EP2039902A2 - Vorrichtung zur Einstellung des Durchflusses eines Kühlmittels in einem Kühlkreislauf, und Kühlmittelkreislauf - Google Patents

Vorrichtung zur Einstellung des Durchflusses eines Kühlmittels in einem Kühlkreislauf, und Kühlmittelkreislauf Download PDF

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EP2039902A2
EP2039902A2 EP08159078A EP08159078A EP2039902A2 EP 2039902 A2 EP2039902 A2 EP 2039902A2 EP 08159078 A EP08159078 A EP 08159078A EP 08159078 A EP08159078 A EP 08159078A EP 2039902 A2 EP2039902 A2 EP 2039902A2
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EP
European Patent Office
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coolant
section
opening cross
temperature
meta
Prior art date
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EP08159078A
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Peter Altenhofen
Ferdinand Mittner
Marco Borchert
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Geiger Automotive GmbH
Original Assignee
Geiger Automotive GmbH
Geiger Technik GmbH
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Publication date
Application filed by Geiger Automotive GmbH, Geiger Technik GmbH filed Critical Geiger Automotive GmbH
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Publication of EP2039902A3 publication Critical patent/EP2039902A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P11/00—Component parts, details, or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F01P1/00 - F01P9/00
    • F01P11/02—Liquid-coolant filling, overflow, venting, or draining devices
    • F01P11/029—Expansion reservoirs
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P7/00—Controlling of coolant flow
    • F01P7/14—Controlling of coolant flow the coolant being liquid
    • F01P2007/146—Controlling of coolant flow the coolant being liquid using valves

Definitions

  • the invention relates to a device for adjusting the flow of a coolant in a cooling circuit, in particular for controlling the coolant flow through a cooling water expansion tank, and a coolant circuit, in particular in a motor vehicle.
  • the invention relates to a fluid system, comprising at least one conduit having a first opening cross section for the passage of a fluid, and a fluid system, comprising a conduit system having a first opening cross section for the passage of a fluid, and a second opening cross section.
  • cooling water circuits of motor vehiclesdebergaus In cooling water circuits of motor vehiclesdebergaus Extracts so as a buffer volume of air volume changes of the coolant, for example, as a result of temperature changes, different hose expansions, etc., compensate. Furthermore, cooling water expansion tanks also serve to remove air accumulations from the cooling liquid, since the efficiency of the cooling system would be considerably worsened by air accumulation in the cooling liquid.
  • bimetallic or wax elements are used, for example, which adjust the flow rate relatively continuously.
  • wax elements are relatively expensive and expensive.
  • the cooling water located in the cooling water expansion tank passes only after reaching a certain pressure in the cooling circuit in the main cooling water circuit.
  • the pressure dynamics also depends on the engine load in the warm-up phase, it can not be ruled out in the pressure control that the cooling water located in the cooling water expansion tank reaches the cooling circuit already before reaching the operating temperature due to a high pressure.
  • the present invention is therefore based on the object of specifying a line system for liquid media for a coolant circuit with a coolant expansion tank, which has a space-saving, easy to install and suitable for the purpose of warming up an engine flow adjustment.
  • the inventive device for adjusting the flow of a coolant in a cooling circuit in particular for controlling the coolant flow through a cooling water expansion tank, has at least one first (meta) stable state, the corresponds to a low flow, and at least a second (meta) stable state, which corresponds to a high flow, wherein the device is designed such that it is at a transition of the temperature of the coolant from a first temperature range to a second temperature range of the first (meta) stable state in the second (meta) stable state passes.
  • (meta) stable states are meant stable states and metastable states between which the device can change as soon as a certain amount of temperature change occurs.
  • a bistable element can be used, but it is also possible to provide more than two (meta) stable states, if this is desired for the volume flow control.
  • the device comprises at least one component which, depending on the temperature of the coolant, assumes either a first geometry which corresponds to the first (meta) stable state or a second geometry which corresponds to the second (meta) stable state.
  • a component preferably in the inflow region of thedewasseraus.
  • the geometry of the component which is arranged in the flow area, determines the flow area.
  • the device automatically changes the geometry due to the effect of temperature.
  • the stepwise change in geometry at a temperature impact is intrinsic to the material and the geometric design of the device.
  • the component can assume its geometry as a function of the temperature of the coolant flowing through it. In this way, a direct influence of the temperature of the coolant is ensured on the component.
  • the device may be wholly or partly made of bimetal.
  • the device may also consist wholly or partly of a shape memory material (shape memory alloys FGL).
  • the device preferably has at least one first opening cross section for the flow or for the passage of cooling medium past the device in the first (meta) stable state. Since thedewasseraus GmbH,s employer is located in a secondary cooling circuit and the coolant from the main circuit can not get into the secondary circuit, it comes in the flow-preventing state of the temperature-sensitive component to temperature differences in the main circuit and the secondary circuit. Since the flow through the cooling water expansion tank is to be set / controlled by the device according to the invention as a function of the temperature in the main cooling circuit, it is advantageous to configure the device according to the invention in such a way that a small coolant flow is made possible even in the flow-preventing state.
  • the temperature difference between the main cooling circuit and the temperature applied to the component according to the invention can be considerably reduced, so that a more accurate adjustment is made possible.
  • the adjustment thus takes place with the aid of a leakage current or a bypass current.
  • the bypass can therefore in principle e.g. be provided as opening (s) in or on the device.
  • the device has at least one second opening cross-section for the flow or for the passage of cooling medium past the device in the second (meta) stable state.
  • the component switches between the states with different cross-sections by their special design, their structure, eg material selection, etc. Due to the shape and structure of the device, a desired opening and closing characteristic as a function of the temperature can be realized.
  • the second opening cross section is larger, in particular substantially larger, than the first opening cross section.
  • the first opening area may be zero or nearly zero.
  • the transition from the first (meta) stable state to the second (meta) stable state, and possibly vice versa is preferably non-linear as a function of the temperature of the coolant, that is to say abruptly after exceeding a certain activation potential by the temperature difference.
  • the different states can also be "approached" in a kind of hysteresis.
  • a fluid system according to the invention comprises at least one line with a first opening cross section for the passage of a fluid, and at least one device as described above, which is arranged for closing and / or for releasing the first opening cross section.
  • the fluid system has at least one second opening cross section for the passage of a fluid in addition to the first opening cross section, wherein the second opening cross section is unlocked, regardless of the temperature of the fluid.
  • the fluid transport from an area in front of the device and behind the device can thus also take place via a bypass which is always always unlocked.
  • An inventive coolant circuit in particular in a motor vehicle, comprises at least one device as described.
  • the device By using the device, an optimal, “tailored” characteristic for the limitation of a fluid flow can be realized.
  • a discrete setting between two or more opening states is made possible.
  • the coolant circuit preferably comprises at least one
  • the device is arranged in particular in the coolant expansion tank.
  • a fluid system according to the invention comprises a line system having a first opening cross section for the passage of a fluid, and a second opening cross section, wherein the fluid system comprises a device as described above, which is arranged for closing and / or releasing the second opening cross section in addition to the first opening cross section.
  • the device thus releases a bypass to increase the flow rate from one part of the system to the other part of the system.
  • the system can be used, for example, in conjunction with an additional heat exchanger for heating, but also in conjunction with all other possible applications in which thermal management is necessary.
  • the device is arranged in the inflow area and / or in the outflow area of the coolant compensation tank.
  • FIG. 1 shows a cross section through a fluid line 1, comprising a channel 2 for the passage of a fluid and a closure element 3 according to the invention, the Flow volume of the fluid through the channel 2 sets.
  • the closure element 3 is fastened by means of a suitable attachment 4.
  • a bypass 5 ensures that a certain volume flow always flows from the line area in front of the closure element 3 into the line area behind the closure element 3, in order to transport temperature changes in the fluid of a system (for example a cooling water circuit) to the closure element 3.
  • the closure element 3 changes, as in the FIGS. 2a and 2b represented its geometry as a function of temperature.
  • the closure element 3 is shown in a first state at a temperature below a first threshold temperature T g1 , which corresponds to a practically completely closed state.
  • the closure element 3 is shown in a second state at a temperature above a second threshold temperature T g2 (T g2 greater than or equal to T g1 ), which corresponds to a virtually maximum open state.
  • the closure element 3 is formed, for example, as a bimetallic element or from a shape memory material.
  • the material changes its geometry depending on the temperature. In the embodiment according to the FIGS. 2a and 2b This is indicated by a change in position s of the lower edge of the element 3 in the second state relative to its position in the first state.
  • FIG. 3 shows a graph indicating the opening characteristics of a conventional (line I) and a closure element according to the invention 3 (line II).
  • the variable s as defined above, is shown by way of example as a geometric change relative to the temperature T.
  • a conventional bimetal element bends to a certain characteristic, for example, approximately linearly with the temperature (see. FIG. 3 , Line I), while a closure element 3 is formed according to the invention such that in a first state at a temperature below a threshold temperature Tg a practically completely closed state s 1 (s 1 is about zero) is realized while immediately above the threshold temperature Tg a maximum open state s 2 is set (see. FIG. 3 , Line II).
  • This nonlinear behavior with practically two discrete metastable states can be achieved, for example, by a suitable contour 6 (cf. FIG. 2 ) of the surface of the closure element 3 can be adjusted. Accordingly, the surface structure 6 is designed such that the shape of the element changes abruptly with temperature.
  • FIG. 5 shows a cooling water circuit for cooling a motor 9, which comprises a heat exchanger 7 and an expansion tank 13 for cooling fluid and an engine cooling circuit for cooling a motor 9.
  • the cooling liquid is moved by a water pump 11 for the engine cooling circuit in this.
  • thermostat 10 which controls the flow of coolant from the engine cooling circuit via a line 8 in the heat exchanger 7.
  • the thermostat 10 can in any case flow a certain leakage current through the line 8 into the heat exchanger 7.
  • the thermostat 10 opens according to a certain characteristic with the temperature rise, so that the flow of cooling fluid through the conduit 8 in the heat exchanger 7 can increase.
  • a vent line 14 leads from the heat exchanger 7 in the expansion tank 13.
  • An engine vent line 15 opens, starting from the engine cooling circuit, in the vent line fourteenth
  • the flowing through the vent line 14 fluid flow is limited by a throttle valve 12, which is a closure element 3, as in connection with the FIGS. 1 to 3 described includes.
  • the closure element 3 forms a flow restriction for flowing through the vent line 14 fluid.
  • the thermostat 10 opens so that warmer coolant can enter the heat exchanger 7.
  • a fluid flows in the form of a leakage current (by the in the FIG. 1 shown bypass 5 can flow).
  • This leakage current conveys a fluid in the direction of throttle valve 12 and closure element 3.
  • T g a certain limit temperature of a practically closed state
  • FIG. 2b a maximum open state
  • the invention is not limited to the illustrated embodiments, which merely exemplify design features.
  • the invention is not limited to the rectangular design, i. H. Any other geometries can be realized.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Cooling, Air Intake And Gas Exhaust, And Fuel Tank Arrangements In Propulsion Units (AREA)
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Abstract

Eine Fluidleitung 1 umfasst einen Kanal 2 zum Durchfluss eines Fluids und ein Verschlusselement 3, das das Durchflussvolumen des Fluids durch den Kanal 2 einstellt. Das Verschlusselcment 3 ist mittels einer geeigneten Befestigung 4 befestigt. Ein Bypass 5 sorgt dafür, dass stets ein bestimmter Volumenstrom vom Leitungsbereich vor dem Verschlusselement 3 in den Leitungsbereich hinter dem Verschlusselement 3 durchfließt, um Temperaturänderungen im Fluid eines Systems (beispielsweise eines Kühlwasserkreislaufs) zum Verschlusselement 3 hin zu transportieren. Das Verschlusselement 3 ändert seine Geometrie in Abhängigkeit von der Temperatur. Das Verschlusselement 3 ist beispielsweise als Bimetallelement oder aus einem Formgedächtniswerkstoff ausgebildet. Das Verschlusselement 3 gemäß der Erfindung ist derart ausgebildet, dass in einem ersten Zustand bei einer Temperatur unterhalb einer Schwellentemperatur Tg ein praktisch vollständig verschlossener Zustand s1 (s1 etwa null) realisiert ist, während oberhalb der Schwellentemperatur Tg ein maximal geöffneter Zustand s2 erreicht wird. Dieses nichtlineare Verhalten mit praktisch zwei diskreten metastabilen Zuständen kann beispielsweise durch eine geeignete Kontur der Oberfläche des Verschlusselements 3 eingestellt werden.

Description

    TECHNISCHES GEBIET
  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Einstellung des Durchflusses eines Kühlmittels in einem Kühlkreislauf, insbesondere zur Regelung des Kühlmitteldurchflusses durch einen Kühlwasserausgleichsbehälter, und einen Kühlmittelkreislauf, insbesondere in einem Kraftfahrzeug. Außerdem betrifft die Erfindung ein Fluidsystem, umfassend wenigstens eine Leitung mit einem ersten Öffnungsquerschnitt zum Durchfluss eines Fluids, und ein Fluidsystem, umfassend ein Leitungssystem mit einem ersten Öffnungsquerschnitt zum Durchfluss eines Fluids, und einem zweiten Öffnungsquerschnitt.
    • STAND DER TECHNIK
  • In Kühlwasserkreisläufen von Kraftfahrzeugen sind Kühlwasserausgleichsbehälter angeordnet um mittels eines Puffervolumens aus Luft Volumenänderungen der Kühlflüssigkeit, beispielsweise in Folge von Temperaturänderungen, unterschiedlichen Schlauchdehnungen etc., auszugleichen. Des Weiteren dienen Kühlwasserausgleichsbehälter auch dazu, Luftansammlungen aus der Kühlflüssigkeit zu entfernen, da der Wirkungsgrad des Kühlsystems durch Luftansammlung in der Kühlflüssigkeit erheblich verschlechtert würde.
  • Durch die in Kühlwasserausgleichsbehältern befindliche zusätzliche Kühlflüssigkeit verschlechtern sich allerdings die Warmlaufeigenschaften des zu kühlenden Motors, da in der Warmlaufphase auch das im Kühlwasserausgleichsbehälter befindliche zusätzliche Kühlwasser mit erhitzt werden muss.
  • Bei den bislang bekannten Leitungssystemen für flüssige Medien mit einem Kühlwasserausgleichsbehälter wird daher das im Kühlwasserausgleichsbehälter befindliche Kühlwasser in der Warmlaufphase bis zum Erreichen der Betriebstemperatur durch über Stellglieder angesteuerte Ventile im Kühlwasserausgleichsbehälter gehalten. Die Steuerung der Ventile erfolgt über externe Einheiten wie beispielsweise Temperaturfühler, die im Kühlwasserhauptkreislauf angeordnet sind und Stellglieder. Nachteilig an diesen Systemen ist, dass mehrere Bauteile (Temperaturfühler, Stellglieder, Ventile) benötigt werden und dadurch ein erhöhter Platzbedarf im begrenzten Motorraum erforderlich ist. Außerdem werden zur Montage und zur Fixierung der Komponenten mehrere Arbeitsschritte benötigt.
  • Als Durchflussbegrenzer werden beispielsweise Bimetall- oder Wachselemente eingesetzt, die den Volumenstrom relativ kontinuierlich einstellen. Wachselemente sind jedoch relativ teuer und aufwändig.
  • Alternativ zur thermischen Steuerung des Volumenstroms durch Temperaturfühler und Ventile ist es im Stand der Technik auch bekannt, eine Drucksteuerung vorzusehen. Hierbei gelangt das im Kühlwasserausgleichsbehälter befindliche Kühlwasser erst nach dem Erreichen eines bestimmten Drucks im Kühlkreislauf in den Kühlwasserhauptkreislauf. Da allerdings die Druckdynamik auch in der Warmlaufphase von der Motorbelastung abhängt, lässt sich bei der Drucksteuerung nicht ausschließen, dass das im Kühlwasserausgleichsbehälter befindliche Kühlwasser bereits vor dem Erreichen der Betriebstemperatur bedingt durch einen hohen Druck in den Kühlkreislauf gelangt.
    • AUFGABE DER ERFINDUNG
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Leitungssystem für flüssige Medien für einen Kühlmittelkreislauf mit einem Kühlmittelausgleichsbehälter anzugeben, das eine platzsparende, einfach zu montierende und für den Zweck des Warmlaufens eines Motors geeignete Volumenstromeinstellung aufweist.
    • TECHNISCHE LÖSUNG
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Einstellung des Volumenstroms in einem Kühlmittelkreislauf gemäß dem Anspruch 1, einem Fluidsystem gemäß dem Anspruch 10 oder 15, und einen Kühlmittelkreislauf gemäß dem Anspruch 12.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Einstellung des Durchflusses eines Kühlmittels in einem Kühlkreislauf, insbesondere zur Regelung des Kühlmitteldurchflusses durch einen Kühlwasserausgleichsbehälter, weist wenigstens einen ersten (meta)stabilen Zustand auf, der einem geringen Durchfluss entspricht, und wenigstens einen zweiten (meta)stabilen Zustand, der einem hohen Durchfluss entspricht, wobei die Vorrichtung derart ausgebildet ist, dass sie bei einem Übergang der Temperatur des Kühlmittels von einem ersten Temperaturbereich in einen zweiten Temperaturbereich vom ersten (meta)stabilen Zustand in den zweiten (meta)stabilen Zustand übergeht.
  • Auf diese Weise wird der Durchfluss von Kühlmittel bzw. Kühlwasser durch eine Leitung, insbesondere durch eine Zuflussleitung zu einem Kühlwasserausgleichsbehälter, temperaturabhängig eingestellt. Der Übergang zwischen den beiden Zuständen erfolgt nicht linear, sondern sprunghaft in Abhängigkeit von der Temperatur. Das Prinzip kann insofern als sehr grober Regelkreislauf zwei Ausgangswerten (Zuständen) beschrieben werden. Diese Charakteristik entspricht den Anforderungen zur Lösung der oben angegebenen Anwendung. Der Durchfluss bleibt so lange vollständig begrenzt, bis die Temperatur in einem bestimmten Bereich des Kühlwasserkreislauf tatsächlich einen bestimmten Wert überschritten hat.
  • Die beiden Zustände werden nach dem Prinzip eines temperatursensitiven "Knackfrosches" eingenommen. Unter (meta)stabilen Zuständen sind stabile Zustände und metastabile Zustände zu verstehen, zwischen denen die Vorrichtung wechseln kann, sobald ein bestimmtes Maß an Temperaturänderung eintritt. In der Regel kann ein bistabiles Element eingesetzt werden, es ist jedoch auch möglich, mehr als zwei (meta)stabile Zustände vorzusehen, sofern dies für die Volumenstromsteuerung erwünscht ist.
  • Vorzugsweise weist die Vorrichtung wenigstens eine Komponente auf, die in Abhängigkeit von der Temperatur des Kühlmittels entweder eine erste Geometrie annimmt, die dem ersten (meta)stabilen Zustand entspricht, oder eine zweite Geometrie, die dem zweiten (meta)stabilen Zustand entspricht. Erfindungsgemäß wird also zur Durchflusssteuerung ein Bauteil, vorzugsweise in den Zuflussbereich des Kühlwasserausgleichsbehälters, integriert, das abhängig von der jeweiligen Kühlwassertemperatur am Bauteil seine Form bzw. seine Geometrie so ändert, dass ein Kühlwasserzufluss in den Kühlwasserausgleichsbehälter ermöglicht oder unterbunden wird. Die Geometrie der Komponente, die im Durchflussquerschnitt angeordnet ist, bestimmt den Durchflussquerschnitt. Die Vorrichtung ändert die Geometrie durch die Temperatureinwirkung selbsttätig. Die stufenweise Geometrieänderung bei einer Temperatureinwirkung ist dem Material und der geometrischen Ausbildung der Vorrichtung immanent.
  • Die Komponente kann ihre Geometrie in Abhängigkeit von der Temperatur des sie durchströmenden Kühlmittels annehmen. Auf diese Weise ist ein direkter Einfluss der Temperatur des Kühlmittels auf die Komponente gewährleistet.
  • Die Vorrichtung kann ganz oder teilweise aus Bimetall bestehen. Die Vorrichtung kann auch ganz oder teilweise aus einem Formgedächtniswerkstoff (Formgedächtnislegierungen FGL) bestehen.
  • Die Vorrichtung weist vorzugsweise wenigstens einen ersten Öffnungsquerschnitt zum Durchfluss oder zum Vorbeifließen von Kühlmedium an der Vorrichtung im ersten (meta)stabilen Zustand auf. Da sich der Kühlwasserausgleichsbehälter in einem Nebenkühlkreislauf befindet und das Kühlmittel aus dem Hauptkreislauf nicht in den Nebenkreislauf gelangen kann, kommt es im den Durchfluss verhindernden Zustand des temperatursensitiven Bauteils zu Temperaturunterschieden im Hauptkreislauf und im Nebenkreislauf. Da der Durchfluss durch den Kühlwasserausgleichsbehälter abhängig von der Temperatur im Hauptkühlkreislauf von der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingestellt/ gesteuert werden soll, ist es vorteilhaft, die erfindungsgemäße Vorrichtung so auszugestalten, dass auch im den Durchfluss verhindernden Zustand ein geringer Kühlmitteldurchfluss ermöglicht wird. Hierdurch lässt sich die Temperaturdifferenz zwischen Hauptkühlkreislauf und am erfindungsgemäßen Bauteil anliegender Temperatur erheblich reduzieren, so dass eine genauere Einstellung ermöglicht wird. Die Einstellung erfolgt somit mit Hilfe eines Leckstroms oder eines Bypassstroms. Der Bypass kann also prinzipiell z.B. als Öffnung(en) in oder an der Vorrichtung vorgesehen sein.
  • Die Vorrichtung weist insbesondere wenigstens einen zweiten Öffnungsquerschnitt zum Durchfluss oder zum Vorbeifließen von Kühlmedium an der Vorrichtung im zweiten (meta)stabilen Zustand auf. Die Komponente schaltet zwischen den Zuständen mit unterschiedlichen Querschnitten durch ihre spezielle Formgebung, ihren Aufbau, z.B. Materialauswahl, etc. Durch die Form und den Aufbau der Vorrichtung kann eine gewünschte Öffnungs- und Verschlusscharakteristik in Abhängigkeit von der Temperatur realisiert werden.
  • Der zweite Öffnungsquerschnitt ist größer, insbesondere wesentlich größer, als der erste Öffnungsquerschnitt. Der erste Öffnungsquerschnitt kann null oder nahezu null sein.
  • Der Übergang vom ersten (meta)stabilen Zustand in den zweiten (meta)stabilen Zustand, und eventuell umgekehrt, erfolgt vorzugsweise nicht-linear in Abhängigkeit von der Temperatur des Kühlmittels, also sprunghaft nach dem Überschreiten eines bestimmten Aktivierungspotentials durch die Temperaturdifferenz. Die verschiedenen Zustände können auch in einer Art Hysterese "angefahren" werden.
  • Ein erfindungsgemäßes Fluidsystem umfasset wenigstens eine Leitung mit einem ersten Öffnungsquerschnitt zum Durchfluss eines Fluids, und wenigstens eine Vorrichtung wie oben beschrieben, die die zum Verschließen und/oder zur Freigabe des ersten Öffnungsquerschnitts angeordnet ist.
  • Insbesondere weist das Fluidsystem wenigstens einen zweiten Öffnungsquerschnitt zum Durchfluss eines Fluids zusätzlich zum ersten Öffnungsquerschnitt auf, wobei der zweite Öffnungsquerschnitt unabhängig von der Temperatur des Fluids unverschlossen ist. Der Fluidtransport von einem Bereich vor der Vorrichtung und hinter der Vorrichtung kann also auch über einen in der Regel stets unverschlossenen Bypass erfolgen.
  • Ein erfindungsgemäßer Kühlmittelkreislauf, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, umfasst wenigstens eine Vorrichtung wie beschrieben. Durch den Einsatz der Vorrichtung kann eine optimale, "maßgeschneiderte" Charakteristik für die Begrenzung eines Fluidstroms realisiert werden. Insbesondere wird eine diskrete Einstellung zwischen zwei oder mehreren Öffnungszuständen ermöglicht.
  • Allerdings soll hervorgehoben werden, dass die Erfindung nicht auf diese Anwendung begrenzt sein soll, sondern in allen möglichen Anwendungen, z. B. Solaranwendungen, Heizungstechnik, Sanitärbereich, etc., eingesetzt werden kann, in denen das Management eines fluiden Mediums erforderlich ist.
    • Der Kühlmittelkreislauf umfasst vorzugsweise wenigstens einen
  • Kühlmittelausgleichsbehälter.
  • Die Vorrichtung ist insbesondere im Kühlmittelausgleichsbehälter angeordnet.
  • Ein erfindungsgemäßes Fluidsystem umfasst ein Leitungssystem mit einem ersten Öffnungsquerschnitt zum Durchfluss eines Fluids, und einem zweiten Öffnungsquerschnitt, wobei das Fluidsystem eine Vorrichtung wie oben beschrieben aufweist, die zum Verschließen und/oder zur Freigabe des zweiten Öffnungsquerschnitts zusätzlich zum ersten Öffnungsquerschnitt angeordnet ist. Die Vorrichtung gibt demnach einen Bypass frei, um die Durchflussmenge von einem Teil des Systems in den anderen Teil des Systems zu erhöhen. Das System kann beispielhaft in Verbindung mit einem Zusatzwärmetauscher für die Beheizung, jedoch auch in Verbindung mit allen anderen möglichen Anwendungen, in denen ein Wärmemanagement notwendig ist, eingesetzt werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung im Zuflussbereich und/oder im Abflussbereich des Kühlmittelausgleichsbehälters angeordnet.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. In den Zeichnungen ist der Erfindungsgegenstand beispielhaft dargestellt, es zeigen
    • Figur 1
    einen Querschnitt durch eine Fluidleitung mit einem erfindungsgemäßen Verschlusselement;
    Figuren 2a, 2b
    das Verschlusselement aus Figur 1 in zwei unterschiedlichen Öffnungszuständen;
    Figur 3
    einen Graphen, der die Öffnungscharakteristik eines konventionellen und eines erfindungsgemäßen Verschlusselements zeigt; und
    Figur 4
    einen Kühlkreislauf mit einem erfindungsgemäßen Verschlusselement.
    BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
  • Die Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch eine Fluidleitung 1, umfassend einen Kanal 2 zum Durchfluss eines Fluids und ein erfindungsgemäßes Verschlusselement 3, das das Durchflussvolumen des Fluids durch den Kanal 2 einstellt. Das Verschlusselement 3 ist mittels einer geeigneten Befestigung 4 befestigt.
  • In der Darstellung gemäß der Figur 1 ist der Kanal 2 vollständig verschlossen. Ein Bypass 5 sorgt dafür, dass stets ein bestimmter Volumenstrom vom Leitungsbereich vor dem Verschlusselement 3 in den Leitungsbereich hinter dem Verschlusselement 3 durchfließt, um Temperaturänderungen im Fluid eines Systems (beispielsweise eines Kühlwasserkreislaufs) zum Verschlusselement 3 hin zu transportieren.
  • Das Verschlusselement 3 ändert, wie in den Figuren 2a und 2b dargestellt, seine Geometrie in Abhängigkeit von der Temperatur. In der Figur 2a ist das Verschlusselement 3 in einem ersten Zustand bei einer Temperatur unterhalb einer ersten Schwellentemperatur Tg1 dargestellt, die einem praktisch vollständig verschlossenen Zustand entspricht. In der Figur 2b ist das Verschlusselement 3 in einem zweiten Zustand bei einer Temperatur oberhalb einer zweiten Schwellentemperatur Tg2 (Tg2 größer oder gleich Tg1) dargestellt, die einem praktisch maximal geöffneten Zustand entspricht.
  • Das Verschlusselement 3 ist beispielsweise als Bimetallelement oder aus einem Formgedächtniswerkstoff ausgebildet. Das Material verändert in Abhängigkeit von der Temperatur seine Geometrie. Im Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 2a und 2b ist dies durch eine Positionsänderung s der unteren Kante des Elements 3 im zweiten Zustand relativ zu ihrer Position im ersten Zustand angedeutet.
  • Die Figur 3 zeigt einen Graphen, der die Öffnungscharakteristik eines konventionellen (Linie I) und eines erfindungsgemäßen Verschlusselements 3 (Linie II) angibt. Dabei ist die Größe s wie oben definiert beispielhaft als geometrische Änderung relativ zur Temperatur T dargestellt.
  • Wie aus der Figur 3 ersichtlich, verbiegt sich ein konventionelles Bimetallelement nach einer bestimmten Kennlinie, z.B. in etwa linear mit der Temperatur (vgl. Figur 3, Linie I), während ein Verschlusselement 3 gemäß der Erfindung derart ausgebildet ist, dass in einem ersten Zustand bei einer Temperatur unterhalb einer Schwellentemperatur Tg ein praktisch vollständig verschlossener Zustand s1 (s1 etwa null) realisiert ist, während unmittelbar oberhalb der Schwellentemperatur Tg ein maximal geöffneter Zustand s2 eingestellt wird (vgl. Figur 3, Linie II).
  • Dieses nichtlineare Verhalten mit praktisch zwei diskreten metastabilen Zuständen kann beispielsweise durch eine geeignete Kontur 6 (vgl. Figur 2) der Oberfläche des Verschlusselements 3 eingestellt werden. Demnach ist die Oberflächenstruktur 6 derart konzipiert, dass sich die Form des Elements mit der Temperatur sprunghaft verändert.
  • Die Figur 5 zeigt einen Kühlwasserkreislauf zur Kühlung eines Motors 9, der einen Wärmetauscher 7 und einen Ausgleichsbehälter 13 für Kühlflüssigkeit sowie einen Motorkühlkreislauf zur Kühlung eines Motors 9 umfasst. Die Kühlflüssigkeit wird durch eine Wasserpumpe 11 für den Motorkühlkreislauf in diesem bewegt.
  • Im Motorkühlkreislauf befindet sich zudem ein Thermostat 10, das den Fluss von Kühlmittel aus dem Motorkühlkreislauf über eine Leitung 8 in den Wärmetauscher 7 regelt. Das Thermostat 10 lässt in jedem Fall einen bestimmten Leckstrom durch die Leitung 8 in den Wärmetauscher 7 fließen. Bei einem Temperaturanstieg öffnet das Thermostat 10 nach einer bestimmten Kennlinie mit dem Temperaturanstieg, so dass der Fluss von Kühlflüssigkeit durch die Leitung 8 in den Wärmetauscher 7 zunehmen kann.
  • Vom Wärmetauscher 7 führt eine weitere Leitung 8 zurück in den Motorkühlkreislauf. Außerdem führt eine Entlüftungsleitung 14 vom Wärmetauscher 7 in den Ausgleichsbehälter 13. Eine Motorentlüftungsleitung 15 mündet, vom Motorkühlkreislauf ausgehend, in die Entlüftungsleitung 14.
  • Der durch die Entlüftungsleitung 14 fließende Fluidstrom wird durch ein Drosselventil 12 begrenzt, das ein Verschlusselement 3, wie im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 3 beschrieben, umfasst. Das Verschlusselement 3 bildet eine Durchflussbegrenzung für durch die Entlüftungsleitung 14 fließendes Fluid.
  • Steigt nach einem Kaltstart die Temperatur der Kühlflüssigkeit im Motorkühlkreislauf an, öffnet der Thermostat 10, so dass wärmere Kühlflüssigkeit in den Wärmetauscher 7 gelangen kann.
  • Über die Entlüftungsleitung 14 und die Motorentlüftungsleitung 15 fließt ein Fluid in Form eines Leckstroms (der durch den in der Figur 1 dargestellten Bypass 5 fließen kann). Dieser Leckstrom befördert ein Fluid in Richtung Drosselventil 12 und Verschlusselement 3. Durch einen Temperaturanstieg im Fluid öffnet das Verschlusselement 3 ab einer bestimmten Grenztemperatur Tg von einem praktisch verschlossenen Zustand (vgl. Figur 2a) in einen maximal geöffneten Zustand (vgl. Figur 2b).
  • Auf diese Weise wird gewährleistet, dass bei einem Kaltstart des Motors 9 minimale Wärmeverluste im Motorkühlkreislauf auftreten, während nach Erreichen einer Mindesttemperatur Tg der Ausgleichsbehälter 13 seine Funktion aufnehmen kann. Das Verschlusselement 3 sorgt dafür, dass eine optimale Charakteristik hinsichtlich des Zuflusses von Fluid in den Ausgleichsbehälter 13 erreicht werden kann.
  • Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, die lediglich exemplarisch Konstruktionsmerkmale wiedergeben. Die Erfindung ist insbesondere nicht auf die rechteckige Bauform beschränkt, d. h. es können beliebige andere Geometrien realisiert werden.

Claims (15)

  1. Vorrichtung (3) zur Einstellung des Durchflusses eines Kühlmittels in einem Kühlkreislauf, insbesondere zur Regelung des Kühlmitteldurchflusses durch einen Kühlwasserausgleichsbehälter,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Vorrichtung (3) wenigstens einen ersten (meta)stabilen Zustand aufweist, der einem geringen Durchfluss entspricht, und wenigstens einen zweiten (meta)stabilen Zustand aufweist, der einem hohen Durchfluss entspricht, wobei die Vorrichtung (3) derart ausgebildet ist, dass sie bei einem Übergang der Temperatur des Kühlmittels von einem ersten Temperaturbereich in einen zweiten Temperaturbereich vom ersten (meta)stabilen Zustand in den zweiten (meta)stabilen Zustand übergeht.
  2. Vorrichtung (3) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet dass
    die Vorrichtung (3) wenigstens eine Komponente aufweist, die in Abhängigkeit von der Temperatur des Kühlmittels entweder eine erste Geometrie annimmt, die dem ersten (meta)stabilen Zustand entspricht, oder eine zweite Geometrie, die dem zweiten (meta)stabilen Zustand entspricht.
  3. Vorrichtung (3) nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet dass
    die Komponente ihre Geometrie in Abhängigkeit von der Temperatur des sie durchströmenden Kühlmittels annimmt.
  4. Vorrichtung (3) nach einem der vorhergehende Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet dass
    die Vorrichtung (3) ganz oder teilweise aus Bimetall besteht.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet dass
    die Vorrichtung (3) ganz oder teilweise aus einem Formgedächtniswerkstoff besteht.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet dass
    die Vorrichtung (3) wenigstens einen ersten Öffnungsquerschnitt zum Durchfluss oder zum Vorbeifließen von Kühlmedium an der Vorrichtung im ersten (meta)stabilen Zustand aufweist.
  7. Vorrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet dass
    die Vorrichtung (3) wenigstens einen zweiten Öffnungsquerschnitt zum Durchfluss oder zum Vorbeifließen von Kühlmedium an der Vorrichtung im zweiten (meta)stabilen Zustand aufweist.
  8. Vorrichtung (3) nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet dass
    der zweite Öffnungsquerschnitt größer ist als der erste Öffnungsquerschnitt.
  9. Vorrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet dass
    der Übergang vom ersten (meta)stabilen Zustand in den zweiten (meta)stabilen Zustand, und umgekehrt, nicht-linear in Abhängigkeit von der Temperatur des Kühlmittels erfolgt.
  10. Fluidsystem (1), umfassend wenigstens eine Leitung (2) mit einem ersten Öffnungsquerschnitt zum Durchfluss eines Fluids,
    dadurch gekennzeichnet dass
    das Fluidsystem (1) wenigstens eine Vorrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9 umfasst, die die zum Verschließen und/oder zur Freigabe des ersten Öffnungsquerschnitts angeordnet ist.
  11. Fluidsystem (1) nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet dass
    das Fluidsystem (1) wenigstens einen zweiten Öffnungsquerschnitt (5) zum Durchfluss eines Fluids zusätzlich zum ersten Öffnungsquerschnitt aufweist, wobei der zweite Öffnungsquerschnitt (5) unabhängig von der Temperatur des Fluids unverschlossen ist.
  12. Kühlmittelkreislauf, insbesondere in einem Kraftfahrzeug,
    dadurch gekennzeichnet dass
    der Kühlmittelkreislauf wenigstens eine Vorrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9 umfasst.
  13. Kühlmittelkreislauf nach Anspruch 12,
    dadurch gekennzeichnet dass
    der Kühlmittelkreislauf wenigstens einen Kühlmittelausgleichsbehälter (13) umfasst.
  14. Kühlmittelkreislauf nach Anspruch 13,
    dadurch gekennzeichnet dass
    die Vorrichtung im Kühlmittelausgleichsbehälter (13), im Zuflussbereich und/oder im Abflussbereich des Kühlmittelausgleichsbehälters (13) angeordnet ist.
  15. Fluidsystem, umfassend ein Leitungssystem mit einem ersten Öffnungsquerschnitt zum Durchfluss eines Fluids, und einem zweiten Öffnungsquerschnitt,
    dadurch gekennzeichnet dass
    das Fluidsystem eine Vorrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9 aufweist, die zum Verschließen und/oder zur Freigabe des zweiten Öffnungsquerschnitts zusätzlich zum ersten Öffnungsquerschnitt angeordnet ist.
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