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Die Erfindung betrifft einen Kühlmittelkreislauf für einen Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein derartiger Kühlmittelkreislauf weist eine Zuleitung und ein in oder an der Zuleitung angeordnetes Thermostatventil zum Steuern eines Kühlmittelstroms durch die Zuleitung auf. Hierbei kann das Thermostatventil zum Steuern des Kühlmittelstroms einen geschlossenen Zustand, in dem kein Kühlmittelstrom durch die Zuleitung strömt, und einen geöffneten Zustand, in dem ein Kühlmittelstrom durch die Zuleitung strömt, einnehmen und ist zwischen diesen Zuständen veränderbar. Auf diese Weise kann ein Thermostatventil den Kühlmittelstrom umsteuern, indem bei geschlossenem Thermostatventil der Kühlmittelstrom beispielsweise durch einen ersten Kreislauf und bei geöffnetem Thermostatventil durch einen zweiten Kreislauf (und gegebenenfalls zusätzlich auch noch durch den ersten Kreislauf) fließt.
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Das Thermostatventil kann so ausgelegt sein, dass es gegebenenfalls auch Zwischenstellungen einnehmen und damit auch teilweise geöffnet sein kann, um auf diese Weise den Volumenstrom des Kühlmittelstroms durch das Thermostatventil zu regeln. Denkbar ist aber auch, dass das Thermostatventil nur zwischen einem geöffneten und einem geschlossenen Zustand geschaltet werden kann.
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Thermostatventile werden herkömmlich zur temperaturabhängigen Steuerung von Fluidkreisläufen bei Verbrennungsmotoren eingesetzt. Unterschiedlich ausgebildete Thermostatventile steuern dabei beispielsweise die Temperatur des Kühlmittels oder des Motor- und Getriebeöls. Beispielsweise kann ein Thermostatventil Bestandteil eines Kühlmittelkreislaufs sein und regelt in Abhängigkeit der Temperatur von Kühlmittelströmen, ob Kühlmittel ausschließlich durch einen Heizungskühler (im Rahmen eines so genannten kleinen Kühlmittelkreislaufs zur Abgabe von Wärme an eine Fahrzeuginnenraumheizung) oder zusätzlich auch durch einen Kühlmittelkühler (im Rahmen eines so genannten großen Kühlmittelkreislaufs zur zusätzlichen Kühlung des Kühlmittels) geleitet wird.
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Herkömmliche Thermostatventile werden temperaturabhängig gesteuert. Bekannt aus der
DE 35 02 817 A1 und der
DE 38 17 952 A1 sind beispielsweise so genannte Dehnstoffthermostate (auch als Wachsthermostate bezeichnet), bei denen ein druckfestes Gehäuse mit einem Dehnstoff beispielsweise in Form eines Wachses gefüllt ist. Nach dem Anlassen eines zu kühlenden Verbrennungsmotors erwärmt sich das Kühlmittel und der Dehnstoff verflüssigt sich bei einer vorgegebenen Temperatur. Der Dehnstoff dehnt sich dabei aus und wirkt auf einen Arbeitskolben ein, der aus dem Gehäuse gepresst wird und einen Kühlmitteldurchfluss öffnet, so dass ein Kühlmittelstrom fließen kann. Unterschreitet die Temperatur des Kühlmittels die vorgegebene Öffnungstemperatur im weiteren Betrieb, so wird der Kühlmitteldurchfluss wiederum geschlossen, so dass kein Kühlmittelstrom mehr fließen kann.
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Bei modernen Dehnstoffthermostaten kann auf diese Weise ein Regelbereich von 0°C bis 120°C realisiert werden.
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Eine Weiterentwicklung solch konventioneller Dehnstoffthermostate stellen beheizte Dehnstoffthermostate dar, wie sie beispielsweise aus der
DE 103 60 169 A1 bekannt sind. Durch elektrische Beheizung eines Dehnstoffs bei einem Dehnstoffthermostat kann der Arbeitsbereich eines Thermostatventils erweitert werden, indem durch die zusätzliche elektrische Beheizung beispielsweise eine frühzeitige Öffnung des Thermostatventils und damit des Kühlmittelkreislaufs insbesondere in Situationen mit stark erhöhter Leistungsanforderung erreicht wird.
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Bekannt sind auch rein elektrisch angetriebene Thermostate unter Verwendung eines elektrischen Antriebsmotors zum Verstellen des Thermostatventils.
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Den bekannten Thermostatventilen, insbesondere den häufig eingesetzten Dehnstoffthermostaten ist gemein, dass ein Öffnen und Schließen der Thermostatventile in Abhängigkeit von fest eingestellten Temperaturen in vorbestimmten Temperaturbereichen erfolgt, um die Temperatur eines zu kühlenden Verbrennungsmotors weitestgehend konstant zu halten. Die Grenzwerte der Temperaturen, in Abhängigkeit derer ein Thermostatventil sich öffnet oder schließt, sind dabei fest vorgegeben; Vor- und Nachlaufeffekte in Kühlmittelkreisläufen können nur unzureichend berücksichtigt werden.
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Zudem stellen Thermostatventile regelmäßig einen hohen Strömungswiderstand im Kühlmittelkreislauf dar und machen damit auch Kühlmittelpumpen hoher Leistung im Kühlmittelkreislauf erforderlich.
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Aus der
DE 100 23 519 A1 ist ein Kühlmittelkreislauf mit einem in einer Zuleitung angeordneten Thermostatventil zum Steuern eines Kühlmittelstroms durch die Zuleitung bekannt, wobei das Thermostatventil druckgesteuert ist, indem das Thermostatventil in Abhängigkeit von dem Druck des Kühlmittelstroms in der Zuleitung verstellt wird. In diesem Zusammenhang offenbart die
DE 100 23 519 A1 ein Verschlusselement, das zum Überführen von einem geschlossenen Zustand in einen geöffneten Zustand um eine Schwenkachse verschwenkt werden kann. Das Verschlusselement ist elastisch gegenüber einem relativ zur Zuleitung feststehenden Abschnitt in Richtung der geschlossenen Stellung vorgespannt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kühlmittelkreislauf für einen Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs mit einem Thermostatventil zur Verfügung zu stellen, das strömungsgünstig ist und damit eine Reduzierung des Strömungswiderstands im Kühlmittelkreislauf ermöglicht und das zudem insbesondere in Zusammenwirken mit einer elektrisch betriebenen Kühlmittelpumpe in einem weiten Arbeitsbereich regelbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Dabei ist vorgesehen, dass das Thermostatventil druckgesteuert ist, indem das Thermostatventil in Abhängigkeit von dem Druck des Kühlmittelstroms in der Zuleitung zum Einnehmen des geschlossenen Zustands und des geöffneten Zustands gesteuert wird.
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In Abkehr von herkömmlichen Thermostatventilen, insbesondere in Abkehr von so genannten Dehnstoffthermostaten, verwendet das vorliegend bereit gestellte Thermostatventil als Stellgröße den Druck des Kühlmittelstroms in einer Zuleitung, nicht aber (oder nur indirekt) die Temperatur des Kühlmittels. Das Thermostatventil ist damit druckgesteuert und nicht (oder nur indirekt) temperaturgesteuert. Dies ermöglicht, das Thermostatventil durch Steuerung einer Kühlmittelpumpe und dem Vorgeben des Drucks des Kühlmittelstroms hierüber zu regeln, so dass das Thermostatventil unmittelbar über die Kühlmittelpumpe gesteuert werden kann.
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Das Thermostatventil weist ein Verschlusselement zum Verschließen der Zuleitung im geschlossenen Zustand auf, wobei das Verschlusselement zum Überführen in den geöffneten Zustand des Thermostatventils um eine Schwenkachse schwenkbar oder entlang einer Schiebeführung verschiebbar ist. Mittels des Verschlusselementes wird damit der Volumenstrom des Kühlmittels eingestellt und geregelt, wobei bei verschlossenem Verschlusselement kein Kühlmittelstrom fließt, bei teilweise oder vollständig geöffnetem Verschlusselement hingegen ein Kühlmittelstrom durch die Zuleitung strömt. In seiner geschlossenen Stellung liegt das Verschlusselement dabei beispielsweise an einer Dichtung an und verhindert damit einen Durchtritt von Kühlmittel, während durch Aufschwenken oder Aufschieben des Verschlusselementes in Abhängigkeit vom Druck des Kühlmittelstroms das Thermostatventil geöffnet und damit der Durchgang für das Kühlmittel ganz oder teilweise freigegeben wird.
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Das Verschlusselement kann beispielsweise nach Art einer Klappe ausgebildet sein und ist hierzu um eine Schwenkachse verschwenkbar angelenkt. Ebenso ist denkbar, das Verschlusselement nach Art eines Schiebers entlang einer Schiebeführung verschiebbar auszuführen, so dass bei Überschreiten eines bestimmten Drucks das Thermostatventil freigegeben wird. Unabhängig von der konkreten Ausführung ist das Verschlusselement so ausgebildet, dass es in Abhängigkeit vom Druck des Kühlmittelstroms in der Zuleitung zum Verschließen oder Freigeben des Thermostatventils verstellt wird.
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Um einen Grenzdruck vorzugeben, bei Überschreiten dessen das Thermostatventil geöffnet wird, ist das Verschlusselement elastisch gegenüber einem relativ zur Zuleitung feststehenden Abschnitt in Richtung seiner geschlossenen Stellung vorgespannt.
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Hierzu kann beispielsweise eine elastische Feder vorgesehen sein, die das verschwenkbare oder verschiebbare Verschlusselement in Richtung seiner geschlossenen Stellung vorspannt. Die elastische Feder wirkt dabei beispielsweise als Druckfeder zwischen dem Verschlusselement und einer Wandung oder einem anderen feststehenden Abschnitt der Zuleitung, so dass zum öffnen des Thermostatventils zunächst die Vorspannkraft der elastischen Feder überwunden werden muss und erst nach Überwinden dieser Vorspannkraft das Thermostatventil geöffnet werden kann.
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Die beispielsweise über die elastische Feder bereit gestellte elastische Vorspannkraft ist degressiv über den Öffnungsweg des Verschlusselementes vorgeben. Unter degressiv ist in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass die Federkraft nicht proportional mit dem Öffnungsweg steigt, sondern sich unterproportional mit dem Öffnungsweg verhält. Mit anderen Worten nimmt die Steigung der Federkennlinie mit zunehmendem Öffnungsweg ab. Denkbar in diesem Zusammenhang ist beispielsweise auch, dass die Federkennlinie mit zunehmendem Öffnungsweg eine negative Steigung annimmt, so dass die vorspannende Federkraft mit zunehmendem Öffnungsweg sogar sinkt.
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Durch eine solche degressive elastische Vorspannkraft wird erreicht, dass zum anfänglichen öffnen des Thermostatventils ein vergleichsweise großer Druck erforderlich ist (entsprechend dem vorgegeben Grenzdruck), das weitere Öffnen des Thermostatventils aber nicht proportional mit der Druckzunahme, sondern unterproportional erfolgt. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass bei Übersteigen des vorbestimmten Grenzdrucks das Verschlusselement sozusagen aufschnappt, d. h., dass das Thermostatventil sich nicht langsam öffnet, sondern bereits bei geringer weiterer Druckzunahme sich in schneller, abrupter Weise in seine vollständig geöffnete Stellung bewegt.
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Das Vorgeben einer solchen degressiven Kennlinie der elastischen Vorspannkraft kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass zusätzliche Mittel zum Beeinflussen der Federkennlinie bereitgestellt werden.
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In einer ersten Ausführung können diese zusätzlichen Mittel durch einen an dem Verschlusselement angeordneten Strömungskörper zum Erzeugen einer Kraft auf das Verschlusselement in Richtung seiner geöffneten Stellung ausgebildet sein. Ein solcher Strömungskörper kann im Querschnitt beispielsweise der Form einer Flugzeugtragfläche ähneln und, unter Ausnutzung des aus der Strömungsmechanik bekannten Gesetzes von Bernoulli, eine Kraft in Richtung Öffnen erzeugen, wenn das Verschlusselement gesteuert durch den Druck des Kühlmittelstroms in seine geöffnete Stellung verschwenkt wird.
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In einer anderen Ausführungsform kann das zusätzliche Mittel durch einen an einem Strömungskörper der Zuleitung angeordneten Magneten ausgebildet sein, der einem Anker des Verschlusselementes anziehend zum Erzeugen einer Kraft auf das Verschlusselement in Richtung seiner geöffneten Stellung gegenübersteht. Die degressive Kennlinie der elastischen Vorspannkraft wird dabei dadurch erzeugt, dass mit dem Öffnen des Verschlusselementes der Anker und der Magnet aneinander angenähert werden, so dass die magnetische Anziehungskraft mit dem Öffnungsweg steigt und das öffnen des Verschlusselementes unterstützt. Auf diese Weise wird ermöglicht, dass zum anfänglichen öffnen des Verschlusselementes eine vergleichsweise große Druckkraft des Kühlmittelstroms erforderlich ist, bei weiterem Ansteigen des Drucks das Verschlusselement dann aber in vergleichsweise schneller Weise in seine vollständig geöffnete Stellung überführt wird.
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In einer wiederum anderen Ausgestaltung kann das zusätzliche Mittel durch eine an der Zuleitung oder einem Strömungskörper der Zuleitung angeordnete Membran ausgebildet sein, die durch einen durch die Zuleitung strömenden Kühlmittelstrom mit einem Unterdruck zum Erzeugen einer Kraft auf das Verschlusselement in Richtung seiner geöffneten Stellung beaufschlagt wird. Hintergrund dieser Ausführungsform ist wiederum das Gesetz von Bernoulli aus der Strömungsmechanik: Durch den vorbeiströmenden Kühlmittelstrom wird in einem Teilraum ein Unterdruck erzeugt, der über die Membran auf das Verschlusselement zum Unterstützen der Öffnungsbewegung des Verschlusselementes übertragen wird. Der Unterdruck nimmt dabei mit zunehmendem Kühlmittelstrom zu, so dass mit zunehmender Öffnung des Thermostatventils und damit einhergehender Zunahme des Kühlmittelstroms auch die auf das Verschlusselement zum Unterstützen der Öffnungsbewegung wirkende Kraft des Unterdrucks zum Bereitstellen der degressiven Kennlinie zunimmt.
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In einer wiederum anderen Ausführungsform ist das zusätzliche Mittel durch einen Kniehebel verwirklicht, der in einer Ausgangsstellung das Verschlusselement in seiner geschlossenen Stellung festhält und durch Wirkung eines Kühlmittelstroms über ein Steuerstück zur Freischaltung des Verschlusselementes betätigbar ist. Gedanke hierbei ist, dass ein Steuerstück nach Art einer Pilotklappe anfänglich ausschließlich mit dem Druck des Kühlmittelstroms beaufschlagt wird und das Steuerstück zum Freischalten des Verschlusselementes und einer das Verschlusselement vorspannenden elastischen Feder auf den Kniehebel einwirkt. Ist der Kniehebel freigeschaltet, kann das Verschlusselement bewegt werden und dadurch eine beispielsweise als Druckfeder ausgebildete elastische Feder zusammengedrückt werden, wobei diese elastische Feder mit einer vergleichsweise weichen Federkonstante ausgestaltet sein kann, so dass nach dem anfänglichen Bewegen des Steuerstücks die weitere Bewegung des Verschlusselements in einfacher Weise zum vollständigen Öffnen des Verschlusselements erfolgen kann.
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In einer wiederum anderen Ausführungsform ist das zusätzliche Mittel durch eine Triebfeder gebildet, die unter Einfluss des Kühlmittelstroms gespannt wird, indem das Verschlusselement in eine Drehbewegung versetzt wird. Bei einer solchen Ausgestaltung kann das Verschlusselement beispielsweise zum anfänglichen Öffnen in vergleichsweise harter Weise vorgespannt sein, so dass eine relative große Druckkraft zum anfänglichen Öffnen des Verschlusselements erforderlich ist. Ist das Verschlusselement um eine vorbestimmte Wegstrecke geöffnet, kann ein Kühlmittelstrom am Verschlusselement vorbeiströmen und, beispielsweise über eine Flügelanordnung an dem Verschlusselement, das Verschlusselement in eine Drehbewegung versetzen, die beispielsweise über eine Gewindeverbindung ein weiteres öffnen des Verschlusselementes in schneller Weise ermöglicht. Durch die Drehbewegung wird eine Triebfeder gespannt, die bei abfallendem Druck des Kühlmittelstroms ein Zurückdrehen des Verschlusselementes und damit ein Verschließen des Thermostatventils bewirkt.
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In vorteilhafter Ausgestaltung weist der Kühlmittelkreislauf eine elektrisch betriebene, unabhängig vom Verbrennungsmotor steuerbare Kühlmittelpumpe auf. Hintergrund ist hierbei, dass herkömmlich eine Kühlmittelpumpe zur Steuerung mit einem Verbrennungsmotor gekoppelt ist, um direkt in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Verbrennungsmotors gesteuert zu werden. Mit einer elektrisch betriebenen Kühlmittelpumpe ist hingegen möglich, die Steuerung der Kühlmittelpumpe völlig unabhängig vom Verbrennungsmotor vorzunehmen, wobei beispielsweise eine Motorlast und/oder eine Fahrzeuggeschwindigkeit als Steuergrößen der Kühlmittelpumpe einbezogen werden können.
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Über die elektrische Kühlmittelpumpe wird der Druck des Kühlmittelstroms zum Regeln des Thermostatventils eingestellt. Durch die Wahl der Pumpendrehzahl kann damit unabhängig von der Temperatur des Kühlmittels das Thermostatventil gesteuert werden, um das Thermostatventil zum Freigeben eines Kühlmittelkreislaufes zu öffnen oder zum Sperren eines Kreislaufs zu schließen. Zum Beispiel kann vorgesehen sein, bei hoher Außentemperatur oder bei einer Autobahnfahrt eines Fahrzeugs die Pumpendrehzahl der Kühlmittelpumpe in gewünschter Weise vorzugeben und darüber das Thermostatventil zu steuern, wobei zur Steuerung beliebig viele Parameter oder Kennfelder eines Fahrzeugs und eines Verbrennungsmotors oder andere geeignete Kenngrößen, wie die Außentemperatur, einbezogen werden können.
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Der Kühlmittelkreislauf weist bevorzugt einen ersten Kreislauf und einen zweiten Kreislauf auf, wobei bei geschlossenem Thermostatventil ein Kühlmittelstrom ausschließlich durch den ersten Kreislauf strömt und bei ganz oder teilweise geöffnetem Thermostatventil ein Kühlmittelstrom sowohl durch den ersten Kreislauf als auch durch den zweiten Kreislauf strömt. Der erste Kreislauf kann beispielsweise mit einem Heizungskühler zur Abgabe von Wärme an eine Fahrzeuginnenraumheizung ausgebildet sein und eine vergleichsweise geringe Kühlleistung zur Verfügung stellen. Der zweite Kreislauf kann hingegen einen Kühler zum Kühlen des Kühlmittels aufweisen und eine größere Kühlleistung als der erste Kreislauf bereitstellen. Beim Anlassen eines Fahrzeugs, bei dem in der Regel der Verbrennungsmotor eine niedrige Betriebstemperatur aufweist, kann beispielsweise so nur der erste Kreislauf betrieben werden und hierzu das Thermostatventil geschlossen sein. Bei längerem Betrieb des Fahrzeugs und entsprechend ansteigender Temperatur des Verbrennungsmotors kann dann durch Steuerung der Kühlmittelpumpe das Thermostatventil ganz oder teilweise geöffnet werden, so dass ein Kühlmittelstrom auch durch den zweiten Kreislauf fließt und das Kühlmittel in geeigneter Weise gekühlt und die Temperatur des Verbrennungsmotors geregelt wird.
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Der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke soll nachfolgend anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Kühlmittelkreislaufs mit einem ersten Kreislauf umfassend einen Heizungskühler und mit einem zweiten Kreislauf umfassend einen Kühler zum Kühlen des Kühlmittels;
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2 eine schematische, perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines druckgesteuerten Thermostatventils;
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3 eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines druckgesteuerten Thermostatventils;
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4 eine schematische Ansicht einer dritten Ausführungsform eines druckgesteuerten Thermostatventils;
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5 eine schematische Ansicht einer vierten Ausführungsform eines druckgesteuerten Thermostatventils;
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6 eine schematische Ansicht einer fünften Ausführungsform eines druckgesteuerten Thermostatventils;
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7 eine schematische Ansicht einer sechsten Ausführungsform eines druckgesteuerten Thermostatventils;
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8 eine schematische Ansicht einer siebten Ausführungsform eines druckgesteuerten Thermostatventils und
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9 eine schematische Ansicht einer achten Ausführungsform eines druckgesteuerten Thermostatventils.
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1 zeigt zunächst in einer schematischen Übersichtsdarstellung ein Schaltbild eines Kühlmittelkreislaufs 1 zum Kühlen und Regeln der Temperatur eines Verbrennungsmotors 10. Der Kühlmittelkreislauf 1 weist einen ersten Kreislauf K1 mit einem Heizungskühler 12 und einen zweiten Kreislauf K2 mit einem Kühler 13 zum Kühlen eines Kühlmittels auf. In Zuleitungen 110, 120, 130 in Form von Rohren oder Schläuchen wird Kühlmittel befördert und durch eine Kühlmittelpumpe 11 in Bewegung versetzt, so dass das Kühlmittel durch die Zuleitungen 110, 120 und, in Abhängigkeit von der Stellung eines Thermostatventils 2, auch durch die Zuleitung 130 strömt. Entsprechend strömen Kühlmittelströme S, S1, S2 durch die Zuleitungen 110, 120, 130.
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Unterschiedliche Ausführungsformen eines druckgesteuerten Thermostatventils 2 sind in 2 bis 9 dargestellt, wobei die unterschiedlichen Ausführungsformen in ihrer grundlegenden Funktionsweise sich darin gleichen, dass ein Verschlusselement 200A-200H in elastischer Weise vorgespannt ist und druckgesteuert zum öffnen oder Schließen des Thermostatventils 2 verstellt wird. Bei den Ausführungsformen wird jeweils eine degressive Kennlinie dieser elastischen Vorspannkraft zur Verfügung gestellt, indem mit unterschiedlichen Mitteln die Öffnungsbewegung des jeweiligen Verschlusselementes 200A–200H beeinflusst wird.
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Die Ausführungsformen sollen nachfolgend im Einzelnen anhand der Figuren beschrieben werden. Einzelne, sich in ihrer Funktion entsprechende Bauteile der Ausführungsformen sind dabei, soweit zweckdienlich, mit gleichen Bezugszeichen versehen, allerdings jeweils mit nachgestellten Buchstaben („A”, „B”, „C” u. s. w.) zur Kenntlichmachung der einzelnen Ausführungsformen versehen.
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Bei der ersten Ausführungsform eines Thermostatventils 2 gemäß 2 ist an der Zuleitung 130 nach Abzweigung der Zuleitung 120 von der Zuleitung 110 (siehe auch 1) das Thermostatventil 2 angeordnet und weist ein um eine Schwenkachse 202A schwenkbares Verschlusselement 200A auf. In der in 2 dargestellten geschlossenen Stellung liegt das Verschlusselement 200A an einer Dichtung 205A an und dichtet damit den Durchgang durch die Zuleitung 130 ab, so dass kein Kühlmittelstrom durch die Zuleitung 130 strömen kann.
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Das Verschlusselement 200A ist über eine elastische Feder 204A in Richtung der geschlossenen Stellung vorgespannt. Die Feder 204A ist als Druckfeder ausgebildet und muss zum Verschwenken des Verschlusselementes 200A um die Schwenkachse 202A zum Öffnen des Thermostatventils 2 komprimiert werden. Zum Öffnen des Verschlusselements 200A muss daher eine vorbestimmte Federkraft überwunden werden.
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Die elastische Vorspannung ist derart, dass durch die elastische Feder 204A das Verschlusselement 200A in der geschlossenen Stellung gehalten wird, bis der Druck des Kühlmittelstroms S in der Zuleitung 110 (und damit auch in der Zuleitung 130) einen vorbestimmten Grenzwert übersteigt. Erst wenn die Druckkraft des Kühlmittelstroms S ausreichend groß ist, um die Federkraft der Feder 204A zu überwinden, wird das Verschlusselement 200A verstellt.
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An dem Verschlusselement 200A ist ein Strömungskörper 201A angeordnet, der im Querschnitt in seiner Formgebung einer Tragfläche eines Flugzeugs ähnelt. Dieser Strömungskörper 201A ist über Stege 203A mit dem Verschlusselement 200A verbunden und dient dazu, beim Öffnen des Verschlusselements 200A eine die Öffnungsbewegung unterstützende Kraft unter Ausnutzung des entlang des Strömungskörpers 201A strömenden Kühlmittelstroms S2 bereitzustellen. Diese unterstützende Kraft nimmt mit steigendem Volumen des Kühlmittelstroms S2 zu, so dass die unterstützende Kraft in ihrem Betrag mit der Öffnung des Verschlusselements 200A steigt.
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Durch Überlagerung der der Öffnungsbewegung entgegenwirkenden Federkraft der Feder 204A einerseits und der die Öffnungsbewegung unterstützenden Kraft des Strömungskörpers 201A andererseits wird eine degressive Kennlinie der elastischen Vorspannkraft zur Verfügung gestellt, die bewirkt, dass die Öffnungsbewegung des Verschlusselements 200A erst einsetzt, wenn der Druck des Kühlmittelstroms S eine vorbestimmte Druckkraft übersteigt, zum weiteren Öffnen des Verschlusselements 200A dann aber ein vergleichsweise geringer Druckanstieg des Kühlmittelstroms S erforderlich ist. Dies deswegen, weil die weitere Öffnungsbewegung des Verschlusselementes 200A durch die strömungsmechanische Kraft am Strömungskörper 201A, bedingt durch das Umströmen des Strömungskörpers 201A, unterstützt wird.
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Die die Öffnungsbewegung unterstützende Kraft durch Umströmen des Strömungskörpers 201A folgt aus den Gesetzen der Strömungsmechanik, insbesondere dem Gesetz von Bernoulli, demnach bei Umströmen eines Körpers (wie dem Strömungskörper 201A) ein Geschwindigkeitsanstieg des umströmenden Fluids mit einem Druckabfall einhergeht. An der dem Verschlusselement 200A zugewandten Seite des Strömungskörpers 201A wird demnach ein Unterdruck erzeugt, bedingt durch die Formgebung des Strömungskörpers 201A und der daraus resultierenden, erhöhten Strömungsgeschwindigkeit an dieser Seite. Durch diesen Unterdruck wird eine Kraft auf das Verschlusselement 200A in Richtung der Öffnungsbewegung erzeugt, die in ihrem Betrag mit zunehmendem Volumen des Kühlmittelstroms S2 steigt.
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Fällt der Druck des Kühlmittelstroms S, S2 ab, so schließt sich das Verschlusselement 200A selbsttätig unter Wirkung der vorspannenden Feder 204A und gelangt wiederum in die geschlossene Stellung gemäß 2, wenn der Druck des Kühlmittelstroms S, S2 den durch die Feder 204A vorgegebenen Grenzdruck unterschreitet.
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Eine zweite Ausführungsform eines Thermostatventils 2 ist in 3 dargestellt. Die Funktionsweise des Thermostatventils 2 ist dabei weitestgehend dem Thermostatventil 2 gemäß 2 identisch, wobei bei der in 3 dargestellten Ausführungsform das Verschlusselement 200B selbst als Strömungskörper ausgebildet ist. Das Verschlusselement 200B ist über eine zwischen einem zuleitungsfesten Befestigungspunkt 207B und einem Befestigungspunkt 208B an dem Verschlusselement 200B aufgespannte Feder 204B elastisch vorgespannt, wobei die Feder 204B als Zugfeder ausgebildet ist und beim öffnen des Verschlusselements 200B durch Verschwenken um die Schwenkachse 202B gespannt wird.
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In geschlossenem Zustand des Thermostatventils 2 liegt das Verschlusselement 200B an einer Dichtung 205B an und verschließt das Thermostatventil 2, so dass kein Kühlmittelstrom durch das Thermostatventil 2 treten kann.
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Der geöffnete Zustand des Thermostatventils 2 ist in 3 mit gestricheltem Verschlusselement 200B eingezeichnet. In diesem Zustand liegt der zuleitungsfeste Befestigungspunkt 207B der Feder 204B immer noch unterhalb einer Linie 206B durch die das Verschlusselement 200B lagernde Schwenkachse 202B und den Befestigungspunkt 208B, so dass auch in geöffnetem Zustand die Feder 204B eine Kraft auf das Verschlusselement 200B in Richtung seiner geschlossenen Stellung ausübt.
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Die degressive Kennlinie der elastischen Vorspannkraft wird bei der Ausführungsform gemäß 3 durch die degressive Spannung der Feder 204B bei der Öffnungsbewegung des Verschlusselements 200B bereitgestellt. Zu Beginn der Öffnungsbewegung wird nämlich die Feder 204B um eine vergleichsweise große Länge pro Öffnungsweg gespannt (große Steigung), während mit zunehmendem Verschwenken des Verschlusselements 200B die Längung der Feder 204B pro Öffnungsweg abnimmt. Anfänglich ist somit eine vorbestimmte Druckkraft des Kühlmittelstroms S, S2 zum Bewegen des Verschlusselements 200B erforderlich, während die weitere Öffnungsbewegung des Verschlusselements 200B dann einen unterproportionalen Druckanstieg erfordert.
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Eine dritte Ausführungsform eines Thermostatventils 2 zeigt 4. Die Ausführungsform gemäß 4 entspricht im Wesentlichen der Ausführungsform gemäß 3, wobei lediglich das Verschlusselement 200C über einen Verbindungssteg 203C um eine außerhalb der Linie 206C liegende Schwenkachse 202C verschwenkbar angeordnet ist. Die elastische Vorspannung kann analog wie bei der Ausführungsform gemäß 3 bereitgestellt werden oder auch über eine um die Schwenkachse 202C wirkende Schenkelfeder 204C. Wiederum verschließt in geschlossenem Zustand (durchgezogene Linien) das Verschlusselement 200C durch Anlage an eine Dichtung 205C das Thermostatventil 2 dichtend.
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Eine vierte Ausführungsform eines Thermostatventils 2 ist in 5 dargestellt. Im Unterschied zu den vorangehenden Ausführungsformen ist bei dieser Ausführungsform ein Verschlusselement 200D vorgesehen, das nicht schwenkbar, sondern über eine Schiebeführung 202D verschiebbar zu einem ortsfest innerhalb der Zuleitung 130 angeordneten Strömungskörper 201D angeordnet ist. Das Verschlusselement 200D ist über eine Feder 204D in Form einer Druckfeder relativ zu dem Strömungskörper 201D vorgespannt, wobei die Feder 204D innerhalb einer Bohrung 203D des Verschlusselementes 200D angeordnet ist.
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In der in 5 dargestellten geschlossenen Stellung liegt das Verschlusselement 200D an einer Dichtung 205D an und verschließt damit das Thermostatventil 2 dichtend.
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An dem Strömungskörper 201D ist, hineinragend in die Bohrung 203D des Verschlusselementes 200D, ein Magnet 206D angeordnet, der mit einem magnetischen Anker 207D, beispielsweise aus einem ferromagnetischen Stahl, an dem Verschlusselement 200D zusammenwirkt.
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Über den Magneten 206D und den Anker 207D wird eine degressive elastische Vorspannkraft bereitgestellt. So muss zum anfänglichen öffnen des Verschlusselements 200D der Druck des Kühlmittelstroms S einen vorbestimmten (Grenz-)Druck übersteigen, um die Federkraft der Feder 204D zu überwinden. Steigt der Druck anschließend weiter an, wird die Feder 204D weiter komprimiert, wobei sich hierdurch gleichzeitig der Anker 207D dem Magneten 206D annähert und die magnetische Anziehungskraft zwischen Magnet 206D und Anker 207D ansteigt, so dass die weitere Öffnungsbewegung des Verschlusselements 200D zunehmend unterstützt wird. Für die weitere öffnungsbewegung ist damit, bedingt durch die magnetische Unterstützung, ein nur noch vergleichsweise geringer, unterproportionaler Druckanstieg erforderlich, wobei die Degressivität der elastischen Vorspannkraft durch Auslegung der Feder 204D und des Magneten 206D eingestellt werden kann.
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Eine fünfte Ausführungsform eines Thermostatventils 2 zeigt 6. Bei dieser Ausführungsform werden wiederum die Gesetze der Strömungsmechanik ausgenutzt, indem die Öffnungsbewegung eines Verschlusselements 200E strömungsmechanisch durch das Erzeugen eines Unterdrucks unterstützt wird, der über eine Membran 206E zum Unterstützen der Öffnungsbewegung auf das Verschlusselement 200E übertragen wird.
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Wie in 6 ersichtlich, ist das Verschlusselement 200E elastisch über einen Stößel 203E und eine Feder 204E in Form einer Druckfeder gegenüber einer Wandung der Zuleitung 130 vorgespannt. Das Verschlusselement 200E öffnet sich entsprechend erst, wenn der Druck des Kühlmittelstroms S einen vorbestimmten Wert übersteigt und damit die vorspannende Federkraft der Feder 204E überwinden kann. Durch die Federkraft der Feder 204E wird auf diese Weise der zum Öffnen erforderliche Grenzdruck vorgegeben.
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In geschlossenem Zustand liegt, wie aus 6 ersichtlich ist, das Verschlusselement 200E dichtend an einer Dichtung 205E der Zuleitung 130 an.
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Wird die Federkraft der Feder 204E überwunden und das Verschlusselement 200E in druckgesteuerter Weise geöffnet, strömt ein Kühlmittelstrom S2 durch das Thermostatventil 2 und tritt durch eine Leitungsverengung 201E, infolge derer die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittelstroms S2 im Bereich der Leitungsverengung 201E erhöht wird. Entsprechend entsteht im Bereich der Leitungsverengung 201E ein Unterdruck, der über einen Kanal 207E in der Wandung der Zuleitung 130 auf einen Teilraum 208E übertragen und über die Membran 206E und einen Verbindungskanal 210E auch auf einen Teilraum 209E übertragen wird. Durch diesen Unterdruck wird eine Kraft in die Richtung U (siehe 6) auf die Membran 206E im Bereich des Stößels 203E ausgeübt, so dass die Öffnungsbewegung des Verschlusselements 200E unterstützt wird. Entsprechend ist zur weiteren Öffnung des Verschlusselements 200E ein vergleichsweise geringer Druckanstieg erforderlich, nachdem eine erste, anfängliche Öffnung des Verschlusselements 200E erfolgt ist.
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Mit zunehmender Öffnung steigt auch das Volumen des durchgelassenen Kühlmittelstroms S2 an, so dass auch die unterstützende Kraft, bedingt durch den erzeugten Unterdruck, ansteigt und eine degressive Kennlinie zum öffnen erhalten wird.
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Fällt der Druck des Kühlmittelstroms S2 ab, so schließt sich das Verschlusselement 200E durch Wirkung der Feder 204E wieder, bis das Thermostatventil 2 in seinen geschlossenen Zustand gelangt.
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Eine sechste Ausführungsform, dargestellt in 7, verwendet im Grunde dasselbe Prinzip wie die Ausführungsform gemäß 6. Bei der Ausführungsform gemäß 7 ist jedoch ein Verschlusselement 200F über eine Schiebeführung 202F verschieblich an einem ortsfest innerhalb der Zuleitung 130 angeordneten Strömungskörper 201F angeordnet. Das Verschlusselement 200F ist dabei über eine innerhalb einer Bohrung 203F angeordnete elastische Feder 204F gegenüber dem Strömungskörper 201F vorgespannt, wobei durch die Vorspannkraft der elastischen Feder 204F die anfangs zu überwindende Druckkraft zum öffnen des Thermostatventils 2 vorgegeben ist.
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In geschlossenem Zustand liegt das Verschlusselement 200F an einer Dichtung 205F dichtend an und verschließt damit das Thermostatventil 2. Übersteigt der Druck des Kühlmittelstroms S aber die vorspannende Federkraft der Feder 204F, verschiebt sich das Verschlusselement 200F auf den Strömungskörper 201F zu, so dass ein Kühlmittelstrom S2 durch das Thermostatventil 2 treten kann.
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Der Kühlmittelstrom S2 umströmt das Verschlusselement 200F und insbesondere auch den Strömungskörper 201F, wobei im Bereich des dem Verschlusselement 200F abgewandten Endes des Strömungskörpers 201F bedingt durch die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittelstroms S2 ein Unterdruck erzeugt wird, der über einen Kanal 207F auf einen Teilraum 208F übertragen wird und bewirkt, dass eine mit dem Verschlusselement 200F verbundene Membran 206F angezogen wird. Durch das Anziehen der Membran 206F wird eine Kraft auf das Verschlusselement 200F ausgeübt, die die weitere Öffnungsbewegung des Verschlusselements 200F unterstützt und damit eine Degressivität der Kennlinie der elastischen Vorspannkraft schafft.
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Eine siebte Ausführungsform eines druckgesteuerten Thermostatventils zeigt 8, wobei bei dieser Ausführungsform ein Verschlusselement 200G über eine elastische Feder 204G in Form einer Druckfeder gegenüber einem zur Zuleitung 130 ortsfesten Strömungskörper 201G vorgespannt ist. In geschlossenem Zustand, dargestellt in 8, ist diese elastische Feder 204G festgestellt, indem das Verschlusselement 200G gegenüber dem Strömungskörper 201G über einen Kniehebel 209G festgehalten wird.
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Der Kniehebel 209G ist einerseits an einem Befestigungspunkt 211G an dem Strömungskörper 201G angelenkt und andererseits über einen Befestigungspunkt 212G mit dem Verschlusselement 200G verbunden. In dem geschlossenen Zustand gemäß 8 befindet sich ein Kniegelenk 210G des Kniehebels 209G unterhalb einer Verbindungslinie durch die Befestigungspunkte 211G, 212G und liegt auf einem Schieber 208G eines Steuerstücks 207G auf, so dass in dem geschlossenen Zustand das Verschlusselement 200G gegenüber dem Strömungskörper 201G festgehalten ist.
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Das Steuerstück 207G ist an dem Verschlusselement 200G angeordnet und wirkt über den Schieber 208G auf das Kniegelenk 210G des Kniehebels 209G ein. Das Steuerstück 207G ist über eine zweite elastische Feder 206G in Form einer Druckfeder gegenüber dem Verschlusselement 200G vorgespannt und dient als Pilotklappe zum Steuern der Öffnungsbewegung des Verschlusselements 200G.
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Bei der Ausführungsform gemäß 8 wird der anfangs zu überwindende Druck durch die das Steuerstück 207G vorspannende Federkraft der Feder 206G vorgegeben. Wird diese vorspannende Federkraft der Feder 206G überwunden, verschiebt sich das Steuerstück 207G in die Richtung V hinein in das Verschlusselement 200G und drückt über den Schieber 208G das Kniegelenk 210G des Kniehebels 209G nach oben. Überschreitet das Kniegelenk 210G die Verbindungslinie der Befestigungspunkte 211G, 212G, wird das Verschlusselement 200G nicht mehr über den Kniehebel 209G gegenüber dem Strömungskörper 201G festgehalten. Das Verschlusselement 200G kann sich damit auf den Strömungskörper 201G zu bewegen unter Komprimierung der das Verschlusselement 200G gegenüber dem Strömungskörper 201G vorspannenden Feder 204G.
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Die Feder 204G kann, zum Bereitstellen einer Degressivität der elastischen Vorspannkraft, weich ausgebildet sein, so dass nach Überwinden der vorspannenden Federkraft 206G und dem Freischalten des Kniehebels 209G nur noch ein vergleichsweise geringer Druckanstieg erforderlich ist, um das Verschlusselement 200G weiter zu öffnen und in eine vollständig geöffnete Stellung zu überführen.
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Fällt der Druck des Kühlmittelstroms S2 ab, bewegt sich das Verschlusselement 200G in die umgekehrte Richtung, bedingt durch die Kraft der Feder 204G. Dabei bewegt sich auch der Kniehebel 209G zurück, angetrieben durch eine den Kniehebel 209G vorspannende, am Befestigungspunkte 212G angreifende Schenkelfeder 213G (nicht im Detail dargestellt). Der Kniehebel 209G gelangt damit wieder in die 8 dargestellte Stellung, verriegelt das Verschlusselement 200G gegenüber dem Strömungskörper 201G und hält es in der geschlossenen Stellung gemäß 8.
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Eine achte Ausführungsform eines Thermostatventils 2 ist schließlich in 9 dargestellt. Bei diesem Thermostatventil ist ein Verschlusselement 200H über ein Zwischenteil 206H gegenüber einem ortsfest innerhalb der Zuleitung 130 angeordneten Strömungskörper 201H vorgespannt. Das Zwischenteil 206H ist dabei über eine Schiebeführung 202H, die in eine Bohrung 203H des Zwischenteils 206H eingreift, verschieblich an dem Strömungskörper 201H gelagert.
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An dem Zwischenteil 206H ist ein Gewindebolzen 207H angeordnet, der in ein Gewinde 208H des Verschlusselements 200H eingreift. Weiterhin ist das Verschlusselement 200H über eine Triebfeder 209H in Form einer gewickelten Blattfeder gegenüber dem Zwischenteil 206H vorgespannt.
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Die Funktionsweise des Thermostatventils 2 gemäß 9 ist folgende. In geschlossenem Zustand, dargestellt in 9, liegt das Verschlusselement 200H an einer Dichtung 205H der Zuleitung 130 an und dichtet die Zuleitung 130 damit ab. Übersteigt der Druck eines Kühlmittelstroms einen vorbestimmten Wert, wird das Verschlusselement 200H und zusammen mit dem Verschlusselement 200H das Zwischenteil 206H in Richtung des Strömungskörpers 201H verschoben und dadurch die als Druckfeder ausgebildete, vorspannende Feder 204H komprimiert. Das Thermostatventil 2 wird auf diese Weise geöffnet, so dass ein Kühlmittelstrom S2 durch das Thermostatventil 2 treten kann.
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Dieser Kühlmittelstrom S2 wirkt auf am Verschlusselement 200H angeordnete Strömungsflügel 211H ein und bewirkt, dass das Verschlusselement 200H in eine Drehrichtung D relativ zu dem Gewindebolzen 207H verdreht wird. Dadurch wird das Verschlusselement 200H über den Gewindeeingriff 207H, 208H relativ zu dem Zwischenteil 206H verschraubt und hin zu dem Zwischenteil 206H bewegt, und die Triebfeder 209H wird gespannt.
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Durch die Drehbewegung des Verschlusselements 200H wird das Thermostatventil 2 weiter geöffnet und gelangt in seinen vollständig geöffneten Zustand. Dadurch, dass die Triebfeder vergleichsweise weich ausgebildet ist, erfordert die weitere Öffnungsbewegung bis zur vollständigen Öffnung einen vergleichsweise geringen weiteren Druckanstieg, nachdem der Druck des Kühlmittelstroms die anfängliche Vorspannkraft der Feder 204H überwunden hat.
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Lässt der Druck des Kühlmittelstroms S2 nach, bewegt sich das Verschlusselement 200H, angetrieben durch die gespannte Triebfeder 209H, entgegen der Drehrichtung D zurück und wird damit vom Zwischenteil 206H entfernt, so dass das Verschlusselement 200H angetrieben durch die Triebfeder 209H wieder in seine geschlossene Stellung gelangt.
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Das druckgesteuerte Thermostatventil 2 wird durch Vorgabe des Kühlmittelstroms S über die Kühlmittelpumpe 11 (siehe 1) gesteuert. Zum Steuern des Thermostatventils 2 wird die Kühlmittelpumpe 11 geregelt, wobei sich der Öffnungszustand des Thermostatventils 2 in Abhängigkeit von dem durch die Kühlmittelpumpe 11 eingestellten Kühlmitteldruck einstellt.
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Wie in 1 mit gestrichelten Linien angedeutet, kann eine Regelschleife geschaffen werden, indem beispielsweise dem Thermostatventil 2 ein Temperatursensor in der Zuleitung 130 nachgeschaltet ist und durch Rückkopplung in Abhängigkeit von Messwerten dieses Temperatursensors der Kühlmittelstrom S der Kühlmittelpumpe 11 geregelt wird.
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Der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke ist nicht auf die vorangehend geschilderten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist denkbar, Thermostatventile der genannten Art auch außerhalb von Kühlmittelkreisläufen in Fahrzeugen, beispielsweise zum Steuern von anderen Fluidkreisläufen, einzusetzen. Ebenso sind gänzlich andere Ausgestaltungen zur Drucksteuerung des Thermostatventils denkbar und möglich, genauso wie die Kennlinie einer elastischen Vorspannkraft im Grunde beliebig gestaltet werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kühlwasserkreislauf
- 10
- Verbrennungsmotor
- 11
- Kühlmittelpumpe
- 110
- Zuleitung
- 12
- Heizungskühler
- 120
- Zuleitung
- 13
- Kühler
- 130
- Zuleitung
- 2
- Thermostatventil
- 200A
- Verschlusselement
- 201A
- Strömungskörper
- 202A
- Schwenkachse
- 203A
- Verbindungsstege
- 204A
- Feder
- 205A
- Dichtung
- 200B
- Verschlusselement
- 202B
- Schwenkachse
- 204B
- Feder
- 205B
- Dichtung
- 206B
- Linie
- 207B
- Federbefestigungspunkt
- 208B
- Federbefestigungspunkt
- 200C
- Verschlusselement
- 202C
- Schwenkachse
- 203C
- Verbindungssteg
- 204C
- Feder
- 205C
- Dichtung
- 206C
- Linie
- 200D
- Verschlusselement
- 201D
- Strömungskörper
- 202D
- Schiebeführung
- 203D
- Bohrung
- 204D
- Feder
- 205D
- Dichtung
- 206D
- Magnet
- 207D
- Magnetischer Anker
- 200E
- Verschlusselement
- 201E
- Leitungsverengung
- 202E
- Schwenkachse
- 203E
- Stößel
- 204E
- Feder
- 205E
- Dichtung
- 206E
- Membran
- 207E
- Kanal
- 208E
- Teilraum
- 210E
- Verbindungskanal
- 200F
- Verschlusselement
- 201F
- Strömungskörper
- 202F
- Schiebeführung
- 203F
- Bohrung
- 204F
- Feder
- 205F
- Dichtung
- 206F
- Membran
- 207F
- Kanal
- 208F
- Teilraum
- 209F
- Teilraum
- 200G
- Verschlusselement
- 201G
- Strömungskörper
- 202G
- Schiebeführung
- 203G
- Bohrung
- 204G
- Feder
- 205G
- Dichtung
- 206G
- Feder
- 207G
- Steuerstück
- 208G
- Schieber
- 209G
- Kniehebel
- 210G
- Kniegelenk
- 211G, 212G
- Befestigungspunkt
- 213G
- Schenkelfeder
- 200H
- Verschlusselement
- 201H
- Strömungskörper
- 202H
- Schiebeführung
- 203H
- Bohrung
- 204H
- Feder
- 205H
- Dichtung
- 206H
- Zwischenteil
- 207H
- Gewindebolzen
- 208H
- Gewinde
- 209H
- Triebfeder
- 210H
- Rotor
- 211H
- Strömungsflügel
- D
- Drehrichtung
- S, S1, S2
- Kühlmittelstrom
- U, V, W
- Richtung
