DE102016213273A1

DE102016213273A1 - Integrierte Kühlwasserleitung für Wärmetauscher

Info

Publication number: DE102016213273A1
Application number: DE102016213273.3A
Authority: DE
Inventors: Michael Weiss
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2016-07-20
Filing date: 2016-07-20
Publication date: 2018-01-25

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wärmesteuerungsmodul (1) zur Steuerung von zumindest einem Volumenstrom in einem Antriebsstrang, mit einem Wärmetauscher (2), der zumindest eine Zuleitung (3) und zumindest eine Ableitung (4) aufweist, die mit einem Kanal (5) verbunden sind, in dem ein Drehschieber (6) angeordnet ist, der derart einstellbar ist, dass verschiedene Strömungszustände schaltbar sind, wobei es sich bei dem von dem zumindest einen Volumenstrom geführten Medium um Wasser handelt. Ebenso betrifft die Erfindung einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, mit einer Antriebseinheit und einem erfindungsgemäßen Wärmesteuerungsmodul (1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wärmesteuerungsmodul zur Steuerung von zumindest einem Volumenstrom in einem Antriebsstrang, mit einem Wärmetauscher, der zumindest eine Zuleitung und zumindest eine Ableitung aufweist, die mit einem Kanal verbunden sind, in dem ein Drehschieber angeordnet ist, der derart einstellbar ist, dass verschiedene Strömungszustände schaltbar sind.
Ein gattungsgemäßes Wärmesteuerungsmodul ist aus der deutschen Patentanmeldung mit der Nummer 10 2009 056 161 A1 bekannt. Diese offenbart eine Schmiermittelversorgungseinrichtung, die über einen Hub eines Ventils verschiedene Betriebszustände schaltet. Die Gestaltung der verschiedenen Kanäle sowie die des Ventils ist an das eingesetzte Medium Öl angepasst.
Auch die deutsche Patentanmeldung mit der Nummer 10 2012 202 044 A1 offenbart eine gattungsgemäße Ventileinrichtung. Hier ist ein Drehschieber in einem Ölfiltermodul, in das ebenfalls ein Wärmetauscher integriert ist, angeordnet, um drei Betriebszustände bei drei unterschiedlichen Winkelstellungen zu realisieren. Strömungsleitungen, die einen Volumenstrom ermöglichen, sind hinsichtlich ihrer Form auf das Durchflussmedium Öl ausgerichtet.
Das US-amerikanische Patent mit der Nummer 5,950,715 ist auf einen Wärmetauscher gerichtet. In diesem ist ein Aktivierungselement derart schaltbar, dass der Wärmetauscher vollständig von einem Medium durchflossen wird, oder eben so, dass eine Bypass-Leitung aktiv ist.
Die US-amerikanische Patentanmeldung mit der Nummer 2013/0319634 A1 offenbart einen weiteren Wärmetauscher, dessen Volumenströme mittels eines integrierten Steuerungsventils schaltbar sind.
Nachteilig an diesem Stand der Technik ist, dass die Gestaltung der Kanäle sowie die Integration in vorhandene Komponenten auf Öl-Wärmetauscher beschränkt sind. Der in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs zu schaltende Wasser- und Luftstrom ist von diesen Vorrichtungen deshalb nicht mit zufriedenstellender Qualität führbar. Stattdessen wird im Stand der Technik für jene Volumenströme ein Thermomanagementmodul eingesetzt, das jedoch deutlich komplexere Schaltungen nach sich zieht.
Durch die zunehmende Elektrifizierung im Automobilsektor sind Kraftfahrzeughersteller bestrebt einen Antriebsstrang gemäß einem Baukastenprinzip zu gestalten. Um nicht dem Zwang zu unterliegen, für jede Anwendung ein eigenes, komplexes Thermomanagementmodul zu gestalten, wird erfindungsgemäß angestrebt, einzelne Funktionen des Thermomanagementmoduls in einzelne Baukastenkomponenten zu integrieren.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass es sich bei dem von dem zumindest einen Volumenstrom geführten Medium des Wärmesteuerungsmoduls um Wassergemische, wie beispielsweise Wasser/Kühlwasser, handelt. Somit ist eine Funktion, die bisher von dem Thermomanagementmodul übernommen wurde, in ein Modul, das vielseitig einsetzbar ist, integriert. Dies senkt die Komplexität in der Handhabung von verschiedenen Antriebssträngen, während weiterhin ein optimaler Wirkungsgrad aufgrund von Rekuperationswärmeströmen erreicht ist. An die Ausgestaltung des Wärmesteuerungsmoduls für das Durchflussmedium Wasser sind hierbei andere Anforderungen gestellt als an das Durchflussmedium Öl, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche und werden nachfolgend näher erläutert.
So ist es von Vorteil, wenn der Drehschieber zumindest teilweise eine Kugelform aufweist. Ebenso ist es möglich, dass er als vollständige Kugel ausgebildet ist. Dies ermöglicht eine robuste Lagerung des Drehschiebers. Ebenso handelt es sich bei dieser Form um eine Standardkomponente für Drehschieber, was die Wirtschaftlichkeit steigert.
Sobald der Drehschieber mit zumindest zwei Dichtungseinheiten wirkgekoppelt ist, folgt, dass bei einer Schaltung des entsprechenden Betriebszustandes einem Leckagestrom am Drehschieber vorbei vorgebeugt wird. Aufgrund der Kugelform des Drehschiebers ist eine effiziente Abdichtung beispielsweise mittels zylindrischer und/oder rotationssymmetrischer Dichtungseinheiten realisierbar.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist an dem Drehschieber eine Sensorikeinheit zur Lageerfassung angeordnet. Diese ermöglicht es, dass die Position des Drehschiebers mit hoher Genauigkeit erfassbar ist, wodurch eine Fehlstellung im Bereich von weniger als einem Grad bis hin zu mehreren Grad erkannt wird und somit die Betriebssicherheit erhöht.
Ebenso vorteilhaft ist es, wenn in die Sensorikeinheit eine Steuerung integriert ist, die zum positionsgenauen Einstellen des Drehschiebers vorbereitet ist. Somit kann die Information der Sensorikeinheit nicht nur für die Erhöhung der Betriebssicherheit genutzt werden, sondern es ist in den verschiedenen Betriebszuständen jeweils die optimale Winkelposition einstellbar, um die gewünschten Volumenströme einzustellen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Wasser mittels des Kanals und des Drehschiebers geometrisch bestimmt geführt. So sind sämtliche Strömungsgeometrien auf das Leiten von Wasser optimiert, sodass eine effiziente Wärmeübertragung realisierbar ist, da das Wasser im Zulauf ein Minimum an Wärme verliert. Dies ist der fluiddynamisch optimal ausgestalteten Kanalgeometrie mit ihren abgerundeten Oberflächen und der an die zu erwartende Strömungsmenge angepassten Durchtrittsfläche zu verdanken.
Auch wenn es sich bei dem Drehschieber um ein 3-Wege-Ventil handelt, das dazu vorbereitet ist, die drei Betriebszustände Durchströmen, Umgehen und Sperren zu schalten, folgen weitere Vorteile. So ermöglichen diese Zustände nicht nur eine effiziente Rekuperation, sondern auch die Unterstützung eines Kaltstarts, da im Zustand Umgehen der Wärmetauscher über einen Bypass umgangen wird.
Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn der Drehschieber derart rotierbar ist, dass bei vollständig geöffnetem Wasserzufluss, also dem Betriebszustand Durchströmen, zusätzlich der Betriebszustand Umgehen zumindest teilweise schaltbar ist. Dies ist vorteilhaft über die Steuerung realisierbar. Somit weist das Wärmesteuerungsmodul eine hohe Flexibilität auf, da nicht nur die einzelnen Betriebszustände, sondern auch deren Vermischungen untereinander schaltbar sind, wenn dies gewünscht ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist zumindest eine Dichtungseinheit mit einer Federeinheit derart in Verbindung stehend, dass in den verschiedenen Betriebszuständen eine Anpressung zwischen der Dichtungseinheit und dem Drehschieber erreicht ist. Somit wird die Effizienz der Abdichtung mittels eines Federelements erhöht.
Ein weiterer Vorteil bildet sich heraus, wenn der Kanal in einem Einstellbereich, in dem der Drehschieber angeordnet ist, gestuft verläuft, sodass der Drehschieber zur Einstellung der verschiedenen Strömungszustände um weniger als 180° zu rotieren ist. Dies bewirkt, dass die einzelnen Betriebszustände beispielsweise über die Steuereinheit bestimmt werden und der Drehschieber bei der Ausführung eines speziellen Befehls zeiteffizient rotiert, da die Winkelspannen gering sind.
Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn der Wärmetauscher und der Einstellbereich derart ausgestaltet sind, dass sie eine gemeinsame Einheit ausbilden.
Sobald der Drehschieber derart schaltbar ist, dass er zwischen einem vollständig geschlossenen Zustand, also dem Zustand Sperren, und dem Zustand, in dem der Wärmetauscherzufluss hergestellt ist, also dem Zustand Durchströmen, und dem Zustand, in dem der Bypassdurchfluss hergestellt ist, also dem Zustand Umgehen, Abstufungen vornimmt, sodass eine Überlagerung der verschiedenen Strömungszustände einstellbar ist, erfüllt das erfindungsgemäße Wärmesteuerungsmodul höchste Qualitätsstandards.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Drehschieber über eine Regeleinheit gesteuert und/oder geregelt und die Regeleinheit ist über eine BUS-Kommunikation angesteuert. Somit wird die Sensoreinheit für eine Regelung eingesetzt. BUS-Systeme zeichnen sich durch hohe Übertragungsraten und ihre Zuverlässigkeit aus.
In anderen Worten kann gesagt werden, dass es in einem Antriebsstrang zunehmend notwendig ist, die in Schmierstoffen bzw. Kühlmedien enthaltene Energie abzuführen, um die Komponenten zu schützen und Kraftstoff einzusparen. Dies wird mittels Wärmetauschern bewerkstelligt.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung ermöglicht, dass die Intensität der Wärmeübertragung vom beaufschlagten Volumenstrom abhängt, der in der Wärmetauschereinheit geregelt wird. Hierbei ist die Regelungseinheit; also der Drehschieber, fest in den Wärmetauscher integriert und bildet mit diesem eine Einheit. Weiterhin ist die Regelungseinheit in der Lage, den Zulauf vollständig zu sperren und sie ist zusätzlich sowohl dazu in der Lage, den Volumenstrom in den Wärmetauscher zuzulassen, als auch ihn am Wärmetauscher vorbeizuleiten.
Bevorzugt ist der Volumenstrom fein regelbar, sofern ein Sensor an einem Stellglied angebracht ist. Bei dem Sensor kann es sich um Rotationssensoren oder Linearsensoren. Ein abtastendes Element des Sensors ist beispielsweise magnetisch auszugestalten. Auch eine nicht-magnetische Ausführungsform ist möglich.
Das Stellglied ist durch einen Motor angetrieben, wobei bevorzugt eine Untersetzung zwischen dem Motor und dem Stellglied angeordnet ist. Alternativ kann das Stellglied auch durch einen Magneten angetrieben werden. In diesem Ausführungsbeispiel ist entsprechend eine Rückstellfeder notwendig. Alternativ kann das Stellglied auch durch eine Vakuumdose angetrieben werden. In diesem Ausführungsbeispiel sind ebenfalls eine Rückstellfeder notwendig, sowie ein Ventil zur Druckbeaufschlagung.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn eine Unterdruckbeaufschlagung die Druckbeaufschlagung realisiert.
Die eingesetzte Regelungseinheit enthält die Regelung vorzugsweise vollständig (Elektronik) und ist über eine BUS-Kommunikation ansteuerbar (LIN, CAN usw.). Alternativ kann die Regelung in einem übergeordneten Steuergerät enthalten sein. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine Stromversorgung für den Sensor von außen, eine Signalleitung nach außen und eine Spannungsversorgung zum Stellmotor hin angeordnet.
Bei dem Stellglied handelt es sich insbesondere um einen Drehschieber, der gegen eine Primärdichtung abgedichtet wird, die wiederum durch ein Vorspann-/Federelement gegen den Drehschieber gedrückt wird. Eine Sekundärdichtung dichtet das Primärdichtelement gegen das Gehäuse ab.
Die Erfindung wird nachfolgend mittels Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1: ein erfindungsgemäßes Wärmesteuerungsmodul in einem ersten Zustand;
2: das erfindungsgemäße Wärmesteuerungsmodul in einem zweiten Zustand;
3: das erfindungsgemäße Wärmesteuerungsmodul in einem dritten Zustand;
4: einen Drehschieber in einer vergrößerten Ansicht; und
5: einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher in einer Seitenansicht und in einer Draufsicht.
Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Merkmale sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
In 1 ist ein Wärmesteuerungsmodul 1 dargestellt. Dieses weist einen Wärmetauscher 2 auf, dem mittels einer Wärmetauscherzuleitung 3 ein Medium, wie vorzugsweise Wasser, zuführbar ist und aus dem das Medium durch eine Wärmetauscherableitung 4 wieder hinausführbar ist. Zwischen den Leitungen 3, 4 ist ein Kanal 5 angeordnet, in dem erfindungsgemäß ein Drehschieber 6 zwischen verschiedenen Betriebszuständen hin- und herschaltet. Bei diesen Betriebszuständen handelt es sich im Wesentlichen um die drei Zustände Sperren, Umgehen und Durchströmen. In 1 ist der Betriebszustand Sperren dargestellt.
Der Kanal 5 ist in einen Drehschieberzufuhrabschnitt 7 und einen Drehschieberabfuhrabschnitt 8 einteilbar, wobei der Drehschieberzufuhrabschnitt 7 weiter entfernt vom Wärmetauscher 2 angeordnet ist als der Drehschieberabfuhrabschnitt 8. Diese Stufe zwischen den beiden Abschnitten bewirkt eine effiziente Schaltung zwischen den einzelnen Betriebszuständen, da die aufzubringende Rotation für die drei Betriebszustände von dem Drehschieber 6 kleiner als 180° ist.
In 2 ist der Betriebszustand Durchströmen dargestellt. Hierbei ist eine Drehschieberführungsfläche 9 derart ausgerichtet, dass eine fluidtechnisch effiziente Einströmung in die Wärmetauscherzuleitung 3 des Wärmetauschers 2 ermöglicht ist. Verglichen mit dem Betriebszustand aus 1 ist der Drehschieber 6 um weniger als –90° rotiert. Die weiteren Bezugszeichen aus 2 sind aus 1 bekannt.
3 stellt den Betriebszustand Umgehen des Wärmesteuerungsmoduls 1 dar. Hierbei nimmt der Drehschieber 6 mit seiner Drehschieberführungsfläche 9 eine solche Position ein, dass das Medium an der Wärmetauscherzuleitung 3 vorbei in den Drehschieberabfuhrabschnitt 8 gelangt. Hierfür ist der Drehschieber 6 verglichen mit dem Betriebszustand aus 1 um weniger als +90° rotiert. Dies bewirkt eine Gesamtrotation von weniger als 180° des Drehschiebers 6 für die Einstellung jeder der drei vorwiegend vorherrschenden Betriebszustände. Die weiteren Bezugszeichen aus 3 sind aus 1 bekannt.
4 stellt den Drehschieber 6 in einer vergrößerten Ansicht dar. Es handelt sich offenkundig um den Betriebszustand aus 2. Zwischen dem Drehschieber 6 und einer Kanalwandung des Kanals 5 sind hierbei Dichtungseinheiten 10 angeordnet. Diese stehen mit Federelementen 11 derart in Verbindung, dass eine effiziente Abdichtung einer Drehschieberrückseite 12 ermöglicht ist.
Die Dichtungseinheit 10 setzt sich aus Primärdichtungen 13 und Sekundärdichtungen 14 zusammen. Während die Primärdichtung 13 für eine des Drehschiebers 6 zuständig ist, wird die Sekundärdichtung 14 dafür eingesetzt, die Primärdichtung 13 gegen die Kanalwandung abzudichten.
5 stellt einen Wärmetauscher 2, wie er in dem Wärmesteuerungsmodul 1 einsetzbar ist, dar. Die linke Darstellung ist hierbei eine Seitenansicht. Diese klärt über den Plattencharakter des Wärmetauschers 2 auf. Die Zufuhr- und Abfuhrleitungen 3, 4 sind an den äußeren Enden des Wärmetauschers 2 angebracht. Im rechten Schaubild aus 5 ist eine Draufsicht auf den Wärmetauscher 2 dargestellt. So handelt es sich bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel um einen Wärmetauscher 2 im Gegenstromprinzip, da die Zufuhrleitung 3 und die Abfuhrleitung 4 der wärmeübertragenden Medien entgegengesetzt ausgerichtet sind.
Bezugszeichenliste

1: Wärmesteuerungsmodul
2: Wärmetauscher
3: Wärmetauscherzuleitung
4: Wärmetauscherableitung
5: Kanal
6: Drehschieber
7: Drehschieberzufuhrabschnitt
8: Drehschieberabfuhrabschnitt
9: Drehschieberführungsfläche
10: Dichtungseinheiten
11: Federeinheit
12: Drehschieberrücksseite
13: Primärdichtung
14: Sekundärdichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102009056161 A1 [0002]
DE 102012202044 A1 [0003]
US 5950715 [0004]

Claims

Wärmesteuerungsmodul (1) zur Steuerung von zumindest einem Volumenstrom in einem Antriebsstrang, mit einem Wärmetauscher (2), der zumindest eine Wärmetauscherzuleitung (3) und zumindest eine Wärmetauscherableitung (4) aufweist, die mit einem Kanal (5) verbunden sind, in dem ein Drehschieber (6) angeordnet ist, der derart einstellbar ist, dass verschiedene Strömungszustände schaltbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem von dem zumindest einen Volumenstrom geführten Medium um Wassergemische handelt.
Wärmesteuerungsmodul (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehschieber (6) zumindest teilweise eine Kugelform aufweist.
Wärmesteuerungsmodul (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehschieber (6) mit zumindest zwei Dichtungseinheiten (10) wirkgekoppelt ist.
Wärmesteuerungsmodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Drehschieber (6) eine Sensorikeinheit zur Lageerfassung angeordnet ist.
Wärmesteuerungsmodul (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in die Sensorikeinheit eine Steuerung integriert ist, die zum positionsgenauen Einstellen des Drehschiebers (6) vorbereitet ist.
Wärmesteuerungsmodul (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser mittels des Kanals (5) und des Drehschiebers (6) geometrisch bestimmt geführt ist.
Wärmesteuerungsmodul (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Drehschieber (6) um ein 3-Wege-Ventil handelt, das dazu vorbereitet ist, die drei Betriebszustände Durchströmen, Umgehen und Sperren zu schalten.
Wärmesteuerungsmodul nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehschieber (6) derart rotierbar ist, dass bei vollständig geöffnetem Wasserzufluss, also dem Betriebszustand Durchströmen, zusätzlich der Betriebszustand Umgehen zumindest teilweise schaltbar ist.
Wärmesteuerungsmodul (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Dichtungseinheit (10) mit einer Federeinheit (11) derart in Verbindung steht, dass in den verschiedenen Betriebszuständen eine Anpressung zwischen der Dichtungseinheit (10) und dem Drehschieber (6) erreicht ist.
Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, mit einer Antriebseinheit und einem Wärmesteuerungsmodul (1), dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmesteuerungsmodul (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche ausgestaltet ist.