-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ventil-Pumpen-Einheit, insbesondere für ein Wärmetransportmittelsystem eines Fahrzeugs, ein Wärmetransportmittelsystem mit einer solchen Ventil-Pumpen-Einheit und ein Fahrzeug mit einer solchen Ventil-Pumpen-Einheit.
-
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Wärmetransportmittelsystem, insbesondere eines Fahrzeugs zu verbessern. Eine weitere Aufgabe ist es, ein solches Wärmetransportmittelsystem zu vereinfachen.
-
Es wird eine Ventil-Pumpen-Einheit vorgeschlagen. Diese Ventil-Pumpen-Einheit weist dabei auf:
- - einen einzigen Elektromotor zum Antrieb einer ersten Pumpenstufe und einer zweiten Pumpenstufe sowie zur Verstellung eines Mehrwegeventils,
- - ein Reduktionsgetriebe, welches durch den Elektromotor antreibbar ist,
- - eine durch den Elektromotor antreibbare, erste Pumpenstufe zur Förderung eines Wärmetransportmittels in einem ersten Wärmetransportmittelkreislauf,
- - eine durch den Elektromotor antreibbare, zweite Pumpenstufe zur Förderung eines Wärmetransportmittels in einem zweiten Wärmetransportmittelkreislauf,
- - ein über das Reduktionsgetriebe verstellbares Mehrwegeventil mit Wärmetransportmittelkanälen zur Bereitstellung von zumindest zwei Schaltstellungen zwischen dem ersten Wärmetransportmittelkreislauf und einem zweiten Wärmetransportmittelkreislauf eines Wärmetransportmittelsystems sowie
- - einen gemeinsamen Gehäuseabschnitt zur Aufnahme des Elektromotors, des Mehrwegeventils, des Reduktionsgetriebes sowie der ersten Pumpenstufe und der zweiten Pumpenstufe.
-
Dabei ist in einem Pumpenbetrieb, in einer ersten Drehrichtung des Elektromotors das Reduktionsgetriebe über einen Freilauf vom Elektromotor abgekuppelt.
-
Und dabei ist das Reduktionsgetriebe in einer zum Pumpenbetrieb entgegen gesetzten, zweiten Drehrichtung des Elektromotors zur Verstellung des Mehrwegeventils betreibbar.
-
Die vorgeschlagene Ventil-Pumpen-Einheit stellt eine vorteilhafte Integration mehrerer Komponenten eines solch zuvor genannten Wärmetransportmittelkreislaufes in eine Einheit bzw. ein Kernmodul dar.
-
Damit einher geht auch eine Reduktion der zum Betrieb eines solchen Wärmetransportmittelkreislaufes erforderlichen Komponenten. Indem solche Komponenten eingespart werden, vereinfacht sich ein solcher Wärmetransportmittelkreislauf bzw. ein einen solchen Wärmetransportmittelkreislauf aufweisendes Wärmetransportmittelsystem.
-
Mit einer solch hochintegrierten Ventil-Pumpen-Einheit (im Sinne eines Kernmoduls) lassen sich zudem Gewicht, Bauraum sowie Kosten einsparen.
-
Nach einer Ausführung ist das Mehrwegeventil mit dem Elektromotor derart gefügt, dass das Mehrwegeventil den Elektromotor umschließt, etwa ringförmig umschließt.
-
Dabei kann zumindest eine den Elektromotor umschließende Innenkontur des Mehrwegeventils zumindest im Wesentlichen kreisförmig ausgeführt sein.
-
Zusätzlich oder alternativ dazu kann eine Außenkontur des Mehrwegeventils zumindest im Wesentlichen kreisförmig ausgeführt sein.
-
Das Mehrwegeventil kann somit eine zumindest im Wesentlichen ringförmige Formgebung aufweisen und dabei den Elektromotor ringförmig umschließen bzw. zumindest im Wesentlichen ringförmig umschließen.
-
Dabei kann das Mehrwegeventil geschlossen umlaufend ausgeführt sein. Eine solch geschlossen umlaufende Struktur bietet im Vergleich zu einer offenen Struktur eine erhöhte Struktursteifigkeit.
-
Nach einer weiteren Ausführung weist das Mehrwegeventil zumindest einen zum gemeinsamen Gehäuseabschnitt ortsfesten, einzelne Kanalabschnitte aufweisenden (Ventil-)Abschnitt sowie zumindest einen zum gemeinsamen Gehäuseabschnitt in der ersten oder zweiten Drehrichtung verschwenkbaren, einzelne Kanalabschnitte aufweisenden (Ventil-)Abschnitt auf, über welchen die besagten Schaltstellungen des Mehrwegeventils zwischen dem ersten Wärmetransportmittelkreislauf und dem zweiten Wärmetransportmittelkreislauf des Wärmetransportmittelsystems einstellbar sind.
-
Die Wärmetransportmittelkanäle des Mehrwegeventils bzw. dessen einzelne, die Wärmetransportmittelkanäle bildenden (Ventil-)Abschnitte erstrecken sich dabei zwischen dem gemeinsamen Gehäuseabschnitt und dem Elektromotor.
-
Nach einer Ausführung ist das Mehrwegeventil in Gestalt eines 4/2-Wegeventils ausgeführt. Dabei erlaubt es die zuvor beschriebene Mehrteiligkeit des Mehrwegeventils auch Kombinationen von Ventilen durch eine entsprechende Ausgestaltung einzelner Ventilabschnitte - mit zugeordneten Kanalabschnitten - abzubilden, etwa eine Kombination eines 4/2-Wegeventils mit einem 3/2-Wegeventil.
-
Nach einer weiteren Ausführung ist zwischen dem Elektromotor und der zweiten Pumpenstufe eine Kupplung angeordnet, welche den Elektromotor und die zweite Pumpenstufe miteinander lösbar verbindet. Die Kupplung kann dabei in Gestalt einer öffnenden Kupplung, etwa einer Fliehkraftkupplung ausgebildet sein, über welche die zweite Pumpenstufe abkuppelbar bzw. abwerfbar ist. Alternativ dazu kann diese Kupplung auch als schießende Kupplung, etwa in Gestalt einer Fliehkraftkupplung ausgeführt sein, über welche die zweite Pumpenstufe ankuppelbar ist.
-
Eine solche Kupplung ermöglicht es, bei Bedarf nur den ersten Wärmetransportmittelkreislauf zu betreiben bzw. das Wärmetransportmittel nur im ersten Wärmetransportmittelkreislauf zu fördern, etwa zum Schnellladen einer Batterie des ersten Wärmetransportmittelkreislaufs.
-
Alternativ dazu wird in einer weiteren Ausführung auf eine solche Kupplung verzichtet, so dass die beiden Pumpenstufen dauerhaft mit einander verbunden sind.
-
Nach einer weiteren Ausführung ist der Elektromotor als Trockenläufer ausgebildet.
-
Nach einer weiteren Ausführung ist / sind die erste Pumpenstufe (PS1) und / oder die zweite Pumpenstufe (PS2) in Gestalt einer Radialpumpenstufe ausgebildet.
-
Die Pumpenstufen können aber als Strömungspumpen(stufen) oder als Verdrängungspumpen(stufen) ausgeführt sein.
-
Es wird zudem ein Wärmetransportmittelsystem mit einer Ventil-Pumpen-Einheit der zuvor beschriebenen Art vorgeschlagen, insbesondere für ein Fahrzeug, mit einem ersten Wärmetransportmittelkreislauf und einem zweiten Wärmetransportmittelkreislauf, wobei die Ventil-Pumpen-Einheit zwischen den beiden Kreisläufen vorgesehen bzw. angeordnet ist.
-
Es wird zudem ein Fahrzeug mit einer Ventil-Pumpen-Einheit der zuvor beschriebenen Art oder einem Wärmetransportmittelsystem der zuvor beschriebenen Art vorgeschlagen.
-
Es wird ferner ein Betriebsverfahren für eine Ventil-Pumpen-Einheit der zuvor beschriebenen Art vorgeschlagen, bei welchem der Elektromotor zum Antrieb der ersten Pumpenstufe und der zweiten Pumpenstufe in der ersten Drehrichtung und zum Antrieb des Reduktionsgetriebes in der zum Pumpenbetrieb entgegen gesetzten, zweiten Drehrichtung zur Verstellung des Mehrwegeventils betrieben wird. Dabei wird im Pumpenbetrieb das Reduktionsgetriebe über den Freilauf vom Elektromotor abgekuppelt.
-
Im Pumpenbetrieb kann dabei oberhalb einer bestimmten Drehzahl des Elektromotors die zweite Pumpenstufe - je nach Ausführung der Kupplung - über die Kupplung, etwa in Gestalt einer öffnenden Fliehkraftkupplung abgekuppelt bzw. abgeworfen oder etwa in Gestalt einer schließenden Fliehkraftkupplung angekuppelt werden.
-
Im Weiteren wird die Erfindung unter Bezugnahme auf Figurendarstellungen im Einzelnen erläutert. Aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungen ergeben sich weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung. Hierzu zeigen:
- 1 eine Ventil-Pumpen-Einheit in einer perspektivischen Ansicht;
- 2 die in 1 gezeigte Ventil-Pumpen-Einheit in einer Schnittansicht;
- 3 eine perspektivische Schnittansicht bezüglich der Schnittlinie S1 - S1 in 2;
- 4 eine perspektivische Schnittansicht bezüglich der Schnittlinie S2 - S2 in 2;
- 5 eine perspektivische Schnittansicht bezüglich der Schnittlinie S3 - S3 in 2; sowie
- 6 eine vergrößerte Ansicht der in 5 gezeigten Kupplung.
-
1 veranschaulicht eine vorgeschlagene, im Wesentlichen zylinderförmige Ventil-Pumpen-Einheit VPE, welche über ein erstes Anschlussende hAE1 hydraulisch an einen ersten Wärmetransportmittelkreislauf (bzw. Kühlkreislauf) und über ein zweites Anschlussende hAE2 hydraulisch an einen zweiten Wärmetransportmittelkreislauf (bzw. Kühlkreislauf) eines Wärmetransportmittelsystems (bzw. Thermomanagementsystems), insbesondere eines Fahrzeugs anbindbar bzw. anschließbar ist.
-
Diese Ventil-Pumpen-Einheit VPE stellt dabei zwei selektive Schaltstellungen eines Mehrwegeventils MWV, in Gestalt eines 4/2-Wegeventils zwischen dem ersten Kreislauf und dem zweiten Kreislauf bereit.
-
2 veranschaulicht dabei, welche Komponenten des ersten und zweiten Kreislaufes in diese Ventil-Pumpen-Einheit VPE mittels eines gemeinsamen Gehäuseabschnitts Gg integriert sind. Der Gehäuseabschnitt Gg hat somit eine zentral tragende sowie integrierende Funktion.
-
Ein einziger, als Innenläufer und Trockenläufer ausgebildeter Elektromotor bzw. E-Motor EM ist dabei mit dem Mehrwegeventil MWV derart gefügt, dass das Mehrwegeventil MWV den E-Motor EM ringförmig - etwa vollständig bzw. geschlossen umlaufend - innerhalb des gemeinsamen Gehäuseabschnitts Gg umschließt. Der E-Motor EM bildet dabei eine zentrale bzw. zentral treibende Komponente der Ventil-Pumpen-Einheit VPE.
-
Der Stator S des E-Motors EM ist dabei innerhalb eines Rohrabschnitts RA bzw. eines zumindest rohrähnlichen Abschnitts RA angeordnet, wobei dieser Rohrabschnitt RA zu beiden Enden in einem jeweils zugeordneten Bereich gegenüber seiner Peripherie hinreichend abgedichtet ist und somit einen Trockenraum für den Stator S und den Rotor R des Elektromotors EM innerhalb des Rohrabschnitts RA bildet.
-
Das mit dem Rohrabschnitt RA gefügte Mehrwegeventil MWV weist dabei zumindest einen zum Gehäuseabschnitt Gg ortsfesten Abschnitt 2 sowie zumindest einen zum Gehäuseabschnitt Gg in einer ersten oder einer zweiten Drehrichtung des E-Motors EM verschwenkbaren Abschnitt 4 auf. Wärmetransportmittelkanäle 6 (bzw. Flüssigkeitskanäle 6) im Mehrwegeventil MWV erstrecken sich dabei zwischen dem Gehäuseabschnitt Gg und dem E-Motor EM.
-
Dabei können die einzelnen Abschnitte 2, 4 des Mehrwegeventils MWV zur Gewichtseinsparung außenumfangsseitig abschnittsweise ausgespart sein und in Verbindung mit dem gemeinsamen Gehäuseabschnitt Gg einzelne Hohlräume ausbilden, in welchen sich gefördertes Fluid bzw. geförderte Flüssigkeit ansammeln kann (2).
-
Die Ventil-Pumpen-Einheit VPE weist eine erste Pumpenstufe PS1, etwa in Gestalt einer Strömungspumpenstufe, bspw. in Gestalt einer Radialpumpenstufe, sowie eine zweite Pumpenstufe PS2, etwa in Gestalt einer Strömungspumpenstufe, bspw. in Gestalt einer Radialpumpenstufe auf, welche jeweils über eine Antriebswelle 8 des E-Motors EM antreibbar sind.
-
Die beiden Pumpenstufen PS1, PS2 weisen jeweils zumindest einen ersten und zweiten Gehäuseabschnitt G1a, G1b bzw. G2a, G2b auf. Die beiden Gehäuseabschnitte G1b, G2b - die als solche dem gemeinsamen Gehäuseabschnitt Gg zugewandt sind - sind dabei mit dem Gehäuseabschnitt Gg gefügt bzw. durch diesen aufgenommen.
-
Zwischen der Pumpenstufe PS1 und dem E-Motor EM ist dabei bspw. ein dreistufiges Reduktionsgetriebe RG zur selektiven Verstellung des Mehrwegeventils MWV vorgesehen bzw. angeordnet. Die Schnittdarstellung in 4 (entsprechend einem Schnitt durch die Schnittlinie bzw. -ebene S1 - S1 in 2) veranschaulicht dabei die Zahnräder Z1, Z2, Z3 der ersten und zweiten Getriebestufe und die Schnittdarstellung in 2 (entsprechend einem Schnitt durch die Schnittlinie bzw. -ebene S2 - S2 in 2) das Zahnrad Z4 der vierten Getriebestufe. Das Zahnrad Z4 kämmt dabei mit einer am verschwenkbaren Abschnitt 4 des Mehrwegeventils MWV ausgebildeten Innenverzahnung 24, so dass der Abschnitt 4 im Sinne eines Hohlrades fungiert, welches über das Zahnrad Z4 selektiv verschwenkbar ist. Bei der vorliegenden Ausführung des Reduktionsgetriebes RG verschwenkt der Abschnitt 4 in einer Drehrichtung des E-Motors EM, welche zum Pumpenbetrieb des E-Motors EM korrespondiert. In einer alternativen Ausführung des Reduktionsgetriebes RG kann der Abschnitt 4 aber auch in einer zum Pumpenbetrieb entgegen gesetzten Drehrichtung des E-Motors EM verschwenken.
-
Zwischen der Antriebswelle 8 und dem Zahnrad Z1 ist ein Freilauf FL - etwa in Gestalt eines Klemmrollenfreilaufes - vorgesehen bzw. angeordnet, welcher nur in einer zum Pumpenbetrieb des Elektromotors EM entgegen gesetzten Drehrichtung ein Drehmoment auf das Reduktionsgetriebe RG überträgt und somit die selektive Verstellung des Mehrwegeventils MWV in zumindest zwei Schaltstellungen ermöglicht (4, 2). Alternativ dazu ließe sich der Freilauf FL auch an einer anderen Stelle des Reduktionsgetriebes RG anordnen.
-
In Richtung der Pumpenstufe PS1 erstreckt sich die Antriebswelle 8 durch eine Wälzlageranordnung - in Gestalt einer fliegenden Lagerung - zur Aufnahme der Antriebswelle 8 im Gehäuseabschnitt Gg, den Freilauf FL, eine Dichtung 12, ein Gleitlager 16 und bis in eine metallische Buchse 20, bspw. Messingbuchse, auf welcher das Laufrad der Pumpenstufe PS1 sitzt.
-
In Richtung der Pumpenstufe PS2 hingegen erstreckt sich die Antriebswelle 8 in einen Nabenabschnitt N einer Fliehkraftkupplung K, über welche die Pumpenstufe PS2 an den E-Motor EM angebunden ist. Abtriebsseitig erstreckt sich von dieser Fliehkraftkupplung K eine Antriebswelle 10 durch eine Dichtung 14, ein Gleitlager 18 und bis in eine metallische Buchse 22, bspw. Messingbuchse, auf welcher das Laufrad der Pumpenstufe PS2 sitzt. Die Fliehkraftkupplung K ist dabei im Sinne einer öffnenden Kupplung ausgeführt, welche ab einer bestimmten Drehzahl der Antriebswelle 8 öffnet und dadurch die Wirkverbindung des E-Motors EM zur Pumpenstufe PS2 löst. Somit ist die Pumpenstufe PS2 im Pumpenbetrieb bei Bedarf in einem entsprechenden Betriebsmodus des E-Motors EM durch die Fliehkraftkupplung K abkuppelbar bzw. abwerfbar.
-
Die Fliehkraftkupplung K ist dabei innerhalb des Rohrabschnitts RA zwischen dem E-Motor EM und der Pumpenstufe PS2 angeordnet. Die beiden Dichtungen 12, 14 tragen dazu bei, das Reduktionsgetriebe RG, die Fliehkraftkupplung K und den E-Motor EM trocken zu halten.
-
Die Schnittdarstellungen in den 5, 6 (entsprechend einem Schnitt durch die Schnittlinie bzw. -ebene S3 - S3 in 2) veranschaulichen dabei die besagte Fliehkraftkupplung K, welche einen geschlossen umlaufenden, am Nabenabschnitt N angeformten Scheibenabschnitt 34 sowie einen geschlossen umlaufenden, am Scheibenabschnitt 34 angeformten Ringabschnitt 32 umfasst. Stirnseitig am Scheibenabschnitt 34 sind zudem drei, in Umfangsrichtung der Fliehkraftkupplung K gleichmäßig zueinander beabstandete, bogenförmige Klauen 30 zur Aufnahme eines geschlossen umlaufenden Federelements 28 angeformt.
-
Diese Klauen 30 sind dabei bezüglich ihrer Erstreckung in Umfangsrichtung der Fliehkraftkupplung K derart zum Ringabschnitt 32 radial beabstandet, dass sie mit dem Ringabschnitt 32 einen bogenförmigen Spalt ausbilden, in welchen ein zugeordnetes Federelement 28 eingesteckt ist.
-
Radial innenseitig trägt jedes dieser Federelemente 28 ein sog. Kuppelbelagselement 26, welches korrespondierend bzw. komplementär zum in der 5 dargestellten Abschnitt der Antriebswelle 10 ausgeformt ist. Bei diesem Kuppelbelagselement 26 kann es sich dabei um ein aus geeigneten Reibmitteln und Bindemitteln bestehendes Element oder aber um ein solche Reibmittel und Bindemittel umfassendes Element handeln. Das Kuppelbelagselement 26 kann dabei auch aus einem Elastomer ausgebildet sein oder aber ein solches Elastomer umfassen. Das Kuppelbelagselement 26 bildet dabei mit dem besagten Abtriebswellenabschnitt einen Form- und Kraftschluss aus (5).
-
In einer weiteren - hier nicht dargestellten Ausführung - wird vorgeschlagen, die Kupplung in Gestalt einer schließenden Fliehkraftkupplung auszuführen.
-
Der E-Motor EM der Ventil-Pumpen-Einheit VPE ist in zwei Drehrichtungen betreibbar:
- a) im besagten Pumpenbetrieb in einer ersten Drehrichtung; und
- b) zum Antrieb des Reduktionsgetriebes RG in einer zum Pumpenbetrieb entgegen gesetzten, zweiten Drehrichtung zur Verstellung des Mehrwegeventils MWV
-
Dabei ist im Pumpenbetrieb das Reduktionsgetriebe RG über den Freilauf FL vom E-Motor EM abgekuppelt.
-
Die Verstellung des schwenkbar bzw. drehbar stellbaren Mehrwegeventils MWV kann dabei schrittweise bzw. gestuft oder auch kontinuierlich von einer Schaltstellung in eine andere Schaltstellung des Mehrwegeventils MWV erfolgen.
-
In 2 ist ferner eine von zwei Schaltstellungen des 4/2-Mehrwegeventils MWV zu sehen, in welcher ein Ablauf bzw. Ablaufanschluss APS2 der Pumpenstufe PS2 bzw. des zweiten Kreislaufes über einen zugeordneten Kanal 6 mit der Pumpenstufe PS1 in fluidischer Verbindung bzw. Strömungsverbindung steht.
-
2 veranschaulicht dabei eine Reihenschaltung der beiden zuvor genannten Kreisläufe - d.h. des ersten und zweiten Wärmetransportmittelkreislaufs -, bei welcher der Ablauf APS2 mit einem - in 2 nicht dargestellten - Zulauf ZPS1 der Pumpenstufe PS1 bzw. des ersten Kreislaufes fluidisch verbunden ist. Gleiches gilt dabei auch für einen - in 2 nicht dargestellten - Ablauf bzw. Ablaufanschluss APS1 der Pumpenstufe PS1 bzw. des ersten Kreislaufes, welcher mit einem - in 2 nicht dargestellten - Zulauf ZPS2 der Pumpenstufe PS2 bzw. des zweiten Kreislaufes fluidisch verbunden ist.
-
Hingegen werden in einer - hier nicht dargestellten - Parallelschaltung der beiden zuvor genannten Kreisläufe einerseits der Ablauf APS1 mit dem Zulauf ZPS1 und andererseits der Ablauf APS2 mit dem Zulauf ZPS2, und zwar über je einen zugeordneten Kanal 6 im Mehrwegeventil MWV miteinander fluidisch verbunden.
-
D.h., dass gefördertes Fluid bzw. geförderte Flüssigkeit im Mehrwegeventil MWV entsprechend umgeleitet wird.
-
5 veranschaulicht den Ablauf APS2 sowie den Zulauf ZPS2 des zweiten Kreislaufes.
-
Auch sind zwischen dieser Reihen- und Parallelschaltung der beiden Kreisläufe verschiedene Mischstellungen des Abschnitts 4 bzw. des Mehrwegeventils MWV möglich. Dazu kann das Mehrwegeventil MWV eine Anordnung von entsprechend ausgebildeten - hier nicht dargestellten - Kanälen 6 aufweisen, welche solche Mischzustände innerhalb des Mehrwegeventils MWV herbeiführen bzw. bewirken.
-
In einer weiteren - hier dargestellten - Ausführung können zudem weitere Freiläufe vorgesehen sein, und zwar an der Pumpenstufe PS1 zwischen der metallischen Buchse 20 und der Antriebswelle 8 und / oder an der Pumpenstufe PS2 zwischen der metallischen Buchse 22 und der Antriebswelle 10. Dies hat den Vorteil, dass gefördertes Fluid in der zum Pumpenbetrieb entgegen gesetzten Drehrichtung des E-Motors EM nicht ausgebremst wird, sondern vielmehr aufgrund seiner Massenträgheit vorteilhafterweise weiterströmen kann.
-
Durch die vorgeschlagene Ventil-Pumpen-Einheit lassen sich die zuvor genannten Wärmetransportmittelkreisläufe bzw. ein solche Wärmetransportmittelkreisläufe aufweisendes Wärmetransportmittelsystem stark vereinfachen.
-
Dabei lassen sich einzelne, bislang benötigte Komponenten einsparen und damit einhergehend auch Gewicht, Bauraum sowie Kosten.
-
Obwohl in der vorhergehenden Beschreibung exemplarische Ausführungen erläutert werden, sei darauf hingewiesen, dass eine Vielzahl von Abwandlungen möglich ist. Außerdem sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den exemplarischen Ausführungen lediglich um Beispiele handelt, die den Schutzbereich, die Anwendungen und den Aufbau in keiner Weise einschränken sollen. Vielmehr wird dem Fachmann durch die vorausgehende Beschreibung ein Leitfaden für die Umsetzung von mindestens einer exemplarischen Ausführung gegeben, wobei diverse Änderungen, insbesondere im Hinblick auf die Funktion und Anordnung der beschriebenen Bestandteile, vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich zu verlassen, wie er sich aus den Ansprüchen und diesen äquivalenten Merkmalskombinationen ergibt.
