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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wärmemanagementmodul zur Regelung eines zumindest zwei Kühlmittelkreise umfassenden Kühlsystems einer Brennkraftmaschine, aufweisend einen axial von einem Kühlmittel durchströmten Drehschieber, dessen Drehschiebergehäuse wenigstens einen Kühlmitteleintritt und zumindest einen Kühlmittelaustritt einschließt. Eine als Drehschieberkugel ausgebildete, mit Öffnungen versehene Ventileinrichtung ist mittels eines Stellantriebs verdrehbar, wodurch ein Strömungspfad zwischen dem Kühlmitteleintritt und dem Kühlmittelaustritt herstellbar ist.
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Über ein auch als Thermomanagementmodul bezeichnetes Wärmemanagementmodul kann die Temperatur einer Brennkraftmaschine präzise in einem optimalen Temperaturfenster gesteuert werden. Damit kann beispielsweise die Kaltlaufphase durch eine Vollsperrung der Kühlmittelströmung signifikant verkürzt werden und/oder die Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine bei Volllast abgesenkt werden. Die Möglichkeit einer effizienzsteigernden Temperatursteuerung durch das Wärmemanagementmodul erstreckt sich weiterhin auf Aggregate oder Zusatzeinrichtungen der Brennkraftmaschine oder des Fahrzeugs, wie beispielsweise Turbolader, Ladeluftkühler, Getriebe, Hybridmodule, Heizung oder Batterien, die bedarfsgerecht gekühlt oder beheizt werden können. Wärmemanagementmodule enthalten bevorzugt ein auch als Drehsteller oder Kühlmittelverteiler bezeichneten, im Wärmemanagementmodul integrierten Drehschieber, der zur Regulierung und Verteilung des Kühlmittelstroms in einem mehrere Teilkreisläufe aufweisenden Kühlsystems der Brennkraftmaschine eingesetzt wird. Damit kann ein Mischverhältnis des Kühlmittels zwischen den beiden Kühlmittelkreisen in Abhängigkeit einer vorgegebenen Kühlmitteltemperatur eingestellt werden.
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Die
US 4,644,909 zeigt ein Wärmemanagementmodul mit einem Drehschieber, über den zwei Kühlmittelkreise eines Kühlsystems beeinflussbar sind. Der Drehschieber ist mittels eines Stellantriebs verdrehbar, welcher durch eine elektronische Steuerung ansteuerbar ist, die ein Signal eines Kühlwassertem
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peratursensors auswertet, um abhängig von der Kühlmitteltemperatur den Drehschieber zu betätigen.
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Aus der
DE 10 2010 026 368 A1 ist ein axial vom Kühlmittel durchströmter Drehschieber bekannt, der eine durchgehende Lagerachse aufweist, die über radiale Streben mit der kugelförmigen Außenkontur des Drehschiebers verbunden ist. Die Lagerachse ist antriebsseitig mit einem in die zentrische Öffnung des Drehschiebers eingreifenden Führungselement verbunden. Gegenseitig ist die Lagerachse axial beabstandet vom Drehschieber in einer Aufnahme des Drehschiebergehäuses abgestützt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen axial durchströmten Drehschieber mit einer strömungsoptimierten Innenkontur zu schaffen, der weiterhin bei geringem Bauraumbedarf montagesicher aufgebaut und kostengünstig herstellbar ist.
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Die zuvor genannte Problemstellung wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den auf den Anspruch 1 rückbezogenen Unteransprüchen angeführt.
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Gemäß der Erfindung umfasst das Wärmemanagementmodul einen auch als Querschnittverstellglied bezeichneten Drehschieber mit einer als Hohlkugel ausgebildeten Drehschieberkugel, die zumindest eine axiale Öffnung sowie zumindest eine radiale Öffnung aufweist. Antriebsseitig ist die Drehschieberkugel mittels einer Achse in Verbindung mit einem drehschieberfesten Führungselement gelagert. Gegenseitig ist die Drehschieberkugel unmittelbar über eine Mantelfläche einer axial vorstehenden Randkontur in einer Aufnahme des Drehschiebergehäuses geführt und gelagert. Die Drehschieberkugel ist in ein komplementär zum Hohlraum ausgebildetes Drehschiebergehäuse eingesetzt und mittels eines Stellmotors oder Aktuators des Wärmemanagementmoduls antreibbar bzw. einstellbar, um einen Strömungspfad zwischen einem Eintritt und einem Austritt herzustellen. Durch das erfindungsgemäße Auslegungskonzept, das die Lagerung des axial durchströmten Drehschiebers am freien Drehschieberende auf die äußere Mantelfläche einer vorstehenden Randkontur des Drehschiebers vorsieht, ergeben sich bedeutende Vorteile.
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Abweichend zu bisherigen Lösungen, bei denen beidseitige Lagergeometrien eine gleichförmige Durchströmung des Kühlmittels verhindern, ist gemäß der Erfindung die zentrale Öffnung am freien Drehschieberende frei von Maßnahmen zur Lagerung des Drehschiebers. Damit ist die Möglichkeit geschaffen, die Abstützung bzw. Lagerung am freien Drehschieberende dauerhaft und reibungsarm auszuführen, um die durch den Kühlmittelstrom eingeleiteten Kräfte und die damit auf das Drehschieberende wirkenden Momente aufnehmen zu können. Vorteilhaft kann mit dem erfindungsgemäßen Aufbau eine strömungsoptimierte Innenkontur des Drehschiebers realisiert werden, da keine störende Lagergeometrie die Axialströmung des Kühlmittels nachteilig beeinflusst. Somit stellt sich im Kühlmittelverteiler bzw. im Drehschieber kein reduzierter hydraulischer Druckverlust ein, was sich vorteilhaft auf das gesamte Kühlsystem auswirkt, wodurch eine ausreichende Kühlmittelbeaufschlagung des Gesamtsystems sichergestellt ist. Weiterhin ergibt sich durch das erfindungsgemäße Versetzen einer Lagerstelle des Drehschiebers auf die Mantelfläche einer axial vorstehenden Randkontur vorteilhaft eine verkürzte Bauweise des Drehschiebers in axialer Richtung. Die axiale Länge der Drehschieberachse kann so verkürzt werden, dass nur der antriebsseitige Teil schlüssig mit dem Drehschieber verbunden ist.
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Die Erfindung bietet eine Lösung zur Forderung von Fahrzeugherstellern, bauraumoptimierte Komponenten (downsizing) für Kühlmittelsysteme von Brennkraftmaschinen zu entwickeln. Vorteilhaft kann durch das erfindungsgemäße Konzept mit der versetzten, reibungsarm ausgeführten Lagerstelle sowohl ein bauraumoptimierter als auch ein druckverlustoptimierter sowie montagesicherer Drehschieber bereitgestellt werden, der weiterhin kostengünstig herstellbar ist.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Aufnahme im Drehschiebergehäuse konzentrisch zu der axial vorstehenden Randkontur der Drehschieberkugel ausgebildet ist. Die der Antriebsseite gegenüberliegende Lagerung des Drehschiebers ist bevorzugt als Gleitlager ausgeführt. Zur Erzielung einer reibungsarmen Lagerung ist eine Lagerbuchse in die Aufnahme des Drehschiebergehäuses eingepresst, in der die axial vorstehende Randkontur der Drehschieberkugel drehbar eingepasst ist. Als Lagerbuchse eignet sich bevorzugt eine abriebfeste Kunststofflagerbuche. Zur Bauteiloptimierung kann die Drehschieberkugel mit der Randkontur unmittelbar in der Aufnahme des Drehschiebergehäuses geführt werden, wobei vorteilhaft zumindest eine Kontaktfläche, die Aufnahme oder die Mantelfläche der Randkontur zur Reibungsoptimierung beschichtet ist.
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Ferner ist erfindungsgemäß ein Drehschieberaufbau vorgesehen, bei dem die kalottenartig gestaltete Drehschieberkugel sowohl antriebsseitig als auch auf der gegenüberliegenden Seite mit der axial vorstehenden Randkontur abgeflachte Stirnseiten aufweist. Zentrisch schließt die Drehschieberkugel eine durchgehende axiale ausgerichtete Öffnung ein. Als Maßnahme zur Strömungsoptimierung bietet es sich an, die zentrische Öffnung der Drehschieberkugel auf der Seite der Randkontur mit einem sich konisch aufweitenden, einen Eintrittskonus bildenden Ende zu versehen. Antriebsseitig schließt die Drehschieberkugel radiale Streben ein, über die das Führungselement mit einer Mantelfläche der Drehschieberkugel verbunden ist.
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Zur wirksamen Abdichtung der Drehschieberkugel ist ein Dichtungspaket vorgesehen, das versetzt zu der zumindest einen radial ausgerichteten Öffnung zwischen der Mantelfläche der Drehschieberkugel und dem Drehschiebergehäuse eingesetzt ist.
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Das Dichtungspaket umfasst vorzugsweise eine begrenzt oder ringförmig, die Drehschieberkugel umschließende Dichtung, die zur kraftschlüssigen Anlage von einem Federelement beaufschlagt wird.
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Als Werkstoff für die Drehschieberkugel und/oder das Drehschiebergehäuse eignet sich bevorzugt ein temperatur- und säurefester Kunststoff, wobei zur Herstellung insbesondere ein Spritz- oder Spritzgießverfahren eingesetzt wird.
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Alternativ zu Kunststoff können die Drehschieberkugel und/oder das Drehschiebergehäuse aus einem metallischen Werkstoff hergestellt werden.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist. Diese Ausführungsform zeigt ein Beispiel von einer erfindungsgemäßen Lösung, die jedoch keine abschließende Begrenzung der Erfindung darstellt. Dabei zeigt;
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1 in einer Schnittdarstellung ein Wärmemanagementmodul in Verbindung mit einem erfindungsgemäßen Drehschieber.
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Die einzige 1 zeigt in einer Schnittdarstellung ein erfindungsgemäß aufgebautes, auch als Kühlmittelverteiler bezeichnetes Wärmemanagement 1 für ein Kühlsystem einer Brennkraftmaschine (nicht gezeigt), das einen Drehschieber 2 umfasst. Der drehbar in einem Drehschiebergehäuse 3 eingesetzte, als Drehschieberkugel 4 ausgebildete Drehschieber 2 weist zwei auch als Durchströmquerschnitte zu bezeichnende Öffnungen 5a, 5b auf, die mit einem Kühlmitteleintritt 6 bzw. mit einem Kühlmittelaustritt 7 des Drehschiebergehäuses 3 kommunizieren. Zur gezielten Einstellung oder Verdrehung des Drehschiebers 2 ist ein dem Wärmemanagement 1 zugeordneter Stellantrieb 8 vorgesehen, der über eine Achse 9 mit einem zentrisch im Drehschieber 2 angeordneten Führungselement 10 verbunden ist. Zur Bildung einer Lagergeometrie steht das Führungselement 10 über einzelne, umfangsverteilt angeordnete und radial ausgerichtete Streben 15 mit einer Außenkontur 16 des Drehschiebers in Verbindung. Gegenseitig vom Antrieb schließt sich an die Drehschieberkugel 4 einstückig eine zylindrisch ausgeführte, axial vorstehende Randkontur 11 an, die über eine Mantelfläche 14 formschlüssig in ein als Lagerbuchse 12 ausgebildetes Gleitlager eingreift. Dabei ist die Lagerbuchse 12 drehfixiert in einer Aufnahme 13 des Drehschiebergehäuses 3 eingepresst. Der Drehschieber 2 bildet weiterhin zwei parallel zueinander verlaufende Stirnseiten 17a, 17b, in die jeweils zentrisch eine Öffnung eingebracht ist. Im Bereich der Randkontur 11 weitet sich die Öffnung 5a zur Bildung von einem Eintrittskonus 18 kontinuierlich bis zur Stirnseite 17a konisch auf. Als Maßnahme, zur Schaffung einer wirksamen Abdichtung, ist im Bereich des Kühlmittelaustritts 7 ein im Drehschiebergehäuse 3 eingesetztes Dichtpaket 19 vorgesehen, bestehend aus einer auf der Außenkontur 16 des Drehschiebers 2 anliegenden Dichtung 20, die zur kraftschlüssigen Anlage von einem Federelement 21 beaufschlagt wird.
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Im Betriebszustand des Wärmemanagementmoduls 1 strömt ein Kühlmittel in Pfeilrichtung über den Kühlmitteleintritt 6 des Drehschiebergehäuses 3 in die Öffnung 5a des Drehschiebers 2 und kann bei einer entsprechenden Lageübereinstimmung zwischen der Öffnung 5b und dem Kühlmittelaustritt 7 austreten. Durch die erfindungsgemäße Maßnahme, die Lagerung des Drehschiebers 2 am freien Drehschieberende über die Mantelfläche 14 der Randkontur 11 in Verbindung mit einem Gleitlager der Aufnahme 13 des Drehschiebergehäuse 3 vorzunehmen, kann das Kühlmittel ohne eine Lagergeometrie strömungsoptimiert einströmen. Unterstützend wirkt dabei ein den Strömungswiderstand ebenfalls verringernder Eintrittskonus 18 im Bereich der Randkontur 11.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wärmemanagementmodul
- 2
- Drehschieber
- 3
- Drehschiebergehäuse
- 4
- Drehschieberkugel
- 5a, 5b
- Öffnung
- 6
- Kühlmitteleintritt
- 7
- Kühlmittelaustritt
- 8
- Stellantrieb
- 9
- Achse
- 10
- Führungselement
- 11
- Randkontur
- 12
- Lagerbuchse
- 13
- Aufnahme
- 14
- Mantelfläche
- 15
- Strebe
- 16
- Außenkontur
- 17a, 17b
- Stirnseite
- 18
- Eintrittskonus
- 19
- Dichtpaket
- 20
- Dichtung
- 21
- Federelement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4644909 [0003]
- DE 102010026368 A1 [0005]
