DE29705018U1 - Thermo-Bypass-Ventil - Google Patents

Description

Phys.H.Barteis

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DipL-Ing. MLBartels

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Thermo-Bypass-Ventil

Die Erfindung betrifft ein Ventil zum Ansteuern von Fluidströmen in Kühlkreisläufen mit mindestens einer Kühlvorrichtung.

In einem Kühlkreislauf, der auch aus einem Hydraulikkreislauf bestehen kann, ist insbesondere beim Anfahren der Hydraulikanlage bei kaltem und mithin hochviskosem Fluid, insbesondere in Form von Hydrauliköl, eine Kühlung des Fluids über die jeweilige Kühlvorrichtung nicht sinnvoll.

Es liegt daher der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Ventil zum Ansteuern dahingehender Fluidströme zu schaffen, das es kostengünstig und funktionssicher erlaubt, die Kühlvorrichtung so lange zu umgehen, bis eine Kühlung des Fluidstromes bei Erreichen einer vorgebbaren Betriebstemperatur notwendig ist. Eine dahingehende Aufgabe löst ein Ventil mit den Merkmalen des Anspruches 1.

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Dadurch, daß das Ventil mit einer ein Memory-Metall aufweisenden Schaltfeder innerhalb eines Ventilgehäuses versehen ist, die in Abhängigkeit von der Temperatur des Fluidstromes eine fluidführende Verbindung zwischen einem Pumpenanschluß und, unter Umgehung der an einen Kühleranschluß anschließbaren Kühlvorrichtung, einem Bypassanschluß herstellt oder absperrt, läßt sich zunächst bei Vorliegen von kaltem, hochviskosem Fluid, insbesondere Hydrauliköl, eine Kühlung so lange ausschalten, bis ein vorgebbarer Temperatur-Schwellenwert erreicht ist, bei dem die Schaltfeder auslöst und die dann notwendig werdende Kühlung über die Kühlvorrichtung veranlaßt.

Die hierfür zum Einsatz kommende, ein Memory-Metall aufweisende Schaltfeder ist relativ kostengünstig und es entstehen keine Probleme im Hinblick auf die Medienbeständigkeit, da die Federwerkstoffe hochkorrosionsfest sind. So kann die Schaltfeder direkt im Fluid- oder Ölstrom angeordnet werden. Aufgrund ihrer kleinen Masse kann die Schaltfeder aus Memory-Metall sehr schnell auf Temperaturveränderungen hin ansprechen. Bei der anstehenden Temperaturänderung im Fluidkreislauf tritt bei einer durch die Materialzusammensetzung genau festlegbaren Schwellentemperatur im Memory-Metall eine Art Phasenumwandlung auf, die mit einer Gefüge- und Formänderung des Materials verbunden ist, was man als sog. Memoryeffekt bezeichnet. Dabei ergibt sich eine Formänderung mit einer genau berechenbaren und einstellbaren Längenänderung der Feder, die einen exakten Auslösevorgang für das Ventil ermöglicht.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventils ist es vorgesehen, die jeweilige Kühlvorrichtung oder den Kühler vor Überdruck durch das Ventil zu schützen. Als mögliche Ursachen für einen Überdruck an Kühlvorrichtungen gelten statische Überlastungen durch Staudruck bei zu hohem Durchfluß und/oder zu hoher Viskosität, quasi statische Druckspitzen beim Anfahren der Hydraulikanlage und sehr rasch auftretende Druckspitzen,

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beispielsweise bei Schaltvorgängen von Ventilen sowie eine zu starke Androsselung des Förderstromes hinter dem Ausgang der Kühlvorrichtung. Um diesen Druckbeanspruchungen wirksam zu begegnen und um Schädigungen an den Kühlvorrichtungen zu vermeiden, weist daher das erfindungsgemäße Ventil ein Druckbegrenzungsventil derart auf, daß der in dem Pumpenanschluß anstehende Fluiddruck auf das Druckbegrenzungsventil einwirken kann, das bei Überschreiten eines vorgebbaren Grenzwertes den fluidführenden Weg zu einem Tankanschluß innerhalb des Ventilgehäuses freigibt.

Die aus Thermo-Bypass-Ventil und Druckbegrenzungsventil sich zusammensetzende Ventileinheit läßt sich bei Bedarf direkt an die Kühlvorrichtung anschließen und kann dann als komplette Einheit vom Hersteller auf die Eigenschaften der Kühlvorrichtung abgestimmt in Betrieb genommen werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Ventils sind Gegenstand der Unteransprüche.

Im folgenden ist das Ventil zum Ansteuern von Fluidströmen in Kühikreisläufen anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen in prinzipieller und nicht maßstäblicher Darstellung die

Fig.1 im wesentlichen einen Längsschnitt durch das Ventil mit

seinen verschiedenen Anschlüssen;

Fig.2 einen Schaltplan eines Kühlkreislaufes mit Kühlvorrich

tung mit den Ventiigrundfunktionen des Ventils nach der Fig.1.

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Das Ventil weist ein Ventilgehäuse 10 auf, das mit vier Ventilanschlüssen &Rgr;,&Bgr;,&Tgr; und K versehen ist, wobei P der Pumpenanschluß, B der Bypassanschluß, T der Tankanschluß und K der Kühleranschluß ist. Der jeweilige Ventilanschluß &Rgr;,&Bgr;,&Tgr; und K weist der Umgebung zugewandt Schneidringverschraubungen 12 auf, an die sich jeweils zugeordnet Rohrleitungen anschließen lassen. Die dem Ventiianschluß P zugeordnete Rohrleitung ist an eine Hydropumpe (nicht dargestellt) angeschlossen, wohingegen die Rohrleitung des Tankanschlusses T in einen Fluidtank (nicht dargestellt) mündet. Die Rohrleitung des Bypassanschlusses B führt zu einem Verbraucher A (Fig.2), wobei im Nebenzweig der Kühlkreislauf 14 mit Kühlvorrichtung 16 angeordnet ist. Die Kühlvorrichtung 16 ist wiederum eingangsseitig über eine zugeordnete Rohrleitung an den Kühleranschluß K angeschlossen. Auf der Ausgangsseite der Kühlvorrichtung 16 ist diese über eine zugeordnete Rohrleitung in die Rohrleitung zwischen Bypassanschiuß B und Verbraucher A fluidführend angeschlossen.

Wie insbesondere die Fig.1 zeigt, sind die Ventilanschlüsse &Rgr;,&Bgr;,&Tgr; und K als zylindrisches Einschraubteil ausgebildet, die über ihr jeweiliges Außengewinde 18 in das Ventilgehäuse 10 bei dichtender Anlage einschraubbar sind. Alle Ventüanschlüsse &Rgr;,&Bgr;,&Tgr; und K münden fluidführend in einen Längskanal 20 des Ventilgehäuses 10. Innerhalb des Längskanals 20 und mithin innerhalb des Ventilgehäuses 10 ist eine ein Memorymetall aufweisende Schaltfeder 22 angeordnet. Als Memorymetall für die Schaltfeder dient vorzugsweise eine Legierung aus Nickel und Titan. Dahingehende Schaltfedern 22 aus Legierungen mit einem Formgedächtniseffekt bezeichnet man in der Fachwelt auch als SMA-Federn. Bei Temperaturerhöhung tritt bei einer durch die Materialzusammensetzung festgelegten Temperatur im Metall eine Phasenumwandlung auf, die mit einer Gefüge- und Formänderung des Materials verbunden ist, wobei durch eine entsprechende Vorbehandlung die Schaltfeder 22 derart "trainiert" ist, daß eine genau berechnete Längenveränderung eintritt.

Die in der Fig.1 gezeigte Federlänge der Schaltfeder 22 stellt ihre Einbaulage bei niedrigen Fluidtemperaturen dar. Die Schaltfeder 22 stützt sich dabei mit ihrem einen freien Ende innerhalb des Längskanals 20 am Ventilgehäuse 10 ab und mit ihrem anderen Ende stimseitig an einem hülsenartigen Ventilschieber 24, der längsverfahrbar innerhalb des Längskanals 20 des Ventilgehäuses 10 angeordnet ist und in Längsrichtung gesehen etwa mittig eine Durchtrittsstelle 26 in Form von Querbohrungen für eine fluidführende Verbindung mit dem Bypassanschluß B aufweist. Die Schaltfeder 22 wirkt mit einer Stützfeder 28 zusammen, die wiederum innerhalb des hohlzylindrischen Ventilschiebers 24 geführt ist. Stimseitig weist der Ventilschieber 24 im Bereich der Anlage mit der Schaltfeder 22 einen ständigen Durchlaß 30 derart auf, daß der in dem Pumpenanschluß P anstehende Fluiddruck auf ein Druckbegrenzungsventil 32 einwirken kann, das bei Überschreiten eines vorgebbaren Druckgrenzwertes den fluidführenden Weg zu dem Tankanschluß T innerhalb des Ventilgehäuses 10 freigibt.

Das Druckbegrenzungsventil 32 ist üblicher Bauart und läßt sich stimseitig in das Ventilgehäuse 10 einschrauben. In seiner in der Fig.1 gezeigten Schließstellung verschließt dabei ein federabgestützter Ventilkolben 34 des Druckbegrenzungsventils 32 den fluidführenden Weg zwischen dem Längskanal 20 des Ventilgehäuses 10 und dem Tankanschluß T. Die Stützfeder 28 stützt sich mit ihrem einen freien Ende an der Innenstirnseite des Ventilschiebers 24 ab und mit ihrem anderen Ende an einer konisch ausgebildeten Zulaufspitze des Druckbegrenzungsventils 32. Sowohl Schaltfeder 22 als auch Stützfeder 28 und Ventilschieber 24 sind entlang einer gemeinsamen Längsachse 36 hintereinandergeschaitet innerhalb des Ventilgehäuses 10 bewegbar geführt.

Auf der dem Druckbegrenzungsventil 32 gegenüberliegenden Ende des Ventilgehäuses 10 ist eine Thermoüberwachungseinrichtung in Form eines Thermoschalter 38 eingeschraubt, der es erlaubt, die Temperatur des zulaufenden

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Fluids, insbesondere Hydrauliköl, zu messen und beispielsweise bei Überschreiten eines Temperaturgrenzwertes, der die Funktion des Kühlkreislaufes gefährden könnte, einen Alarm auszulösen. Wie insbesondere die Fig.1 zeigt, ist der Kühleranschluß K ständig mit dem Pumpenanschluß P fluidführend derart in Verbindung, daß die Fluidströmung innerhalb des Ventils eine Richtungsumlenkung erfährt, um Druckspitzen abzubauen.

Die einzelnen Ventüfunktionen des Ventils nach der Fig. 1 in Schaltsymbole aufgelöst sind im Schaltplan nach der Fig.2 dargestellt. Demnach sichert das Druckbegrenzungsventil 32 den Pumpenanschluß P gegenüber unzulässig hohen Druckwerten in Richtung des Tankanschlusses T ab. In der Fig.2 ist das Ventilgehäuse 10 mit den Ventilanschlüssen &Rgr;,&Bgr;,&Kgr; und T symbolisch strichliniert wiedergegeben.

Bei kaltem Fluid, also bei niedrigen Fluidtemperaturen, nimmt das Ventil seine in den Fig.1 und 2 dargestellte Schaitstellung ein, d.h. der Pumpenanschluß P ist fiuidführend über den Durchlaß 30 des Ventilschiebers 24 an den Bypassanschluß B angeschlossen. Zwar ist auch der Kühleranschluß K fluidführend mit dem Pumpenanschluß P und mithin mit der Hydropumpe verbunden. Aufgrund des Durchflußwiderstandes der Kühlvorrichtung 16 findet jedoch der Fluiddurchfluß des Ventils über den Bypassanschluß B und mithin ohne Einschaltung des Kühlkreisiaufes 14 zum Verbraucher A hin statt.

Wird nun ein Temperaturschwelienwert erreicht, dehnt sich die Schaltfeder 22 aus, und zwar derart um eine vorbestimmte Längenänderung, daß der Ventilschieber 24 in Blickrichtung auf die Fig.1 gesehen entgegen der Kraftwirkung der als Druckfeder ausgebildeten Stützfeder 28 nach links so lange verschoben wird, bis die Durchtrittsstelle 26 durch das Ventilgehäuse 10 verschlossen ist. Da der Bypassanschluß B mithin verschlossen ist, erfolgt nunmehr der Fluidtransport von Pumpenanschluß P über den Fluidlängskanal 20 ausschließlich

zum Kühleranschluß K hin und mithin über den Kühlkreislauf 14 mit Kühlvorrichtung 16. Das derart gekühlte Fluid gelangt dann, wie dies insbesondere die Fig.2 zeigt, über die entsprechende Zuführleitung zu dem Verbraucher A. Fällt die Temperatur unter den vorgegebenen Temperaturschwellenwert, zieht sich die Schaltfeder 22 wieder zusammen und unter der rückstellenden Kraftwirkung der Stützfeder 28 wird der Ventilschieber 24 in seine ursprünglich, in der Fig. 1 dargestellte Schaltstellung zurückverfahren, bei der wiederum der Fluiddurchtritt zum Bypassanschluß B freigegeben ist In jedem Betriebszustand des Ventils werden dabei Druckspitzen über das Druckbegrenzungsventil 32 zum Tankanschluß T hin abgesichert.

Es hat sich als besonders günstig erwiesen, den Rohrdurchmesser der an den Ventilanschlüssen P und T angeschlossenen Rohrleitungen entweder gleich, vorzugsweise aber um einen Faktor von 1,4 größer zu wählen als der Rohrinnendurchmesser der Kühlerschlange der Kühlvorrichtung 16, um sog. Joukowski-Schläge vermeiden zu helfen. Mithin können die Komponenten Verrohrung, SMA-Feder 22, Thermoschalter 38 und Druckbegrenzungsventil 32 derart auf einen Kühlkreislauf 14 mit Kühlvorrichtung 16 abgestimmt werden, daß ein maximaler Schutz der Kühlvorrichtung 16 gewährleistet ist, mit der Folge, daß Öihydraulikanlagen sicher angefahren werden können.

Bei einer nicht näher dargestellten Ausführungsform kann der Ventilschieber 24 als durchgehende zylindrische Hülse ausgebildet sein und mithin ohne eine Durchtrittsstelle 26, wobei sich dann vorzugsweise sowohl die Schaltfeder 22 als auch die Stützfeder 28 stirnseitig an einander gegenüberliegenden Enden des Ventilschiebers 24 abstützen. Im kalten Zustand ist dann die Schaltfeder 22 in ihrem zusammengezogenen Zustand und der Ventilschieber 24 befindet sich bündig abschließend zwischen den Anschlüssen B und K. Bei der dahingehenden Schaltsituation ist über den zylindrischen Innenquerschnitt des Ventilschiebers 24 der fluidführende Weg von Pumpenanschluß P zu Bypassanschluß B

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freigegeben. Bei der sog. warmen Betriebssituation ist die Schaltfeder 22 dann in ihrer ausgedehnten Stellung und der Ventilschieber 24 ist entgegen der Kraftwirkung der Stützfeder 28 in einer Schaltposition, bei der seine durchgehend außenumfangsseitig geschlossene Zylindermantelfläche den Bypassanschluß B sperrt, so daß das gesamte vom Pumpenanschluß P stammende zu kühlende Fluid an den Kühlanschluß K mit der angeschlossenen Kühlvorrichtung 16 weitergeleitet wird. Auch bei einer dahingehenden Ausführungsform ist der dahingehende Fluidschaltkreis über das Druckbegrenzungsventil 32 abgesichert.

Claims (10)

-01 - Schutzansprüche

1. Ventil zum Ansteuern von Fluidströmen in Kühlkreisläufen (14) mit mindestens einer Kühlvorrichtung (16) und mit einer ein Memory-Metall aufweisenden Schaltfeder (22) innerhalb eines Ventilgehäuses (10), die in Abhängigkeit von der Temperatur des Fluidstromes eine fluidführende Verbindung zwischen einem Pumpenanschluß (P) und, unter Umgehung der an einen Kühleranschluß (K) anschließbaren Kühlvorrichtung (16), einem Bypassanschluß (B) herstellt oder absperrt.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei niedriger oder hoher Temperatur des Fluidstromes die Schaltfeder (22) über einen Ventilschieber (24) die fiuidführende Verbindung zwischen dem Pumpenanschluß (P) und dem Bypassanschluß (B) herstellt bzw. absperrt.

3. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltfeder (22) mit einer Stützfeder (28) zusammenwirkt, die am Ventilschieber (24) angreift.

4. Ventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilschieber (24) einen ständigen Durchlaß (30) derart aufweist, daß der in dem Pumpenanschluß (P) anstehende Fluiddruck auf ein Druckbegrenzungsventil (32) einwirkt, das bei Überschreiten eines vorgebbaren Grenzwertes den fluidführenden Weg zu einem Tankanschluß (T) innerhalb des Ventilgehäuses (10) freigibt.

5. Ventil nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die einander gegenüberliegenden Enden von Schaitfeder (22) und Stützfeder (28) sich stirnseitig an einem Ende des Ventilschiebers (24) abstützen, der

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längsverfahrbar innerhalb des Ventilgehäuses (10) geführt ist und umfangsseitig eine Durchtrittssteile (26) für die Verbindung mit dem Bypassanschluß (B) aufweist.

6. Ventil nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltfeder (22) und die Stützfeder (28) entlang einer gemeinsamen Längsachse (36) hintereinandergeschaltet verfahrbar sind und daß die Stützfeder (28) sich mit ihrem, dem Ventilschieber (24) gegenüberliegenden Ende am Druckbegrenzungsventil (32) abstützt.

7. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühleranschluß (K) ständig mit dem Pumpenanschluß (P) fluidführend derart in Verbindung steht, daß die Fluidströmung innerhalb des Ventiles eine Richtungsumlenkung erfährt.

8. Ventil nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Thermo-Überwachungseinrichtung, insbesondere in Form eines Thermoschalters (38), im fluidführenden Teil des Ventilgehäuses (10) eingesetzt ist.

9. Ventil nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß alle Anschlüsse (&Rgr;,&Bgr;,&Tgr;,&Kgr;) in einen gemeinsamen Fluidlängskanal (20) innerhalb des Venti!gehäuses (10) münden, in dem die Schaltfeder (22), die Stützfeder (28) und der Ventilschieber (24) angeordnet sind.

10. Kühlkreislauf mit einer Kühlvorrichtung, der ein Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung (16) eingangsseitig an den Kühleranschluß (K) und ausgangsseitig an den BypassanSchluß (B) angeschlossen ist.