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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung mit einer Pumpe mit einem auf einer Pumpenwelle angeordneten Laufrad.
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Kühlmittelpumpen dienen in Kraftfahrzeugen üblicherweise der Steuerung eines Kühlmittelstroms zur Kühlung eines Verbrennungsmotors, wobei die Förderrate derartiger Kühlmittelpumpen in Abhängigkeit des Kühlbedarfs geregelt wird. So ist insbesondere während einer Kaltstartphase des Verbrennungsmotors eine Kühlung nicht nur nicht erforderlich, sondern sogar unerwünscht, da sie die Kaltstartphase verlängert und dadurch einen erhöhten Kraftstoffverbrauch sowie erhöhte Schadstoffemissionen erzeugt. Eine Regelung bzw. Steuerung der Förderrate der Kühlmittelpumpen erfolgt dabei üblicherweise über elektromagnetisch ansteuerbare Ventile oder Kupplungen oder andersartige Ventile.
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Bekannt sind auch Kühlmittelpumpen mit einem verstellbaren Schieber, der zur Regelung der Förderleistung der Pumpe über ein Laufrad der Pumpe geschoben werden kann. Das Verstellen des Schiebers erfolgt dabei über ein Kolben-Zylinder-Aggregat, wobei ein Druck für den Kolben mittels einer zusätzlich auf der Pumpenwelle sitzenden Sekundärpumpe erzeugt wird. Ist dabei der Schieber geöffnet und damit das Laufrad der Pumpe frei, so ist üblicherweise ein Bypass zwischen Saug- und Druckseite der Sekundärpumpe ebenfalls geöffnet. Das Laufrad der Sekundärpumpe dreht somit weitestgehend druckausgeglichen im Kühlmittel. Wird das Ventil jedoch geschlossen, kann das Laufrad der Sekundärpumpe Druck aufbauen und damit den Schieber betätigen. Da die Pumpe über einen Verbrennungsmotor, insbesondere einem Kraftfahrzeug, direkt angetrieben wird, muss diese in allen Drehzahlbereichen zuverlässig geschaltet werden können, was vor allem im niedrigen Drehzahlbereich des Leerlaufs problematisch ist, da hier das Laufrad der Sekundärpumpe nur wenig Druck aufbauen kann. Auch bei hohen Drehzahlen des Laufrads der Sekundärpumpe kann es trotz geöffnetem Bypasskanal vorkommen, dass das Laufrad der Sekundärpumpe einen geringen Druck aufbaut, der im schlimmsten Fall sogar dazu ausreicht, den Schieber zu betätigen und damit die Förderleistung der Pumpe zu reduzieren, was insbesondere bei hohen Drehzahlen und damit hoher Leistung des Verbrennungsmotors äußerst schädlich für diesen ist.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für eine Kühleinrichtung eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die in sämtlichen möglichen Drehzahlbereichen zuverlässig und exakt geschaltet werden kann.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, anstelle eines bisher üblichen 2/2-Wege-Ventil nunmehr ein 3/2-Wege-Ventil vorzusehen und über dieses die Förderrate einer Pumpe einer Kühleinrichtung, insbesondere für einen Verbrennungsmotor in einem Kraftfahrzeug, zu steuern. Die Kühleinrichtung besitzt dabei die beschriebene und in einem Kühlkreislauf eingebundene Pumpe, bspw. eine Kühlmittelpumpe, mit einem auf einer Pumpenwelle angeordneten Laufrad, sowie einem verstellbaren Schieber, der über das Laufrad geschoben werden kann und dadurch die Förderrate der Pumpe einstellt. Auf der Pumpenwelle ebenfalls angeordnet ist eine Sekundärpumpe zum Aufbauen eines den Schieber verstellenden Fluiddrucks. Mittels des erfindungsgemäßen 3/2-Wege-Ventils, das in einer ersten Stellung eine Druckseite der Sekundärpumpe verschließt und die Saugseite mit dem Kühlkreislauf und dem Schieber verbindet und das in einer zweiten Stellung die Druckseite der Sekundärpumpe mit dem Schieber und die Saugseite der Sekundärpumpe mit dem Kühlkreislauf verbindet ist es nun möglich, auszuschließen, dass bei hohen Drehzahlen und trotz offenem Bypasskanal das Laufrad der Sekundärpumpe einen geringen Druck aufbaut und darüber den Schieber verstellt, was zu einer Unterbrechung der Kühlung bzw. zu einer deutlichen Reduzierung der Förderrate der Pumpe an Kühlmittel führen würde. Um dies zu verhindern ist zudem ein zwischen der Druckseite der Sekundärpumpe und dem 3/2-Wege-Ventil ein Überdruckventil vorgesehen, welches bei Erreichen eines vordefinierten Drucks in Richtung des Kühlkreislauf durchlässig wird. Bei hohen Drehzahlen der Pumpe und damit auch des Laufrads der Sekundärpumpe wird somit die Druckseite der Sekundärpumpe geschlossen, wobei das stromab der Sekundärpumpe angeordnete Überdruckventil einerseits dafür sorgt, dass der Fluiddruck auf der Druckseite der Sekundärpumpe nicht höher werden kann, als im Kühlkreislauf selbst und der zum anderen dafür sorgt, dass auch stets mindestens der Druck aus dem Kühlkreislauf anliegt, wodurch eine schnelle Betätigung des Schiebers möglich ist. Die Saugseite der Sekundärpumpe ist dabei ebenfalls mit dem Schieber verbunden, wodurch an diesem ein Unterdruck erzeugt und damit der Schieber sicher zurückgehalten wird. Durch den am Schieber anliegenden Unterdruck wird auch das Öffnen des Schiebers unterstützt, was ebenfalls positiv für schnelle Schaltzyklen ist. Ist hingegen der Schieber geschlossen, das heißt über das Laufrad der Pumpe geschoben, so wurde zuvor die Druckseite der Sekundärpumpe mit dem Schieber verbunden, wogegen die Verbindung zwischen der Saugseite der Sekundärpumpe und dem Schieber unterbrochen wird. Die Saugseite der Sekundärpumpe hat in diesem Schaltzustand ausschließlich noch Kontakt zum Kühlkreislauf. Durch das Anlegen des Unterdrucks am Schieber kann dieser besonders leichtgängig, bspw. mit deutlich leichtgängigeren Dichtungen, ausgebildet werden und/oder bspw. eine Rückstellfeder komplett entfallen kann.
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Selbstverständlich wirkt der Fluiddruck der Sekundärpumpe dabei üblicherweise nicht direkt auf den Schieber, sondern auf einen Ringkolben, der in einem Ringraum verstellbar gelagert und mit dem Schieber gekoppelt ist. Der auf den Schieber wirkende Unterdruck in der ersten Stellung der Sekundärpumpe ermöglicht es jedoch nicht nur den Ringkolben bzw. den Schieber noch leichtgängiger zu machen, indem bspw. Dichtungen ganz entfallen können, sondern der in der ersten Schaltstellung des 3/2-Wege-Ventils auf den Schieber bzw. Ringkolben wirkende Unterdruck kann als zusätzlicher Fail-Safe-Mechanismus genutzt werden, welcher eine vorhandene Rückstellfeder unterstützt oder diese sogar ersetzt. Das Überdruckventil kann dabei als federvorgespanntes Ventil ausgebildet sein oder aber in der Art der fehlenden Dichtung bspw. am Ringkolben, wodurch eine gewisse Leckage ermöglicht wird, die verhindert, dass bei geschlossenem Schieber kein unzulässig hoher Überdruck durch das Laufrad der Sekundärpumpe erzeugt wird, da durch die Leckagemöglichkeit aufgrund der fehlenden Dichtungen der Leckageüberschuss in den Kühlkreislauf zurückgeführt wird. Mit der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung ist somit ein leichtgängiges und exakt schaltbares Betreiben der Pumpe möglich und zwar unabhängig von den Drehzahlen der Pumpenwelle.
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Die erfindungsgemäße Kühleinrichtung ermöglicht dabei eine Verkürzung der Kaltstartphase eines Verbrennungsmotors, wodurch sich dieser schneller erwärmt und damit eine geringere Schadstoffemission erzeugt. Während der Kaltstartphase des Verbrennungsmotors wird dabei die Saugseite von der Druckseite der Sekundärpumpe getrennt, so dass die Sekundärpumpe den den Schieber in seine Schließstellung verstellenden Fluiddruck aufbauen kann. Mit zunehmender Dauer der Kaltstartphase, dass heißt bei zunehmender Erwärmung des Verbrennungsmotors, kann eine zunehmende Verbindung zwischen der Druckseite und der Saugseite der Sekundärpumpe erlaubt und dadurch der von der Sekundärpumpe erzeugte Fluiddruck zunehmend abgesenkt werden, woraufhin sich der Schieber in seine Öffnungsstellung verstellt und das Laufrad der Pumpe freigibt, so dass diese Kühlmittel zum Verbrennungsmotor fördern und diesen kühlen kann.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weist die Pumpe einen Ringkolben auf, der in einem Ringraum verstellbar und mit dem Schieber gekoppelt ist. Der Ringkolben ist dabei über eine Axialdichtung in Axialrichtung, sowie über eine Radialdichtung in Radialrichtung gegenüber dem Ringraum abgedichtet. Durch Anlegen eines Überdrucks wird dabei der Ringkolben und über diesen der Schieber über das Laufrad verstellt, wobei ein Zurückverstellen des Schiebers bspw. über eine entsprechende Feder erfolgen kann, unterstützt bspw. zusätzlich durch ein Anlegen eines Unterdrucks an den Ringkolben, wodurch dieser zurückgezogen wird. Durch das Vorsehen der Dichtungen zwischen dem Ringkolben und dem Ringraum ist hier ein Fluiddurchtritt nicht möglich, wogegen rein theoretisch die Dichtungen auch weggelassen werden können, so dass der Ringraum bspw. als Überdruckventil dient. Die durch den Ringraum austretende Leckage wird dabei dem Kühlkreislauf zurückgeführt, wobei gemäß dieser Ausführungsform selbst bei geschlossenem Schieber kein unzulässig hoher Überdruck durch das Laufrad der Sekundärpumpe erzeugt werden kann, da die stetige Leckage durch den Ringraum diesen Überdruck verhindert. Rein theoretisch kann bei dieser Ausführungsform sogar auf das zusätzliche Überdruckventil gänzlich verzichtet werden, wodurch nicht nur die Dichtungen eingespart werden können, sondern zusätzlich auch das Überdruckventil selbst.
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Auch denkbar ist, dass das Laufrad der Sekundärpumpe zusätzlich zum eigentlichen Pumpenrad der Pumpe Druck erzeugen und dadurch die Hauptpumpe unterstützen kann, wobei dies jedoch nur dann möglich ist, sofern ein Druckbegrenzungsventil, bspw. in der Art des Überdruckventils, vorgesehen wird.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine erfindungsgemäße Kühleinrichtung mit einer in einem Kühlkreislauf eingebundenen Pumpe mit geöffnetem Schieber,
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2 eine Darstellung wie in 1, jedoch mit geschlossenem Schieber.
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Entsprechend den 1 und 2, weist eine erfindungsgemäße Kühleinrichtung 1, insbesondere für einen Kühlkreislauf eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug, eine in einen Kühlkreislauf 8 eingebundene Pumpe 2 auf, die im vorliegenden Fall als Kühlmittelpumpe ausgebildet ist. Die Pumpe 2 besitzt ein auf einer Pumpenwelle 3 angeordnetes Laufrad 4, sowie einen verstellbaren Schieber 5, der über das Laufrad 4 verschoben werden kann und dadurch eine Förderrate der Pumpe 2 steuert. Ebenfalls angeordnet auf der Pumpenwelle 3 ist eine Sekundärpumpe 6 zum Aufbau eines den Schieber 5 verstellenden Fluiddrucks. Anstelle eines bisher vorgesehenen 2/2-Wege-Ventils ist nun erfindungsgemäß ein 3/2-Wege-Ventil 7 vorgesehen, das in einer ersten Stellung eine Druckseite 9 der Sekundärpumpe 6 verschließt, wie dies gemäß der 1 gezeigt ist, und die Saugseite 10 mit dem Kühlkreislauf 8 und dem Schieber 4 verbindet und das in einer zweiten Stellung, wie dies gemäß der 2 dargestellt ist, die Druckseite 9 der Sekundärpumpe 6 mit dem Schieber 5 und die Saugseite 10 der Sekundärpumpe 6 mit dem Kühlkreislauf 8 verbindet. Druckseitig der Sekundärpumpe 6 ist darüber hinaus ein Überdruckventil 11 angeordnet, das bei Erreichen eines vordefinierten Drucks (Überdrucks) in Richtung des Kühlkreislaufs 8 durchlässig ist. Das Überdruckventil 11 ist dabei gemäß den 1 und 2 in der Art eines federvorgespannten Rückschlagventils ausgebildet, wobei auch andere Ausführungsformen denkbar sind, wie dies später noch erläutert werden wird.
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Bei dem erfindungsgemäß vorgesehenen 3/2-Wege-Ventil 7 handelt es sich um ein betätigbares Ventil, insbesondere um bspw. ein Magnetventil. Das 3/2-Wege-Ventil 7 kann insbesondere elektrisch, elektromagnetisch, hydraulisch, mechanisch oder pneumatisch betätigbar sein. Die Sekundärpumpe 6 kann bspw. als Verdrängerpumpe, als Peripheralpumpe oder als Seitenkanalpumpe ausgebildet sein. Das Laufrad 4 der Pumpe 2, sowie ein Laufrad 4' der Sekundärpumpe 6 sind dabei vorzugsweise in einem gemeinsamen Kühlkreislauf 8 eingebunden. Zudem ist der verstellbare Schieber 5 als Verstellhülse ausgebildet, die in Axialrichtung, das heißt parallel zur Achse der Pumpenwelle 3 über das Laufrad 4 der Pumpe 2 verschiebbar ist.
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Zum Verschieben des Schiebers 5 ist ein Ringkolben 12 vorgesehen, der in einem Ringraum 13 verstellbar gelagert und mit dem Schieber 5 gekoppelt ist. Ein derartiger Ringkolben 12 ermöglicht dabei ein verkantungsfreies und gleichmäßiges Verstellen des Schiebers 5. Der Ringkolben 12 ist üblicherweise über eine nicht näher erläuterte Axialdichtung in Axialrichtung und über eine Radialdichtung 14 in Radialrichtung bezüglich des Ringraums 13 abgedichtet. Dabei kann es sich auch um eine kombinierte Axial-/Radialdichtung handeln. Anstelle des Überdruckventils 11 kann diese Radialdichtung 14 bzw. eine Axialdichtung auch weggelassen werden, so dass sich zwischen dem Ringkolben 12 und dem Ringraum 13 eine Leckage ergibt, die einen Abbau des durch das Laufrad 4‘ der Sekundärpumpe 6 aufgebauten Überdrucks ermöglicht.
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Betrachtet man die 1 und 2 näher, so kann man erkennen, dass das 3/2-Wege-Ventil 7 einen mittels einer Feder 15 vorgespannten Ventilkolben 16 aufweist, wobei die Feder 15 bei unbetätigtem 3/2-Wege-Ventil 7 den Ventilkolben 16 in eine Öffnungsstellung (vgl. 1) vorspannt, so dass in diesem Fall die Druckseite 9 der Sekundärpumpe 6 mit deren Saugseite 10 verbunden ist, woraufhin das Laufrad 4‘ der Sekundärpumpe 6 keinen den Schieber 5 bzw. den Ringkolben 12 verstellenden Fluiddruck aufbauen kann.
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Die erfindungsgemäße Kühleinrichtung 1 und insbesondere die erfindungsgemäße Pumpe 2 mit dem zugehörigen 3/2-Wege-Ventil 7 ermöglicht es, in allen Drehzahlbereichen der Pumpe 2 ein optimales Schalten bzw. Verstellen des Schiebers 5 zu ermöglichen. Bei bisherigen 2/2-Wege-Ventilen war es insbesondere in geringen Drehzahlbereichen problematisch, den zum Verstellen des Ringkolbens 12 und damit des Schiebers 5 erforderlichen Fluiddruck aufbauen zu können. Aus diesem Grund wurde der Ringkolben 12 vergleichsweise leichtgängig gestaltet, so dass dieser bereits mit geringen Kräften leicht verstellt werden kann. Hierdurch ist prinzipiell auch eine Verstellung im Leerlaufdrehzahlbereich möglich. Dies bedingt jedoch auf der anderen Seite, dass bei sehr hohen Drehzahlen trotz offenem Bypasskanal, das heißt trotz der Ventilstellung gemäß der 1, das Laufrad 4‘ der Sekundärpumpe 6 einen geringen Druck aufbaut der jedoch ausreicht, den Schieber 5 im schlimmsten Fall zu betätigen und über das Laufrad 4 der Pumpe 2 zu schieben, was jedoch insbesondere bei hohen Drehzahlen und der hierbei erforderlichen Kühlung schädlich für den mit der Kühleinrichtung 1 gekühlten Verbrennungsmotor sein dürfte. Aus diesem Grund wurde die Kühleinrichtung 1 erfindungsgemäß durch Einsatz des 3/2-Wege-Ventils 7 und des Überdruckventils 11 verbessert.
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Beim Starten des Verbrennungsmotors sollte dieser zur Reduzierung der Stickoxidemissionen möglichst schnell seine Betriebstemperatur erreichen, so dass hier eine Kühlung durch die Kühleinrichtung 1 unerwünscht ist. Aus diesem Grund nimmt in diesem Stadium das 3/2-Wege-Ventil 7 die gemäß der 2 dargestellte Stellung ein, wodurch die Druckseite 9 der Sekundärpumpe 6 zum Ringkolben 12 hin geöffnet ist, was zu einem Überschieben des Schiebers 5 über das Laufrad 4 und damit zu einer Reduzierung der Fördermenge der Pumpe 2 beiträgt. Die Verbindung der Saugseite 10 des Laufrads 4‘ der Sekundärpumpe 6 hingegen zum Ringkolben 12 wird geschlossen, so dass hier nur noch Kontakt zum Kühlkreislauf 8 besteht.
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Bei zunehmender Erwärmung des Verbrennungsmotors, bspw. am Ende der Kaltstartphase, wird nun das 3/2-Wege-Ventil 7 in die gemäß der 1 dargestellte Stellung überführt, wodurch die Druckseite 9 des Laufrads 4‘ der Sekundärpumpe 6 in Richtung des Ringkolbens 12 verschlossen wird. Das Überdruckventil 11 sorgt dabei zum einen dafür, dass der Druck auf der Druckseite 9 der Sekundärpumpe 6 nicht höher ist als im Kühlkreislauf 8 selber und zum anderen dafür, dass auch immer mindestens der Druck aus dem Kühlkreislauf 8 anliegt, wodurch eine schnelle Betätigung des Ringkolbens 12 und damit ein schnelles Verstellen des Schiebers 5 gewährleistet werden kann. Die Saugseite 10 der Sekundärpumpe 6 ist in diesem Fall mit dem Ringkolben 12 verbunden, wodurch im Ringraum 13 ein Unterdruck erzeugt und damit der Ringkolben 12 und der Schieber 5 sicher zurückgehalten werden können. Durch den anliegenden Unterdruck im Ringraum 13 kann zudem das Öffnen des Schiebers 5 unterstützt werden, wodurch ebenfalls vergleichsweise schnelle Schaltzyklen erzielbar sind. Der in diesem Fall entstehende Unterdruck kann auch als so genannter fail-safe-Mechanismus verwendet werden, da in diesem Fall der Schieber 5 aufgrund des Unterdrucks im Ringraum 13 zurückgezogen und die Förderleistung der Pumpe 2 erhöht wird, sofern bspw. ein Stromausfall ein Verstellen des 3/2-Wege-Ventils 7 verhindert. Je nachdem wie hoch der im Ringraum 13 entstehende Unterdruck dabei ist, kann sogar darüber nachgedacht werden, eine Feder 15', die den Schieber 5 in seine das Laufrad 4 freigebende Stellung verschiebt, entfallen zu lassen.
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Das Überdruckventil 11 kann je nach Ausgestaltung der entsprechenden Axial-/Radialdichtungen 14 auch gänzlich entfallen, sofern bspw. diese Axial-/Radialdichtungen 14 nicht vorhanden sind und ein Überdruck von der Druckseite 9 der Sekundärpumpe 6 zum Kühlkreislauf 8 über die Leckage durch den Ringraum 13, das heißt seitlich am Ringkolben 12 vorbei, erfolgen kann. In diesem Fall könnten nicht nur das Überdruckventil 11, sondern zudem auch die Axial-/Radialdichtungen 14 entfallen, was weiter den großen Vorteil birgt, dass der Ringkolben 12 nochmals leichtgängiger im Ringraum 13 verstellbar angeordnet ist. Die über die Leckage zurückfließende Fluidmenge strömt somit von der Druckseite 9 der Sekundärpumpe 6 durch die Leckage in den Kühlkreislauf 8.
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Mit der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung 1 und insbesondere mit der erfindungsgemäßen Pumpe 2 und dem zugehörigen 3/2-Wege-Ventil 7 lässt sich eine besonders exakte Schaltung und Regulierung der Fördermenge der Pumpe 2 mit vergleichsweise einfachen und kostengünstigen Mitteln erzielen.
