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Stand der Technik
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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.
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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.
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Hierzu wird in der
DE 10 2006 053 310 A1 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.
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In der
US 5,950,576 ist ein Proportionalkühlmittelventil gezeigt, 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.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Ventil zur Steuerung von Volumenströmen in einem Heizund/oder Kühlsystem eines Kraftfahrzeuges weist ein Ventilgehäuse mit mindestens einem Einlasskanal sowie mindestens einem Auslasskanal auf. In dem Ventilgehäuse ist mindestens eine um eine Rotationsachse drehbar angeordnete Ventilscheibe vorhanden, die die Verbindung zwischen dem mindestens einen Einlasskanal und dem mindestens einen Auslasskanal des Ventils beeinflusst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die mindestens eine Ventilscheibe als Rotor eines als Elektromotor ausgebildeten Stellantriebs ausgebildet ist, wobei das Ventil einen mit dem Ventilgehäuse verbundenen Stator des Elektromotors zum direkten Antrieb des Rotors aufweist. In vorteilhafter Weise ergibt sich dadurch eine direkte Kraftübertragung auf die Ventilscheibe, die eine sehr fein dosierte Steuerung des Volumenstroms ermöglicht. Darüber hinaus kann das Ventil infolge des Verzichts auf einen herkömmlichen Elektromotor inklusive Getriebe sehr kompakt mit wenigen Toleranzen aufgebaut werden, was zudem den Montageaufwand und die damit verbundenen Kosten reduziert.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich durch die in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale sowie aus der Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung.
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Ist der Stator als integraler Bestandteil des Ventilgehäuses, insbesondere eines topfförmig ausgebildeten Gehäuseunterteils, ausgebildet, so kann eine weitere Bauraumreduzierung bei gleichzeitig gesteigerter Fertigungspräzision erzielt werden.
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In besonders vorteilhafter Weise besteht der Rotor aus einem magnetischen, vorzugsweise weichmagnetischen Material, insbesondere Stahl. Weist der Rotor überdies eine Außenverzahnung an seinem äußeren Umlauf auf, die mit einer am inneren Umfang des Stators angeordneten Innenverzahnung wirkverbunden ist, so ergibt sich ein sehr einfacher, kostengünstiger und präzise einstellbarer Reluktanzmotor.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Innenverzahnung des Stators durch Pole segmentiert. Die Pole sind äquidistant über den inneren Umfang des Stators verteilt angeordnet und weisen jeweils eine Drahtwicklung auf, über deren entsprechende Ansteuerung eine Rotation des als Ventilscheibe ausgebildeten Rotors mittels dessen Außenverzahnung erfolgt. Um die Steuerung des Volumenflusses so genau wie möglich zu gestalten, ist die Anzahl der Zähne der Innenverzahnung des Stators ein Vielfaches der Anzahl der Pole, während sich die Anzahl der Zähne der Außenverzahnung des Rotors an dem Raster der Innenverzahnung des Stators orientiert. Weiterhin sind die Zähne der Innen- und der Außenverzahnung je nach Anforderungsprofil des Ventils und Materialwahl des Stators bzw. Rotors als polygone Verzahnung, insbesondere als Rechteckoder Dreieckverzahnung, oder als sphärische Verzahnung, insbesondere als sinusförmige Verzahnung, ausgebildet.
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Eine sehr kostengünstige und einfache, da weit verbreitete Ansteuerung des Ventils ergibt sich, wenn drei Pole im Winkel von jeweils 120° zueinander über den inneren Umfang des Stators verteilt angeordnet sind.
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Zeichnung
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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.
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Es zeigen
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1 ein Ventil zur Steuerung von Volumenströmen in einem Heizund/oder Kühlsystem eines Kraftfahrzeuges nach dem Stand der Technik in einer Übersichtsdarstellung,
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2 das Ventil gemäß 1 in einer ersten Schnittdarstellung,
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3 das Ventils gemäß 1 in einer weiteren Schnittdarstellung und
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4 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ventils.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt ein Beispiel für ein Ventil 1 zur Steuerung von Volumenströmen in einem Heiz- und/oder Kühlsystem eines Kraftfahrzeuges nach dem Stand der Technik in einer Übersichtsdarstellung. Das Ventil 1 gemäß der Ausführungsform in 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 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 bzw. am 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.
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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 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.
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2 zeigt einen ersten Schnitt durch das Ventil 1, der in etwa senkrecht zur Zeichnungsebene der 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 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 2 dargestellte Verschraubung bzw. Verrastung erfolgen, oder aber auch durch ein Verpressen der Welle 30 in der zentralen Öffnung 32 der Ventilscheibe 28.
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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 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.
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3 zeigt eine zweite schematische Schnittansicht des Ventils 1. 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.
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Der Stator 40 weist zumindest eine Spule 52 mit einer Mehrzahl von Drahtwicklungen sowie nicht dargestellte Blechpakete auf. Die Spulen 52 erzeugen bei angelegter Spannung ein Magnetfeld, welches den Rotor 38 in Rotation versetzt. Durch die Rotation des Rotors 38 wird über die Schneckenverzahnung 44 ein Stirnrad 54 (vergleiche 2) angetrieben, welches mit der Ventilscheibe 28 verbunden ist. Die Ventilscheibe 28 weist zumindest eine Öffnung 56 auf, wobei durch ein Verdrehen der Ventilscheibe 28 die Öffnung 56 vor den Auslasskanal 20 gedreht wird. Je nach Stellung der Öffnung 56 vor dem Auslasskanal 20 wird die Durchflussfläche der Ventilscheibe 28 reguliert. Die Öffnung 56 ist mit ihrer Längsachse zur Rotationsachse 31 der Welle 30 bzw. der Ventilscheibe 28 versetzt angeordnet.
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In 4 ist das erfindungsgemäße Ventil 1 sehr vereinfacht in einer Draufsicht dargestellt. Im Unterschied zu den 1 bis 3 wird nun die Ventilscheibe 28 als Rotor 38 direkt von einem in dem Gehäuseunterteil 12 integrierten Stator 40 angetrieben. Der Stellantrieb 24 ist folglich integraler Bestandteil des Ventilgehäuses 10, so dass in besonders vorteilhafter Weise auf ein zusätzliches Antriebsgehäuse 24 verzichtet werden kann. Durch den Direktantrieb der Ventilscheibe 28 ist zudem kein Getriebe mehr erforderlich, so dass auch die für ein Ventil nach dem Stand der Technik erforderlichen Bauteile Rotorwelle 42, Schneckenverzahnung 44, Stirnrad 54, Abtriebswelle 30 sowie die zusätzlichen Getriebelager nicht mehr benötigt werden. Stattdessen ist lediglich eine verhältnismäßig einfache Lagerung der Ventilscheibe 28 für deren Rotation um die Rotationsachse 31 erforderlich. Der Rotor 38 des erfindungsgemäßen Ventils 1 besteht aus einem magnetischen, vorzugsweise weichmagnetischen Material, insbesondere Stahl. Er verfügt überdies über eine Außenverzahnung 58 an seinem äußeren Umlauf, die mit einer am inneren Umfang des Stators 40 angeordneten Innenverzahnung 60 wirkverbunden ist. Die Innenverzahnung 60 des Stators 40 ist durch drei Pole 62 segmentiert, die äquidistant mit Winkeln von jeweils 120° zueinander über den inneren Umfang des Stators 40 verteilt angeordnet sind. Die drei Pole 62 weisen jeweils eine Drahtwicklung U, V, W auf, über deren entsprechende Ansteuerung, die dem Fachmann auf dem Gebiet der Elektrotechnik bekannt ist und folglich hier nicht näher beschrieben werden soll, eine Rotation des als Ventilscheibe 28 ausgebildeten Rotors 38 mittels dessen Außenverzahnung 58 erfolgt. Somit ergibt sich in besonders einfacher und kostengünstiger Weise eine präzise einstellbarer Reluktanzmotor.
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Um die Steuerung des Volumenflusses so genau wie möglich zu gestalten, ist die Anzahl der Zähne der Innenverzahnung 60 des Stators 40 ein Vielfaches der Anzahl der Pole 62. Im gezeigten Beispiel werden pro Pol 62 21 Zähne verwendet, so dass sich bei drei Polen insgesamt 63 Zähne für die Innenverzahnung 60 des Stators 40 ergeben. Die Anzahl der Zähne der Außenverzahnung 58 des Rotors 38 orientiert sich dabei an dem Raster der Innenverzahnung 60 des Stators 40. Es sind je nach Materialwahl des Rotors 38 und des Stators 40 sowie in Abhängigkeit vom Anforderungsprofil des Ventils 1 auch hiervon abweichende Zahnraster möglich. Weiterhin können die Zähne der Innenverzahnung 60 und der Außenverzahnung 58 als polygone Verzahnung, insbesondere als Rechteck- oder Dreieckverzahnung, oder als sphärische Verzahnung, insbesondere als sinusförmige Verzahnung, ausgebildet sein.
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Das obige Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß der 4 versteht sich nur als exemplarisch. So kann die Erfindung auch auf Reluktanzmotoren mit mehr als drei Polen 62 und deutlich mehr oder weniger als 21 Zähnen der Innenverzahnung 60 des Stators 40 pro Pol 62 angewendet werden. Auch die dargestellten Öffnungsquerschnitte und Anzahl der Öffnungen 56 der Ventilscheibe 28 sind nicht einschränkend zu verstehen. Entsprechendes gilt für die optische Ausgestaltung des Ventils 1 sowie die Anzahl der Ein- und Auslasskanäle 18, 20, 22, die sich in erster Linie an das Einsatzgebiet des Ventils 1 orientieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006053310 A1 [0003]
- US 5950576 [0004, 0004]
