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Die Erfindung betrifft eine Schalteinheit für ein Wärmemanagementmodul eines Kraftfahrzeugs, wobei ein Nebenlauf vorgesehen ist, in welchem ein Schaltventil, eine Schließkammer und ein Schaltkolben mit einer Sperrfläche angeordnet sind, wobei die Sperrfläche des Schaltkolbens zwischen dem Zulauf und dem Ablauf angeordnet ist und die Schließkammer zwischen dem Schaltkolben und dem Schaltventil angeordnet ist, und
wobei der Schaltkolben in einer Offenstellung und in einer Sperrstellung haltbar und dazu eingerichtet ist, in der Sperrstellung mittels der Sperrfläche eine direkte Verbindung zwischen Zulauf und Ablauf zu unterbrechen, und
wobei der Schaltkolben eine dauergeöffnete Drosselöffnung zwischen dem Zulauf und der Schließkammer aufweist, und
wobei der Schaltkolben eine der Schließkammer zugewandte Schließfläche aufweist, welche größer als die Sperrfläche ist, und
wobei die Schließkammer ablaufseitig mittels des Schaltventils zu dem Ablauf verschlossen ist, wenn das Schaltventil in der Geschlossenstellung gehalten ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Wärmemanagementmodul für ein Kraftfahrzeug.
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Aus dem Stand der Technik sind Wärmemanagementmodule (WMM), auch als Thermomanagementmodule (TMM) bezeichnet, beispielsweise ein Kühlregelkreis für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs wie zum Beispiel aus der
US 6,152,088 A bekannt. In einem solchen Wärmemanagementmodul muss die Kühlwirkung, also der Volumenstrom des Kühlmittels geregelt werden. In einigen Anwendungen werden druckgesteuerte oder volumengesteuerte Pumpen und/oder Steuerventile eingesetzt. 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 Lösungen zu suchen und eine Konstruktion mit einer möglichst geringen Bauraumforderung aufzufinden.
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Grundsätzlich sind einfach aufgebaute und kostengünstige Schaltventile mit allein zwei Schaltzuständen, nämlich geöffnet und geschlossen, bekannt. Beispielsweise ein Schaltventil ausgeführt als Magnetventil, beispielsweise als Solenoid-Ventil, ist in einem Schaltzustand dauerhaft bestromt und in dem anderen Schaltzustand stromlos. Abhängig vom vorherrschenden Druck und/oder vom benötigten Volumenstrom muss der Ventilkörper gegen eine große Kraft verschoben beziehungsweise gehalten werden und/oder ein großer Ventilhub realisiert werden. Beides führt dazu, dass viel elektrische Leistung zum Verschieben und Halten des Ventilkörpers in dem einen Schaltzustand benötigt wird.
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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, welche ergänzende Ausgestaltungen der Erfindung umfassen.
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Die Erfindung betrifft eine Schalteinheit für ein Wärmemanagementmodul eines Kraftfahrzeugs, aufweisend:
- - einen Zulauf, eingerichtet für ein Zufließen eines Fluids in die Schalteinheit;
- - einen Ablauf, eingerichtet für ein Abfließen des zugeflossenen Fluids aus der Schalteinheit;
- - ein Schaltventil, welches direkt steuerbar in einer Geöffnetstellung und in einer Geschlossenstellung haltbar ist.
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Die Schalteinheit ist vor allem dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin ein Nebenlauf vorgesehen ist, in welchem das Schaltventil, eine Schließkammer und ein Schaltkolben mit einer Sperrfläche angeordnet sind,
wobei die Sperrfläche des Schaltkolbens zwischen dem Zulauf und dem Ablauf angeordnet ist und die Schließkammer zwischen dem Schaltkolben und dem Schaltventil angeordnet ist, und
wobei der Schaltkolben in einer Offenstellung und in einer Sperrstellung haltbar und dazu eingerichtet ist, in der Sperrstellung mittels der Sperrfläche eine direkte Verbindung zwischen Zulauf und Ablauf zu unterbrechen, und
wobei der Schaltkolben eine dauergeöffnete Drosselöffnung zwischen dem Zulauf und der Schließkammer aufweist, und
wobei der Schaltkolben eine der Schließkammer zugewandte Schließfläche aufweist, welche größer als die Sperrfläche ist, und wobei die Schließkammer ablaufseitig mittels des Schaltventils zu dem Ablauf verschlossen ist, wenn das Schaltventil in der Geschlossenstellung gehalten ist.
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Die hier vorgeschlagene Schalteinheit weist den Vorteil auf, dass das Schaltventil vom geforderten Volumenstrom und Druck entkoppelt betreibbar ist. Der erforderliche Energieaufwand zum Betrieb des Schaltventils ist damit auf einem geringen Niveau haltbar.
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Der Zulauf der Schalteinheit ist in einen Fluidkreislauf, beispielsweise einen Kühlkreislauf oder Teilkreislauf eines Kühlkreislaufs, fluidisch einbindbar, sodass über den Zulauf ein Fluid, beispielsweise das Kühlmittel, der Schalteinheit zuführbar ist. Ebenso ist der Ablauf in einen Fluidkreislauf einbindbar, sodass das über den Zulauf zugeflossene Fluid, beispielsweise das Kühlmittel, wieder aus der Schalteinheit abfließen kann. In einem geöffneten Zustand der Schalteinheit sind der Zulauf und der Ablauf direkt miteinander verbunden. Der Zulauf und der Ablauf sind mittels der Schalteinheit derart verbunden, dass auch in einem voll geöffneten Zustand der Schalteinheit ein druckmindernder Drosseleffekt auftritt. Der resultierende Druckabfall ist aber nur gleich oder geringfügig höher als der intrinsische Druckabfall über den Nebenlauf, welcher nachfolgend erläutert wird. Beispielsweise beträgt die Druckdifferenz, bevorzugt bei einer Volumenrate von 30 l/min [Liter/Minute] bis 40 l/min, maximal 0,2 bar, bevorzugt maximal 0,1 bar.
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Die Schalteinheit weist ein Schaltventil auf, welches in einer Geöffnetstellung und in einer Geschlossenstellung haltbar ist. Das Schaltventil ist direkt steuerbar, das heißt, das Schaltventil ist als Steuerelement einsetzbar, und beispielsweise in einen Regelkreis einbindbar. Bevorzugt ist das Schaltventil mittels eines elektrischen Signals ansteuerbar. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Schaltventil mittels einer geringen Leistungsaufnahme von einer Geöffnetstellung in eine Geschlossenstellung überführbar. Besonders bevorzugt ist das Schaltventil mit einer geringen oder ohne Leistungsaufnahme in der Geöffnetstellung und/oder Geschlossenstellung haltbar. Bevorzugt ist eine Endstellung unbestromt und die andere Endstellung bestromt, wobei die bestromte Endstellung bevorzugt eine geringe Leistungsaufnahme aufweist, beispielsweise mittels eines hochohmigen elektrischen Leistungsabgebers, bevorzugt einer Magnetspule. Bevorzugt ist die unbestromte Endstellung diejenige Endstellung, welche häufiger vorliegt (Hauptstellung) und/oder für welche die geringere Kraftabgabe erforderlich ist und/oder eine Sicherheitslage (Fail-Safe) darstellt. Letzteres gilt bevorzugt für den Einsatz eines Federspeichers als Antagonisten zur Kraft zum Überführen in die leistungsaufnehmende Endstellung.
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Die hier vorgeschlagene Schalteinheit weist einen Nebenlauf auf, welcher der direkten Verbindung von Zulauf und Ablauf nebengeschaltet, also parallelgeschaltet, ist. Der Nebenlauf bildet also eine zusätzliche (indirekte) Verbindung zwischen dem Zulauf und dem Ablauf. Das beschriebene Schaltventil ist in diesem Nebenlauf angeordnet und dazu eingerichtet, einen Durchfluss von Fluid durch den Nebenlauf vom Zulauf in den Ablauf zu unterbrechen. Das Schaltventil ist also nicht dazu eingerichtet, die parallel angeordnete direkte Verbindung von Zulauf und Ablauf mit dem Ventilkörper des Schaltventils zu verschließen. Hierfür ist vielmehr ein Schaltkolben vorgesehen, welcher hinter dem Zulauf in Strömungsrichtung in der direkten Verbindung vor den Ablauf und in dem Nebenlauf vor das Schaltventil geschaltet ist. Zum Verschließen der direkten Verbindung weist der Schaltkolben zwischen Zulauf und Ablauf eine Sperrfläche auf, welche in der Sperrstellung des Schaltkolbens mit einem korrespondierenden Schließsitz derart zusammenwirkt, dass die direkte Verbindung zwischen Zulauf und Ablauf unterbrochen ist, wenn die Sperrfläche des Schaltkolbens mit dem Schließsitz in dichtenden Kontakt gebracht ist.
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Dem Schaltkolben ist im Nebenlauf die Schließkammer nachgeschaltet. Die Schließkammer ist mittels der Drosselöffnung zu dem Zulauf dauerhaft geöffnet, also unabhängig von einer vorliegenden Stellung des Schaltkolbens. Die Drosselöffnung bildet also den einzigen Eingang zu dem Nebenlauf. Die Drosselöffnung ist bevorzugt eine einzige Bohrung. Alternativ umfasst die Drosselöffnung eine Mehrzahl von Kanälen. In der Geschlossenstellung des Schaltventils bildet die Drosselöffnung die einzige Öffnung der Schließkammer. Weil über die Drosselöffnung vom Zulauf Fluid in die Schließkammer nachströmt aber nicht, beziehungsweise nur über die Drosselöffnung, wieder abfließen kann, erhöht sich der Schließdruck in der Schließkammer auf den Betrag des Zulaufdrucks. Mittels des Angleichens des Schließdrucks in der Schließkammer an den Zulaufdruck in dem Zulauf wird multipliziert über die antagonistischen Flächen des Schaltkolbens, nämlich die schließkammerseitige (größere) Schließfläche und die zulaufseitige (kleinere) Sperrfläche, die schließkammerseitige Schließkraft größer als die zulaufseitige Öffnungskraft. Bei der konkreten Ausführung ist zu beachten, dass die Sperrfläche in der Offenstellung oder einer Zwischenstellung des Schaltkolbens größer sein kann als in der Sperrstellung und/oder eine Öffnungsfläche in einer anderen Stellung als der Sperrstellung von dem Zulauf aus mit dem Fluid beströmt wird, sodass ein, unter Umständen verringerter, Druck auf diese Öffnungsfläche einwirkt und somit in diesen anderen Stellungen zu der Öffnungskraft beiträgt. Ein Grund dafür ist in einer entsprechenden Ausführungsform, dass in der Sperrstellung der Dichtsitz einen Teil der Sperrfläche verdeckt oder der Durchlassquerschnitt des Dichtsitzes geringer ist als der in den anderen Stellungen anströmbare Querschnitt des Schaltkolbens. Ein weiterer oder alternativer Grund dafür ist in einer entsprechenden Ausführungsform, dass ein Absatz, beispielsweise ein Anschlag für einen Federspeicher, mit einem Flächenanteil quer zur Öffnungsrichtung benötigt oder erwünscht ist, welcher aber aufgrund seiner Anordnung zumindest zeitweise mit einem gegenüber dem vollen Zulaufdruck verminderten Druck beaufschlagt ist. Vereinfacht werden diese zusätzlichen Flächenanteile bei der Betrachtung der Kräfteverhältnisse in den anderen Stellungen einschließlich der Offenstellung ebenfalls als der Sperrfläche zugehörig betrachtet, auch wenn diese Anteile in der Sperrstellung verdeckt sind und somit dann nicht mit dem Zulaufdruck beaufschlagt sind und auch initial aus der Sperrstellung herausführend nicht zu der Öffnungskraft beitragen. Allerdings treten hier teils druckmindernde Effekte auf, sodass nicht über den gesamten anströmbaren Querschnitt der Zulaufdruck anliegt. Unter Umständen ist daher zum Öffnen der direkten Verbindung zwischen Zulauf und Ablauf ein zusätzlicher Federspeicher notwendig oder hilfreich, dessen Federkraft zumindest in dieser Sperrstellung auf den Schaltkolben aus der Sperrstellung herausdrückend wirkt.
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Erreicht der Druck in der Schließkammer eine Höhe, dass die resultierende Schließkraft (vereinfacht: Schließdruck multipliziert mit der Schließfläche) größer wird als die antagonistische Öffnungskraft (vereinfacht: Zulaufdruck multipliziert mit der Sperrfläche beziehungsweise dem zulaufseitig anströmbaren Querschnitt des Schaltkolbens) wird der Schaltkolben aus der Offenstellung oder einer Zwischenstellung in die Sperrstellung gezwungen. Die Sperrfläche wird dann also gegen den korrespondierenden Schließsitz gezwungen, sodass die direkte Verbindung zwischen dem Zulauf und dem Ablauf unterbrochen ist. Befindet sich also der Schaltkolben in der Sperrstellung, so ist also die Schalteinheit geschlossen (geschlossener Zustand).
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Wie vorhergehend bereits dargestellt wird in der Sperrstellung bevorzugt ein Teil der Sperrfläche gegenüber dem Zulauf abgeschirmt, sodass die an der Öffnungskraft beteiligte Einwirkfläche weiter verkleinert ist. Beispielsweise liegt ein Teil der Sperrfläche auf dem Schließsitz auf oder liegt teils außerhalb des Schließsitzes. Infolge der daraus resultierenden Erhöhung der Differenz zwischen der Schließkraft und der (mittels der verkleinerten anströmbaren Fläche reduzierten) Öffnungskraft wird die Sperrstellung stabilisiert.
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Wird aus dem geschlossenen Zustand der Schalteinheit, also dem Schaltkolben in der Sperrstellung, das Schaltventil wieder in die Geöffnetstellung überführt, so baut sich der Schließdruck in der Schließkammer über den nun wieder zu dem Ablauf geöffneten Nebenlauf ab. Der Zulaufdruck vom Zulauf auf die Sperrfläche des Schaltkolbens ist infolge der Drosselwirkung der Drosselöffnung wieder größer als der Druck in der Schließkammer. Daraus resultierend ist die Öffnungskraft größer als die Schließkraft, sodass der Schaltkolben aus der Sperrstellung in die Offenstellung überführt wird. Damit dieses Druckverhältnis sichergestellt ist, ist die dauergeöffnete Drosselöffnung zwischen Zulauf und Schließkammer derart eingerichtet, dass die Drosselwirkung der Drosselöffnung derart groß ist, dass bei Geöffnetstellung des Schaltventils der Druck in der Schließkammer immer deutlich geringer ist als der Druckabfall über das geöffnete Schaltventil. Beispielsweise beträgt die Druckdifferenz etwa minimal -0,05 bar oder mehr, beispielsweise minimal -0,1 bar. Die Druckdifferenz zwischen Schließkammer und Zulauf in Geöffnetstellung des Schaltventils korrespondiert zu der Druckdifferenz zwischen Zulauf und Ablauf über die direkte Verbindung. Die Druckdifferenz ist also gleich oder geringer als der oben beschriebene Druckabfall aufgrund der Ausführung der direkten Verbindung zwischen Zulauf und Ablauf. In Summe mit der Druckminderung über den Nebenlauf ist mit dem Drosseleffekt des (voll geöffneten) Schaltventildurchlasses beispielsweise die Druckdifferenz über die Drosselöffnung betragsmäßig geringer als 0,2 bar, bevorzugt geringer ist als 0,1 bar.
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Das Schaltventil muss in dieser Schalteinheit lediglich den Differenzdruck zwischen der Schließkammer und dem Ablauf überwinden. Aus dem geschlossenen Zustand wird das Schaltventil in einer vorteilhaften Ausführungsform von der Differenz von dem Schließdruck und dem Ablaufdruck herausbewegt oder davon unterstützt; dies stellt dann den Zustand der minimalen Ventilkräfte dar. Die maximale Ventilkraft wird zum Halten in der Geschlossenstellung benötigt, wobei das Schaltventil dem auf Zulaufdruck angestiegenen (dann maximalen) Schließdruck entgegenwirken muss. Der resultierende Differenzdruck zwischen maximalem Schließdruck in der Schließkammer und minimalem Ablaufdruck im Ablauf ist unabhängig von dem Volumenstrom, resultiert aber aus dem Zulaufdruck, also dem Druck im System, in welches die Schalteinheit eingebunden ist. Die maximale Ventilkraft ergibt sich somit aus dem maximalen Duck in der Schließkammer beziehungsweise dem maximalen Druck im Zulauf und dem Querschnitt des Schaltventils. Dieser Querschnitt ist wiederum an das gewünschte (niedrige) Druckgefälle über die Schalteinheit, also widerstandsarm und/oder groß, auszulegen.
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Somit ist ein kostengünstiges Schaltventil einsetzbar. Zudem ist ein Schaltventil als fertige Baueinheit für verschiedene Systeme einsetzbar. Ein leistungsstarkes Schaltventil wird demnach nur benötigt, wenn eine besonders schnelle Schaltung erforderlich ist. Im Einsatz in einem Wärmemanagementmodul sind Geschwindigkeiten wenig kritisch, weil hier die begrenzende Kenngröße eher die thermische Trägheit der Wärmeübertragungssysteme als die Änderung des Volumenstroms des Kühlmittels ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Schalteinheit ist das Schaltventil ein elektrisch betätigbares Magnetventil mit allein zwei Schaltzuständen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Schaltventil ein elektrisch betätigtes Magnetventil, beispielsweise ein bereits vorhandener Bausatz bzw. Baueinheit, welcher mittels Großserienfertigung oder Massenfertigung für vielseitige Anwendungen sehr kostengünstig einsetzbar ist. Zudem ist ein Magnetventil einfach in einen Regelkreis einbindbar und weist eine einfache Ansteuerelektronik auf. Zudem sind ein kleiner Bauraum und ein robustes Design erzielbar. Alternativ oder zusätzlich ist das Schaltventil in der Offenstellung und/oder in der Geschlossenstellung einrastbar, sodass in dem jeweiligen Zustand keine Leistungsaufnahme stattfindet. Beispielsweise ist für einen oder beide Stellungen ein aktiv oder passiv schaltbarer Querriegel vorgesehen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Schalteinheit trotz lediglich zweier Schaltzustände des Schaltventils als volumenregelndes oder druckregelndes Ventil einsetzbar. Dies ist dadurch erreichbar, dass die Trägheit des Schaltkolbens gegenüber dem Schaltventil größer dimensioniert ist, also das Überführen des Schaltkolbens von der Sperrstellung in die Offenstellung und umgekehrt länger dauert als das Überführen des Schaltventils von der Geschlossenstellung in die Geöffnetstellung und umgekehrt. Infolge von wiederholtem Öffnen und Schließen des Schaltventils ist der Schließdruck in der Schließkammer einstellbar und der Schaltkolben so in einer Zwischenstellung nahezu fixierbar. Damit ist in einem druckkonstanten System ein Volumenstrom oder in einem volumenkonstanten System ein Druck frei einstellbar.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Schalteinheit ist weiterhin zumindest ein Federspeicher vorgesehen, mittels welchem jeweils das Schaltventil und/oder der Schaltkolben in eine Hauptstellung und/oder in eine Nebenstellung überführbar ist.
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Bei dieser vorteilhaften Ausführungsform ist zumindest ein Federspeicher vorgesehen, welcher auf das Schaltventil einwirkt, oder zumindest ein Federspeicher vorgesehen, welcher auf den Schaltkolben einwirkt. Ist beispielsweise der Hauptzustand der Schalteinheit eine geöffnete direkte Verbindung zwischen dem Zulauf und dem Ablauf (geöffneter Zustand der Schalteinheit), so ist die Hauptstellung für das Schaltventil die Geöffnetstellung und für den Schaltkolben entsprechend die Offenstellung. Besonders bevorzugt ist jeweils zumindest ein Federspeicher vorgesehen, welcher das Schaltventil beziehungsweise den Schaltkolben in dieser entsprechenden Hauptstellung hält oder ein Überführen in die Hauptstellung beschleunigt. Alternativ ist jeweils zumindest ein Federspeicher zum Beschleunigen des Überführens und/oder zum Halten in der Nebenstellung vorgesehen, sodass die aufzuwendende Kraft, und damit die Leistung des Schaltventils beziehungsweise beim Schaltkolben damit die Gesamtkraft resultierend aus der Federkraft und der Druckdifferenz von Schließkammer zu Ablauf reduzierbar ist. In einer weiteren Ausführungsform sind antagonistische Federspeicher für beide Richtungen am Schaltventil und/oder Schaltkolben vorgesehen. Dadurch wird beispielsweise eine Vergleichmäßigung und/oder Dämpfung der Bewegung des Schaltventils beziehungsweise des Schaltkolben erreicht. Beispielsweise ist eine solche Ausführungsform gemäß einem weiteren Aspekt für das Schaltventil vorteilhaft, sodass ein ansonsten allein magnetisch auslenkbarer Ventilkörper und/oder ein korrespondierendes Ankerelement in einer definierten Ausgangslage vorliegt, wenn das Schaltventil unbestromt ist. Beispielsweise ist der Ventilkörper mittels eines ersten Federspeichers, beispielsweise entgegen einer magnetischen Kraft, gegen einen Anschlag gedrückt. Außerdem ist mittels eines, bevorzugt geringer als der erste Federspeicher dimensionierten, antagonistischen Federspeichers ein separat ausgeführtes Ankerelement gegen den Ventilkörper gedrückt, bevorzugt in Richtung der entsprechenden magnetischen Kraft. Ein Federspeicher ist in einer besonders einfachen Ausführungsform eine Druckschraubenfeder. Es sind aber auch andere Federmittel und/oder Dämpfungsmittel einsetzbar.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Schalteinheit weist die Drosselöffnung eine erste Durchflussrate und das Schaltventil eine zweite Durchflussrate auf, wobei die erste Durchflussrate geringer als die zweite Durchflussrate ist.
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Bei dieser vorteilhaften Ausführungsform ist der Schaltvorgang infolge der vorteilhaften Druckverhältnisse beschleunigt, indem die Durchflussrate beim Schaltventil größer ist als bei der Drosselöffnung. Daraus folgt, dass nach einem Öffnen des Schaltventils der Druck in der Schließkammer schnell auf etwa Ablaufdruck entspannt wird und sich somit der Schaltkolben schnell in die Offenstellung bewegt. Es sei dabei darauf hingewiesen, dass dies keine notwendige Bedingung ist, jedoch bevorzugt die Durchflussrate des Schaltventils nicht geringer ist als die Durchflussrate der Drosselöffnung. Letzteres würde die Funktionsweise nicht verhindern, aber übermäßig verlangsamen. Dies ist unter Umständen eine nützliche Dimensionierung, beispielsweise als regelbares Ventil mit trägem Schaltkolben gemäß obiger Beschreibung.
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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,
- - 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 Schalteinheit nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung,
wobei mittels der Schalteinheit ein Volumenstrom des Kühlmittels in dem Kühlmittelkreislauf 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, unter Umständen mit einem Teilkreislauf, beispielsweise einem Bypass, auf, 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. Weiterhin weist das Wärmemanagementmodul eine Wärmeabgabeschnittstelle, beispielsweise ebenfalls einen Wärmetauscher mit 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 Schalteinheit wie sie oben beschrieben ist. Die Schalteinheit ist in den Hauptkreislauf oder in den Teilkreislauf geschaltet, sodass Kühlmittel fließt, wenn sich der Schaltkolben in der Offenstellung befindet, und nicht fließt, wenn sich der Schaltkolben in der Sperrstellung befindet. Indem der Volumenstrom des Kühlmittels, beispielsweise mittels Zuschalten und Abschalten eines volumenergänzenden Teilkreislaufs, oder ein komplettes Abschalten beziehungsweise Zuschalten des Kühlmittelstroms mittels der Schalteinheit einstellbar ist, ist eine angestrebte Temperaturführung schnell, einfach und sicher gewährleistet. Zugleich verbraucht die Schalteinheit beziehungsweise das einsetzbare Schaltventil unabhängig von erforderlichen Volumenströmen und/oder Drücken (gleich) wenig Strom und (gleich) wenig 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: im Schnitt eine Schalteinheit in geöffnetem Zustand;
- 2: im Schnitt eine Schalteinheit in geschlossenem Zustand; und
- 3: ein Wärmemanagementmodul in einem Kraftfahrzeug.
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In der vorhergehenden und nachfolgenden Beschreibung verwendete Ordinalzahlen dienen, sofern nicht explizit auf das Gegenteilige hingewiesen wird, lediglich der eindeutigen Unterscheidbarkeit und begründen keine Reihenfolge oder Rangfolge der bezeichneten Komponenten.
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In 1 ist eine Schalteinheit 1 im Schnitt dargestellt, wobei sich das Schaltventil 6, welches als Magnetventil ausgeführt ist, unterstützt von einem ersten Federspeicher 13, hier als Druckschraubenfeder ausgeführt, in einer Geöffnetstellung befindet. Bevorzugt ist in dieser Ausführungsform in der Geöffnetstellung keine elektrische Leistungsaufnahme nötig und die Geöffnetstellung des Schaltventils 6 entspricht dem Hauptzustand der Schalteinheit 1. Ein Schaltkolben 9 befindet sich folglich (nach einer intrinsischen Latenzzeit) in einer Offenstellung, sodass ein Zulauf 4 direkt mit einem Ablauf 5 verbunden ist. Somit kann ein Zustrom 28, welcher bevorzugt auf einen nahezu konstanten Druck eingeregelt ist (druckgeregelt), bei der Sperrfläche 10 des Schaltkolben 9 einen Durchfluss 30 bilden, sodass ein Abstrom 29 stattfindet. Zusätzlich ist ein Nebenlauf 7 gebildet, dessen Strömungsverlauf hier (vereinfacht) mit einem Pfeil dargestellt ist. Von dem Zustrom 28 strömt das Fluid über die dauerhaft zum Zulauf 4 geöffnete Drosselöffnung 11 in die hinter der Sperrfläche 10 gebildete Schließkammer 8 ein und durch die entsprechende Öffnung beim Schaltventil 6 über eine entsprechende Bohrung dem Ablauf 5 zu. Bei dieser Ausführungsform ist zusätzlich ein zweiter Federspeicher 14 vorgesehen, welcher die Offenstellung des Schaltkolben 9 unterstützt beziehungsweise einen Übergang aus der Sperrstellung in die Offenstellung beschleunigt.
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In 2 ist nun die identische Schalteinheit 1 gemäß 1 in dem geschlossenen Zustand dargestellt, wobei also zwischen dem Zulauf 4 und dem Ablauf 5 keine direkte Verbindung und auch keine Verbindung über den Nebenlauf 7 für ein zu regelndes Fluid passierbar ist. Der Schaltkolben 9 liegt mit seiner Sperrfläche 10 an dem korrespondierenden Schließsitz 32 beim Zulauf 4 an, sodass die direkte Verbindung zwischen dem Zulauf 4 und dem Ablauf 5 unterbrochen ist. Das Schaltventil 6 ist, in diesem Beispiel gegen die Federkraft des ersten Federspeichers 13, in die geschlossene Stellung überführt, sodass der Nebenlauf 7 geschlossen ist. Infolge des Zustroms 28 fließt über die Drosselöffnung 11 das zu regelnde Fluid in die Schließkammer 8 ein, sodass sich in der Schließkammer 8 der Druck an den Zulaufdruck des Zustroms 28 angleicht. Infolge der größeren Dimensionierung der antagonistischen Schließfläche 12 als der Sperrfläche 10 (hier ist der Einwirkanteil der Bauteilflächen gestrichelt hervorgehoben) wird der Schaltkolben 9 in die gezeigte Sperrstellung gezwungen (Schließkraft größer als Öffnungskraft), wobei hier zusätzlich die antagonistische Federkraft des zweiten Federspeichers 14 überwunden werden muss, welche die aus dem Zulaufdruck resultierende Öffnungskraft, welche den Schaltkolben 9 in die Offenstellung (vergleiche 1) zwingt, ergänzt beziehungsweise einen Teil der Öffnungskraft bildet. In der dargestellten Ausführungsform ist die Sperrfläche 10 in Sperrstellung kleiner als in einer Zwischenstellung des Schaltkolbens 9 (vergleiche 1). Speziell sei auch auf den hier vorgesehenen (optionalen) Absatz des Schaltkolbens 9 hingewiesen, welcher hier eine Anlagefläche für den zweiten Federspeicher 14 bildet. Dieser stellt in anderen Stellungen als der Sperrstellung des Schaltkolbens 9 einen Teil der Sperrfläche 10 dar (vergleiche 1), wobei hier komplexe druckmindernde Effekte auftreten (Totwasseranteile, Stauströmung, Drosselspalte und Federelemente im Strömungsweg), sodass an diesem Anteil der Sperrfläche 10 ein gegenüber dem Zulaufdruck zumindest zeitweise verminderter Druck einwirkt. Soll nun das Schaltventil 6 wieder in die Geöffnetstellung überführt werden, wird das Schaltventil 6 wieder wie in 1 dargestellt geöffnet. Folglich ist der Abfluss über den Nebenlauf 7 aufgrund des Druckgefälles zwischen der Schließkammer 8 und dem Ablauf 5 so groß, dass der Schließstrom 31 über die Drosselöffnung 11 nicht ausreicht, um den erforderlichen Druck zum Halten des Schaltkolbens 9 in der Sperrstellung aufrechtzuerhalten. Der, bevorzugt konstante, Zulaufdruck des Zustroms 28 zwingt den Schaltkolben 9 mittels Einwirkung auf die Sperrfläche 10 (Öffnungskraft größer als Schließkraft) innerhalb einer intrinsischen Latenzzeit in die in 1 dargestellte Offenstellung zurück.
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In 3 ist ausschnittsweise ein Kraftfahrzeug 3 mit einem linken Antriebsrad 26 und einem rechten Antriebsrad 27 dargestellt. Im Motorraum des Kraftfahrzeugs 3, also dort wo die Verbrennungskraftmaschine 15 angeordnet ist, ist ein Wärmemanagementmodul 2 angeordnet. Das Wärmemanagementmodul 2 umfasst einen Kühlmittelkreislauf 16 für die Verbrennungskraftmaschine 15. Der Kühlmittelkreislauf 16 verbindet eine Wärmeaufnahmeschnittstelle 22, hier angeordnet bei der Verbrennungskraftmaschine 15, deren Brennräume 24 zumindest eine der Wärmequellen 23 darstellen, mit einer Wärmeabgabeschnittstelle 19. Die Wärmeabgabeschnittstelle 19 ist zur Wärmeabgabe eingerichtet, indem hier beispielsweise (Fahrt-) Wind im Zusammenspiel mit einem Kühler 21 die Wärmesenke 20 bildet. Das Kühlmittel im Kühlmittelkreislauf 16 wird von der Druckquelle 17 gefördert, beispielsweise einer Kühlmittelpumpe 18. Der Kühlmittelkreislauf 16 weist hier einen Teilkreislauf 25 auf, welcher nicht näher dargestellt ist. Der Kühlmittelkreislauf 16 weist eine Schalteinheit 1 auf, welche beispielsweise wie in 1 und 2 dargestellt ausgeführt ist. Hier ist die Schalteinheit 1 im gesperrten Zustand dargestellt und mittels Verschieben des Schaltsymbols in der Darstellung nach links wird der Kreislauf 16 geöffnet. Bevorzugt wird hierbei die Druckquelle 17 druckgeregelt, also der Druck nahezu konstant gehalten, sodass bei einem Öffnen der Schalteinheit 1 der (Gesamt-) Volumenstrom zunimmt.
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Die hier vorgeschlagene Schalteinheit ermöglicht den Einsatz eines kostengünstigen Schaltventils unabhängig von erforderlichen Drücken und Volumenströmen in einem beschalteten Fluidkreislaufsystem.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schalteinheit
- 2
- Wärmemanagementmodul
- 3
- Kraftfahrzeug
- 4
- Zulauf
- 5
- Ablauf
- 6
- Schaltventil
- 7
- Nebenlauf
- 8
- Schließkammer
- 9
- Schaltkolben
- 10
- Sperrfläche
- 11
- Drosselöffnung
- 12
- Schließfläche
- 13
- erster Federspeicher
- 14
- zweiter Federspeicher
- 15
- Verbrennungskraftmaschine
- 16
- Kühlmittelkreislauf
- 17
- Druckquelle
- 18
- Kühlmittelpumpe
- 19
- Wärmeabgabeschnittstelle
- 20
- Wärmesenke
- 21
- Kühler
- 22
- Wärmeaufnahmeschnittstelle
- 23
- Wärmequelle
- 24
- Brennraum
- 25
- Teilkreislauf
- 26
- linkes Antriebsrad
- 27
- rechtes Antriebsrad
- 28
- Zustrom
- 29
- Abstrom
- 30
- Durchfluss
- 31
- Schließstrom
- 32
- Schließsitz
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6152088 A [0002]
- DE 102013209582 A1 [0002]
