DE102019111829A1

DE102019111829A1 - Regelventil zur Regelung eines Kühlmittelstroms in einem Kühlsystem

Info

Publication number: DE102019111829A1
Application number: DE102019111829.8A
Authority: DE
Inventors: Thomas Stephan; Steffen Flade
Original assignee: H2fly GmbH; Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: H2fly GmbH; Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2019-05-07
Filing date: 2019-05-07
Publication date: 2020-11-12
Anticipated expiration: 2039-05-08
Also published as: DE102019111829B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Regelventil (26) zur Regelung eines Kühlmittelstroms in einem Kühlsystem (10), insbesondere in einem Kühlsystem (10) zum Kühlen mehrerer Wärmequellen (11, 12), mit einem Ventilgehäuse (31), das wenigstens zwei Einlassöffnungen (32, 33) zum Zuführen eines ersten und eines zweiten Kühlmittelstroms (36, 37) aufweist, mit einem Fluidraum (29), der mit den wenigstens zwei Einlassöffnungen (32, 33) in Strömungsverbindung steht, sowie mit wenigstens einer Auslassöffnung (34), die von dem Fluidraum (29) abführt, wobei den wenigstens zwei Einlassöffnungen (32, 33) jeweils ein Ventil (38, 39) zugeordnet ist, welches zumindest in einer Öffnungsstellung (49) und einer Schließstellung (48) anordenbar ist, wobei die Stellungen der Ventile (38, 39) unabhängig voneinander, zur unabhängigen Regelung der durch die Einlassöffnungen (32, 33) strömenden Kühlmittelströme (36, 37), einstellbar sind

Description

Die Erfindung betrifft ein Regelventil zur Regelung eines Kühlmittelstroms in einem Kühlsystem, insbesondere in einem Kühlsystem zum Kühlen mehrerer Wärmequellen.
Aus der DE 10 2014 009 772 A1 ist ein Elektrofahrzeug bekannt, welches durch eine elektrische Antriebsmaschine angetrieben ist. Zur Erhöhung der Reichweite umfasst das Elektrofahrzeug zudem eine Brennstoffzelle als sogenannten „Range-Extender“. Im Betrieb erzeugen die elektrische Antriebsmaschine sowie die Brennstoffzelle Wärme, die durch ein gemeinsames Kühlsystem abgeführt wird. Nach einem Kaltstart des Elektrofahrzeugs wird zunächst nur die elektrische Antriebsmaschine vom Kühlmittel durchströmt. Dadurch wird eine schnelle Erwärmung des Kühlmittels sowie der Antriebsmaschine erreicht. Zwischen der Antriebsmaschine und der Brennstoffzelle ist ein Thermostatventil vorgesehen, welches nach dem Erreichen einer definierten Kühlmitteltemperatur zumindest einen Teilvolumenstrom des Kühlmittels der Brennstoffzelle zuführt. Zur Regelung der Kühlmitteltemperatur kann das Thermostatventil ebenso einen Teilvolumenstrom des Kühlmittels über einen Bypass einem Kühler zuführen. Durch dieses Kühlsystem stehen die elektrische Antriebmaschine und die Brennstoffzelle in einer thermischen Abhängigkeit, da die Temperatur des der Brennstoffzelle zugeführten Kühlmittels von der Austrittstemperatur des Kühlmittels von der Antriebsmaschine abhängt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Regelventil zur Regelung eines Kühlmittelstroms in einem Kühlsystem vorzuschlagen, welches zu einer optimierten Kühlung der in dem Kühlkreislauf angeordneten Komponenten beiträgt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Regelventil gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Besonders bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Regelventil wenigstens zwei Einlassöffnungen aufweist, denen jeweils ein Ventil zugeordnet ist, welches zumindest in einer Öffnungsstellung und in einer Schließstellung, und ggf. in Zwischenstellungen zwischen der Öffnungsstellung und der Schließstellung, anordnenbar ist, wobei die Stellung der Ventile unabhängig voneinander, zur unabhängigen Regelung der durch die Einlassöffnungen strömenden Kühlmittelströme, einstellbar (steuerbar bzw. regelbar) ist.
Durch das Anordnen der Ventile in der Öffnungs- und/oder Schließstellung und/oder Zwischenstellung kann jedes Ventil unabhängig voneinander vollständig verschlossen oder (vollständig) geöffnet werden. Ist ein Ventil in der Öffnungsstellung angeordnet und das andere Ventil in der Schließstellung, strömt nur einer der beiden Kühlmittelströme durch das geöffnete Ventil in den Fluidraum und verlässt das Regelventil durch die Auslassöffnung. Sind beide Ventile in der Öffnungsstellung angeordnet, strömen beide Kühlmittelströme durch die Ventile hindurch und werden in dem gemeinsamen Fluidraum zu einem Kühlmittelmischstrom zusammengeführt. Der Fluidraum wirkt dann als eine Mischkammer.
Durch das Anordnen wenigstens eines der Ventile in zumindest einer Zwischenstellung, können die (Teil-)Volumenströme der beiden Kühlmittelströme unabhängig voneinander geregelt werden. Insbesondere werden dem Regelventil über die Einlassöffnungen Kühlmittelströme zugeführt, die eine unterschiedliche Temperatur aufweisen. Indem die Volumenströme der Kühlmittelströme getrennt voneinander regelbar sind, kann das Mischungsverhältnis zwischen den beiden Kühlmittelströmen verändert werden. Durch das Mischungsverhältnis der beiden Kühlmittelströme kann die Kühlmitteltemperatur des Kühlmittelmischstroms angepasst werden. Durch Einstellbarkeit der einzelnen (Teil-)Volumenströme der beiden Kühlmittelströme ist der Volumenstrom des Kühlmittelmischstroms unabhängig von dessen Temperatur einstellbar. Die Temperatur und/oder der Volumenstrom des Kühlmittelmischstroms kann dadurch an eine erforderliche Kühlmitteltemperatur und/oder einen erforderlichen Kühlmittelvolumenstrom für eine zu kühlende Wärmequelle angepasst werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des Regelventils kann vorgesehen sein, dass das Ventil einen Ventilsitz aufweist und in dem Ventilsitz ein bewegliches Ventilelement mit einem Kühlmitteldurchgang angeordnet ist und vorzugsweise der Kühlmitteldurchgang einen Strömungsquerschnitt bildet, der gleichgroß oder größer als ein Strömungsquerschnitt der Einlassöffnung ist. So wird ein Regelventil mit drei Kammern erhalten, wobei die Kammern stromab der Einlassöffnungen, gebildet durch die Kühlmitteldurchgänge, strömungsmechanisch voneinander entkoppelt sind. Die strömungsmechanische Kopplung erfolgt stromabwärts in der Fluidkammer als dritte Kammer. Dadurch kann ein Ventil ausgebildet sein, welches bei guter Mischwirkung einen großen Strömungsquerschnitt für das durchströmende Kühlmittel aufweist. So ergibt sich ein geringer Strömungswiderstand bzw. Druckverlust für den Kühlmittelstrom durch das Ventil.
In einer Weiterbildung des Regelventils kann vorgesehen sein, dass das Ventilelement als zylindrischer Körper ausgebildet ist und der Ventilsitz eine zylindrische Innenkontur aufweist, wobei das Ventilelement um dessen Längsachse drehbar in dem Ventilsitz vorgesehen ist. Durch eine solche Ausgestaltung des Ventilelements kann eine möglichst geringe Umlenkung des Kühlmittelstroms in dem Ventil erreicht werden. Dadurch kann der Druckverlust durch das Ventil zusätzlich reduziert werden. Zudem kann durch die zylindrische Form ein geringes Bauvolumen erreicht werden, sodass das Regelventil mit einem geringen Platzbedarf auch innerhalb einer Wärmequelle integriert werden kann. Die Längsachse ist vorzugsweise quer zur Hauptströmungsrichtung ausgerichtet. Dabei kann das Ventilelement platzsparend und effizient durch einen an dessen Stirnseite angeordneten elektrischen Stellantrieb, beispielsweise einen Servomotor, radial verstellt werden.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Regelventils kann vorgesehen sein, dass das Ventilelement als zylindrischer Hohlkörper ausgebildet ist, wobei der Kühlmitteldurchgang zwei einander gegenüberliegende, z. B. kreisförmige, Fluidöffnungen im Mantel des Hohlkörpers sowie einen Hohlraum im Hohlkörper aufweist oder daraus gebildet ist. Durch die Ausgestaltung des Ventilelements als Hohlkörper kann ein geringes Gewicht des Ventilelements erreicht werden. Das Ausführen einer Stellbewegung des Ventilelements ist dadurch mit einer geringen Stellkraft ermöglicht. Zudem bietet der Hohlraum ein großes Strömungsvolumen für das durch das Ventil strömende Kühlmittel, woraus sich eine weitere Reduzierung des Druckverlustes ergeben kann.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Regelventils sieht vor, dass ein Innendurchmesser D_H des Hohlkörpers und/oder der Fluidöffnungen gleich groß oder größer ausgebildet ist als der Strömungsquerschnitt D_E der Einlassöffnung und/oder der Zuführungsleitungen an das Regelventil D_E. Beispielsweise kann das Verhältnis D_H /D_E zwischen 1 und 1,5, z. B. 1,2 betragen. Durch eine solche Ausgestaltung kann ein möglichst großes Strömungsvolumen für das Kühlmittel innerhalb des Hohlkörpers ausgebildet sein. Auch dadurch wird eine möglichst geringe Beeinflussung der Kühlmittelströmung mit dem Ziel eines möglichst geringen Druckverlustes erreicht.
Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Ventilelemente gleichartig ausgestaltet sind. Dadurch ist eine möglichst einfache konstruktive Ausgestaltung des Regelventils erreichbar. Zudem vereinfacht die gleichartige Ausgestaltung der Ventilelemente eine aufeinander abgestimmte Regelung der beiden Kühlmittelströme.
In einer Weiterbildung des Ventils kann vorgesehen sein, dass zumindest eines der Ventilelemente passgenau, jedoch weiterhin drehbar, als Passung in dem Ventilsitz angeordnet ist. Dadurch ist auch ohne Verwendung eines Dichtelementes zur Dichtung des Ventils in Schießstellung und/oder der beiden Kammern bzw. Kühlmitteldurchgänge gegeneinander eine ausreichende Dichtigkeit des Ventils erreichbar.
In einer alternativen Weiterbildung des Ventils kann vorgesehen sein, dass zwischen zumindest einem der Ventilelemente und dem Ventilsitz eine Spielpassung vorgesehen ist, sodass in der Schließstellung des zumindest einen Ventilelements eine Restströmung des Kühlmittels durch das Ventil strömbar ist. Bei einem als zylindrische Bohrung ausgebildeten Ventilsitz und einem zylindrischen Ventilelement hat sich eine Spielpassung von z. B. H11/d9 (Toleranzklassenkombination) als geeignet herausgestellt. Aufgrund der durch das Ventil strömenden Restströmung des Kühlmittels kann insbesondere in der Luftfahrt, mit Betrieb in großen Höhen und somit geringen Temperaturen, aber auch beim Winterbetrieb eines Fahrzeugs, ein Einfrieren des Ventils und der stromabwärts angeordneten Wärmequelle bei niedrigen Temperaturen in der Schließstellung verhindert werden. Zugleich kann die Restströmung als Schmiermittel wirken.
Bevorzugt können die Ventilelemente und/oder die Ventilsitze jeweils aus dem gleichen Material ausgebildet sein. Vorzugsweise sind das Ventilelement und zumindest der Ventilsitz aus einem Leichtmetall, Kunststoff, Verbundwerkstoff oder dergleichen Werkstoff mit geringem Eigengewicht ausgebildet. Als Leichtmetall kann insbesondere Aluminium(-legierung), z. B. auch mit einer Beschichtung, z. B. einer Eloxidschicht, aber auch andere Leichtmetalle wie beispielsweise Magnesium(-legierung), eingesetzt werden. Durch die gleiche Materialpaarung weisen das Ventilelement sowie zumindest der Ventilsitz gleiche thermische Ausdehnungskoeffizienten auf. So ergeben sich bei Temperaturänderungen gleiche oder zumindest ähnliche Ausdehnungseigenschaften, sodass ein Verklemmen des Ventilelements im Ventilsitz verhindert wird und, bei Vorhandensein einer definierten Spielpassung für eine Restströmung, diese aufrechterhalten wird.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Regelventils kann den Ventilelementen, insbesondere jeweils, ein elektrischer Stellantrieb zugeordnet sein, durch den Stellbewegung der Ventilelemente unabhängig voneinander durch einen elektrischen Stellantrieb ansteuerbar ist und kann vorzugsweise eine Regelung vorgesehen sein, die den Stellantrieb in Abhängigkeit von einem Regelparameter, insbesondere einem Temperaturwert und/oder einem Volumenstromwert, ansteuert. Der Stellantrieb kann z. B. platzsparend und effizient von einem (Servo-)Motor gebildet sein, der an der Stirnseite des Ventilelements angeordnet sein kann und das Ventilelement radial verstellen kann. Dadurch ist ein thermisch geregeltes und/oder volumenstromgeregeltes Regelventil erhältlich, welches eine Volumenstromregelung in Abhängigkeit eines Parameters, insbesondere eines externen Parameters, ermöglicht. Dieser externe Parameter kann beispielsweise eine Betriebstemperatur, insbesondere eine optimale Betriebstemperatur, der Wärmequelle oder ein Parameter des die Wärmequelle durchströmenden Kühlmittelvolumenstroms sein. Auf diese Weise kann die Kühlmitteltemperatur und/oder der Kühlmittelvolumenstrom des Kühlmittelstroms an die optimale Betriebstemperatur der Wärmequelle angepasst werden.
In einer Weiterbildung des Regelventils kann vorgesehen sein, dass der Stellantrieb in der Weise durch die Regelung ansteuerbar ist, dass das Ventilelement zwischen der Öffnungsstellung und der Schließstellung oder einer dazwischen liegenden Zwischenstellung, für eine Regelung eines kontinuierlichen Volumenstroms, oder zwischen der Öffnungsstellung und der Schließstellung, zur Erzeugung eines pulsierenden Kühlmittelstroms, verstellbar ist. Zur pulsierenden Regelung können z. B. vergleichsweise einfach ausgestaltete, kostengünstige und/oder robuste, Ventile verwendet werden. Die Einstellung der einzelnen Volumenströme ergibt sich aus der zeitlichen Frequenz der Pulsation. Durch die Fluidkammer als „Puffervolumen“ ergibt sich ein kontinuierlicher Kühlmittelmischstrom aus der Auslassöffnung.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des Regelventils kann in dem Fluidraum ein Filterelement zum Filtern des aus der Auslassöffnung ausströmenden Kühlmittels vorhanden sein, welches sich z. B. in den Fluidraum erstreckt, wobei das Filterelement vorzugsweise aus einem Fluid durchlässigen Material, z. B. aus Sintermetall oder einem feinmaschigen Sieb, ausgebildet ist. Durch ein solches Filterelement kann sichergestellt werden, dass der dem Regelventil nachgeschalteten Wärmequelle nur ein entsprechend gefilterter Kühlmittelstrom zugeführt wird. Dadurch, dass sich das Filterelement in den Fluidraum erstreckt und von außen nach innen durchströmt wird, kann eine Vergrößerung der Filterfläche vorgesehen werden, wodurch sich ein geringerer Druckverlust durch das Filterelement ergibt. Das Filterelement kann hierfür topfförmig, kegelförmige, kegelstumpfförmig, pyramidenförmig oder vergleichbar ausgestaltet sein.
Eine kompakte Bauform ergibt sich, wenn das Ventilgehäuse im Wesentlichen (d. h. abgesehen von Anbauten wie Leitungsanschlüssen und/oder Befestigungsstellen) quaderförmig ausgebildet ist. Beispielsweise kann das Ventilgehäuse eine Länge von rund 150 mm und eine Höhe und Tiefe von jeweils weniger als der halben Länge, z. B. eine Höhe von 55 mm und eine Tiefe von rund 60 mm, aufweisen. Das Ventilelement kann dabei z. B. einen Außendurchmesser von rund 40 mm, z. B. 38 mm, und eine Höhe von rund 50 mm aufweisen. Die Maße ergeben sich insbesondere auch nach dem Anwendungsfall.
Wenn die Einlassöffnungen und die Auslassöffnung derart bezüglich des Fluidraums angeordnet ist, dass im Betrieb die Hautströmungsrichtung des in den Fluidraum einströmenden Kühlmittels rechtwinklig zu der Hauptströmungsrichtung des aus dem Fluidraum ausströmenden Kühlmittels ausgerichtet ist, kann bei kompakter Bauform des Regelventils eine gute und druckverlustarme Durchmischung der Kühlmittelströme in dem Fluidraum erreicht werden. Dies ist insbesondere der Fall, wenn z. B. die Einlassöffnungen an derselben Seite in den Fluidraum münden und die Strömungsquerschnitte der Einlassöffnungen an ihren Mündungen mehr als 50 %, z. B. 70 % der entsprechenden Seitenfläche des Fluidraums einnehmen. Die Mündung der Auslassöffnung nimmt dabei vorzugsweise mehr als 50 % einer anderen, vorzugsweise zu der anderen Seitenfläche rechtwinklig ausgerichteten, Seitenfläche des Fluidraums ein. Der Fluidraum kann z. B. zumindest im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet sein, was Fertigungsvorteile bei der Ausbildung der Dichtflächen bieten kann.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen derselben werden im Folgenden anhand der in den Figuren dargestellten Beispiele näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmenden Merkmale können einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination erfindungsgemäß angewandt werden. Es zeigen:

1 ein exemplarisches Schaltschema eines Kühlsystems zum Kühlen mehrerer Wärmequellen mit zwei erfindungsgemäßen Regelventilen,
2 eine schematische Schnittansicht eines der Regelventile gemäß 1,
3 eine perspektivische Detailansicht eines Ventilelements des Regelventils gemäß 2,
4 eine erste Schaltstellungen des Regelventils in einer stark schematisierten Darstellung,
5 eine zweite Schaltstellungen des Regelventils in einer stark schematisierten Darstellung und
6 eine dritte Schaltstellungen des Regelventils in einer stark schematisierten Darstellung.

1 zeigt exemplarisch ein Kühlsystem 10, zum Kühlen zweier Wärmequellen 11, 12 in einem gemeinsamen Kühlkreislauf 13. Dieses Kühlsystem 10 ermöglicht das Bereitstellen verschiedener Kühlmitteltemperaturen und/oder Kühlmittelvolumenströme, sodass für die Wärmequellen 11, 12 eine individuelle Regelung der Kühlung vorgesehen werden kann. Insbesondere können die Wärmequellen 11, 12 dadurch bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen betrieben werden. Durch eine entsprechende Erweiterung des Kühlsystems 10 können auch mehr als zwei Wärmequellen 11, 12 in dem Kühlkreislauf 13 vorgesehen werden.
Die Wärmequellen 11, 12 können als thermische Verbrennungsmaschinen, als Brennstoffzellen, als Elektromotor oder als Kühlung erfordernde Leistungselektronik ausgebildet sein. Insbesondere ist bei dem Kühlsystem 10 eine Kombination verschiedener Wärmequellen 11, 12 vorgesehen, beispielsweise eine Kombination aus einer thermischen Verbrennungsmaschine mit einer Brennstoffzelle oder einem Elektromotor. Das Kühlsystem 10 mit den Wärmequellen 11, 12 kann dadurch als Hybridsystem ausgebildet sein. Solche Kühlsysteme mit verschiedenen Wärmequellen 11, 12 kommen zunehmend in Luftfahrzeugen, insbesondere in Flugzeugen, zum Einsatz. In einem Flugzeug mit einem solchen Kühlsystem übernehmen beispielsweise thermische Strömungsmaschinen die Funktion des Antriebs und eine zusätzliche Brennstoffzelle die elektrische Versorgung der Bordsysteme, wenn das Flugzeug am Boden ist. Aber auch in Kraftfahrzeugen und/oder Schiffen kommen zunehmend solche Hybridsysteme mit unterschiedlichen Wärmequellen 11, 12 zum Einsatz.
Bei Luftfahrzeugen ist die Entwicklung kontinuierlich bestrebt, sowohl Gewicht als auch Kosten von Kühlsystemen 10 zu reduzieren. Dies kann durch eine Reduzierung der Bauteilanzahl erfolgen, wobei einzelne Komponenten des Kühlsystems 10 gemeinsam genutzt werden. Die Reduzierung der Bauteile bewirkt zudem eine Verringerung der Ausfallwahrscheinlichkeit, sodass dadurch auch sicherheitstechnische Vorteile erreicht werden.
Durch den gemeinsamen Kühlkreislauf 13 sind die Wärmequellen 11, 12 thermisch miteinander verbunden, bilden jedoch voneinander getrennte mechanische und/oder elektrische Systeme. In dem Kühlkreislauf 13 zirkuliert ein Kühlmittel, welches die beiden Wärmequellen 11, 12 zur Kühlung durchströmt. Zum Fördern des Kühlmittels ist stromabwärts zu den Wärmequellen 11, 12 eine Kühlmittelpumpe 14 vorgesehen. Der Kühlkreislauf 13 ist mit einem Ausgleichsbehälter 15 verbunden. Dieser dient dem Ausgleich von Volumenänderungen des Kühlmittels im Kühlkreislauf 13 sowie zur Bevorratung von Kühlmittel. Um einen Überdruck in dem Kühlkreislauf 13 zu vermeiden, weist der Kühlkreislauf 13 zudem eine Bypassleitung 23 mit einem Überdruckventil 24 auf.
Die Kühlmittelpumpe 14 steht mit einer Kühleinrichtung 21 sowie mit zwei erfindungsgemäßen Regelventilen 26 in Verbindung. Der Kühleinrichtung 21 ist durch die Verbindung mit der Kühlmittelpumpe 14 zumindest ein Teilvolumenstrom des durch die Wärmequellen 11, 12 erwärmten Kühlmittels zuführbar. Durch die Kühleinrichtung 21 wird das durch die Wärmequellen 11, 12 erwärmte Kühlmittel gekühlt und anschließend jeweils ein kalter Kühlmittelstrom 36 über eine Kühlmittelzuführung 22 den Regelventilen 26 zugeführt.
Die Regelventile 26 stehen zudem mit der Kühlmittelpumpe 14 in Strömungsverbindung, sodass diesen neben dem kalten Kühlmittelstrom 36 auch zumindest ein Teilvolumenstrom des durch die Wärmequellen 11, 12 erwärmten warmen Kühlmittelstroms 37 zuführbar ist. Jedes der Regelventile 26 ist jeweils einer Wärmequelle 11, 12 zugeordnet. Dabei ist jedes der Regelventile 26 über einen separaten Kühlmittelführungspfad 18, 19 mit der dem jeweiligen Regelventil 26 zugeordneten Wärmequelle 11, 12 verbunden.
2 zeigt eine schematische Schnittansicht eines der Regelventile 26. Das Regelventil 26 weist ein Ventilgehäuse 31 mit im wesentlichem quaderförmiger Außenform auf, an dem, an zwei rechtwinklig zueinander angerordneten Seitenwänden, zwei Einlassöffnungen 32, 33 und eine Auslassöffnung 34 vorgesehen sind. Das Ventilgehäuse 31 kann einen Deckel aufweisen, mit welchem das Ventilgehäuse 31 verschlossen werden kann. Über die erste Einlassöffnung 32 ist beispielsweise der kalte Kühlmittelstrom 36 dem Regelventil 26 zuführbar und über die zweite Einlassöffnung 33 der warme Kühlmittelstrom 37. In dem Gehäuse 31 ist ein erstes Ventil 38 und ein zweites Ventil 39 vorgesehen. Die Ventile 38, 39 sind jeweils einer der Einlassöffnungen 32, 33 zugeordnet. Wie in 2 dargestellt, können die Einlassöffnungen 32, 33 jeweils einen Kanal bilden, in welchem jeweils eines der Ventile 38, 39 angeordnet ist. Durch die Ventile 38, 39 können die Einlassöffnungen 32, 33 unabhängig voneinander geöffnet oder verschlossen werden.
In dem Gehäuse 31 ist ein im Wesentlichen quaderförmiger Fluidraum 29 vorgesehen, über den die Einlassöffnungen 32, 33 sowie die Auslassöffnung 34 miteinander in Strömungsverbindung stehen. Der Fluidraum 29 ist stromabwärts der Ventilen 38, 39 angeordnet. In dem Fluidraum 29 werden der kalte und warme Kühlmittelstrom 36, 37, für eine kompakte Ausbildung von einer Seitenwand in den Fluidraum 29 einströmend, zusammengeführt. Dadurch erfolgt eine Vermischung der Kühlmittelströme 36, 37 zu einem Kühlmittelmischstrom 40. Dieser Kühlmittelmischstrom 40 kann aus dem Fluidraum 29 durch die Auslassöffnung 34 austreten. Die Auslassöffnung ist, für eine gute Durchmischungswirkung bei kompakter Bauweise, insbesondere an einer rechtwinklig zu der anderen Seitenwand angeordneten Seitenwand des Fluidraums angeordnet.
Die Ventile 38, 39 sind beispielsweise jeweils durch einen zylinderförmigen Ventilsitz 41 sowie durch ein in dem Ventilsitz 41 angeordnetes, beispielsweise zylinderförmiges Ventilelement 42 ausgebildet. In den Ventilen 38, 39 können Sensorelemente, z. B. zur Durchfluss- und/oder Temperaturmessung, vorhanden sein (hier nicht gezeigt). Der Ventilsitz 41 ist in dem Gehäuse 31 beispielsweise als eine zylindrische Bohrung ausgebildet. Insbesondere weist der Ventilsitz 41 eine beispielsweise zylindrische Innenkontur auf. Nachfolgende Ausführungen beschränken sich zwar auf die zylinderförmige Ausgestaltung der Ventile 38, 39, jedoch können die Ventilelemente 42 ebenso als kugelförmige Ventilelemente, die in einem kugelförmigen Ventilsitz angeordnet sind, ausgebildet sein oder eine beliebige andere Ausgestaltung aufweisen.
Eine perspektivische Detailansicht des zylinderförmigen Ventilelements 42 ist in 3 dargestellt. Das Ventilelement 42 ist als ein zylindrischer Hohlkörper 43 ausgebildet. Der Hohlkörper 43 kann beispielsweise eine Hülse sein. Die Stirnseiten des Hohlkörpers 43 können offen oder geschlossen ausgebildet sein. Innerhalb des Hohlkörpers 43 ist ein Hohlraum 44 gebildet. In dem Mantel des zylindrischen Hohlkörpers 43 sind zwei Fluidöffnungen 46, 47 vorgesehen. Diese Fluidöffnungen 46, 47 sind insbesondere gegenüberliegend in dem Mantel des Hohlkörpers 43 eingebracht. Ebenso können die Fluidöffnungen 46, 47 in einem Winkel zueinander und/oder in unterschiedlichen Höhen angeordnet sein. Durch die Fluidöffnungen 46, 47 und den Hohlraum 44 ist ein Kühlmitteldurchgang 28 für das Kühlmittel gebildet. Der Strömungsquerschnitt D_F der Fluidöffnungen 46, 47 ist vorzugsweise gleich groß oder größer ausgebildet als der Strömungsquerschnitt D_E der Eingangsöffnungen 32, 33 und/oder der Zuführungsleitungen an das Regelventil. Der Innendurchmesser D_H des Hohlraums 44 ist vorzugsweise größer ausgebildet, als der Strömungsquerschnitt D_E der Eingangsöffnungen 32, 33 und/oder der Zuführungsleitungen an das Regelventil.
Das Ventilelement 42 ist in dem Ventilsitz 41 um dessen Längsachse L drehbar gelagert. Zur Verringerung der Reibung bei der Drehbewegung ist vorzugsweise an geeigneter Stelle ein Lager vorhanden (hier nicht gezeigt), das z. B. eine Gleitscheibe umfassen kann oder durch ein Nadellager gebildet sein kann. Das Lager kann insbesondere an einem stirnseitigen Verschlussdeckel des Ventilelements 42 vorgesehen sein, wobei im Betrieb der Mantel des zylindrischen Hohlkörpers 43 gegen den Verschlussdeckel gedrückt wird.
Durch die drehbare Lagerung des Ventilelements 42 sind eine Schließstellung 48 und eine Öffnungsstellung 49 des Ventilelements 42 durch eine Drehbewegung des Ventilelements 42 einnehmbar. In der Öffnungsstellung 49 sind die Fluidöffnungen 46, 47 und die Eingangsöffnung 32, 33 zumindest im Wesentlichen kongruent zueinander angeordnet. Dadurch kann das Kühlmittel durch den Kühlmitteldurchgang 28 strömen. In der Öffnungsstellung 49 ist der größte Strömungsquerschnitt des Ventils 38, 39 gebildet. Dieser entspricht z. B. dem Strömungsquerschnitt D_E der Eingangsöffnungen 32, 33 und/oder dem Strömungsquerschnitt D_F der Fluidöffnungen 46, 47. Durch die Stellbewegung des Ventilelements 42 verschieben sich die Fluidöffnungen 46, 47 des Ventilelements 42 zu der Eingangsöffnung 32, 33, wodurch der Strömungsquerschnitt des Ventils 38, 39 graduell verkleinert wird. Daraus resultiert eine Reduzierung des Volumenstroms, der durch das Ventil 38, 39 strömt.
Die Drehbewegung der Ventilelemente 42 wird jeweils von einem nicht näher dargestellten elektrischen Stellantrieb angesteuert. Dieser Stellantrieb umfasst eine Stelleinrichtung, die mit den Ventilelementen 42 verbunden ist und eine unabhängige Ansteuerung der Ventilelemente 42 ermöglicht. Der Stellantrieb ist beispielsweise ein Servomotor, der an jedem der Ventilelemente 42 stirnseitg angeordnet ist und eine radiale Verstellbewegung bewirkt. Der Stellantrieb wird insbesondere durch eine Regelung 25 angesteuert. Die Regelung 25 steuert den Stellantrieb in Abhängigkeit eines Regelparameters. Dieser Regelparameter ist insbesondere ein erfasster Temperaturwert und/oder ein Volumenstrom im Kühlkreislauf 13. Insbesondere ist der Regelparameter eine Betriebstemperatur der dem jeweiligen Regelventil 26 zugeordneten Wärmequelle 11, 12, eine Ein- oder Austrittstemperatur des Kühlmittels dieser Wärmequelle 11, 12 und/oder eine optimale Betriebstemperatur oder ein optimaler Betriebstemperaturbereich dieser Wärmequelle 11, 12 oder ein Kühlmittelvolumenstromwert des die Wärmequelle 11, 12 durchströmenden Kühlmittels.
Die Ventilelemente 42 und zumindest der Ventilsitz 41 und/oder das Gehäuse 31 sind aus dem gleichen Material ausgebildet. Dadurch weisen die Ventilelemente 42 und der Ventilsitz 41 denselben thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf. Die Ventilelemente 42 und zumindest der Ventilsitz 41 und/oder das Gehäuse 31 sind vorzugsweise aus einem Leichtmetall ausgebildet, beispielsweise Aluminium- oder Magnesiumlegierung. Ebenso können die Ventilelemente 42 und zumindest der Ventilsitz 41 und/oder das Gehäuse 31 aus einem Kunststoff oder aus einem Verbundwerkstoff oder dergleichen ausgebildet sein. Bei Temperaturschwankungen wird durch die gleiche Materialpaarung verhindert, dass das Ventilelement 42 in dem Ventilsitz 41 verklemmt. Die beiden Ventilelemente 42 sind insbesondere gleichartig ausgestaltet.
Die Ventilelemente 42 können passgenau oder mit einer Spielpassung in dem Ventilsitz 41 angeordnet sein. Bei beiden Ausführungsformen ist keine Dichtung zwischen dem Ventilelement 42 und dem Ventilsitz 41 erforderlich. Ist das Ventilelement 42 mit einer Spielpassung in dem Ventilsitz 41 vorgesehen, kann auch in der Schließstellung des Ventilelements 42 eine geringe Restströmung des Kühlmittels durch das Ventil 38, 39 strömen. Dadurch kann ein Einfrieren des Ventils 38, 39 und stromabwärts angeordneter Wärmequellen bei niedrigen Temperaturen verhindert werden.
In dem Fluidraum 29 ist ein Filterelement 30 zum Filtern des Kühlmittels vorgesehen. Das Filterelement 30 ist an der Auslassöffnung 34 des Fluidraums 29 angeordnet. Das Filterelement 30 ist beispielsweise topfförmig ausgestaltet und erstreckt sich in den Fluidraum 29. Dadurch ist eine große Filterfläche gebildet, die den Druckverlust durch das Filterelement 30 reduziert. Das Filterelement 30 kann auch eine beliebige andere Geometrie aufweisen. Das Filterelement 30 ist insbesondere aus einem Sintermetall ausgebildet.
Die 4 bis 6 zeigen exemplarisch verschiedene Schaltstellungen des Regelventils 26 in einer stark schematisierten Darstellung.
In der ersten Schaltstellung gemäß 4 ist das Ventilelement 42 des ersten Ventils 38 in der Öffnungsstellung 49 angeordnet und das Ventilelement 42 des zweiten Ventils 39 in der Schließstellung 48 angeordnet. In der Öffnungsstellung 49 ist das erste Ventil 38 vollständig geöffnet, sodass der kalte Kühlmittelstrom 36 vollständig durch die Einlassöffnung 32 in den Fluidraum 29 strömt. Das zweite Ventil 39 ist in der Schließstellung 48 vollständig geschlossen, sodass der warme Kühlmittelstrom 37 nicht durch die Einlassöffnung 33 strömt. Ist das Ventilelement 42 mit einer Spielpassung in dem Ventilsitz 41 angeordnet, strömt in der Schließstellung 48 trotzdem eine geringe Restströmung des Kühlmittels durch das zweite Ventil 39. In dieser Schaltstellung wird somit der Kühlmittelmischstrom 40 durch den kalten Kühlmittelstrom 36 gebildet.
5 zeigt eine zweite Schaltstellung des Regelventils 26. In dieser zweiten Schaltstellung ist das Ventilelement 42 des ersten Ventils 38 in der Schließstellung 48 angeordnet und das Ventilelement 42 des zweiten Ventils 39 in der Öffnungsstellung 49. Dadurch ist das erste Ventil 38 für den kalten Kühlmittelstrom 36 vollständig geschlossen, das zweite Ventil 39 dagegen für den warmen Kühlmittelstrom 37 vollständig geöffnet. In dieser Schaltstellung wird somit der Kühlmittelmischstrom 40 durch den warmen Kühlmittelstrom 37 gebildet.
6 zeigt beispielhaft eine dritte Schaltstellung des Regelventils 26 in der die Ventilelemente 42 der Ventile 38, 39 jeweils in einer Zwischenstellung 51 angeordnet sind. Diese Zwischenstellung 51 kann eine beliebige Winkelstellung des Ventilelements 42 zwischen der Schließstellung 48 und der Öffnungsstellung 49 sein. Auf diese Weise ist eine stufenlose Verstellung des Ventilelementes 42 möglich. Durch eine Änderung der Winkelstellung des Ventilelements 42 wird eine Verkleinerung oder Vergrößerung des Strömungsquerschnitts des Kühlmitteldurchgangs 28 erreicht, sodass eine präzise Volumenstromregelung der Kühlmittelströme 36, 37 ermöglicht ist.
Die Ventilelemente 42 können unabhängig voneinander unterschiedliche Zwischenpositionen 51 einnehmen. Dadurch sind die Volumenströme des warmen Kühlmittelstroms 37 und des kalten Kühlmittelstroms 36 unabhängig voneinander regelbar. Durch die Regelung der Volumenströme ist ein Mischungsverhältnis zwischen dem warmen Kühlmittelstrom 37 und dem kalten Kühlmittelstrom 36 veränderbar. Durch die Veränderung des Mischungsverhältnisses zwischen dem warmen Kühlmittelstrom 37 und dem kalten Kühlmittelstrom 36 kann ein Kühlmittelmischstrom 40 mit einer Kühlmitteltemperatur erzeugt werden, die zwischen der Kühlmitteltemperatur des kalten und des warmen Kühlmittelstroms 36, 37 liegt. Durch das Regelventil 26 können die Kühlmitteltemperatur und der Volumenstrom des Kühlmittelmischstroms 40 gleichzeitig und/oder unabhängig voneinander geregelt werden.
Werden beispielsweise die Ventilelemente 38, 39 synchron zueinander verstellt, beispielsweise beide Ventilelemente 42 im gleichen Verhältnis geöffnet oder verschlossen, ändert sich zwar der Volumenstrom des Kühlmittelmischstroms 40, jedoch bleibt die Temperatur des Kühlmittelmischstroms 40 konstant, da das Mischungsverhältnis zwischen dem kalten und warmen Kühlmittelstrom 36, 37 durch die synchrone Verstellung der Ventilelemente 42 nicht verändert wird. Andererseits kann durch eine aufeinander abgestimmte asynchrone Verstellung der Ventilelemente 42, beispielsweise wird ein Ventilelement 42 geöffnet und das andere Ventilelement 42 im gleichen Verhältnis geschlossen, die Kühlmitteltemperatur des Kühlmittelmischstroms 40 aufgrund des veränderten Mischungsverhältnisses zwischen dem warmen und kalten Kühlmittelstrom 36, 37 erhöht oder gesenkt werden, wobei der Volumenstrom des Kühlmittelmischstroms 40 aufgrund der aufeinander abgestimmten Verstellung der Ventilelemente 42 konstant bleibt. Zudem kann durch eine entsprechende asynchrone Verstellung der Ventilelemente 42 die Kühlmitteltemperatur des Kühlmittelmischstroms 40 erhöht oder gesenkt werden und gleichzeitig der Volumenstrom des Kühlmittelmischstroms 40 erhöht oder gesenkt werden.
Durch das erfindungsgemäße Regelventil 26 wird eine Mischeinrichtung zur Verfügung gestellt, die durch die getrennte Regelbarkeit des kalten und warmen Kühlmittelstroms zu einer optimierten Kühlung der in dem Kühlkreislauf angeordneten Komponenten beiträgt. Durch die Bauraum- und gewichtsoptimierte Ausbildung kann das Regelventil insbesondere vorteilhaft in der Luftfahrt eingesetzt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014009772 A1 [0002]

Claims

Regelventil (26) zur Regelung eines Kühlmittelstroms in einem Kühlsystem (10), insbesondere in einem Kühlsystem (10) zum Kühlen mehrerer Wärmequellen (11, 12), mit einem Ventilgehäuse (31), das wenigstens zwei Einlassöffnungen (32, 33) zum Zuführen eines ersten und eines zweiten Kühlmittelstroms (36, 37) aufweist, mit einem Fluidraum (29), der mit den wenigstens zwei Einlassöffnungen (32, 33) in Strömungsverbindung steht, sowie mit wenigstens einer Auslassöffnung (34), die von dem Fluidraum (29) abführt, dadurch gekennzeichnet, dass den wenigstens zwei Einlassöffnungen (32, 33) jeweils ein Ventil (38, 39) zugeordnet ist, welches zumindest in einer Öffnungsstellung (49) und einer Schließstellung (48) anordenbar ist, wobei die Stellungen der Ventile (38, 39) unabhängig voneinander, zur unabhängigen Regelung der durch die Einlassöffnungen (32, 33) strömenden Kühlmittelströme (36, 37), einstellbar sind.
Regelventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (38, 39) einen Ventilsitz (41) aufweist und in dem Ventilsitz (41) ein bewegliches Ventilelement (42) mit einem Kühlmitteldurchgang (28) angeordnet ist und vorzugsweise der Kühlmitteldurchgang (28) einen Strömungsquerschnitt (D_F) aufweist, der gleichgroß oder größer als ein Strömungsquerschnitt (D_E) der Einlassöffnung (32, 33) ist.
Regelventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (42) als zylindrischer Körper ausgebildet ist und der Ventilsitz (41) eine zylindrische Innenkontur aufweist, wobei das Ventilelement (42) um dessen Längsachse (L) drehbar in dem Ventilsitz (41) angeordnet ist.
Regelventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (42) als zylindrischer Hohlkörper (43) ausgebildet ist, wobei der Kühlmitteldurchgang (28) (43) zwei einander gegenüber liegende, z. B. kreisförmige, Fluidöffnungen (46, 47) im Mantel des Hohlkörpers (43) sowie einen Hohlraum (44) im Hohlkörper (43) aufweist.
Regelventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Innendurchmesser (D_H, D_F) des Hohlkörpers (43) und/oder der Fluidöffnungen (46, 47) gleich groß oder größer ausgebildet ist als der Strömungsquerschnitt (D_E) der Einlassöffnung (32, 33).
Regelventil nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilelemente (42) gleichartig ausgestaltet sind.
Regelventil nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Ventilelemente (42) passgenau in dem Ventilsitz (41) angeordnet ist.
Regelventil nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zumindest einem der Ventilelemente (42) und dem Ventilsitz (41) eine Spielpassung vorgesehen ist, sodass in der Schließstellung (48) des zumindest einen Ventilelements (42) eine Restströmung des Kühlmittels durch das Ventil (38, 39), insbesondere zwischen dem Ventilelement (42) und dem Ventilsitz (41), strömbar ist.
Regelventil nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilelemente (42) und/oder die Ventilsitze (41) jeweils aus dem gleichen Material ausgebildet sind, vorzugsweise aus einem Leichtmetall, Kunststoff, Verbundwerkstoff oder dergleichen.
Regelventil nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass den Ventilelementen (42), insbesondere jeweils, ein elektrischer Stellantrieb zugeordnet ist, durch den eine Stellbewegung der Ventilelemente (42) unabhängig voneinander ansteuerbar ist und vorzugsweise eine Regelung (25) vorgesehen ist, die den Stellantrieb in Abhängigkeit von einem Regelparameter, insbesondere einem Temperaturwert und/oder einem Volumenstromwert, ansteuert.
Regelventil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellantrieb in der Weise durch die Regelung (25) ansteuerbar ist, dass das Ventilelement (42) zwischen der Öffnungsstellung und der Schließstellung oder einer dazwischen liegenden Zwischenstellung oder zwischen der Öffnungsstellung und der Schließstellung verstellbar ist.
Regelventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Fluidraum (29) ein Filterelement (30) zum Filtern des aus der Auslassöffnung (34) ausströmenden Kühlmittels vorhanden ist, welches sich z. B. in den Fluidraum (29) erstreckt, wobei das Filterelement (29) vorzugsweise aus einem Fluid durchlässigen Material, z. B. aus Sintermetall oder einem feinmaschigen Sieb, ausgebildet ist.
Regelventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilgehäuse (31) im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet ist.
Regelventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassöffnungen (32, 33) und die Auslassöffnung (34) derart bezüglich des Fluidraums (29) angeordnet sind, dass im Betrieb die Hauptströmungsrichtung des in den Fluidraum (29) einströmenden Kühlmittels senkrecht zu der Hauptströmungsrichtung des aus dem Fluidraum (29) ausströmenden Kühlmittels ausgerichtet ist.