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Die Erfindung betrifft eine Drehschiebervorrichtung für ein Wärmemanagementmodul sowie ein solches Wärmemanagementmodul, bevorzugt für ein Kraftfahrzeug.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Drehschiebervorrichtungen bekannt, welche für ein Wärmemanagementmodul (WMM), auch als Thermomanagementmodul (TMM) bezeichnet, beispielsweise ein Kühlregelkreis für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, eingerichtet sind. Beispielsweise aus der
DE 10 2013 209 582 A1 ist eine Drehschieberkugel für ein Thermomanagementmodul bekannt. Das darin beschriebene Thermomanagementmodul ist insbesondere für bauraumoptimierte Komponenten eines Kühlmittelkreislaufs einer Verbrennungskraftmaschine eingerichtet. Ein solcher Drehschieber wird elektromotorisch angetrieben und ist in verschiedene Stellungen überführbar, beispielsweise eine Sperrstellung oder eine Offenstellung. Für viele Anwendungen ist es notwendig, nach kostengünstigen und Lösungen und zu suchen und eine Konstruktion mit einer möglichst geringen Bauraumforderung aufzufinden.
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Die
DE 10 2014 214 323 B3 zeigt einen Drehschieber für ein Wärmemanagementmodul mit zwei Endanschlägen und einem Gleichstrommotor zur Verstellung des Drehschiebers zwischen den Endanschlägen.
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Die US 2017 / 0 130 640 A1 zeigt eine Ventilkonstruktion für einen Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine mit einem magnetischen Ventilsitz.
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Die
DE 10 2013 113 112 A1 zeigt eine bistabile Schließeinrichtung mit einem Elektromagneten, der eine Linearbewegung zwischen zwei von Permanentmagneten kontrollierten Endlagen erzeugt.
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Die
DE 10 2010 021 250 A1 zeigt ein bistabiles Ventil mit einer Linearbewegung, deren Endlagen durch Permanentmagnete definiert sind.
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In der
US 3 025 372 A sind sowohl lineare als auch rotatorische Konstruktionen von Magneten und Drehmagneten gezeigt.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden. Die erfindungsgemäßen Merkmale ergeben sich aus den unabhängigen Ansprüchen, zu denen vorteilhafte Ausgestaltungen in den abhängigen Ansprüchen aufgezeigt werden. Die Merkmale der Ansprüche können in jeglicher technisch sinnvollen Art und Weise kombiniert werden, wobei hierzu auch die Erläuterungen aus der nachfolgenden Beschreibung sowie Merkmale aus den Figuren hinzugezogen werden können, die ergänzende Ausgestaltungen der Erfindung umfassen.
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Die Erfindung betrifft eine Drehschiebervorrichtung für ein Wärmemanagementmodul eines Kraftfahrzeugs, aufweisend
- - einen Drehschieber,
- - einen Drehantrieb,
- - einen Zulauf, und
- - einen Ablauf,
wobei der Drehschieber mittels des Drehantriebs in eine offene Stellung und in eine gesperrte Stellung schaltbar ist, wobei zwischen dem Zulauf und dem Ablauf in der offenen Stellung eine fluidische Verbindung hergestellt ist und in der gesperrten Stellung eine fluidische Verbindung unterbrochen sind.
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Die Drehschiebervorrichtung ist vor allem dadurch gekennzeichnet, dass der Drehantrieb ein bistabiler Drehmagnet mit einer stromlos stabilen ersten Endposition und mit einer stromlos stabilen zweiten Endposition ist, wobei die offene Stellung des Drehschiebers bei der ersten Endposition und die gesperrte Stellung des Drehschiebers bei der zweiten Endposition geschaltet ist.
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Die hier vorgeschlagene Drehschiebervorrichtung weist einen Zulauf und einen Ablauf auf, welche beispielsweise in einen Kühlmittelkreis eingebunden sind. Mittels der Drehschiebervorrichtung sind Fluide schaltbar, wobei bevorzugt eine Flüssigkeit, beispielsweise Kühlwasser, geschaltet wird. Der Drehschieber ist dazu eingerichtet, den Zulauf und den Ablauf in einer offenen Stellung fluidisch zu verbinden und in einer gesperrten Stellung fluidisch zu trennen, so dass dann kein Kühlmittel vom Zulauf zum Ablauf oder umgekehrt gelangen kann. Es sei darauf hingewiesen, dass in einigen Anwendungen sowohl der Zulauf als auch der Ablauf auch rückwärtig beströmbar sind, also auch der Zulauf als Ablauf und der Ablauf als Zulauf nutzbar ist.
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Der Drehschieber ist von einer Stellung in die andere Stellung mittels eines Drehantriebs schaltbar. Der Drehantrieb wird von einem Regelkreis, bevorzugt einem elektrischen Regelkreis, angesteuert. Hier wird nun vorgeschlagen, den Drehantrieb mittels eines bistabilen Drehmagnets auszuführen. Ein solcher bistabiler Drehmagnet weist, wie der Name besagt, zwei stabile Winkelstellungen auf, welche in einem unbestimmten Zustand magnetisch stabil gehalten sind. Lediglich zum Überführen in die jeweils andere stabile Winkelstellung ist eine Bestromung zum Erzeugen eines der stabilisierenden magnetischen Kraft entgegen gerichteten Drehmoments notwendig. Mittels des Einsatzes des bistabilen Drehmagnetes ist somit der Drehschieber in der offenen Stellung oder in der gesperrten Stellung stromlos haltbar. Die beiden stabilen Winkelstellungen werden hier als erste Endposition beziehungsweise als zweite Endposition bezeichnet.
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Vorteile eines solchen bistabilen Drehmagnets als Drehantrieb sind zum einen der geringe Energiebedarf, weil der bistabile Drehmagnet lediglich zum Umschalten in die jeweils andere Endposition bestromt werden muss, die geringe Baugröße des Drehantriebs sowie die geringe Baugröße der notwendigen Leistungselektronik und Regelungstechnik zum Betrieb des bistabilen Drehmagnets. Darüber hinaus ist ein bistabiler Drehmagnet und die zugehörige Regelungstechnik ein vergleichsweise kostengünstiges Bauteil.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Drehschiebervorrichtung weist der Drehschieber einen Wellenanschluss mit einer Steckverzahnung auf und der Drehantrieb ist mittels einer korrespondierenden Gegenverzahnung mittels der Steckverzahnung rein formschlüssig drehmomentübertragend verbunden.
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Eine Drehmomentübertragung vom Drehantrieb auf den Drehschieber mittels einer Steckverzahnung und korrespondierende Gegenverzahnung ohne zusätzliche Befestigungselemente im Wellenanschluss erlaubt eine einfache Montierbarkeit bei einer gleichzeitig sicheren Drehmomentübertragung. Speziell zur Wartung und zum Austausch von Bauteilen der Drehschiebervorrichtung ist eine einfache Demontierbarkeit des Drehantriebs sichergestellt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Drehschiebervorrichtung ist der Drehantrieb pulsgesteuert von einer Stellung in die andere Stellung umschaltbar.
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Bei dieser vorteilhaften Ausführungsform ist der Drehantrieb einfach in einen elektrischen Regelkreis einbindbar und weist auch bei der Betätigung eine besonders geringe elektrische Leistung auf. Zudem ist ein sicherer und gut überwachbarer Betrieb einstellbar.
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Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Wärmemanagementmodul für ein Kraftfahrzeug, bevorzugt für eine Verbrennungskraftmaschine, aufweisend zumindest die folgenden Komponenten:
- - zumindest einen Kühlmittelkreislauf mit einem Teilkreislauf,
- - zumindest eine Druckquelle, bevorzugt eine Kühlmittelpumpe,
- - zumindest eine Wärmeabgabeschnittstelle für eine Wärmesenke, wobei die Wärmesenke bevorzugt ein Kühler ist,
- - zumindest eine Wärmeaufnahmeschnittstelle für eine Wärmequelle, wobei die Wärmequelle bevorzugt ein Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine ist,
- - eine Drehschiebervorrichtung nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung,
wobei der Teilkreislauf mittels der Drehschiebervorrichtung öffenbar und sperrbar ist, so dass mittels Schalten der Drehschiebervorrichtung ein Volumenstrom des Kühlmittels veränderbar ist oder ein Kühlmittel schaltbar der zumindest einen Wärmeabgabeschnittstelle und/oder der zumindest einen Wärmeaufnahmeschnittstelle zuführbar ist.
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Das hier vorgeschlagene Wärmemanagementmodul ist dazu eingerichtet, die Wärme einer Wärmequelle, zum Beispiel einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, abzuführen und mithilfe einer Wärmesenke ein Kühlmittel, bevorzugt eine Kühlflüssigkeit, mit einer geeigneten Temperatur und damit Wärmekapazität der Wärmequelle zuzuführen. Hierzu weist das Wärmemanagementmodul einen Kühlmittelkreislauf mit einem Teilkreislauf auf, beispielsweise einem Bypass, wobei der Kühlmittelkreislauf beispielsweise kennfeldgeregelt betreibbar ist. Weiterhin weist das Wärmemanagementmodul eine Druckquelle auf, bevorzugt eine Kühlmittelpumpe, mittels welcher das Umlaufen des Kühlmittels, bevorzugt druckgeregelt, also näherungsweise mit einem konstanten Druck, im Kühlmittelkreislauf sichergestellt ist.
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Das Wärmemanagementmodul weist eine Wärmeaufnahmeschnittstelle für eine Wärmequelle auf, beispielsweise einen Wärmetauscher mit einer Vielzahl von Kühllamellen oder einen Anschluss an eine Wärmetauscheinrichtung, und eine Wärmeabgabeschnittstelle, beispielsweise ebenfalls einen Wärmetauscher einer Vielzahl von Kühllamellen oder einen Anschluss an eine Wärmetauscheinrichtung, für eine Wärmesenke auf. Die Wärmesenke ist bevorzugt Fahrtwind im Zusammenspiel mit einem Kühler eines Kraftfahrzeugs, wobei der Kühler beispielsweise zusätzlich einen Ventilator für den Standbetrieb (kein Fahrtwind) umfasst.
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Das Wärmemanagementmodul umfasst eine Drehschiebervorrichtung wie sie oben beschrieben ist. Die Drehschiebervorrichtung ist dabei in den Teilkreislauf geschaltet, so dass der Teilkreislauf vom Kühlmittel beströmt wird, wenn sich der Drehschieber in der geöffneten Stellung befindet und nicht beströmt wird, wenn sich der Drehschieber in der gesperrten Stellung befindet. Indem der Volumenstrom des Kühlmittels oder ein komplettes Abschalten beziehungsweise Zuschalten des Kühlmittelstroms mittels der Drehschiebervorrichtung einstellbar ist, ist mittels des bistabilen Drehmagnets als Drehantrieb eine angestrebte Temperaturführung schnell, einfach und sicher gewährleistet. Zugleich verbraucht die Drehschiebervorrichtung wenig Strom und Bauraum und stellt ein kostengünstiges Bauteil dar.
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Die oben beschriebene Erfindung wird nachfolgend vor dem betreffenden technischen Hintergrund unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen, welche bevorzugte Ausgestaltungen zeigen, detailliert erläutert. Die Erfindung wird durch die rein schematischen Zeichnungen in keiner Weise beschränkt, wobei anzumerken ist, dass die Zeichnungen nicht maßhaltig sind und zur Definition von Größenverhältnissen nicht geeignet sind. Es wird dargestellt in
- 1: eine Drehschiebervorrichtung mit bistabilen Drehmagnet als Drehantrieb;
- 2: ein Kräftediagramm eines bistabilen Drehmagneten im nicht bestromten Zustand;
- 3: der Drehmomentverlauf eines bistabilen Drehmagneten im nicht bestromten Zustand;
- 4: ein Kräftediagramm eines bistabilen Drehmagneten bei Betätigung gegen den Uhrzeigersinn;
- 5: der Drehmomentverlauf eines bistabilen Drehmagneten bei Betätigung gegen den Uhrzeigersinn;
- 6: ein Kräftediagramm eines bistabilen Drehmagneten bei Betätigung im Uhrzeigersinn;
- 7: der Drehmomentverlauf eines bistabilen Drehmagneten bei Betätigung im Uhrzeigersinn; und
- 8: ein Wärmemanagementmodul in einem Kraftfahrzeug.
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In 1 ist eine Drehschiebervorrichtung 1 gezeigt, bei welcher ein Zulauf 6 mit einem Ablauf 7 mittels eines Drehschieber 4 unterbrechbar verbindbar ist. Der hier gezeigte Drehschieber 4 ist lediglich eine beispielhafte Darstellung und durch jeglichen Drehschieber wie aus dem Stand der Technik bekannt ersetzbar. Maßgeblich ist für einen solchen Drehschieber lediglich, dass der Drehschieber 4 zum Überführen von einer geöffneten Stellung in eine gesperrte Stellung und umgekehrt lediglich um eine einfache Drehachse 29 zu drehen ist.
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Der hier rein schematisch dargestellte Drehantrieb 5 ist als bistabiler Drehmagnet 8 ausgeführt, welcher zum Antrieb des Drehschieber 4 mittels eines Wellenanschlusses 11 entlang der Drehachse 29 mit dem Drehschieber 4 verbunden ist. Hierbei ist vorteilhafter Weise der Wellenanschluss 11 als Steckverzahnung 12 mit einer entsprechenden Gegenverzahnung 13 ausgeführt, so dass ein Drehmoment, bevorzugt rein, formschlüssig auf den Drehschieber 4 übertragbar ist.
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In den 2 bis 7 ist das Grundprinzip eines bistabilen Drehmagnets 8 in den drei verschiedenen Betriebszuständen dargestellt. Das Drehzentrum 23 ist dabei koaxial zu der Drehachse 29, wie sie in 1 dargestellt ist. In 2 ist der stromlose Zustand gezeigt bei welchem der Wellenanschluss 11 (vergleiche 1) entweder an der ersten Endposition 9 mittels der ersten magnetischen Kraft 24, also gemäß der Darstellung entgegen den Uhrzeigersinn, gehalten wird oder an der zweiten Endposition 10 mittels der zweiten magnetischen Kraft 25, also gemäß der Darstellung im Uhrzeigersinn, magnetisch gehalten wird. Mittig zwischen der ersten Endposition 9 und der zweiten Endposition 10 liegt eine instabile Mittelposition 22 vor, aus welcher der Wellenanschluss 11 entweder in die erste Endposition 9 oder in die zweite Endposition 10 fällt. Die erste Endposition 9 und die zweite Endposition 10 sind dabei mittels eines Anschlags festgelegt (hier nicht dargestellt). Mittels des Anschlags ist sichergestellt, dass der Wellenanschluss 11 in der jeweiligen Endposition 9 beziehungsweise 10 verbleibt.
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In 3 ist der entsprechende Drehmomentverlauf über die Winkelstellung zum stromlosen Zustand gemäß 2 dargestellt. Die horizontale Achse ist die Winkelachse 27 und die vertikale Achse ist die Drehmomentachse 28. Das aus den magnetischen Feldern resultierenden Drehmoment 26 erzeugt die oben gezeigte erste magnetische Kraft 24, welche entgegen den Uhrzeigersinn wirkt, und die zweite magnetische Kraft 25, welche im Uhrzeigersinn wirkt.
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In 4 ist ein erster bestromter Zustand gezeigt, bei welchem der Wellenanschluss 11 aus der ersten Endposition 9 im Uhrzeigersinn in die zweite Endposition 10 mittels der zweiten magnetischen Kraft 25 überführbar ist. Hierbei wird mittels der Bestromung die instabile Mittelposition 22 gegen den Uhrzeigersinn hinter die erste Endposition 9 verlagert. Folglich dreht der Wellenanschluss 11 um das Drehzentrum 23 aus der ersten Endposition 9 in die zweite Endposition 10. In 5 ist das entsprechende Drehmoment 26 im Verlauf über die Winkelstellung dargestellt. Hierbei ist zu erkennen, dass bei der ersten Endposition 9 ein sehr hohes Drehmoment 26 vorliegt, so dass ein Überführen im Uhrzeigersinn zu der zweiten Endposition 10 stets sichergestellt ist.
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In 6 und 7 ist ein zweiter bestromter Zustand als gegenläufiger Vorgang zu dem oben beschriebenen Vorgang bezüglich 4 und 5 gezeigt, wobei hier lediglich ein Stromweg mit umgekehrtem Vorzeichen anzulegen ist. Der Wellenanschluss 11 ist hier aus der zweiten Endposition 10 entgegen dem Uhrzeigersinn in die erste Endposition 9 mittels der ersten magnetischen Kraft 24 überführbar. Hierbei wird mittels der Bestromung die instabile Mittelposition 22 im Uhrzeigersinn hinter die zweite Endposition 10 verlagert. Folglich dreht der Wellenanschluss 11 um das Drehzentrum 23 aus der zweiten Endposition 10 in die erste Endposition 9. In 7 ist das entsprechende Drehmoment 26 im Verlauf über der Winkelstellung dargestellt. Hierbei ist zu erkennen, dass bei der zweiten Endposition 10 ein sehr hohes Drehmoment 26 vorliegt, so dass ein Überführen entgegen dem Uhrzeigersinn zu der ersten Endposition 9 stets sichergestellt ist.
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In 8 ist ausschnittsweise ein Kraftfahrzeug 3 dargestellt, bei welchem im Motorraum, also dort wo die Verbrennungskraftmaschine 14 angeordnet ist, ein Wärmemanagementmodul 2, umfassend einen Kühlmittelkreislauf 15 für die Verbrennungskraftmaschine 14, dargestellt ist. Der Kühlmittelkreislauf 15 verbindet einen Wärmeaufnahmeschnittstelle 20, hier bei der Verbrennungskraftmaschine 14, welche also die Wärmequelle 21 darstellt, und eine Wärmeabgabeschnittstelle 18, welche beispielsweise durch (Fahrt-) Wind, welcher die Wärmesenke 19 darstellt, zur Wärmeabgabe nutzt. Das Kühlmittel im Kühlmittelkreislauf 15 wird von der Druckquelle 17 gefördert, beispielsweise einer Kühlmittelpumpe.
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Der Kühlmittelkreislauf 15 weist hier einen Teilkreislauf 16 auf, in welchem eine Drehschiebervorrichtung 1 zwischengeschaltet ist, welche beispielsweise wie in 1 dargestellt ausgeführt ist. Hier ist die Drehschiebervorrichtung 1 im gesperrten Zustand dargestellt und mittels Verschieben des Schaltsymbols in der Darstellung nach links wird der Teilkreislauf 16 geöffnet. Mittels des Teilkreislaufs 16 ist der (Teil-) Volumenstrom des Teilkreislaufs 16 abschaltbar. Bevorzugt wird hierbei die Druckquelle 17 druckkonstant geregelt, so dass bei einem Öffnen des Drehschiebers 1 der (Gesamt-) Volumenstrom zunimmt.
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Mit der hier vorgeschlagenen Drehschiebervorrichtung wird ein kostengünstiger und zuverlässiger Drehantrieb vorgeschlagen, welcher in ein Kraftfahrzeug einfach einbindbar ist und wenig Bauraum benötigt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Drehschiebervorrichtung
- 2
- Wärmemanagementmodul
- 3
- Kraftfahrzeug
- 4
- Drehschieber
- 5
- Drehantrieb
- 6
- Zulauf
- 7
- Ablauf
- 8
- bistabiler Drehmagnet
- 9
- erste Endposition
- 10
- zweite Endposition
- 11
- Wellenanschluss
- 12
- Steckverzahnung
- 13
- Gegenverzahnung
- 14
- Verbrennungskraftmaschine
- 15
- Kühlmittelkreislauf
- 16
- Teilkreislauf
- 17
- Druckquelle
- 18
- Wärmeabgabeschnittstelle
- 19
- Wärmesenke
- 20
- Wärmeaufnahmeschnittstelle
- 21
- Wärmequelle
- 22
- instabile Mittelposition
- 23
- Drehzentrum
- 24
- erste magnetische Kraft
- 25
- zweite magnetische Kraft
- 26
- Drehmoment
- 27
- Winkelachse
- 28
- Drehmomentachse
- 29
- Drehachse
