Ventil zur Steuerung von Volumenströmen

Die Erfindung betrifft ein Ventil zur Steuerung von Volumenströmen nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs.

Stand der Technik

Ein Kühl- bzw. Heizkreislauf eines Kraftfahrzeuges beinhaltet in der Regel eine zu kühlende Wärmequelle, beispielsweise eine Brennkraftmaschine eines

Kraftfahrzeugs, die mittels eines Kühlmediums durch freie oder erzwungene Konvektion gekühlt werden soll. Die Temperaturdifferenz über der Wärmequelle ist vom Wärmeeintrag und von der Größe des Volumenstroms des Kühlmittels abhängig, während die absolute Temperatur des Kühlmediums durch den

Wärmeeintrag der Wärmequelle, die Wärmeabfuhr über etwaige, im Kühlkreislauf befindliche Kühlerelemente und die Wärmekapazitäten der beteiligten Materialien bestimmt wird. Um einerseits die Brennkraftmaschine vor dem Überhitzen zu schützen und andererseits die Abwärme der Brennkraftmaschine beispielsweise zur Beheizung des Fahrgastraumes nutzen zu können, wird im Kraftfahrzeug ein Kühlmittel umgepumpt, das die überschüssige Wärmeenergie der

Brennkraftmaschine aufnimmt und in gewünschtem Maße abführt.

Der Heiz- bzw. Kühlkreislauf eines Kraftfahrzeuges umfasst in der Regel verschiedene Teilkreisläufe, wie beispielsweise einen Kühlerzweig, einen Bypass- Zweig und/oder auch einen Heizungswärmetauscherzweig. Über einen im

Kühlerzweig angeordneten Kühler oder Radiator kann die überflüssige

Wärmemenge des Kühlmittels an die Umgebungsluft abgegeben werden. Ein Heizungswärmetauscher macht andererseits die zur Verfügung stehende Wärmemenge des Kühlmittels zur Beheizung des Fahrgastraumes nutzbar. Die Verteilung des Kühlmittelstromes auf die verschiedenen Zweige des Kühl- bzw. Heizkreislaufes wird dabei üblicherweise durch zumindest ein Ventil gesteuert.

Hierzu wird in der DE 10 2006 053 310 AI vorgeschlagen, die gewünschte

Kühlmitteltemperatur durch das Mischen eines gekühlten und eines ungekühlten Kühlmittelstroms einzustellen. Dazu wird ein Steuerventil verwendet, dessen Durchströmöffnungen durch ein Verdrehen veränderlich sind. Um die

Durchströmöffnungen zu verstellen, ist in dem Steuerventil ein Elektromotor angeordnet, der über ein Schneckengetriebe die Position einer Ventilscheibe so verstellt, dass durch das Steuerventil ein gewünschter Kühlmittelstrom strömt.

Der Elektromotor ist dabei nicht vom Kühlmittelstrom getrennt, sodass die

Komponenten des Elektromotors, wie etwa der Rotor und das Getriebe, mit

Kühlmittel umflutet sind.

Aus der US 5, 950, 576 ist ferner ein Proportionalkühlmittelventil bekannt, dessen Ventilkörper scheibenförmig ausgebildet ist und eine Mehrzahl von

Durchtrittsöffnungen aufweist, die es erlauben, die gewünschten Verbindungen zwischen dem Einlasskanal des Ventils und mehreren Auslasskanälen herzustellen. Die Ventilscheibe der US 5, 950, 576 wird mittels einer Welle über einen

elektromechanischen Aktuator entsprechend den Vorgaben eines

Verbrennungsmotor- Steuergerätes gestellt.

Aus der DE 10 2006 053 307 AI ist ferner bekannt, die Öffnungen der

Ventilscheibe durch Dichtelemente in Form von Dichtringen, sowie mit

Federelementen, die das Dichtelement an die Ventilscheibe andrücken, zu realisieren, sodass die Leckageraten bei einem geschlossenen Kühlkreislauf nahezu Null sind.

Bei Ausfall der Versorgungsspannung ist bei den obigen Ventilen eine

Verstellung der Ventilscheibe nicht mehr möglich, so dass diese keine definierte Position einnehmen kann. Daher kann es passieren, dass der

Verbrennungsmotor überhitzt, weil das Ventil in einer Stellung stehen bleibt, in der nicht ausreichend Kühlmittel zirkulieren kann. Im Extremfall bleibt das Ventil in Vollabsperrung stehen, so dass keine Kühlung mehr möglich ist. Offenbarung der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Notlaufkonzept für ein Ventil mit einer um die Achse einer Welle drehbar angeordneten Ventilscheibe vorzusehen, mit dem eine Zirkulation auch bei Ausfall der Versorgungsspannung gegeben ist.

Das Ventil zur Steuerung von Volumenströmen eines Kühlmittels in einem Heiz- und/oder Kühlsystem eines Kraftfahrzeuges weist ein Ventilgehäuse mit mindestens einem Einlasskanal sowie mindestens einem Auslasskanal auf. In dem Ventilgehäuse ist mindestens eine, um die Achse einer Welle drehbar angeordnete Ventilscheibe vorhanden, die die Verbindung zwischen dem mindestens einem Einlasskanal und dem mindestens einen Auslasskanal des Ventils beeinflusst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in dem Ventilgehäuse zwischen dem mindestens einen Einlasskanal und dem mindestens einen Auslasskanal ein Bypass- Kanal sowie ein Bypass-Ventil angeordnet sind, über die der mindestens eine Einlasskanal und der mindestens eine Auslasskanal im Falle einer Überhitzung des Kühlmittels miteinander verbindbar sind. In vorteilhafter Weise ergibt sich hierdurch die Möglichkeit, einer unverzögerten Reaktion im Falle der Überhitzung, während übliche thermisch gesteuerte Einrichtungen entweder verzögert oder gar nicht auf ansteigende Temperaturen der Brennkraftmaschine reagieren, da sie thermisch nicht optimal an das System angekoppelt sind.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich durch die in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale sowie aus der Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung.

In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass eine Steuereinrichtung das Bypass-Ventil öffnet, wenn die Temperatur des Kühlmittels einen definierten Grenzwert überschriten hat. Dadurch kann die Steuereinrichtung im

Normalbetrieb stromlos gehalten werden, um Energie zu sparen. Alternativ ist es auch möglich, dass die Steuereinrichtung das Bypass-Ventil geschlossen hält, solange die Temperatur des Kühlmittels den definierten Grenzwert nicht überschritten hat. In diesem Fall ist die Steuereinrichtung stromlos offen, wodurch in vorteilhafter Weise ohne Anliegen einer elektrischen Spannung ein Notbetrieb möglich ist. Weiterhin ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung Bestandteil des elektrisch betätigbaren Ventils ist und eine separate Zuleitung zur Energieversorgung aufweist. Auf diese Weise ergibt sich der Vorteil, dass auch bei einem

Kabelbruch der Hauptversorgung des Ventils oder bei einem Abfallen des entsprechenden Anschlusssteckers eine Notfunktion gewährleistet ist.

Um den Energiebedarf des Notlauf konzepts so gering wie möglich zu halten, ist in vorteilhafter Weise vorgesehen, einen Restabstand des elektrisch betätigbaren Ventils minimal zu halten. Auf diese Weise können der Energieverbrauch des Gesamtsystems sowie die Eigenerwärmung des elektrisch betätigbaren Ventils verringert werden.

Zeichnung

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren beispielhaft erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen in den Figuren auf gleiche Bestandteile mit einer gleichen

Funktionsweise hindeuten. Die Figuren der Zeichnung, deren Beschreibung sowie die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Ein

Fachmann wird diese Merkmale auch einzeln betrachten und zu weiteren sinnvollen Kombinationen zusammenfassen. Insbesondere wird ein Fachmann auch die Merkmale aus unterschiedlichen Ausführungsbeispielen zu weiteren sinnvollen Kombinationen zusammenfassen.

Es zeigen Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Ventils in einer

Übersichtsdarstellung,

Fig. 2 das Ventil gemäß Figur 1 in einer ersten Schnittdarstellung, Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel des Ventils gemäß Figur 1 in einer weiteren Schnittdarstellung,

Fig. 4 ein erste Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen

Notlaufkonzepts des Ventils gemäß Figur 1,

Fig. 5 ein zweite Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen

Notlaufkonzepts des Ventils gemäß Figur 1,

Fig. 6 ein Kennlinien-Diagramm des erfindungsgemäßen Notlaufkonzepts.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt ein Beispiel für ein Ventil 1 in einer Übersichtsdarstellung. Das Ventil 1 gemäß der Ausführungsform in Fig. 1 besitzt ein Gehäuse 10 mit einem

Gehäuseunterteil 12 sowie einem Gehäuseoberteil 14, die über Verbindungsmittel 16, beispielsweise Schrauben, Nieten oder Rastmittel, fluiddicht miteinander verbunden sind. Insbesondere das Gehäuseunterteil 12 ist im Wesentlichen topfförmig ausgebildet, wie dies in den Figuren 2 und 3 dargestellt ist, und ermöglicht in seinem Inneren die Ausbildung einer Ventilkammer zur Aufnahme eines Ventilelementes. Das Gehäuseoberteil 14 kann ebenfalls topfförmig ausgebildet sein bzw. lediglich als eine Art Deckel im Gehäuseunterteil 12 ausgeformt sein. Am Gehäuseunterteil 12 angeformt ist der Stutzen eines

Einlasskanals 18. Der Einlasskanal 18 bzw. der Stutzen kann dabei insbesondere einstückig mit dem Gehäuseunterteil 12 ausgeformt, beispielsweise in Kunststoff ausgebildet sein.

Mit dem Gehäuseoberteil 14 verbunden sind ein erster sowie ein zweiter

Auslasskanal 20, 22. Mit Hilfe eines in der Ventilkammer angeordneten und noch näher zu beschreibenden Ventilelementes kann eine Verbindung zwischen dem Einlasskanal 18 und dem ersten bzw. zweiten Auslasskanal 20, 22 geöffnet, geschlossen und in gewünschter Weise variiert werden. Darüber hinaus weist das Ventil 1 noch einen Stellantrieb 24 zur Verstellung des Ventilelementes auf, der in Verbindung mit Fig. 3 noch näher beschrieben wird und der ein eigenes

Antriebsgehäuse 25 aufweist, das mit dem Gehäuse 10, insbesondere dem

Gehäuseoberteil 14, des Ventils 1 verschraubt ist. Fig. 2 zeigt einen ersten Schnitt durch das Ventil 1, der in etwa senkrecht zur Zeichnungsebene der Fig. 1 verläuft. In der zwischen dem Gehäuseunterteil 12 und dem Gehäuseoberteil 14 ausgebildeten Ventilkammer 26 ist eine Ventilscheibe 28 als Ventilelement angeordnet. Eine Abtriebswelle 30 des in Fig. 3 näher dargestellten Stellantriebes 24 greift in eine zentrale Öffnung 32 der Ventilscheibe 28 ein. Durch entsprechende Sicherungsmittel 34 ist die Ventilscheibe 28 drehfest auf der Abtriebswelle 30 befestigt, so dass diese Welle auch als Antriebswelle der Ventilscheibe 28 dient. Die Sicherung der Ventilscheibe auf der Welle 30 kann beispielsweise durch eine in Fig. 2 dargestellte Verschraubung bzw. Verrastung erfolgen, oder aber auch durch ein Verpressen der Welle 30 in der zentralen Öffnung 32 der Ventilscheibe 28.

Zwischen dem Gehäuseunterteil 12 und dem Gehäuseoberteil 14 sind Dichtmittel, beispielsweise ein Dichtring 36 vorgesehen, um eine fluiddichte Verbindung zwischen den beiden Gehäuseteilen 12, 14 des Ventilgehäuses 10 zu

gewährleisten. In den Ausführungsbeispielen der Figuren 1 und 2 sind der

Einlasskanal 18 fluchtend auf einer gemeinsamen Achse 37 mit dem ersten Auslasskanal 20 und die Welle 30 entlang einer dazu parallel ausgerichteten Rotationsachse 31 angeordnet.

Fig. 3 zeigt eine zweite schematische Schnittansicht des Ventils 1 in einem weiteren Ausführungsbeispiel. Die Längsachsen des Einlasskanals 18 und des Auslasskanals 20 sind hier versetzt zueinander angeordnet. In dem zweiten Gehäuse 25 ist ein Rotor 38 und ein Stator 40 des als Elektromotor

ausgebildeten Stellantriebs 24 angeordnet. Der Rotor 38 weist eine Rotorwelle 42 auf, auf der in einem ersten Bereich eine Schneckenverzahnung 44 und in einem zweiten Bereich ein Blechpaket 46 angeordnet sind. Die paketierten Bleche des Blechpakets 46 umfassen dabei radial die Rotorwelle 42 und werden axial durch zwei Blechhülsen 48 begrenzt. In dem Blechpaket 46 ist zumindest ein Magnet 50 angeordnet. Das Blechpaket 46 ist in seiner räumlichen

Anordnung in einer Rotorwellenachse 52 von dem Bereich der

Schneckenverzahnung 44 durch eine radiale Lageraufnahme 54 und dem darin angeordneten ersten radialen Lagerelement 56 abgetrennt. Die Flächen der Rotorwelle 42, die an den radialen Lagerelementen 56, 57 und den axialen Lagerelementen 58, 60 anliegen, weisen dabei einen höheren Härtegrad als die übrigen Flächen der Rotorwelle 42 auf. Die axialen Lagerelemente 58, 60 sind plattenförmig ausgeprägt, wobei das erste axiale Lagerelement 58 in dem

Antriebsgehäuse 25 und das zweite axiale Lagerelement 60 in den

Gehäuseoberteil 14 angeordnet sind. Der Rotor 38 weist an den Enden der

Rotorwelle 42 jeweils einen Anlaufpilz 64 auf, der zur Abstützung der Lagerkräfte auf die axialen Lagerelemente 58, 60 dient. Der Rotor 38 sowie der Stator 40, werden durch das Antriebsgehäuse 25 und ein zweites Dichtelement 68

gegenüber der Umgebung abgeschlossen.

Der Stator 40 weist zumindest eine Spule 62 mit einer Mehrzahl von Wicklungen sowie nicht dargestellte Blechpakete auf. Die Spulen 62 erzeugen bei angelegter Spannung ein Magnetfeld, welches den Rotor 38 in Rotation um die

Rotorwellenachse 52 versetzt. Die Spulen 62 können hierbei mit

Wechselspannung betrieben werden oder elektronisch kommutiert werden.

Durch die Rotation des Rotors 38 wird über die Schneckenverzahnung 44 ein Stirnrad 66 (vergleiche Fig. 2) angetrieben, welches mit der Ventilscheibe 28 verbunden ist. Die Ventilscheibe 28 weist zumindest eine Öffnung 70 auf, wobei durch ein Verdrehen der Ventilscheibe 28 die Öffnung 70 vor den Auslasskanal 20 gedreht wird. Je nach Stellung der Öffnung 70 vor dem Auslasskanal 20 wird die Durchflussfläche der Ventilscheibe 28 reguliert. Die Öffnung 70 ist mit ihrer Längsachse zur Rotationsachse 31 der Welle 30 bzw. der Ventilscheibe 28 versetzt angeordnet. In den Figuren 4 und 5 ist das erfindungsgemäße Notlaufkonzept des Ventils 1 dargestellt. In dem Ventilgehäuse 10, insbesondere in dem Gehäuseoberteil 14, sind zwischen dem Einlasskanal 18 und dem Auslasskanal 20 ein Bypass- Kanal 72 sowie ein Bypass-Ventil 74 angeordnet, über die der Einlasskanal 18 und der Auslasskanal 20 im Falle einer Überhitzung des Kühlmittels miteinander verbindbar sind. Im Normalbetrieb ist das Bypass-Ventil 74 geschlossen. Falls das Kühlmittel infolge eines Blockierens der Ventilscheibe 28 im geschlossenen Zustand überhitzt, wird gemäß Fig. 5 das Bypass-Ventil 74 durch eine in dem elektrisch betätigbaren Ventil 74 integrierte Steuereinrichtung 76, die die erhöhte Temperatur erkennt, elektrisch geöffnet, so dass das Kühlmittel durch den weiteren Kanal 72 in den Auslasskanal 20 strömen kann. Es ist sinnvoll, dass die zusätzliche Steuereinrichtung eine separate Zuleitung erhält, damit auch bei Kabelbruch der Hauptversorgung für das Ventil 1 oder im Falle eines Abfallen des Steckers eine Notfunktion gewährleistet ist.

Bezüglich der Ansteuerung des elektrisch betätigbaren Ventils 74 gibt es zwei Möglichkeiten:

1. Die Steuereinrichtung 76 ist stromlos offen. Dadurch ist auch ohne Anliegen einer elektrischen Spannung ein Notbetrieb möglich. Beim Normalbetrieb muss dann immer eine Spannung anliegen, um die Einrichtung zu schließen.

2. Die Steuereinrichtung 76 ist stromlos geschlossen. Beim Notbetrieb muss dann Spannung angelegt werden, um die Einrichtung zu öffnen.

Die Schließkraft des als Magnetventil ausgebildeten elektrisch betätigbaren Ventils 74 hängt stark vom Restabstand des Magnetkreises ab. Fig. 6 zeigt die

Abhängigkeit der Magnetkraft 78 und der Federkraft 80 der Feder 82 vom

Restabstand d. Beträgt der Restabstand d = 0 mm, so weist die

Magnetkraftkennlinie 78 ihren größten Gradienten auf, d.h. sie fällt hier am steilsten ab. Damit das Bypass-Ventil 74 schließen kann, muss die Magnetkraft 78 größer sein als die Federkraft 80. Bei großem Restabstand d wird verhältnismäßig viel Strom benötigt, damit das Bypass-Ventil 74 schließen kann. Mit sinkendem

Restabstand d steigt die Magnetkraft 78 wesentlich mehr als die Federkraft 80; das Magnetventil kann dann mit weniger Strom betrieben werden. Bei einem

Restabstand d = 0 mm ist der Kraftüberschuss des Magnetventils zur Feder 82 am größten. Es ist daher zielführend, den Restabstand d unter Berücksichtigung des magnetischen Klebens auf ein Minimum zu reduzieren. Ist das Bypass-Ventil 74 geschlossen, wird es nicht wie üblich mit kostanter„Bordspannung" versorgt, sondern in Abhängigkeit der hydraulischen Kräfte (Drehzahl der

Brennkraftmaschine) mit reduzierter Leistung angesteuert.