WO2018019339A2

WO2018019339A2 - Thermomanagementmodul mit dichtungsanhebender schongeometrie

Info

Publication number: WO2018019339A2
Application number: PCT/DE2017/100627
Authority: WO
Inventors: Jonas Baumann; Thomas Traudt; Sebastian Hurst
Original assignee: Schaeffler Technologies AG & Co. KG
Priority date: 2016-07-27
Filing date: 2017-07-26
Publication date: 2018-02-01
Also published as: DE102016213746A1; WO2018019339A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Thermomanagementmodul (1) zum Einsatz in einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, mit zumindest einem Drehschieber (2), der dazu vorbereitet ist, über zumindest eine im Drehschieber angeordnete Regelspur (3) ein Volumenstrom zwischen einem Inneren (4) des Drehschiebers (2) und einem außerhalb des Drehschiebers (2) angeordneten Kanal (5) an- und abzuschalten, wobei zwischen der Regelspur (3) und dem Kanal (5) eine Dichtung (6) angeordnet ist, wobei auf einer der Dichtung (6) zugewandten Seite des Drehschieberabschnitts (2) eine solche Schongeometrie (7) ausgebildet ist, dass sich in einer geöffneten Stellung des Drehschiebers (3) zwischen einem Schongeometrieabschnitt (8) und einem Dichtungsabschnitt (9) ein Spalt (10) einstellt.

Description

Thermomanagementmodul mit dichtungsanhebender Schongeometrie

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Thermomanagementmodul zum Einsatz in einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs. Weiterhin ist das erfin- dungsgemäße Thermomanagementmodul auch in Blockheizkraftwerken, Generatoren sowie in Land- und Arbeitsmaschinen einsetzbar. Das Thermomanagementmodul weist zumindest einen Drehschieber auf, der etwa mittels eines Stellmotors, derart rotierbar ist, dass über zumindest eine im Drehschieber angeordnete Regelspur, die etwa nach Art eines Durchgangsloches, wie eines Langloches, ausgestaltet ist, ein Volumenstrom zwischen einem Inneren des Drehschiebers und einem außerhalb des Drehschiebers angeordneten Kanal an- und abschaltbar ist. Zwischen der Regelspur und dem Kanal ist zudem eine Dichtung angeordnet.

Ein gattungsgemäßes Thermomanagementmodul ist aus der deutschen Patent- anmeldung mit der Nummer 10 2013 209 582 A1 bekannt. In dieser ist ein Kühlsystem einer Brennkraftmaschine offenbart, das zumindest zwei Kühlmittelkreisläufe aufweist und weiterhin zur Regelung von Kühlmittelströmen ein Thermomanagementmodul einschließt. Das Thermomanagementmodul aus jener Anmeldung besteht aus einem Drehschiebergehäuse, das von Kühlmittel durchströmba- re Anschlüsse umfasst und in dem ein um eine Drehachse drehbarer, mit Abgängen zusammenwirkender Drehschieber eingesetzt ist, der über einen Stellantrieb verstellbar ist. Der als Hohlkugel ausgebildete Drehschieber weist zumindest zwei zueinander versetzte Regelspuren auf, die mit den radial ausgerichteten Abgängen in Verbindung stehen. Zur Abdichtung eines Ringspaltes zwischen dem Dreh- Schieber und dem Drehschiebergehäuse sind Dichtungspakete vorgesehen.

Nachteilig an den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen ist, dass die Dichtung zwischen dem zumindest einen Kanal und dem Inneren des Drehschiebers in einer geöffneten Stellung unter solch hoher thermischer Belastung steht, dass sie in einer geschlossenen Stellung, also einer Stellung, in der sie eine Abdichtung zwischen einem Gehäuse und dem Drehschieber vornehmen soll, einen Leckagestrom zulässt. So ist ein Ringspalt zwischen dem beispielsweise als (Teil-)Hohlkugel ausgestalteten Drehschieber und der Dichtung nicht ausreichend dicht.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu beheben oder zumindest zu mildern und insbesondere ein solches Thermomanagementmodul bereitzustellen, das unter hohen thermischen Belastungen keine Schädigung der Dichtung zulässt, sodass eine Abdichtung zwischen dem Drehschieber und dem Gehäuse zuverlässig sichergestellt ist. Dies wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass auf einer in einem geöffneten

Zustand der Dichtung zugewandten Seite, also auf einer äußeren Oberfläche, des Drehschiebers eine solche Schongeometrie ausgebildet ist, dass sich in der geöffneten Stellung des Drehschiebers zwischen einem Schongeometrieabschnitt und einem Dichtungsabschnitt ein Spalt einstellt. Dieser Spalt ist luftgefüllt und eignet sich somit als thermisches Polster zwischen dem Drehschieber und der Dichtung, die ihre Dichtfunktion insbesondere ausschließlich im geschlossenen Zustand wahrnimmt. Die Wärme, die auf diese Weise im geöffneten Zustand vom Drehschieber auf die Dichtung übertragen wird ist aufgrund des Spaltes so gering, dass die Dichtung auch nach langen Einsatzzeiten des Thermomanagementmo- duls unbeschädigt bleibt und Leckageströme zwischen dem Drehschieber und dem Gehäuse verhindert bzw. abdichtet.

Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche und werden nachfolgend näher erläutert.

So ist es von Vorteil, wenn der Spalt an einem radial inneren Abschnitt der Dichtung ausgebildet ist und/oder eine Anhebung der Dichtung radial außerhalb des Spaltes eingeleitet ist. Somit wird gezielt eine Trennung der Funktion bewirkt. Während radial innen, dort also, wo in dem geöffneten Zustand zumindest tempo- rär bzw. in einem stationären Zustand heiße Medien entlangströmen, ein Spalt zwischen der Schongeometrie und der Dichtung einer Überhitzung vorbeugen, ist radial außerhalb davon mittels eines Kontaktes wie eines Flächenkontaktes eine effiziente Anhebung der Dichtung von dem Drehschieber weg eingeleitet. Die vor- handenen Geometrien sind hierbei flexibel an die jeweils herrschenden Betriebsbedingungen anpassbar.

Sobald die Schongeometrie zumindest abschnittsweise als Rampe ausgebildet ist, folgt, dass die Dichtung mittels eines sanften Übergangs anhebbar / abhebbar ist. Die vorzugsweise zumindest abschnittsweise konisch ausgestaltete Rampe ist hierbei in ihrer Steigung insbesondere von folgenden Faktoren beeinflusst: der gewünschten Höhe der Anhebung der Dichtung, der Winkelspanne, über die sich die Regelspur und/oder die Schongeometrie erstreckt, der im Betrieb zu erwar- tenden Temperaturen, dem Material der Dichtung, und weiteren.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Rampe zumindest abschnittsweise planparallel zur Dichtung verläuft und/oder zumindest abschnittsweise senkrecht zu einer Längsachse des Kanals verläuft. Dies bewirkt, dass die Rampe in ihren verschiedenen Abschnitten an die jeweilig anschließenden Geometrien anpassbar ist. Dadurch, dass ein planparalleler Abschnitt zur Dichtung vorhanden ist, kann eine Anhebung der Dichtung durch die Rampe effizient realisiert werden. Wenn die Schongeometrie in einer Umfangsrichtung entlang der Regelspur nur in einem Bereich nahe der Regelspur ausgebildet ist, lässt sich zudem Gewicht, Material und Bauraum einsparen. Die Schongeometrie erfüllt nur in dem geöffneten Zustand ihre Funktion der Anhebung. In dem geöffneten Zustand gilt, dass der Kanal und eine Öffnung des Drehschiebers miteinander fluchten. Eine entspre- chende Ausgestaltung der Schongeometrie im Bereich nahe der beeinträchtigt die Dichtfunktion somit nicht.

Vorteilhaft ist es zudem, wenn die Dichtung als Zweikomponentenbauteil ausgestaltet ist, bei dem nur eine Komponente mit der Schongeometrie in Kontakt ge- langt. Diese mit der Schongeometrie in Kontakt gelangende Komponente ist vorzugsweise so ausgestaltet, dass sie in einem geschlossenen Zustand, also wenn die Dichtung mit dem Kugelabschnitt des Drehschiebers in Kontakt steht, keine Dichtungsfunktion übernimmt. Somit ist die zweite Komponente dahingehend ge- staltet, dass sie mit heißen Oberflächen in Kontakt steht, während die andere Komponente auf ihre Dichteigenschaften optimiert ist.

Ebenso ist es möglich, die Dichtung als Einkomponentenbauteil auszugestalten. Dieses weist solche Eigenschaften auf, dass es sowohl dichtend wirkt, als auch hohen thermischen Belastungen standhalten kann.

Eine weitere Ausführungsform kennzeichnend ist die die Schongeometrie berührende Komponente als inkompressibles Bauteil ausgestaltet ist. Hierfür bieten sich beispielsweise ein Stahlring oder andere hochfeste Werkstoffe an. Neben der hohen thermischen Belastbarkeit sind diese dazu imstande, Kräfte effizient weiterzuleiten.

Sobald der Dichtungsabschnitt komplementär zu einer Kugelabschnittsoberfläche ausgestaltet ist, ist ein Leckagestrom zwischen dem Gehäuse und dem Drehschieber verhindert. Hierbei ist der Dichtungsabschnitt nur ein Teil der Dichtung. Ein anderer Teil ist, wie vorstehend erwähnt, derart ausgestaltet, dass er in Kombination mit der Schongeometrie eine gezielte Anhebung der Dichtung ermöglicht. Zudem ist es vorteilhaft, wenn die Schongeometrie in der Umfangsrichtung entlang der Regelspur in einer kleineren Winkelspanne verläuft als die Regelspur. Auf diese Weise ist die Anhebung der Dichtung im geöffneten Zustand über eine kurze Winkelspanne realisierbar. Weiterhin wirkt sich diese Ausgestaltung positiv auf den benötigten Bauraum aus.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Thermomanagementmodul derart ausgestaltet, dass die Schongeometrie eine solche Form aufweist, dass sie abhängig von der Stellung des Drehschiebers unterschiedliche Spaltbreiten bewirkt. Dies ermöglicht, dass abhängig von der Winkelstellung des Drehschiebers unter- schiedliche Spaltbreiten realisierbar sind, was die Flexibilität der erfindungsgemäßen Vorrichtung erhöht. ln anderen Worten kann gesagt werden, dass die Erfindung darauf gerichtet ist, einen lokalen Volumenstrom in dem Kühlkreislauf eines Kraftfahrzeugs, oder auch eines Blockheizkraftwerks, eines Generators oder von Land- und Arbeitsmaschinen, entsprechend dessen Betriebszustands zu regeln ohne dabei über die Lauf- zeit hinweg aufgrund der thermischen Belastung Schäden davon zu tragen.

Es gilt, dass sich bei über einen großen Teil der Schaltlogik geöffneten Kühlkanälen, aufgrund der Kontaktverhältnisse ein ungleichmäßiger Verschleiß der Primärabdichtung ausbildet, welcher zu erhöhten Durchflussraten bei geschlossenen Kühlkanälen führt. Durch die erfindungsgemäße Anhebung der (Primär-)Dichtung an geöffneten Positionen wird dieser Umstand vermieden und somit eine Verbesserung zum Stand der Technik erreicht.

Eine der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe umfasst somit die Entwicklung ei- nes alternativen Konzepts zur Minimierung von ungleichmäßigem (Primär-)-

Dichtungsverschleiß, welches kostengünstig unter Beanspruchung von möglichst wenig Bauraum in Thermomanagementmodulen Anwendung findet.

Zusammenfassend besteht der erfinderische Gedanke also in einer Primärdich- tungsanhebung an offenen Drehschieberpositionen.

Die Erfindung wird nachfolgend mittels Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 : eine perspektivische Ansicht auf eine Dichtung und ein Drehschieber in einem teilgeöffneten Zustand;

Fig. 2: einen Querschnitt durch eine Regelspur aus mit aufgesetzter Dichtung;

und Fig. 3: eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Dichtung. Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die einzelnen Merkmale können untereinander ausgetauscht werden. Die gleichen Komponenten sind mit denselben Bezugszeichen versehen.

In Fig. 1 ist ein Teil eines erfindungsgemäßen Thermomanagementmoduls 1 dargestellt. Dieses weist einen Drehschieber 2 auf, der dazu vorbereitet ist, über zumindest eine im Drehschieber 2 angeordnete Regelspur 3 einen Volumenstrom zwischen einem Inneren 4 des Drehschiebers 2 und einem außerhalb des Dreh- Schiebers 2 angeordneten Kanal zu steuern. Der Drehschieber 2 ist beispielsweise durch einen Stellmotor angetrieben. Durch eine jeweilige Rotation des Stellmotors und somit des Drehschiebers 2 ist es mittels des erfindungsgemäßen Thermomanagementmoduls 1 ermöglicht, thermische Volumenströme je nach Betriebszustand über unterschiedliche Kanäle zu leiten, so dass eine Antriebsma- schine, in der das Thermomanagementmodul 1 eingesetzt wird, hinsichtlich ihres thermischen Wirkungsgrads optimiert ist.

Um in einem Betriebszustand, in dem zwischen dem Drehschieberinneren 4 und dem Kanal kein Volumenstrom übertragen werden soll, eine effiziente Abdichtung zwischen dem Drehschieberinneren 4 und dem Kanal realisieren zu können, ist zwischen den beiden Komponenten eine Dichtung 5 angeordnet. Die Dichtung 5 ist mit einer nach außen zeigenden Oberfläche des Drehschiebers 2 wirkgekoppelt. Auf der äußeren Oberfläche des Drehschiebers 2 ist eine solche Schongeometrie 6 ausgebildet, dass sich in einer geöffneten Stellung des Drehschiebers 2 zwischen einem Schongeometrieabschnitt 7 und einem von der Dichtung 5 ausgebildeten Dichtungsabschnitt 8 ein Spalt 9 ausbildet. Der Schongeometrieabschnitt 7, der Dichtungsabschnitt 8 und der Spalt 9 sind in Fig. 2 näher dargestellt.

Zurückkommend auf Fig. 1 ist erkennbar, dass sich die Schongeometrie 6 in einer Winkelspanne erstreckt, die kleiner als die der Regelspur 3 ist. Die Schongeometrie 6 ist hierbei geometrisch derart ausgestaltet, dass bei einer Rotation des Drehschiebers 2 in den geöffneten Zustand eine Anhebung der Dichtung 5 erfolgt. Diese Anhebung, die in dem Zustand, in dem der Drehschieber 2 wieder eine ge- schlossene Position annimmt, wieder rückgängig gemacht wird, ist mittels des Pfeils 10 angedeutet. Die Höhe/der Betrag der Anhebung 10 ist hierbei von der Höhe der Schongeometrie 6 vorbestimmt. An der vom Drehschieber 2 abgewandten Seite der Dichtung 5 ist weiterhin ein Federelement 16 angeordnet. Dieses Federelement 16 bewirkt, dass die Dichtung 5 sowohl im geschlossenen, als auch im geöffneten Zustand des Drehschiebers 2 an den dafür vorgesehenen Flächen dichtend anliegt. Im geschlossenen Zustand handelt es sich bei dieser Fläche um die äußere Oberfläche des Drehschiebers 2, während es sich in geöffnetem Zustand um die Schongeometrie 6 handelt. Die Schongeometrie 6 ist vorzugsweise auf beiden Seiten der Regelspur 3 angeordnet. Somit ist eine gleichmäßige Anhebung 10 ermöglicht.

In Fig. 2 ist die Anordnung aus Fig. 1 in einem Querschnitt durch die Regelspur 3 dargestellt. Die Schongeometrie 6 ist in den Schongeometrieabschnitt 7, einen Auflageabschnitt 1 1 sowie einen Außenabschnitt 12 einzuteilen. Aufgrund der Rotationssymmetrie der Dichtung 5 ist es vorteilhaft, wenn der Schongeometrieabschnitt 7 und der Auflageabschnitt 1 1 in beiden Schongeometrien 6 auf den beiden Seiten der Regelspur 3 geometrisch identisch ausgestaltet sind. Der Außenabschnitt 12 der Schongeometrie 6 ist an die jeweiligen Rahmenbedingungen an- passbar und wie in Fig. 2 dargestellt nicht für jede Schongeoemtrie 6 identisch auszugestalten.

Die Dichtung 5 ist in den Dichtungsabschnitt 8 sowie einen Gegenauflageab- schnitt 13 aufteilbar. Der Gegenauflageabschnitt 13 ist dazu vorbereitet, mit den beiden Auflageabschnitten 1 1 der beiden Schongeometrien 6 im geöffneten Zustand des Drehschiebers 2 in Kontakt zu stehen. Ist der Drehschieber 2 in geschlossenem Zustand, steht der Dichtungsabschnitt 8 in Kontakt mit der äußeren Oberfläche des Drehschiebers 2, wodurch eine Dichtfunktion realisiert wird. In diesem Betriebszustand ist der Gegenauflageabschnitt 13 vorzugsweise mit kei- nem anderen Bauteil in Flächenkontakt.

Im in Fig. 2 dargestellten geöffneten Zustand des Drehschiebers 2 bildet sich der eingangs vorgestellte erfindungsgemäße Spalt 9 zwischen dem Dichtungsab- schnitt 8 und dem Schongeometrieabschnitt 7 aus. Hierbei handelt es sich genau genommen um zwei Spalte 9 auf jeder Seite der Regelspur 3. Dies bewirkt, dass in jenem Stadium, in dem die Dichtung 5 keine Dichtfunktion realisieren soll, da zwischen dem Drehschieberinneren 4 und dem Kanal ein Volumenstrom herge- stellt ist, dass die sensiblen Dichtflächen der Dichtung 5 mit keinem heißen Bauteil in Kontakt stehen. Stattdessen wirkt sich die im Spalt 9 befindliche Luft als thermische Barriere aus, die einen Wärmeeintrag auf den sensiblen Dichtungsabschnitt 8 verringert. Weiterhin sei erwähnt, dass die Geometrie des Dichtungsabschnitts 8 derart ausgestaltet ist, dass sie an einer Kugelgeometrie flächig anliegt. Somit wird garantiert, dass die Dichtung 5 in dem geschlossenen Zustand des Drehschiebers 2 eine effiziente Abdichtung vornimmt.

Eine weitere Ausführungsform ist in Fig. 3 dargestellt. Hier ist erneut der geöffnete Zustand dargestellt, in dem die Dichtung 5 von dem Federelement 16 auf die Schongeometrie 6, die auf dem Drehschieber 2 angeordnet ist, gedrückt wird. Die Geometrie der Regelspur 3 entspricht der aus der vorherigen Ausführungsform. Die Dichtung 5 ist als zwei-Komponenten-Bauteil ausgestaltet. So setzt sie sich aus einem Dichtungsteil 14 und einem zwischen dem Dichtungsteil 14 und dem Drehschieber 2 angeordneten Kontaktteil 15 zusammen. Das Kontaktteil 15 ist beispielsweise aus Stahl gefertigt, um dem hohen thermischen Eintrag, der im geöffneten Zustand von der Schongeometrie 6 ausgeht, standhalten zu können. Das Dichtungsteil 14 und das Kontaktteil 15 sind derart miteinander gekoppelt, dass der Dichtungsabschnitt 8 vom Dichtungsteil 14 ausgebildet wird, während der Ge- genauflageabschnitt 13 von dem Kontaktteil 15 ausgestaltet wird. Auf diese Weise steht der Auflageabschnitt 1 1 der Schongeometrie 6 mit dem Kontaktteil 15 in

Kontakt. Im geschlossenen Zustand liegt, wie in der ersten Ausführungsform, der Dichtungsabschnitt 8 auf der äußeren Oberfläche des Drehschiebers 2 dichtend an. Das Kontaktteil 15 ist aus einem Material von solch hoher Festigkeit ausgestaltet, dass eine Linienberührung auf eine hohe Flächenpressung umgewandelt werden kann. Bezugszeichenliste Thermomanagementmodul

Drehschieber

Regelspur

Drehschieberinneres

Dichtung

Schongeometrie

Schongeometrieabschnitt

Dichtungsabschnitt

Spalt

Anhebung

Auflageabschnitt

Außenabschnitt

Gegenauflageabschnitt

Dichtungsteil

Kontaktteil

Federelement

Claims

Patentansprüche

1 . Thermomanagementmodul (1 ) zum Einsatz in einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, mit zumindest einem Drehschieber (2), der dazu vorbereitet ist, über zumindest eine im Drehschieber (2) angeordnete Regelspur (3) ein Volumenstrom zwischen einem Inneren (4) des Drehschiebers (2) und einem außerhalb des Drehschiebers (2) angeordneten Kanal an- und abzuschalten, wobei zwischen der Regelspur (3) und dem Kanal eine Dichtung (5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer äußeren Oberfläche des Drehschiebers (2) eine solche Schongeometrie (6) ausgebildet ist, dass sich in einer geöffneten Stellung des Drehschiebers (2) zwischen einem Schongeometrieabschnitt (7) und einem Dichtungsabschnitt (8) ein Spalt (9) einstellt.

2. Thermomanagementmodul (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (9) an einem radial inneren Abschnitt der Dichtung (5) ausgebildet ist und/oder so ausgebildet und angeordnet ist, dass eine Anhebung der Dichtung (5) radial außerhalb des Spaltes (9) eingeleitet wird.

3. Thermomanagementmodul (1 ) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schongeometrie (6) zumindest abschnittsweise als Rampe ausgebildet ist.

4. Thermomanagementmodul (1 ) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rampe zumindest abschnittsweise planparallel zur Dichtung (5) verläuft und/oder zumindest abschnittsweise senkrecht zu einer Längsachse des Kanals verläuft.

5. Thermomanagementmodul (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schongeometrie (6) in einer Umfangsrichtung entlang der Regelspur (3) nur in einem Bereich nahe der Regelspur (3) ausgebildet ist.

6. Thermomanagementmodul (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (5) als Zweikomponentenbauteil ausgestaltet ist, bei dem nur eine Komponente mit der Schongeometrie (6) in Kontakt gelangt.

7. Thermomanagementmodul (1 ) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die die Schongeometrie (6) berührende Komponente als inkompressib- les Bauteil ausgestaltet ist.

8. Thermomanagementmodul (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsabschnitt (8) komplementär zu einer Kugelabschnittsoberfläche ausgestaltet ist.

9. Thermomanagementmodul (1 ) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schongeometrie (6) in der Umfangsrichtung entlang der Regelspur (3) in einer kleineren Winkelspanne verläuft als die Regelspur (3)

10. Thermomanagementmodul (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schongeometrie (6) eine solche Form aufweist, dass sie abhängig von der Stellung des Drehschiebers (2) unterschiedliche Spaltbreiten bewirkt.