabeverminderung
aufweist, damit dieser Bypass unter Kaltwetterbedingungen zur Verfügung steht.
Dieses Verfahren mit der "passiven
Bypassöffnung" erfordert eine Vergrößerung der
Kernflächengröße des Wärmetauschers,
um die Differenz des nicht gekühlten Strömungsteils
des fortwährend
um den Kern herum fließenden
und die Bypassöffnung
durchquerenden Öls
auszugleichen. Einige Ölkühlersysteme
weisen eine dauerhaft geöffnete
Bypassöffnung
zwischen dem stromaufwärtigen
und dem stromabwärtigen
Teil des Kerns auf, was einen zusätzlichen Kernausgleich erfordert,
um das nicht umgeleitete Öl
zu kühlen
und so umgeleitetes Heißöl auszugleichen.
Das niedrigviskose Heißöl, das durch
die Bypassöffnung
und am Ölkühler vorbei
fließt,
ist beträchtlich.
Die Kerngröße muss
vergrößert werden,
um die zusätzliche
Wärme im
Bypassöl
auszugleichen.
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Ein
anderes bekanntes Verfahren verwendet ein Druckventil im Übertragungsteil
des Kühlerkreislaufs.
Die meisten Hydrauliksysteme weisen ein Druck "Entlastungs"-Ventil auf, um Öl umzuleiten. Dieses Ventil öffnet sich
in der Regel erst dann, wenn der maximal zulässige Kreislaufdruck erreicht
ist. Der Fluss des kalten Öls
des Kühlkreislaufs
wird mit sich erhöhender Ölviskosität eingeschränkt. Das Öl höherer Viskosität wirkt
dem Fluss entgegen, wodurch ein Druckanstieg am Kreislauf verursacht
wird. Wenn der externe Widerstand durch Kaltölwiderstand im Kühler verursacht
wird, wird das innen umgeleitete Heißöl bei einer Temperatur zu den
Kupplungen, Lagern und Zahnrädern
zurückgeleitet,
die möglicherweise
nicht dazu angemessen ist, die optimalen Schereigenschaften für einen
effizienten Systembetrieb aufrechtzuerhalten. Das Ventil öffnet sich
bei dem bestimmten Druck, um das Öl um den Kühlerkreislauf herum zu leiten
und zum Schmierkreislauf zu lenken, wenn der Druck hoch ist. Dieses
Ventil kann sich des Weiteren bei Heißbetrieb unter Winterbedingungen öffnen, wenn
zum Beispiel ein Fahrzeug in tiefem Schnee feststeckt. Die Tendenz
ist, von "Vorwärtsfahrt" auf "Rückwärtsfahrt" und dann wieder zurück auf "Vorwärtsfahrt" zu schalten, wo
sich der Wandler im "Schlupf"-Modus befindet,
der eine große
Wärmemenge
erzeugt. Das den Kühler
umgehende Heißöl kehrt "heiß" zum Schmierkreislauf
(oder manchmal zum "Sumpf" oder "Behälter") zurück. Das
Hochtemperaturöl
stellt eine gewisse Schmierfähigkeit
bereit, jedoch ist die Wärmeabfuhr
von den Kupplungsflächen
stark reduziert. Die verringerte Wärmeabfuhrfähigkeit von der Kupplungsfläche kann
verbrannte Kupplungsflächen
und vorzeitiges Versagen verursachen. Die erhöhte Temperatur an den Lager-
und Zahnradflächen
kann Verschleiß beschleunigen.
In einem anderen Bypasskreislauf öffnet sich das Druckentlastungsventil,
das eine Kugel und eine Feder oder ein Schieberventil und eine Feder
aufweist, wenn der Druck am Kühlerkreislauf
hoch ist. Einige Automatikgetriebe verwenden das druckgesteuerte Bypassventil.
Die Ventilanordnung ist im Getriebe angebracht, und das Öl läuft intern
um. Dieses Ventil reagiert auf hohen Druck und im Allgemeinen nicht
auf Temperatur, außer
bei einer Kreuzkanalschlitzöffnung
in der Ventilkörperdichtung,
die dazu verwendet werden kann, heißes Öl aus dem stromaufwärtigen Kühlerkreislauf
zum Schmierkreislauf abzuleiten. Die Wärme wird nicht aus dem heißen Öl abgeführt, so dass
die Gefahr einer Überhitzung
oder sogar Verbrennung der Kupplungen besteht. Die Zahnräder und
Lager können
immer noch arbeiten, aber mit höheren
Reibungsverlusten.
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Ein
anderes bekanntes System verwendet einen thermischen Stellantrieb
zum Öffnen
einer ersten Bypassöffnung,
um gegen einen Ventilsitz mit einem Sekundärfederteil zur Betätigung eines
zweiten Ventilsitzes zu wirken, wie in der
US-PS 6,499,666 beschrieben. Dies
erfordert zusätzliche
Komponenten wie ein Thermokolben, zwei Federn und zwei unabhängige Ventilsitzkomponenten
zum Erreichen der Bypassfunktion und treibt die Teilekosten eines
solchen Zusatzes in die Höhe.
Durch Erhöhen
der Anzahl von Komponenten zur Durchführung der Betätigung wird
die Variabilität
der Öffnungs-
und Schließbetätigung bei
bestimmten Temperaturen und Drücken
verstärkt.
Es könnte
ein Hochdruckentlastungsventil erforderlich sein, das zusätzliche
Komponenten erfordern kann, wie zum Beispiel beim Servolenkkühlerkreislauf
eine zusätzliche
Kugel und Feder erforderlich sein kann. Der Bypasskreislauf weist
ein Kolbenventil mit einem wärmeausdehnungswachsähnlichen
Material hinter dem Kolbenventil auf. Das "wachsähnliche" Material befindet sich hinter dem Kolben
oder der Membran, die eine ausreichende Kraft und einen ausreichenden
Hub bereitstellt, um das Ventil zu bewegen, jedoch ist die Anordnung
relativ teuer. In der Regel weist die Anordnung ein Sekundärhochdruck-"Teller"-Ventil und eine
Feder auf, um um den geschlossenen Thermoventilteil herum Hochdruckentlastung
bereitzustellen. Bei den Dualsystemen mit ihren mehreren Komponenten
sind diese Komponenten unter zusätzlichen
Kosten vorhanden.
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Die
Größe des Tankölkühlers "im Tank" eines Kühlers ist
aufgrund des Unterbringraumes begrenzt. Deshalb ist seine Wärmeübertragungsfähigkeit
unter extrem heißen
Bedingungen im Allgemeinen beschränkt. Die hohe Leistung des
externen Ölkühlers bei
kälteren
Umgebungstemperaturen kann aufgrund der extrem hohen Viskosität des Öls, das
versucht, durch die kleinen Kernrohrkanäle im Kühlerkern zu fließen, den Ölfluss beschränken. Der
beschränkte Fluss
begrenzt die Schmierung und Kühlung
der stromabwärtigen
Komponenten.
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Hydrauliksysteme
beschreiben Druck in psi (pounds per square inch – Pfund
pro Quadratzoll). Die Druckdifferenz am System bewirkt, dass das
Fluid vom Hochspannungs- zum Niederspannungsteil des Systems strömt. Die
metrische Version erfolgt in der Regel in Kilopascal (kPa) oder
Megapascal (MPa). Bei einer Servolenkung, einem Getriebe und Motorkühlern handelt
es sich um "Strömungswiderstandsflächen". Ölkühler erhalten
stromaufwärts Öl aus dem
Teil des Systems, der die meiste Arbeit verrichtet und einen Teil
seiner Leistung als Wärmeenergie
in das Öl
verliert. Durch den Kühlkreislauf
fließendes Öl trifft
auf einen gewissen Widerstand, wenn es durch die Kühlerleitungen
fließt,
und wird stark verstärkt,
wenn es durch die Hochleistungskühlerkanäle strömt. Bei
Hochleistungskühlern
nach dem Stand der Technik weisen die Kanäle kleine hydraulische Durchmesser
auf, wobei die Größe der Kanäle verringert
ist, um die Kühlleistung
zu verbessern. Die kleineren Kanäle
sind gegenüber
einer Viskositätsänderung
empfindlich. Dieser Zustand kann als ein variabler Widerstand gegenüber einer
Temperaturänderung
betrachtet werden, da sich die Ölviskosität bezüglich der
Temperatur so stark ändert.
Die Konsistenz der Öle ändert sich
von einer "honigartigen" Dicke unter extrem
kalten Bedingungen zu einer "wässrigen" Dicke bei hohen
Temperaturen.
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Der Ölkühler weist
einen hohen Strömungswiderstand
auf, wenn das Öl
extrem kalt ist, ähnlich wie
ein Strömungskanal
mit einer sehr kleinen Öffnung.
Der Ölkühler weist
einen geringen Strömungswiderstand
auf, wenn das Öl
extrem heiß ist, ähnlich wie
ein Strömungskanal
mit einer sehr großen Öffnung.
Die Systemölpumpe
versucht, den Ölfluss
anzuschieben, bis er den maximal zulässigen Systemöldruck erreicht.
Der Differenzdruck von stromaufwärts
zu stromabwärts
des Kerns ist bei kaltem Öl sehr
hoch. Zum Beispiel wird der Druck des Kraftfahrzeuggetriebekühlerkreislaufs
in der Regel auf ca. mindestens 40–45 psi geregelt und der "kalte" Druck am Kern könnte 30–35 psi
sein.
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Der
Fluss des Servolenkkühlers
wird in der Regel durch eine Pumpe mit einer Druckgrenze bei 1200–1500 psi
getrieben. Der Kühlergrunddifferenzdruck
kann 1100 psi überschreiten,
und selbst bei einer durch Form und Länge eingeschränkten Bypassöffnung kann
der Differenzdruck am Kern 400–600 psi
erreichen. Bei großen
Lastkraftwagen und sogar einigen Sportnutzfahrzeugen können die
Systemdruckgrenzen höher
sein.
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Einige Ölkühlerkreisläufe weisen
einen Bypasskreislauf zur Strömung
um den Kühler
herum auf. Dieser Bypasskreislauf wird dazu verwendet, entweder
Druck am Kreislauf zu verringern oder einen Rückfluss zum Wärme emittierenden
Teil bereitzustellen, um ein frühes
Erwärmen
des Öls
im System bereitzustellen.
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Es
besteht Bedarf nach einem vereinfachten Ventilsystem zur Minimierung
der Wirkung von hohem Druck am Ölkühlerteil
eines hydraulischen Servolenksystems und zur Verbesserung der Getriebeerwärmungszeit
der Getriebe- oder Motorölsysteme
ohne Gefährdung
der Kühlung
während
des Hochtemperaturzyklus.
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KURZE DARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
bezieht sich die Erfindung auf eine verbesserte Wärmetauscheranordnung
mit einem Einlass, der mit dem Einlassteil eines ersten Endtanks
in Strömungsverbindung
steht; einem Auslass, der mit dem Auslassteil des ersten Endtanks
in Strömungsverbindung steht;
mehreren Wärmetauscherrohren,
die zur Fluidströmung
dadurch in einem ersten Strömungskreislauf
ausgeführt
sind, wobei mindestens eines der mehreren Rohre mit dem Einlassteil
und mindestens ein anderes der mehreren Rohre mit dem Auslassteil in
Strömungsverbindung
steht; und einem Bypasselement, das sich auf der Außenseite
des Endtanks befindet und zur Bereitstellung eines Durchlasses an einer
Zwischenstelle im ersten Strömungskreislauf ausgeführt ist,
der dazu ausgeführt
ist, bei relativ niedrigen Betriebstemperaturen ein Fluid im ersten Strömungskreislauf
abzufangen, um das Fluid umzulenken, so dass es eine Durchströmung des
gesamten ersten Strömungskreislaufs
vermeidet. Dadurch kann ein wesentlicher Teil des Fluids umgeleitet
werden.
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Bei
einer anderen bevorzugten Ausführungsform
ist das Bypasselement außerhalb
des Endtanks angeordnet und ist insbesondere zur Bereitstellung eines
Durchlasses an einer Zwischenstelle im ersten Strömungskreislauf
ausgeführt,
der dazu ausgeführt ist,
bei relativ niedrigen Betriebstemperaturen einen ersten Druckgradienten
zu erzeugen und ein Fluid im ersten Strömungskreislauf abzufangen,
um das Fluid so umzuleiten, das es ein Durchströmen des Wärmetauscherkreislaufs vermeidet.
Somit enthält
hier eine bevorzugte Konstruktion für ein Bypasselement einen ersten
Durchlass, der Teil des Einlasses ist, einen zweiten Durchlass,
der Teil des Auslasses ist, und einen dritten Durchlass, der den
ersten und den zweiten Durchlass miteinander verbindet. Bei einer besonders
bevorzugten Ausführungsform
liegt der Durchmesser solch eines dritten Durchlasses zwischen ca.
4,0 und ca. 8,0 mm. Bei allen bevorzugten Ausführungsformen kann ein wesentlicher
Teil des Fluids umgeleitet werden.
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Die
Erfindung stellt einen aus einem einzigen Element bestehenden thermischen
Stellantrieb bereit, der sowohl auf Temperatur als auch auf Druck unter
sowohl heißen
als auch kalten Bedingungen reagieren kann. Das thermische Bypassventil
des Kühlers
verwendet ein normalerweise geöffnetes
Ventil, das durch ein einziges Thermoelement gesteuert wird, das
sowohl auf hohen Druck als auch auf niedrige Temperatur reagiert,
um eine Kühlerbypassströmung zu
ermöglichen.
Das einzige Federstellantriebselement wird durch einen stromabwärtigen Druck gegen
die Rückseite
des "Teller"-Ventils unterstützt, um
dem an das Ventil an der Bypasszufuhröffnung angelegten stromaufwärtigen Druck
zu widerstehen, so dass die Thermofeder mit einer minimalen Kraft arbeiten
kann.
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Die
Erfindung stellt ein vereinfachtes Ventilsystem bereit, um die Wirkung
von Hochdruck am Ölkühlerteil
von hydraulischen Servolenksystemen oder Motorölsystemen zu minimieren und
die Getriebeerwärmungszeit
zu verbessern, ohne Kühlung während des
Hochtemperaturzyklus zu gefährden.
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Die
Einfachheit des Systems gestattet die Konzentration der Fertigungssteuerung
auf ein einziges Stellantriebselement, wodurch die Variabilität gegenüber mehreren
Stellantriebskomponenten und Federn reduziert werden kann, und die
Verringerung der entsprechenden Herstellungskosten.
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Das
Ventilsystem weist eine Bypassöffnung auf,
um zu gestatten, dass durch den Ölkühler fließendes Öl den Kühler umgeht
und durch die Öffnung zum
stromabwärtigen
Rückkehrteil
des Kreislaufs fließt.
Die Öffnung
ist so bemessen, dass eine Kalibrierung der Erwärmungszeit und des maximalen
Differenzdrucks am Kern gestattet wird. Dank der Dimensionierung
der Öffnung
können
darüber
hinaus die stromabwärtigen
Kreislauffunktionen bei "Kalt"-Betrieb mit der
erforderlichen Ölmenge
unter Verwendung des zur Verfügung
stehenden Abführdrucks
versorgt werden, der kleiner gleich dem Differenzdruck ist, um Öl bei der
gleichen Temperatur über
den Kern zu leiten. Ein aktives Bypassventil, insbesondere das Thermoelement
des aktiven Bypassventils, das auf der stromabwärtigen Seite der Öffnung angeordnet
ist, sperrt die Strömung
durch die Öffnung
mit dem ein einziges aktives Ventil aufweisenden thermischen Stellantrieb,
der auf Temperatur reagiert, und das Schließen des Ventils wird dadurch unterstützt, dass
die Rückseite
des "Teller-"Ventils mit dem stromabwärtigen Druck
beaufschlagt wird. Der thermische Federstellantrieb schließt das Ventil nur
gegen den maximalen Differenzdruck, der zur Strömung durch den Kern im "heißen" Zustand erforderlich
ist. Das Ventil öffnet
sich als Reaktion auf übermäßigen Differenzdruck
an der Öffnung
und kalte Temperaturen.
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Die
durch das Thermoelement gegen die Seite des Ventils, oder bei einer
besonderen Ausführungsform
des "Teller"-Ventils, erzeugte
Kraft wird durch den stromabwärtigen
Druck gegen die gleiche Ventilrückseitenfläche unterstützt, der
dem stromaufwärtigen
oder Einlassseitendruck an der Öffnung
entspricht. Die Thermoelementkraft wird minimiert, weil sie nur
gegen die Differenzdruckkraft wirken muss. Die Federlast ist so
konzipiert, dass sie der durch maximalen Differenzdruck am Kern
während
der "heißen" Zykluskühlphasen
erzeugten Kraft entgegenwirkt. Jeglicher Druck der größer ist
als der zur normalen Strömung
durch den Kern im "heißen" Zustand (wenn das Öl seine
geringste Viskosität
aufweist) erforderliche Druck, kann das Ventil in den geöffneten Zustand
zwingen, um den stromaufwärtigen
Druck zu entlasten. Der hohe stromaufwärtige Druck wird fast ausschließlich bei
kälteren Öltemperaturen erfahren, das
heißt,
wenn das Ventil normalerweise geöffnet ist.
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Das
Thermoelement besteht aus einem Bimetallmaterial und weist eine
größere Länge als
Breite auf. Die Dicke des Bimetallelements wird vergrößert, wenn
das Differenzdruckkrafterfordernis den Bedarf erhöht, eine
Schließkraft
gegen das "Teller"-Ventil aufrechtzuerhalten.
Dadurch wird die Dichtung gegen den Differenzdruck an der Öffnung aufrechterhalten.
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Wenn
sich die Temperatur auf die angegebene Ventilschließtemperatur
erhöht,
schließt
sich das normalerweise geöffnete
Ventil, und das Ventil dichtet gegen die Bypassöffnung ab. Der Fluss wird an der
Bypassöffnung
gestoppt und zwingt sämtlichen Fluss
durch den Kühler.
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Wenn
das Öl
unter die angegebene Dichtungstemperatur abgekühlt ist und in den stromabwärtigen "Kühlerausgangs"-Teil des Kreislaufs
eintritt, wo sich das Bimetallelement befindet, entspannt sich das
Element und gestattet, dass das kalte Öl stärker durch die Öffnung fließt und dabei
den Kühler zur
Rezirkulation durch das Ölsystem
umgeht, bis es warm genug ist, sich dem spezifischen "Ansprech"-Punkt des Thermoventils
zu nähern.
Das Thermoelement erfasst stromabwärtiges "Kühlerausgangs"-Öl, das zum Hydrauliksystem
zurückkehrt, und
wird dadurch aktiviert.
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Das
Ventil ist so ausgeführt,
dass es nur gegen den ungefähren
maximalen Differenzdruck (oder etwas darüber) am Kern bei der spezifischen
Ventilansprechtemperatur wirkt. Jeglicher Einlassleitungsseitendruck,
der größer ist
als die Ansprechpunktspezifikation, verursacht, dass das Ventil
in den Bypassmoduls übergeht.
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Der
Ventilteil kann zusätzliche
Druckhystereseeigenschaften aufweisen, wo sich das Ventil in einen
zweiten Druckbereich öffnet,
um einen gewissen Abstand zwischen Öffnungs- und Schließdrücken zu gestatten.
Dadurch wird ein "Schwanken" von Öffnen zu
Schließen
am "Ansprechpunkt" reduziert.
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Der
Thermobetriebsmodus stellt Spannung oder Entspannung der Ventilfederöffnung bereit,
um kaltes Öl
umzuleiten und im heißen
Zustand abzudichten, um das heiße Öl durch
den Kühler
zu zwängen.
Eine Thermometallfeder stellt eine sich vergrößernde Kraft gegen den Federwagen
im heißen
Zustand bereit. Der Federwagen ist über eine Bypassöffnung angeordnet.
Die Öffnung
ist für
ca. die Hälfte (1/2)
des Normalflusses bei kalten Temperaturen (und Differenzdrücken) bemessen.
Der Wagen, und insbesondere der Ventilsitzteil, der gegen das Öffnungsloch
abdichtet, verhindert, dass Öl
aus dem Kühlereinlass
zur Kühlerrückleitung
fließt,
wenn das Öl
heiß ist.
Das thermische Bypasssystem hält
einen maximalen gekühlten Ölfluss durch
den Kühler
aufrecht, und "kaltes" Öl fließt sowohl unter extrem heißen als
auch kalten Umgebungsbedingungen durch den Bypasskreislauf, um eine
hydraulische Verkümmerung
des stromabwärtigen
Teils des Systems, wie zum Beispiel des Schmierkreislaufs, zu verhindern, und
verhindert eine Überhitzung
der geschmierten Komponenten. Die Bypassöffnung gestattet einen Ölfluss um
den Kühler
herum, bis er den spezifischen Kühltemperaturmodus
erreicht. Das Ventil soll sich bei Temperaturen in einem Bereich
von ca. 140°F
bis ca. 212°F öffnen oder
schließen
und Differenzdrücken
von in der Regel ca. 12 psi bis ca. 35 psi standhalten. Der Ventilwagen
weist einen begrenzten Öffnungshub
zwischen 1,0 und 3,0 Millimetern auf, um eine unzulässige Biegung
oder zu starke Spannung der Thermofeder zu verhindern. Die Feder
und das Ventil sind zu einem kassettenförmigen Gehäuse zusammengefügt. Das
Gehäuse
weist mindestens einen radialen Ring und bei einer besonderen Ausführungsform eine
O-Ringdichtung auf, um eine Ölleckage
zu verhindern. Es kann ein zusätzlicher
Staubschutz hinzugefügt
werden, um zu verhindern, dass Schmutz und Feuchtigkeit von außen in den
Kassettendichtungsbereich eintreten. Es können zusätzliche Steuerungen, einschließlich Öffnungslöcher, zur Beschränkung eines
stromaufwärtigen
Stroms in den Kühler
und eines stromabwärtigen
Stroms aus dem Kühler,
eingebaut werden, um Bypassströmungsverhältnisse,
insbesondere für
Frühaufwärmsteuerung, zu
regulieren.
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Die
einfache Bimetallstellantriebsfeder und vorzugsweise ein einstöckiger Wagen
stellen ein kostengünstiges,
zuverlässiges
Bypassventilsystem bereit, das einen Ölfluss von der "Kühlereingangs"-Hydraulikleitung
zur "Kühlerausgangs"-Rückleitung
gestattet, wenn die Öltemperatur
so weit fällt,
dass der Fluss durch den Kühler
stark eingeschränkt
ist.
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Die
Einfachheit des Ventils gestattet, dass die Herstellungskosten niedrig
bleiben und sein Betrieb über
die Lebensdauer des Fahrzeugs wiederholbar und langlebig ist. Das
Verfahren erfordert keine zusätzliche
Kühlerkerngröße, um heißes umgeleitetes Öl, das in
einem offenen Bypassöffnungssystem
um den Kern herum strömt,
auszugleichen.
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Die
Kosten des Systems sind geringer als das Zweiphasenmaterial-Thermoventil,
das Gehäusekomponenten,
Kolben, Dichtungen, Federn und Wärmeausdehnungswachs
erfordert.
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Vorteilhafterweise
werden in Wärmetauschern
gemäß der vorliegenden
Erfindung ein oder mehrere Bypassventilträgerelemente, einschließlich eines
Bypassventils und einer Gehäuseanordnung, verwendet.
Es werden bei Wärmetauschern
gemäß der vorliegenden
Erfindung vorteilhafterweise eine Steueröffnung und Durchlässe verwendet.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
ein bekanntes Ölviskosität-/Temperaturdiagramm
aus Informationsmaterial der Mobil® Oil
Company;
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2 ist
ein Öltemperatur-über-Kühlerdifferenzdruck-Diagramm, das Merkmale
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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3A und 3B sind
Seitenschnittansichten einer ersten Ausführungsform eines Bypasssystems,
das an einem Wärmetauscher
befestigt ist, gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung.
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4a zeigt
eine zweite Ausführungsform einer
Hydraulikprinzipskizze eines Kühlerbypasssystems
mit einer Feder quer zum Ölflussweg;
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4b zeigt
die zweite Ausführungsform
in einer geschlossenen Stellung;
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4c zeigt
die zweite Ausführungsform
in einer geöffneten
Stellung;
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5a zeigt
eine dritte Ausführungsform
einer Hydraulikprinzipskizze eines Kühlerbypasssystems mit einer
Federlänge
kollinear zum Ölflussweg;
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5b zeigt
die dritte Ausführungsform
in geschlossener Stellung;
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5c zeigt
die dritte Ausführungsform
in einer geöffneten
Stellung;
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6a ist
ein Diagramm eines Vergleichs zwischen externem Kühler/Kombiöffnung/Kombiventiltemperatur;
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6b ist
ein Diagramm eines Vergleichs zwischen externem Kühler/Kombiöffnung/Kombiventildruck;
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7a und 7b zeigen
ein Beispiel für eine
Anordnung zur Bereitstellung einer Druck/Temperatur-Verzögerungshysterese
am Tellerventil, um das Öffnen
des Ventils vom Schließen
des Ventils zu beabstanden und so ein "Nachjagen" zu verhindern.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Auf
die 3a und 3b Bezug
nehmend, wird ein Wärmetauscher 100 zum
Kühlen
eines Fluids, wie zum Beispiel eines Öls (z. B. Getriebeöls, Servolenköls oder
dergleichen), dargestellt. Vorteilhafterweise enthält der Wärmetauscher
ein beispielhaftes Bypassventilträgerelement 102, das
Fluidströmung
durch das Bypassventilträgerelement 102 im Wesentlichen
verhindern kann, wenn die Fluidtemperatur relativ hoch ist, aber
die Fluidströmung
durch das Bypasselement 102 gestatten kann, wenn die Fluidtemperatur
relativ niedrig ist.
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Bei
einer Ausführungsform
wird ein Glied 104 (zum Beispiel ein Aluminiumblock) bereitgestellt, das
einen Durchlass 122 mit einer Steueröffnung 106 enthält, die
mit einem Einlass 110 und einem Auslass 114 des
Wärmetauschers 100 in
Strömungsverbindung
steht. Wie gezeigt, enthält
der die Steueröffnung 106 enthaltende
Durchlass eine Kammer 118, ein erstes Durchgangsloch 122 und
ein zweites Durchgangsloch 124. Das erste Durchgangsloch 122 steht
mit der Kammer 118 und dem Einlass 110 in Strömungsverbindung.
Das zweite Durchgangsloch 124 steht mit der Kammer 118 und
dem Auslass 114 in Strömungsverbindung.
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Bei
alternativen Ausführungsformen
ist es möglich,
den Durchlass 106 gemäß den verschiedensten
Konfigurationen auszubilden. Zum Beispiel können Durchgangslöcher des
Durchlasses 106 mit einem Einlassteil 130 und
einem Auslassteil 134 eines Endtanks 138 des Wärmetauschers 100 in
Strömungsverbindung
stehen. Bei anderen beispielhaften Ausführungsformen ist die Kammer 118 ausgelassen.
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Gemäß der gezeigten
bevorzugten Ausführungsform
enthält
das Bypasselement 102 eine Anordnung 140, die
in der Kammer 118 positioniert ist, um Fluidströmung durch
den Bypassdurchlass 106 gezielt und im Wesentlichen zu
verhindern. Wie gezeigt, enthält
die Anordnung 140 einen an einer oder mehreren Stützkonstruktionen 148 befestigten
Stellantrieb 144 und ein Stopfenglied 152, das über den Stellantrieb 144 zwischen
mindestens einer (in 3a gezeigten) ersten Stellung
und einer (in 3b gezeigten) zweiten Stellung
betätigt
werden kann.
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Bei
der bevorzugten Ausführungsform
sind die Stützkonstruktionen 156 am
Glied 104 befestigt und wiederum am Stellantrieb 144 angebracht,
um den Stellantrieb 144 in der Kammer 118 zu stützen. Es
kommt in Betracht, die Stützkonstruktionen 148 in den
verschiedensten Konfigurationen und Formen zum Stützen des
Stellantriebs 144 bereitzustellen. Wie in den 3a und 3b gezeigt,
enthält
jede der Stützkonstruktionen 148 einen
Körperteil 156, der
sich verschiebbar durch (nicht gezeigte) Löcher in Teilen 160 des
Stellantriebs 144 und Löchern
im Stopfenglied 152 erstreckt. Vorzugsweise enthalten die
Stützkonstruktionen 148 des
Weiteren einen Kappenteil 164 zum Halten des Stellantriebs 144 am
Körperteil 156.
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Darüber hinaus
ist der Stellantrieb 144 bei der bevorzugten Ausführungsform
gegen das Glied 152 vorbelastet, um das Glied 152 zu
einer Wand 166 und/oder einer Öffnung der Kammer 118 zu
drücken. Es
kommt in Betracht, den Stellantrieb 144 in den verschiedensten
Konfigurationen zum Vorbelasten des Glieds 152 vorzusehen.
In den 3a und 3b wird
der Stellantrieb 144 als eine Feder (zum Beispiel eine Blattfeder)
gezeigt, deren Teile 160 an den Stützkonstruktionen 156 befestigt
sind, so dass ein vorragender Teil 170 des Stellantriebs 144 gegen eine
erste Fläche 174 des
Stopfenglieds 152 vorbelastet ist.
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In
Normalstellung strömt
Fluid durch den Einlass 110 zum Einlassteil 130 des
Endtanks 138. Danach strömt das Fluid durch Rohre 180 des
Wärmetauschers 100 zum
Auslassteil 134 des Endtanks 138 und durch den
Auslass 114 hinaus. Zum Antrieb einer solchen Strömung wird
zwischen dem in den Wärmetauscher 100 strömenden Fluid
und dem aus dem Wärmetauscher 100 heraus
strömenden
Fluid eine Druckdifferenz erzeugt. In der Regel ist diese Druckdifferenz
größer, wenn
das Fluid kalt ist, im Vergleich zur Differenz, wenn das Fluid kühler ist.
Vorzugsweise wird diese Druckdifferenz auch am Bypass 102 erzeugt
und in Abhängigkeit
von der Größe der Druckdifferenz
kann zumindest ein Teil des Fluids durch den Bypass 102 strömen.
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Insbesondere
legt der Stellantrieb 144 eine Kraft an das Glied 152 an,
die eine Fläche 180 des Stopfenglieds 152 gegen
die Wand 166 der Kammer 118 drückt . Wenn die Größe der Druckdifferenz
unter einem vorbestimmten Schwellwert liegt (das heißt wenn
das Fluid wärmer
ist), hält
der Stellantrieb 144 die Fläche 180 des Stopfenglieds 152 im
Wesentlichen bündig
gegen die Wand 166 der Kammer 118 (wie in 3a gezeigt).
Die Fläche 180 des
Stopfenglieds 152 bedeckt oder schließt das Durchgangsloch 122 des
Durchlasses 106 und verhindert im Wesentlichen eine Fluidströmung durch
das Bypasselement 102. Wenn jedoch die Größe der Druckdifferenz über einem
vorbestimmten Schwellwert liegt, überwindet die Druckdifferenz
die durch den Stellantrieb 144 an das Glied 152 angelegte
Kraft und bewegt die Glieder 152 von der Wand 166 der
Kammer 118 weg, wodurch gestattet wird, dass ein wesentlicher
Teil des Fluids durch den Durchlass 106 strömt und die Rohre 190 des
Wärmetauschers 100 umgeht
(wie in 3b gezeigt). Bei einer bevorzugten
Ausführungsform
kann das Glied 152 ein (nicht gezeigtes) kleines Lüftungsloch
enthalten, um eine wesentliche Fluidmenge in der Kammer 118 des
Durchlasses 106 zu halten, ohne jeglichen wesentlichen
Strom durch den Durchlass 106 zu gestatten.
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Vorteilhafterweise
kann der Stellantrieb 144 so gewählt werden, dass er den vorbestimmten Schwellwert
der Druckdifferenz in Abhängigkeit
von dem bestimmten Fluid, das durch den Wärmetauscher strömen soll,
und von der Konfiguration des bestimmten Wärmetauschers bestimmt. Darüber hinaus
kann ein Bypasselement so konfiguriert sein, dass es fast jeden
beliebigen gewünschten
Teil (zum Beispiel sämtlichen,
die Hälfte
oder dergleichen) der Fluidströmung
durch den Bypass vorsieht, wenn das Glied eine Fluidströmung durch
den Bypass gestattet.
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Es
versteht sich, dass die hier offenbarten Bypassmerkmale unter besonderer
Bezugnahme auf ihre Verwendung in einem Einfluidwärmetauscher dargestellt
worden sind. Sie finden jedoch auch in Mehrfluidwärmetauschern
Anwendung. Demgemäß sieht
die vorliegende Erfindung auch Mehrfachfluidwärmetauscher und ihren Betrieb,
einschließlich
eines Bypassmerkmals, vor.
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Bei
den bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung reagiert das Bypassöffnungs- und -ventilsystem
auf eine Temperatur und eine Druckdifferenz zwischen der Kühlerkerneinlassleitung 110 und
der Kühlerkernauslassleitung 114, zum
Beispiel ein Bimetallventil. Der Differenzdruck zwischen dem stromaufwärtigen Kerneinlass 110 und
dem stromabwärtigen
Kernauslass 114 ist der einzige Druck, der auf die Ventilthermofeder
oder den Ventilstellantrieb wirkt. Der stromaufwärtige oder Einlassdruck wird
zum Vorderseitenöffnungsdurchmesser
des Bypassventils geleitet, und der stromabwärtige oder Auslassdruck wird
zur Rückseite
des Bypassventils geleitet, um somit eine entgegengesetzte Kraftwirkung
an dem Ventil bezüglich
des Einlassdrucks vorzusehen. Deshalb ist die Kraft, die dazu erforderlich
ist, das Ventil geschlossen zu halten, ungefähr gleich der Kraft, die durch
die Differenz der beiden Drücke
am Ventil am Öffnungsdurchmesser
erzeugt wird. Diese Anordnung gestattet es der Schließkraft einer
Thermofeder mit einer relativ geringen Rate, die Öffnung abzudichten
und einen maximalen Fluss durch den Kühler aufrechtzuerhalten, wenn
das Öl
heiß ist.
Die Bypassanordnung kann an einer beliebigen Stelle im Ölkreislauf
angeordnet werden, solange sich die Einlasshälfte der Öffnung stromaufwärts des
Kerns und die Auslasshälfte
der Öffnung
stromabwärts
des Kerns befindet und die Thermofeder zum Schließen der Öffnung an
der Stelle im Kühlkreislauf
eingestellt ist.
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Bei
bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung ist (sind) eine oder mehrere Öffnungen)
so bemessen, dass sie die Kernauslassströmung der Bypassströmung anpasst(en),
wenn die Temperatur ansteigt, um das Öl aufzuwärmen. Bei besonders bevorzugten
Ausführungsformen
ist eine Öffnung
am Kerneinlass stromabwärts
des Bypassöffnungseinlasses
angeordnet, um den Kern weiter der Bypasströmung anzupassen. Bei anderen Ausführungsformen
kann eine dritte Öffnung
dem Kernauslass stromaufwärts
des Bypassöffnungsauslasses
hinzugefügt
werden. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wirken die Kernrohre
selbst als eine variable Verbundöffnung,
die auf Temperaturänderungen
reagiert.
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Die
bevorzugte Position der Feder ist im stromabwärtigen Ölfluss, so dass eine geöffnete oder geschlossene
Stellung gemäß den erwünschten Öltemperaturbedingungen
eingestellt werden kann, wo das Öl
zur Wiederverwendung zurückkehrt;
das heißt stromabwärts des
Auslasses 114. Diese Anordnung gestattet weiterhin eine
Regeltemperatursteuerung zur Früherwärmung des Öls für die Motor-,
Getriebe- oder Servolenksystemleistung; zum Beispiel weniger Leckage
an den Dichtungsflächen,
die zu Druckverlust oder geringerer Ölscherung an der Kupplungsbetätigungssteueröffnung oder
an den Lager-, Ventil- und Kolbenflächen oder an den Pumpen- und
Motorflächen
führt.
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Das
Material des Ventils besteht aus mindestens zwei verschiedenen Metallen;
das heißt
es handelt sich um ein Bimetallventil. Das Bimetallmaterial ist
flach ausgebildet, biegt sich gewöhnlich in der Form, um sich
so von einer flachen zu einer Bogenform zu krümmen. Bei Schaltern liegen
die Bimetallventile entweder in U-Form oder in runder Scheibenform
vor. Die Scheibenform weist eine Sprungschnappwirkung auf, die eine
sofortige Änderung verursacht.
Die Wahl der Materialien erfolgt in der Regel für eine gewünschte Bewegung und erzwingt eine
Belastung an den Kontaktstellen bezüglich der Temperatur unter
Berücksichtigung
von Ermüdung und
Kosten.
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Jedes
Material weist eine unterschiedliche Wärmeausdehnungsrate bezüglich des
anderen Materials auf. Zum Beispiel ist eines der beiden Materialien,
die zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen
werden, rostfreier Stahl (das heißt eine Chrom-Stahl-Legierung). Das zweite
Material ist vorzugsweise eine Legierung aus Nickel und rostfreiem
Stahl, die zwischen 30 und 40 Gew.-% Nickel, insbesondere ca. 40
Gew.-% Nickel, enthält
(einer der Handelsnamen ist INVARTM). Der
Wärmeausdehnungskoeffizient
für das
eine Material beträgt
ca. 12 × 10–6 pro
Grad Temperaturänderung;
das zweite weist einen Wärmeausdehnungskoeffizienten
von ca. 3–4 × 10–6 pro
Grad Temperaturänderung
auf. Das Ausdehnungsverhältnis
zwischen den beiden Materialarten beträgt ca. 4 : 1. Wenn die beiden
Materialien miteinander verbunden sowie erwärmt und gekühlt sind, besteht deshalb das
Gesamtergebnis der gewalzten Bimetallplatte in einer Verformung,
die eine allmähliche
Krümmung
von einer flachen Platte oder als Alternative ein allmähliches
Geraderichten einer gekrümmten
Form verursacht. Das normale Dickenverhältnis des Material mit der
stärkeren
Dehnung zu dem Material mit der schwächeren Dehnung liegt zwischen
ca. 2 : 1 bis 1 : 1 oder 50–70%
der Dicke.
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Eine
andere Materialart kann eine Legierung aus Nickel und rostfreiem
Stahl sein, die 36 Gew.-% Nickel mit anderen Spurenmetallen enthält, um seine thermisch-mechanischen Eigenschaften
zu ändern (einer
der Handelsnahmen ist INCONELTM). Der Wärmeausdehnungskoeffizient
für den
ersten rostfreien Stahl beträgt
ca. 12 × 10–6 pro
Grad Temperaturänderung;
das zweite Material weist einen Wärmeausdehnungskoeffizient von
ca. 0,8 × 10–6 pro
Grad Temperaturänderung
auf. Das Ausdehnungsverhältnis
zwischen den beiden Materialarten beträgt ca. 15 : 1.
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Das Öl soll in
einem Temperaturbereich zwischen ca. 40°C und 100°C (104°F und 212°F) arbeiten, wobei seine Eigenschaften
dem Fachmann bekannt sind. Siehe 1. Die Ölbetriebsviskosität würde bei
Temperaturen von ca. 60°C
oder darüber optimiert
sein. Dies wird durch Einstellung des Ansprechpunkts auf eine Temperatur
von ca. 60°C
und 100°C
oder 80°C
+ 20°C (140°F und 212°F oder 176°F + 36°F) erreicht.
Wenn die Temperatur unter den Ansprechpunkt von 80°C abfällt, ist
der Fluss durch die Bypassöffnung
weniger beschränkt.
Die Ventilfeder entspannt sich und gestattet, dass das kalte Öl durch
die Bypassöffnung
zur kühleren
Rückleitung
hinaus fließt,
wie in den 3b, 4c und 5c gezeigt.
Wenn sich das Öl
abkühlt,
wird eine volle Strömung
durch die Bypassöffnung
erreicht. Das Ventil setzt bei 80°C
und darüber
auf (schließt sich),
um dem Kerndifferenzeinlass-zu-Auslassdruck zu widerstehen, wie
in dem Diagramm von 2 gezeigt.
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Das
Ventilsystem besitzt einen Betriebsmodus, der mit Unterstützung des
Rückseitenrückleitungsdrucks
plus der Thermofederkraft arbeitet. Die Bimetallventilfeder 212 ist
zur Bereitstellung einer Haltekraft gegen den maximalen Differenzdruck
am Kern ausgeführt,
wie in 4a schematisch gezeigt, wodurch
das spezifische Ventil 210 gegen die stromaufwärtige Einlassleitung 220 geschlossen
wird, wobei sowohl durch den Thermofederstellantrieb 212 als
auch durch den kalten stromabwärtigen
Rückleitungsdruck 230 Kräfte erzeugt
werden, wie in 4b gezeigt. Jeglicher stromaufwärtige Druck,
der größer als
die "Ansprechpunkt"-Spezifikation (siehe 2) ist,
bewirkt, dass das Bypassventil 210 in den Bypassmodus übergeht,
wie in 4c gezeigt. Im Bypassmodus biegt
sich die Bimetallventilfeder 212 nach links durch, wie
in 4c gezeigt, wodurch die Öffnung 206 geöffnet wird.
Deshalb würden
jegliche Kaltwetterhochdruckspitzen aufgrund der automatischen Umgehung
der Rohre 290 des Kerns 240, wodurch Öl direkt
vom Kühlereinlass 220 zum
Kühlerauslass 230 geschickt
wird, reduziert werden.
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Bei
der Ausführungsform
der 4a–4c enthält der Ölweg den
Kühlereinlass 220 und
den Einlassteil 236 des Endtanks 238 des Wärmetauschers,
der die Bypassöffnung 206 enthält. In dem
in 4c gezeigten Bypassmodus ist das Bypassventil 210 geöffnet und
das Fluid strömt
aus dem Einlassteil 236 des Endtanks 238 in die
Rückseite
des Bypassventils 210. Dann strömt Öl durch den Kühlerauslass 230.
Somit enthält
bei der Ausführungsform
nach den 4a–4c der
Bypassströmungsweg
sowohl das Bypasselement 200 als auch den Endtank 238.
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Bei
der Ausführungsform
nach den 5a–5c enthält der Ölweg den
Kühlereinlass 320 und
den Einlassteil 336 des Endtanks 338 des Wärmetauschers.
Im Gegensatz zu der vorherigen Ausführungsform sind das Bypassventil
und der Durchlass im Bypasselement 300 enthalten. In dem in 5c gezeigten
Bypassmodus ist das Bypassventil 310 geöffnet und das Fluid strömt aus dem Kühlereinlass 320 und
in die Kammer 318 an der Rückseite des Bypassventils 310 hinaus.
Dann fließt Öl durch
den Kühlerauslass 330.
Somit ist bei der Ausführungsform
nach den 5a–5c der
Bypassströmungsweg
ausschließlich
im Bypasselement 300 enthalten; somit erfordert diese Bypassanordnung
nur eine geringe oder gar keine Modifikation des Endtanks 338 des
Wärmetauschers.
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Das
in den 4a–4c schematisch
dargestellte Ventilsystem zeigt eine Thermoventilfeder 212,
die eine Querbetätigungskraft – bezüglich der Länge der
Thermoventilfeder 212 – auf
die stromabwärtige
Seite des Bypassventils 210 ausübt. Die Bimetallthermoventilfeder 212 biegt
sich von der Öffnung 206 weg,
um so die Öffnung 206 zu öffnen.
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Das
in den 5a–5c schematisch
dargestellte alternative Ventilsystem zeigt eine Thermoventilfeder 312,
die eine "in einer
Linie liegende" lineare
Betätigungskraft – bezüglich der
Länge der
Kammer 318 und der Thermoventilfeder 312 und daran entlang – auf die
stromabwärtige
Seite des Bypasselements 300 ausübt.
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In
jedem Fall stellt der Thermobetriebsmodus eine einfache Spannung
bereit, wenn sich "Kühlerausgangs"-Ö1 erwärmt, oder eine Entspannung der
Ventilfeder, wenn "Kühlerausgangs"-Temperaturen kalt
sind. Dadurch wird ein wiederholbarer Öffnungs-"Kalt"-Betrieb
und Abdichtungs-"Heiß"-Betrieb bereitgestellt,
um das heiße Öl durch
den Kühlerkreislauf
zu zwingen. Eine einfache Bimetallfeder liefert eine vergrößerte Zugkraft
gegen den Federwagen, wenn sich das Öl erwärmt. Der Federwagen ist über eine
Bypassöffnung
angeordnet, die so bemessen ist, dass sie einen normalen Strom durch
die Öffnung
und den Kühler
herum gestattet, bis das Öl
eine Temperatur erreicht, die ein Kühlen erforderlich macht. Der
Wagen dichtet gegen das Öffnungsloch ab
und verhindert somit einen Ölbypass
vom Kühlereinlass
zur Kühlerrückleitung,
wenn das Öl
heiß ist. Diese
Anordnung sorgt für
einen kontinuierlichen Fluss gekühlten Öls durch
den Kühlerkreislauf
sowohl unter extremen heißen
als auch extrem kalten Umgebungsbedingungen, um eine hydraulische
Verkümmerung
des Systemschmierkreislaufs und somit einer Überhitzung der geschmierten
Komponenten zu verhindern, wie in den 3a, 4b und 5b gezeigt.
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Bei
der Ausführung
der zweiten Ausführungsform
des Bypassventils (ähnlich
dem in 4b gezeigten), das über den
normalen angegebenen Systembetriebstemperaturen geschlossen ist,
war die Bypassöffnung
mit ⌀ 3,75
mm und einem Spalt von 0,5 von Feder zu Ventil bei Raumtemperatur (20°C) bemessen.
Bei einer Sumpftemperatur von –12°F erwärmte das
Ventilsystem die Auslasstemperatur so schnell wie die längliche
mit Vertiefungen versehene 6 mm-Rohröffnung und schneller als die längliche
4 mm-Öffnung,
wie in 6a gezeigt. Die Erwärmung kann
noch mehr beschleunigt werden, wenn die Ventilöffnung auf einen Durchmesser
von 4 mm oder darüber
vergrößert wird.
Die Systemsumpföltemperatur
ist bei höheren
Temperaturen im Vergleich zu dem mit Vertiefungen versehenen 6 mm-Rohrbypass des im
Handel erhältlichen
Kühlers nach
dem Stand der Technik und der länglichen
4 mm-Öffnung,
die beide im Heißprogramm
kontinuierlich geöffnet
sind, gesenkt, wenn das Ventil abdichtet, um sämtliches Öl durch den Kühler zu
zwingen, wie in dem Rest des Diagramms von 6a gezeigt.
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Das
Kaltzyklushochdruckservolenksystem kann das Absinken des Kühlerteildruckes
vom den 456,8 psi des 6 mm-Kühlers auf
221,4 psi bei dem Ventil mit der Öffnung von ⌀ 3,75 verringern, und sogar
noch weiter, wenn sich der Öffnungsdurchmesser auf
eine Öffnung
von ⌀ 0,4
mm erhöht,
wie in 6b gezeigt. Wenn der Heißzyklusteil
des Programms erreicht ist, erhöht
sich der "Kühlereingangs"-Druck bei dem Bypassventil,
wenn der Fluss durch den Kühlerkern
gezwängt
wird, im Vergleich zu den geöffneten 6
mm- und 4 mm-Öffnungseinheiten,
wie in 6b gezeigt.
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Tests
zeigen, dass der Kühler
mit dem Thermoventil bei harscheren 55 MPH bei einem 4%-Heißzyklusprogramm
einen höheren
Druck am Kühlerkern
aufrechterhält,
wodurch der Fluss durch den Kühler
gezwängt
und die Systemkühlung
verbessert wird, wie am Sumpf an geöffneten 6 mm- und 4 mm-Kühlern gemessen.
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Die
Ventilanordnung liegt in einer Kammer 118, 218, 318,
die zwischen der Kühlereinlassleitung 110, 220, 320 und
der Kühlerrückleitung 114, 230, 330 hydraulisch
verbunden ist. Die Dichtungsplatte oder das Ventil stellt eine Dichtung
gegen die Hochdruck- oder Einlassseite des Kühlerkreislaufs sowie eine Verbindung
hinter der Feder zur Kühlerrückleitung
bereit. Im Falle der Dichtungsplatte umfasst die Anordnung ein Dichtungsglied 152, 213, 313,
das über
einem Bypassloch oder einer Bypassöffnung 106, 206, 306 liegt,
das bzw. die von der Kühlereinlassleitung
führt,
und weist eine Bimetallfeder 212, 312 auf, die
gegen die Platte angebracht und auf eine bestimmte Spannung gegen
die Platte kalibriert ist, um die Platte über der Bypassöffnung 106, 206, 306 geschlossen
zu halten. Die Platte und die Bimetallfeder können durch Verwendung vertikaler
Säulen,
wie zum Beispiel Stiften oder Schrauben, die in Endbereichen wie
Löchern
und/oder geschlitzten Enden liegen, über dem Loch oder der Öffnung ausgerichtet werden.
Die Feder ist durch die Kappen oben an den Säulen in vertikaler Richtung
entlang den Endsäulen angeordnet.
Die Spannung kann unter Verwendung von Lastzellenanzeigen gegenüber der
Dichtungsplatte kalibriert werden. Des Weiteren kann die Dichtungsplatte
eine kleine Entlüftungsöffnung aufweisen,
damit Fluid vor dem Öffnen
die Kammer füllen kann.
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Die
Feder ist so kalibriert, dass sie genug Haltekraft aufrechterhält, um die
Dichtungsplatte gegen den Kühler
im Bypassloch über
dem minimalen normalen Differenzbetriebsdruck und über den
minimalen normalen Betriebstemperaturen zu halten.
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Das
Plattenbypassventil nach der Darstellung in den 3b, 4c und 5c wird
geöffnet gezeigt,
so wie es der Fall ist, bevor es die spezifische extrem kalte Temperatur
erreicht, bei der das Öl des
externen Kühlers
durch den Kühler
im Wesentlichen gesperrt ist. Die Feder befindet sich in einer entspannten
Position und verursacht, dass das Plattenventil freigegeben wird
und Strömung
durch die Kammer und aus der Ölkühlerrückleitung
heraus gestattet wird.
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Eine
Druck/Temperatur-Verzögerungshysterese
kann auf das Tellerventil angewandt werden, um die Öffnungstemperatur
oder den Öffnungsdruck
des Ventils vom Schließen
des Ventils zu beabstanden und somit ein "Schwanken" zu verhindern, wie in den 7a und 7b gezeigt.
Dies erfolgt durch Öffnen
oder Schließen
zu einer zweiten Durchmesserfläche
am Ventilteil des Bypassventilsystems.
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Die
Einmaligkeit der Erfindung besteht darin, dass das Thermoventil
die Betätigungskraft
zum Schließen
eines Tellerventils oder kugelförmigen Ventils
gegen Kühlereinlass-
oder stromaufwärtigen Druck
ist, wenn das Öl
heiß ist.
Des Weiteren wird die Thermofeder beim Schließen unterstützt, indem der stromabwärtige Druck
zur Rückseite
des Tellerventils geleitet wird, um die Thermofeder zu unterstützen. Es wird
eine sehr geringe Kraft verwendet, um das Ventil geschlossen zu
halten, weil die Feder nur den Differenzdruck am Ventil ausgleichen
muss. Darüber
hinaus ist keine zweite Feder zur Hochdruckentlastung erforderlich,
weil sich die Bimetallfeder bei einer darüber liegenden Druckdifferenz öffnet, die
zur Abdichtung angegeben ist, um eine volle Strömung durch den Kühlerkern
bei Hochtemperaturkühl- (HEISS-)Modus
zu erzwingen.
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Die
Feder gestattet, dass sich das Ventil bei allen Temperaturen unter
der angegebenen "HEISS"-Kühlphase öffnet. Dies
sorgt automatisch für
eine Bypassströmung
zur Einleitung eines frühen Erwärmens des Ölsystems.
Das Ventil ist aus nur einem aktiven Element hergestellt, so dass
eine Kalibrierung der gefertigten Feder bei gleich bleibender Betätigungsqualität wiederholbarer
wäre. Durch
eine relativ geringe Anzahl von Teilen werden die Herstellungskosten
niedrig gehalten. Das heißt
eine gestanzte Bimetallfeder, ein Kunststofftellerventil, ein Kunststoffkassettengehäuse, das
das Ventil und die Feder positioniert, eine O-Ringdichtung zur Abdichtung
des Gehäuses
gegen den bestehenden Wärmetauscherventilkörper bei
der Montage, einen Haltestift aus gewalztem Blechmaterial zum Halten
der Gehäuseanordnung
im Wärmetauscherblock
und eine optionale Staubdichtung zum Schutz der Öffnung vor Staub, Schlamm oder
Streusalz. Die Einlass- und die Auslassöffnungssteuerungen können an
den Kerntankanschlüssen
so bemessen sein, dass sie den Strom in den und aus dem Kern bezüglich der
Bypassöffnungsströmung dosieren,
um Erwärmung
zu verbessern. Dieses System ist von keinem bestimmten Ölsystem
abhängig
und kann gemeinhin verwendet oder einzig für Servolenkungs-, Motor- oder
Getriebesysteme kalibriert werden.
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Der
zum Schließen
der Bypassströmung
erforderliche Dichtungsdruck beträgt in der Regel unter 20 psi
bei Getriebekühlerdifferenzdrücken und
unter 40 psi bei den meisten anderen. Ein Druck über 40 psi tritt in der Regel
auf, wenn das Öl
kalt ist. Die Öffnung
sollte bei Temperaturen unter ca. 60°C (140°F) geöffnet sein, damit sich Öl schnell
erwärmen
und die angegebene Mindesttemperaturgrenze bewahrt werden kann.
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Wenn
die Temperatur extrem kalt ist, kann eine Druckentlastung für Servolenksysteme
und für einige
Getriebe erforderlich sein, die keine Druckentlastung durch ein
anderes Mittel haben. Einige Ölkühler weisen
eine Druckentlastungsfähigkeit
auf. Wenn die Bypassöffnung
zu klein oder zu eingeschränkt
ist, dann kann die Erwärmungszeit
länger dauern.
Bei einer zu großen
Bypassöffnung
ist die Ölkühlung weniger
vorteilhaft. In diesen Fällen
hält die kleinere Öffnung das
heiße Öl kühler.
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Die
Bimetallfeder mit einem Ventil, bei dem stromabwärts Öldruck auf die Rückseite
des Ventils ausgeübt
wird, gestattet ein geringeres Lasterfordernis für das Schließen. Das
Ventil gestattet die Verwendung einer größeren Öffnung im Bypass, weil der Bypassölfluss während des
Kühlmodus
des Ölkühlers geschlossen
wird. Die gegen beide Seiten des Ventils wirkenden Differenzdrücke verringern
den Bedarf nach einem sieh bei extrem hohen Drücken öffnenden Sekundärfedermechanismus,
weil es nur mit einer geringen Druckdifferenz arbeitet und sich
immer bei extrem hohen Drücken öffnet, die
in der Regel unter extrem kalten Bedingungen auftreten würden.
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Das
Ventil öffnet
sich und schließt
sich, wenn heißes Öl durch
die Öffnung
und kaltes Öl
aus dem Kern heraus strömt.
Das "Schwanken" oder Regulieren
des Ventils kann verringert werden, um die Lebensdauer der Feder
zu verlängern.
Dies kann durch Beaufschlagen des Ventils mit einer Hydraulikhysterese
erfolgen, so dass es sich bei seinem Öffnen zu einem zweiten Druckbereich öffnet, wie
in den 7a und 7b gezeigt.
Dies würde
auch dazu beitragen, "Nachjagen" während des
Schließens
des Ventils bei Änderung
des Druckbereichs zu vermeiden.
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Unter
Bezugnahme auf die 7a und 7b kann
sich die Feder, wenn die hohe Seite des Differenzdrucks das Ventil
aufschiebt und die Öltemperatur
auf der Rückseite
gefallen ist – und
wenn das hereinströmende Öl wärmer ist
als das Rückseitenöl um das
Ventil herum – erwärmen und
das Ventil schließen.
Dieser Zyklus kann sich immer wieder wiederholen, wodurch die Öltemperatur
des herausströmenden Öls reguliert
wird. Das Öffnen
kann zu einem zweiten größeren Druckbereich
führen,
um das Ventil selbst bei höheren Öltemperaturen
länger geöffnet zu
halten. Dadurch entsteht ein abgestufter Abstand zwischen Öffnen und
Schließen,
um eine ausgeprägte
Konizität
des Ventil- und Schließbereichs
bereitzustellen.
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Mit
anderen Worten, das Bypassventil kann nach dem Öffnen einen Sekundärdruckbereich
aufweisen (das heißt
der Sekundärteil
des Ventilträgers),
was dazu verwendet wird, die Öffnungs-
und Schließzeit
zu beabstanden und den Fluidstromspalt schneller zu öffnen, wobei
Temperatur und/oder Druck die Steuervariablen sind (da sie alle
zusammenhängen)
und zur Regulierung der Stellantriebsfeder wirken.
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Obgleich
die Erfindung unter Bezugnahme auf gewählte bevorzugte Ausführungsformen
dargestellt und beschrieben worden ist, versteht sich, dass verschiedene Änderungen
an Form und Detail daran durchgeführt werden können, ohne
vom Schutzbereich und Gedanken der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel
ist das Bypassventil eine einzige Bimetallfeder, die auf Druck oder
Temperatur reagiert. Die Feder ist in der Regel an der Rückseite
einer Öffnung angebracht,
die die Einlass- mit der Auslasskühlerleitung verbindet. Die
Federwirkung verläuft
entweder quer zu ihrer Länge
oder kann parallel zur Längsachse
(Länge)
der Feder verlaufen. Die Wirkung der Feder legt eine Kraft an die
Rückseite
eines . Tellerventils an, um das Ventil gegen eine Öffnung zu
schließen.
Die bei der "Ansprech"- oder Öffnungstemperatur
angelegte maximale Kraft ist gleich dem maximalen Differenzdruck
am Kern, weil der Niederseitenkerndruck (Auslassdruck) die Feder
dabei unterstützt,
das Ventil geschlossen zu halten. Weiterhin kommt jedoch auch in
Betracht, dass das Ventil quer zur Parallelkraftwirkung bezüglich der
Länge der
Feder sein kann. Jedoch würde
das Ventil den Kernrückseitendruck
verwenden, um die Feder zu unterstützen. Der Differenzdruck ist
gleich der Federkraft, um zumindest einen Druckabfall an der Öffnung zu gestatten.
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Ein
Linearkraftmotor oder Elektromagnet könnte zur Betätigung des "Teller"-Ventils verwendet werden.
Die für
den Motor erforderliche Kraft würde mit
zunehmender Öffnungsgröße größer sein
und könnte
den für
dieses System zulässigen
Amperebereich übertreffen.
Es könnte
eine Öffnung
oder ein Elektromagnet als Signal am Ende eines Schieberventils
verwendet werden, um die elektrische Energie zu verstärken, da
ein kleiner Druck über
eine große Fläche verwendet
wird, um das Ventil auszulenken und das Öl umzuleiten.
-
Darüber hinaus
könnte
das Bypassventil für einen
Flüssigkeits-Flüssigkeits-Wärmetauscher
ausgeführt
werden. Das Ventil würde
sich entweder auf der Kühlmittelseite
oder der Ölseite
befinden, um die Fluidströmung
umzuleiten.
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Schwerlastkraftwagen,
Militärfahrzeuge
oder andere Fahrzeuge, wie zum Beispiel öffentliche Verkehrsfahrzeuge,
können
diese Technologie in Zukunft einsetzen. Es wird erwartet, dass die Ölfluss- und
Differenzdruckanforderungen von Schwerlastkraftwagen größer sind
als die von Kleinlastwagen und Kraftfahrzeugen. Die Bimetallfedern
sind normalerweise auf eine Kraftbelastungserzeugung von unter einem
Kilogramm begrenzt, und es sind mehr Informationen erforderlich,
um über
Belastungscharakteristiken nähere
Angaben machen zu können.
-
Zusammenfassung
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Fahrzeugölkühlsystem
mit einem Ölkühler und
mindestens einer Bypassöffnung
(106), die zwischen dem stromaufwärtigen Kühlereinlassteil (110) und
dem stromabwärtigen
Kühlerauslassteil
(114) des Ölkühlerkreislaufs
mit einem normalerweise geöffneten
Bimetallventil angeordnet ist. Das Öl aus dem stromabwärtigen Kühlerauslass
wird zur Rückseite
des Ventils (152) geleitet, so dass der Druckbereich des
stromaufwärtigen
Teils an der Bypassöffnung
(106), der auf das geschlossene Ventil einwirkt, dem aktiven
Druckbereich direkt gegenüberliegt,
der dem stromaufwärtigen Öffnungsbereich
entspricht, der auf das Ventil einwirkt. Das thermisch betätigte Bimetallstellantriebsglied
(144) ist hydraulisch und thermisch mit dem stromabwärtigen Kühlerauslassteil
(114) des Kühlerkreislaufs
verbunden und erzeugt eine thermisch aktivierte Federkraft, die
größer ist
als die maximale Netto-Differenzdruckkraft, die an der Bypassöffnung und
quer auf die Fläche
der stromaufwärtigen
Seite des Ventils wirkt. Die Federkraft erhöht sich mit steigender Öltemperatur.