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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ventilanordnung für ein Thermomanagement-Modul, insbesondere ein Thermomanagement-Modul zur Steuerung der Fluidkreisläufe von beispielsweise verbrennungsmotorisch, hybridelektrisch oder batterieelektrisch angetriebenen Fahrzeugen.
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Eine solche Ventilanordnung ist dem Fachmann aus vielerlei Thermomanagement-Modulen, insbesondere aus dem Automobilbau, bekannt.
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Eine Vielzahl an automobilen Teilfunktionen wird über eigenständige Fluidkreisläufe realisiert. Die Anforderungen an die in diesen Kreisläufen eingesetzten Bauteile können in Abhängigkeit der individuellen Charakteristiken der Kreisläufe stark variieren. Einzelne Komponenten und Erfahrungen lassen sich deshalb mitunter nur sehr begrenzt auf andere Fluidkreisläufe übertragen oder adaptieren.
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Heutige Thermomanagement-Module müssen deutlich komplexere Aufgaben lösen als noch vor einigen Jahren oder Jahrzehnten. Während es früher üblich war, dass es einen Kühlkreislauf zur Kühlung des Verbrennungsmotors gab und dieser kontinuierlich betrieben wurde, haben effizienz-steigernde Maßnahmen, wie beispielsweise Downsizing, Start-Stopp-Automatik und Zylinderabschaltung, zu einem heterogenen und oftmals diskontinuierlichen Temperatureintrag geführt. Die Anforderungen an das Thermomanagement sind dadurch erheblich gestiegen.
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Mit der zunehmenden Elektrifizierung stieg die Komplexität weiter an, da häufig auch Batterien von elektrifizierten Kraftfahrzeugen gekühlt oder beheizt werden müssen. Da deren optimaler Arbeitsbereich in einem vergleichsweise schmalen Fenster liegt, ist eine bedarfsgesteuerte Kühlung, die in unterschiedlichen Abschnitten der Batterie unterschiedlich ausfallen kann, zwingend notwendig. Ferner kann es, insbesondere im Winter, erforderlich sein, dass die Batterie vor dem Fahrzeugstart in den optimalen Betriebsbereich geheizt wird. Gleichzeitig unterliegen die Hersteller solcher Thermomanagement-Module einem hohen Kostendruck durch die Automobilhersteller. Da die Ventilanordnung, über welche die Fluidströme des Thermomanagement-Moduls gesteuert werden, den größten Teil der Herstellungskosten ausmacht, bietet diese auch das größte Potenzial für Kosteneinsparungen.
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Das ABS-Zentralsteuergerät eines modernen Kraftfahrzeugs weist eine Vielzahl an integrierten Magnetventilen auf. Die benötigten Spulen zur Ansteuerung der Magnetventile sind dabei meist direkt auf der Leiterplatte (engl.: Printed Circuit Board, PCB) montiert, wobei als Technologie zur Befestigung beispielsweise die SMD-Bauweise (engl.: Surface-Mounted-Device, deutsch: oberflächenmontiertes Bauelement) oder die THT (engl.: Through-Hole-Technology, deutsch: Durchkontaktierung) zur Verfügung stehen. Auf diese Art und Weise kann die Anzahl der elektrischen Stecker für die einzelnen Magnetventile gegenüber einer getrennten Bauweise reduziert werden. Stattdessen muss nur ein einzelner Zentralstecker vorgesehen werden, welcher die erforderlichen Schutz-Anforderungen erfüllen muss. Aufgrund des Entfalls elektrischer Leitungen und abgedichteter Einzelstecker können die Systemkosten gesenkt werden. Vergleichsweise höher sind die Anforderungen an die Magnetventile. Diese müssen Systemdrücken von bis zu 150 bar standhalten, was sowohl eine hohe Präzision ihrer Kraft-Weg-Kennlinien als auch ihrer Abdichtung zwischen trockener PCB-Seite und Fluidseite erfordert. Die daraus resultierenden hohen Herstellungskosten bewirken, dass ein Übertragen der verwendeten Technologien auf Thermomanagement-Module, welche einem erhöhten Kostendruck unterliegen, unwirtschaftlich ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Ventilanordnung für ein Thermomanagement-Modul zu beschreiben, welches kostengünstiger als die existierenden Systeme hergestellt werden kann.
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Weiterhin ist es ein Aspekt der vorliegenden Erfindung, den immer schärfer werdenden Bauraum-Anforderungen der Automobilhersteller gerecht zu werden.
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Diese Aufgabe und/oder Aspekte werden durch eine Ventilanordnung für ein Thermomanagement-Modul, bestehend aus einer Leiterplatte, wobei eine trockene Seite der Ventilanordnung mittels einer Dichtmembran von einem Fluidbereich abgetrennt ist, wenigstens zwei 3/2-Wegeventilen, welche im Fluidbereich angeordnet sind, je 3/2-Wegeventil wenigstens einer Magnetspule, welche direkt auf der trockenen Seite auf der Leiterplatte angeordnet ist, wobei die wenigstens zwei 3/2-Wegeventile eine gemeinsame obere Ventilplatte und eine gemeinsame untere Ventilplatte sowie je 3/2-Wegeventil einen Ventilkolben umfassen, wobei ein druckseitiger Anschluss der 3/2-Wegeventile mit einem Versorgungsdruck P beaufschlagt ist und ein rücklaufseitiger Anschluss der 3/2-Wegeventile mit einem Rücklaufdruck T beaufschlagt ist, und bei jedem der wenigstens zwei 3/2-Wegeventile ein Verbraucheranschluss angeordnet ist, wobei alle druckseitigen Anschlüsse der 3/2-Wegeventile einen gemeinsamen Anschluss für den Versorgungsdruck P und alle rücklaufseitigen Anschlüsse der 3/2-Wegeventile einen gemeinsamen Anschluss für den Rücklaufdruck T umfassen, gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Ventilanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ist zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug, insbesondere im Thermomanagement-Modul eines Kraftfahrzeugs, geeignet und kann hierfür verwendet werden. Ebenso ist es möglich, die Ventilanordnung in anderen Anwendungen, insbesondere anderen Niederdruck-Systemen, zu verwenden. Maßgeblich für die Erfindung ist, dass der von einem Fluid durchflossene Teil eines 3/2-Wegeventils durch eine Dichtmembran von der Magnetspule, welche eine Verstellung des 3/2-Wegeventils bewirkt, getrennt ist.
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Die erfindungsgemäße Ventilanordnung umfasst eine PCB, auf welcher Magnetspulen direkt montiert sind. An diese schließt eine Dichtmembran an. Die der PCB zugewandte Seite der Dichtmembran, auf welcher sich die Magnetspulen befinden, wird als trockene Seite der Ventilanordnung bezeichnet. Der der PCB abgewandte Bereich, in welchem in nachstehend beschriebener Art und Weise ein Fluid vorhanden ist, wird als Fluidbereich bezeichnet. Im Fluidbereich befinden sich wenigstens zwei 3/2-Wegeventile. Diese bestehen aus einer oberen Ventilplatte, einer unteren Ventilplatte, einer sich durch obere Ventilplatte und untere Ventilplatte erstreckenden Ventilöffnung und einem Ventilkolben. Während jedes 3/2-Wegeventil eine eigene Ventilöffnung und einen eigenen Ventilkolben aufweist, teilen sich die wenigstens zwei 3/2-Wegeventile die obere Ventilplatte und die untere Ventilplatte. Dies führt zu einer besonders platz- und komponentensparenden Bauweise.
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Bedingt durch die im Vergleich zu ABS-Systemen niedrigen Arbeitsdrücke des Thermomanagement-Moduls sind die an die Dichtmembran gestellten Anforderungen geringer. Diese kann deshalb beispielsweise aus Edelstahl mit einer Stärke von 0,1 mm bis 0,2 mm ausgeführt werden. Mit einer solchen Konfiguration kann den hydraulischen Belastungen standgehalten werden, ohne dass das Risiko eines Fluideintritts in die trockene Seite besteht. Gleichzeitig sorgt eine derartige Ausführung der Dichtmembran für eine minimale Abschwächung des durch die Magnetspulen erzeugten elektromagnetischen Felds. Dadurch können die Magnetspulen geringer dimensioniert werden. Gleichzeitig kann die Ventilanordnung beziehungsweise das Thermomanagement-Modul energiesparender betrieben werden, da die erforderliche Stromstärke reduziert wird. Ebenso ist es möglich, die Dichtmembran zur Erzielung der gewünschten Eigenschaften aus einem anderen Werkstoff herzustellen. In Frage kommen hierfür beispielsweise Kunststoff oder ein Elastomer.
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Zwischen der oberen Ventilplatte und der Dichtmembran befindet sich ein oberer Fluidbereich, in welchem entweder der Versorgungsdruck P oder der Rücklaufdruck T anliegt. Auf der der oberen Ventilplatte abgewandten Seite der unteren Ventilplatte befindet sich ein unterer Fluidbereich, in welchem, gegensätzlich zum vorstehend genannten oberen Fluidbereich, entweder der Rücklaufdruck T oder der Versorgungsdruck P anliegt. Ferner befindet sich ein Verbraucheranschluss bei der Ventilöffnung.
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Der Übergang zwischen dem mit dem Versorgungsdruck P beaufschlagten Bereich und der Ventilöffnung wird als druckseitiger Anschluss bezeichnet und ist als ebener Ventilsitz ausgeführt. Der Übergang zwischen dem mit dem Rücklaufdruck T beaufschlagten Bereich und der Ventilöffnung wird als rücklaufseitiger Anschluss bezeichnet und ist ebenfalls als ebener Ventilsitz ausgeführt.
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Der Mittelteil des Ventilkolbens eines jeden 3/2-Wegeventils entspricht einer Verbindungsstange, welche einen geringeren Durchmesser als die Ventilöffnung hat, durch welche sie hindurchführt. Der in den oberen Fluidbereich hineinragende Teil des Ventilkolbens ist als Plattenanker ausgeführt. Er ist ferner zum dichtenden Verschluss zwischen dem oberen Fluidbereich und der Ventilöffnung ausgebildet. Der gegenüberliegende Teil des Ventilkolbens, welcher in den unteren Fluidbereich hineinragt, ist in gleicher Weise zum dichtenden Verschluss zwischen dem unteren Fluidbereich und der Ventilöffnung ausgebildet.
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Zur Gewährleistung eines definierten Betriebszustands im stromlosen Zustand der Magnetspulen ist in einer vorteilhaften Ausführungsform zwischen der oberen Ventilplatte und dem in den oberen Fluidbereich hineinragenden Teil des Ventilkolbens eine Membranfeder vorgesehen. Diese bewirkt, dass im stromlosen Zustand der Magnetspulen der obere Fluidbereich und die Ventilöffnung in abdichtender Weise voneinander abgetrennt sind. Gleichzeitig sind der Verbraucheranschluss und der untere Fluidbereich miteinander verbunden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist es gleichermaßen möglich, dass die Membranfeder im stromlosen Zustand der Magnetspulen eine Verbindung des oberen Fluidbereichs mit dem Verbraucheranschluss gewährleistet und die Verbindung zwischen der Ventilöffnung und dem unteren Fluidbereich abdichtend trennt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Membranfeder zwischen der unteren Ventilplatte und dem in den unteren Fluidbereich hineinragenden Teil des Ventilkolbens vorgesehen werden. Bei einer solchen Anordnung ist eine im stromlosen Zustand der Magnetspulen abdichtend geschlossene Verbindung zwischen Ventilöffnung und unterem Fluidbereich ebenso denkbar wie eine im stromlosen Zustand der Magnetspulen durch die Membranfeder bewirkte Verbindung des unteren Ventilbereichs mit dem Verbraucheranschluss.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Magnetspulen als Topfspulen ausgeführt. Diese sind besonders platzsparend und können nach den individuellen Anforderungen im Anwendungsfall ausgewählt werden. Ebenso sind sogenannte „embedded coils“ (deutsch: eingebettete Spulen) denkbar. Bei dieser Bauform wird eine flache Spule dadurch gebildet, dass eine Leiterbahn direkt auf die Leiterplatte oder auf eine separate Folie montiert wird. Beispielsweise durch Falten der Folie kann so auch eine mehrschichtige Spule realisiert werden.
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Durch das Anliegen des Versorgungsdrucks P im oberen (oder unteren) Fluidraum und das Anliegen des Rücklaufdrucks T im unteren (oder oberen) Fluidraum werden die obere und die untere Ventilplatte aufeinander gepresst. Aufgrund der geringen Absolutdrücke kann auf eine separate Abdichtung der inneren Kanäle verzichtet werden. Die obere Ventilplatte und die untere Ventilplatte können aus Kunststoff hergestellt und durch übliche Kunststoff-Fügeverfahren miteinander verbunden werden. Ebenso besteht die Möglichkeit, die obere Ventilplatte und die untere Ventilplatte aus einem metallischen Werkstoff vorzusehen. In diesem Fall ist zum Fügen ein übliches Fügeverfahren anzuwenden, wie beispielsweise Löten.
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Mit einer solchen Ventilanordnung kann eine besonders kostengünstige und platzsparende Bauweise für ein Thermomanagement-Modul erzielt werden. Die direkte Montage der Magnetspulen auf der PCB reduziert den Verkabelungsaufwand und die Anzahl der benötigten Stecker auf ein Minimum. Die Dichtmembran sorgt für eine zuverlässige und kostengünstige Abdichtung der trockenen Seite vom Fluidbereich. Aufwändige Dichtungen, die hohen Belastungen standhalten, können somit entfallen. Aufgrund der geringen Feldschwächung durch die Dichtmembran können die Magnetspulen geringer dimensioniert werden, als dies bei herkömmlichen Anordnungen notwendig ist. Die Verwendung einer gemeinsamen oberen und unteren Ventilplatte für mehrere 3/2-Wegeventile spart Bauraum und Bauteile ein. Bedingt durch die Membranfeder und die separaten Ventilkolben können jedoch alle Verbraucher einzeln und unabhängig voneinander versorgt und angesteuert werden. Weiterhin muss der obere Fluidraum nur einen gemeinsamen Anschluss für die Versorgung aller 3/2-Wegeventile mit dem Versorgungsdruck P umfassen. Gleiches gilt für den unteren Fluidraum und dessen Beaufschlagung mit dem Rücklaufdruck P. Ein erhöhter Leitungsaufwand zur Versorgung jedes einzelnen Ventils entfällt somit, was wiederum Kosten und Bauraum spart.
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Gegenstand der Erfindung ist ferner die Verwendung einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen einer Ventilanordnung in einem Thermomanagement-Modul eines Fahrzeugs, beispielsweise eines verbrennungsmotorisch, hybridelektrisch oder batterieelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs.
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Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ventilanordnung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Dabei zeigt:
- 1 in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
- 2 in schematischer Darstellung eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ventilanordnung 10. Diese umfasst eine Leiterplatte 11 eines Thermomanagement-Moduls, auf welche Magnetspulen 15 montiert sind. Die dargestellte Ausführungsform zeigt zwei Topfspulen als Magnetspulen 15. An die Magnetspulen 15 schließt eine ebene Dichtmembran 14 aus Edelstahl an. Diese trennt eine trockene Seite 12, auf welcher sich die Magnetspulen 15 befinden, von einem Fluidbereich 13. Im Fluidbereich 13 befinden sich zwei 3/2-Wegeventile 16, welche jeweils einer Magnetspule 15 gegenübergestellt und zugeordnet sind.
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Ein 3/2-Wegeventil 16 besteht aus jeweils 3 Komponenten: Einer oberen Ventilplatte 17, einer unteren Ventilplatte 18 und einem Ventilkolben 19. Durch die obere Ventilplatte 17 und die untere Ventilplatte 18 hindurch erstreckt sich eine Ventilöffnung 20, in welcher der Ventilkolben 19 angeordnet ist. Wenigstens zwei 3/2-Wegeventile 16 haben dabei eine gemeinsame obere Ventilplatte 17 und eine gemeinsame untere Ventilplatte 18.
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Zwischen der Dichtmembran 14 und der oberen Ventilplatte 17 befindet sich der obere Fluidraum 24, welcher aus einem gemeinsamen Anschluss mit dem Versorgungsdruck P beaufschlagt wird. Unterhalb der unteren Ventilplatte 18 befindet sich der untere Fluidraum 25, welcher ebenfalls aus einem gemeinsamen Anschluss mit dem Rücklaufdruck T beaufschlagt wird. Ferner befindet sich bei jedem 3/2-Wegeventil 16 zwischen der oberen Ventilplatte 17 und der unteren Ventilplatte 18 ein Verbraucheranschluss 23.
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Ein als Bestandteil der oberen Ventilplatte 17 ausgeführter druckseitiger Anschluss 21 verbindet den oberen Fluidraum 24 mit der Ventilöffnung 20 in Form eines ebenen Ventilsitzes. In gleicher Art und Weise verbindet ein als Bestandteil der unteren Ventilplatte 18 ausgeführter rücklaufseitiger Anschluss 22 die Ventilöffnung 20 mit dem unteren Fluidraum 25. Der ebene Ventilsitz des druckseitigen Anschlusses 21 stellt das Gegenstück zum in den oberen Fluidraum 24 hineinragenden Endstück des Ventilkolbens 19 dar.
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Zwischen dem druckseitigen Anschluss 21 und dem in den oberen Fluidraum 24 hineinragenden Endstück des Ventilkolbens 19 ist ferner eine Membranfeder 26 angeordnet, welche so ausgestaltet ist, dass das in den oberen Fluidraum hineinragende Endstück des Ventilkolbens 19 im unbestromten Zustand der zugehörigen Magnetspule 15 den druckseitigen Anschluss 21 abdichtend verschließt. In diesem Zustand wird der rücklaufseitige Anschluss 22 nicht durch das in den unteren Fluidraum 25 hineinragende Endstück des Ventilkolbens 19 verschlossen. Demnach ist der Verbraucheranschluss 23 mit dem unteren Fluidraum 25 verbunden. Der vorstehend erläuterte Zustand wird durch das rechte der beiden in 1 gezeigten 3/2-Wegeventile 16 dargestellt.
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Der vom linken der beiden in 1 dargestellten 3/2-Wegeventile 16 gezeigte Zustand wird durch das Beaufschlagen der Magnetspule 15 mit Strom erzielt. Durch das Anlegen eines Stroms an die Magnetspule 15 erzeugt diese ein elektromagnetisches Feld, welches sich durch die Dichtmembran 14 hindurch in den Fluidbereich 13 erstreckt. Dieses elektromagnetische Feld wirkt auf das als Plattenanker ausgeführte, in den oberen Fluidraum 24 hineinragende Endstück des Ventilkolbens 19 und übt eine anziehende Kraft auf diesen aus. Dadurch bewegt sich der Ventilkolben 19 entgegen der Federkraft der Membranfeder 26 in Richtung der Magnetspule 15, bis das in den unteren Fluidraum 25 hineinragende Endstück des Ventilkolbens 19 in Kontakt mit dem rücklaufseitigen Anschluss 22 kommt und diesen verschließt. Somit wird der druckseitige Anschluss 21 geöffnet und der unter Versorgungsdruck P stehende obere Fluidraum 24 mit dem Verbraucheranschluss 23 verbunden.
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Ist der Bedarf eines Verbrauchers nach unter Versorgungsdruck P stehendem Fluid gedeckt, wird der Stromfluss zur Magnetspule 15 unterbrochen. Die Membranfeder 26 sorgt nun dafür, dass der Ventilkolben 19 wieder seinen Ausgangszustand einnimmt, in welchem der Verbraucheranschluss 23 mit dem unteren Fluidraum 25 verbunden ist und der druckseitige Anschluss geschlossen ist.
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Eine zweite Ausführungsform ist in 2 dargestellt. Diese unterscheidet sich von der in 1 dargestellten Ausführungsform insofern, als dass der Ventilkolben 19 zwischen der oberen Ventilplatte 17 und der unteren Ventilplatte 18 angeordnet ist. Das Fluid fließt über den druckseitigen Anschluss 21, welcher in der oberen Ventilplatte 17 vorgesehen ist, in den Arbeitsraum des Ventils ein. Sowohl der rücklaufseitige Anschluss 22, als auch der Verbraucheranschluss 23, sind in der unteren Ventilplatte 18 angeordnet.
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Im mit Strom beaufschlagten Zustand der Magnetspule 15, welcher in 2 dargestellt ist, ist der druckseitige Anschluss 21 mit dem Verbraucheranschluss 23 verbunden. Wird dagegen die Magnetspule 15 stromlos geschaltet, so bewirkt die Membranfeder 26 eine Rückstellung des Ventilkolbens 19, wodurch dieser den druckseitigen Anschluss 21 verschließt und den Verbraucheranschluss 23 mit dem rücklaufseitigen Anschluss 22 verbindet.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Ventilanordnung
- 11
- Leiterplatte
- 12
- Trockene Seite
- 13
- Fluidbereich
- 14
- Dichtmembran
- 15
- Magnetspule
- 16
- 3/2-Wegeventil
- 17
- Obere Ventilplatte
- 18
- Untere Ventilplatte
- 19
- Ventilkolben
- 20
- Ventilöffnung
- 21
- Druckseitiger Anschluss
- 22
- Rücklaufseitiger Anschluss
- 23
- Verbraucheranschluss
- 24
- Oberer Fluidraum
- 25
- Unterer Fluidraum
- 26
- Membranfeder
