Drehschiebereinheit für ein Thermo-Management-Modul

Die Erfindung betrifft eine Drehschiebereinheit für ein Thermo-Management-Modul gemäß Anspruch 1, sowie ein Thermo-Management-Modul für ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 5.

Die Erfindung betrifft eine Drehschiebereinheit für ein Thermo-Management-Modul, umfassend die folgenden Elemente:

einen Zuführkanal für eine Kühlflüssigkeit;

einen Abführkanal für die Kühlflüssigkeit, wobei im Einsatz ein Druckgefälle (D_r) von dem Zuführkanal zu dem Abführkanal vorliegt;

einen Drehschieber zwischen dem Zuführkanal und dem Abführkanal zum Steuern eines Durchflusses der Kühlflüssigkeit; und

einen Dichtsitz für den Drehschieber mit einem bei einer Geschlossen-Stellung des Drehschiebers mit einer Axialkraft (F) gegen den Drehschieber gedrückten Dichtring zum dichtenden Abschließen einer Strömungsverbindung zwischen dem Zuführkanal und dem Abführkanal.

Zur Regelung von Kühlmittelströmen (Verbrennungsmotor, Brennstoffzelle, Batterie) kommen zunehmend Thermo-Management-Module (aktiv geregelte Drehschieber- Verteilung) zum Einsatz. Um eine leckagefreie Anbindung der jeweiligen Kühlkreisläufe zum Regelelement, dem Drehschieber, zu gewährleisten, werden Dichtpakete verwendet, die mehrteilig aufgebaut sind in der Regel umfassen diese eine metallische Führungshülse, eine metallische Druckfeder, einen Elastomer-O-Ring und einen Kunststoff-Dichtring (meist aus PVDF oder PTFE). Die Dichtpakete müssen flexibel ausgeführt sein, um einen Radialschlag (Taumeln) des Drehschiebers aufnehmen zu können.

Beispielsweise aus der EP 3 290 757 Al ist gemäß der Zusammenfassung ein Drehschieberventil (1) eines Kraftfahrzeug-Kühlkreislaufs bekannt, mit einem Ventilgehäuse (10), einem Regelkörper (20), der beweglich in dem Ventilgehäuse (10) angeordnet ist und eine zylindrische Außenkontur (22) aufweist, wobei durch Bewegung des Regelkörpers (20) ein Durchströmungsquerschnitt (21) zwischen einem ersten Ventilanschluss (11) und einem senkrecht zu einer Ventil-Längsachse (Al) des Regelkörpers (20) angeordneten zweiten Ventilanschluss (12) regelbar ist, und einer Dichtungseinheit (30), die innerhalb des zweiten Ventilanschlusses (12) auf die Außenkontur (22) des Regelkörpers (20) aufgesetzt ist. Um die Abdichtung zu verbessern, wird vorgeschlagen, dass die Dichtungseinheit (30) ein Dichtelement (31) zur gleitbeweglichen Abdichtung, ein Trägerelement (32) zum Tragen zumindest des Dichtelements (31) und ein Federelement (33) zur axialen Vorspannung des Dichtelements (31) aufweist, wobei das Dichtelement (31) mit einer dem Regelkörper (20) zugewandten axialen Dichtungs-Stirnseitenfläche (311) an der Außenkontur (22) des Regelkörpers (20) anliegt, und das Trägerelement (32) mit einem dem Regelkörper (20) zugewandten ersten axialen Ende (326) an dem Dichtelement (31) und mit einem dem Regelkörper (20) abgewandten zweiten axialen Ende (327) an dem Federelement (33) anliegt.

Beispielsweise aus der DE 10 2009 014 047 Al ist ein Regelventil bekannt, gemäß Zusammenfassung eingerichtet zur Regelung eines Kühlmittelkreislaufs einer Verbrennungskraftmaschine mit einem ersten an einem Ventilgehäuse (1) angeordneten Zuführanschluss (2) für Kühlwasser eines Bypasskreises sowie mindestens einem zweiten Zuführanschluss (2) für Kühlwasser eines Kühlerkreises, die je nach Stellung eines im Ventilgehäuse untergebrachten Ventilgliedes (3) mit einem Abführanschluss verbindbar sind. Erfindungsgemäß ist zur Abdichtung der Kühlmittelströmungswege in axialer Richtung (a) und/oder radialer Richtung (b) wenigstens ein am Ventilglied (3) anliegendes, dynamisch belastbares Dichtelement (4) vorgesehen, das zumindest teilweise aus Polytetrafluorethylen besteht oder mit Polytetrafluorethylen beschichtet ist und zur Sicherstellung einer dichtenden Anlage am Ventilglied (3) von der Druckkraft einer Druckfeder (5) beaufschlagt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, gegenüber den vorbekannten Drehschiebereinheiten für ein Thermo-Management-Modul eine Drehschiebereinheit aufzufinden, bei welcher auch bei einem hohen Druckgefälle (D_r) eine Dichtung zuverlässig geschlossen bleibt.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Gemäß Anspruch 1 umfasst der Dichtsitz ein Schlauchelement mit einer von einer radialen Erstreckung der Wölbung abhängigen axialen Länge (L), wobei der Dichtring axial zwischen dem Schlauchelement und dem Drehschieber angeordnet ist, und wobei das Schlauchelement zwischen dem Zuführkanal und dem Abführkanal und damit im Einsatz radial beidseitig in Druckkontakt mit der Kühlflüssigkeit angeordnet ist, sodass die radiale Erstreckung der Wölbung von dem anliegenden Druckgefälle (D_r) abhängig ist.

Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Drehschiebereinheit für ein Thermo-Management-Modul die folgenden Elemente:

einen Zuführkanal für eine Kühlflüssigkeit;

einen Abführkanal für die Kühlflüssigkeit, wobei im Einsatz ein Druckgefälle (D_r) von dem Zuführkanal zu dem Abführkanal vorliegt;

einen Drehschieber zwischen dem Zuführkanal und dem Abführkanal zum Steuern eines Durchflusses der Kühlflüssigkeit; und

einen Dichtsitz für den Drehschieber mit einem bei einer Geschlossen-Stellung des Drehschiebers mit einer Axialkraft (F) gegen den Drehschieber gedrückten Dichtring zum dichtenden Abschließen einer Strömungsverbindung zwischen dem Zuführkanal und dem Abführkanal.

Die Drehschiebereinheit ist dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtsitz ein Schlauchelement mit einer von einer radialen Erstreckung der Wölbung abhängigen axialen Länge (L) umfasst, und der Dichtring axial zwischen dem Schlauchelement und dem Drehschieber angeordnet ist, wobei die Wölbung des Schlauchelements zwischen dem Zuführkanal und dem Abführkanal und damit im Einsatz radial beidseitig in Druckkontakt mit der Kühlflüssigkeit angeordnet ist, sodass die radiale Erstreckung der Wölbung von dem anliegenden Druckgefälle (D_r) abhängig ist.

Gemäß einer Ausführungsform der Drehschiebereinheit ist die Wölbung konvex-seitig von einem Federmittel radial gestützt.

Gemäß einer Ausführungsform der Drehschiebereinheit bildet das Schlauchelement eine Axialdichtung zu einem Kanalgehäuse und/oder zu dem Dichtring. Gemäß einer Ausführungsform der Drehschiebereinheit sind der Zuführkanal und der Abführkanal von einem Kanalgehäuse gebildet, und in dem Kanalgehäuse ist zuführseitig und/oder abführseitig eine Strömungsbucht hin zu dem Schlauchelement gebildet.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Thermo-Management-Modul für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, wobei das Thermo-Management-Modul einen Wärmetauscher und einen Kühler für eine Antriebsmaschine umfasst. Der Wärmetauscher und der Kühler sind mittels eines Kühlflüssigkeitskreislaufs über den Wärmetauscher wärmeabführend miteinander verbunden, wobei zum Steuern des Durchflusses von einer Kühlflüssigkeit eine Drehschiebereinheit nach der vorstehenden Beschreibung in dem Kühlflüssigkeitskreislauf vorgesehen ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 in einer schematischen Schnittansicht eine Drehschiebereinheit, und

Fig. 2 in einer schematischen Darstellung ein Thermo-Management-Modul in einem

Kraftfahrzeug.

Fig. 1 zeigt in einer schematischen Schnittansicht eine Drehschiebereinheit 100, welche für den Einsatz in einem Thermo-Management-Modul 200, auch als Wärmemanagementmodul bezeichnet, beispielsweise einem regelbaren Kühlkreislauf für die Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs 300 (vergleiche Fig. 2) eingerichtet ist. In der Darstellung liegt links einer Mittelachse, entlang welcher die axiale Richtung (R) definiert ist, ein Druckgefälle D_r von (gemäß der Darstellung) unten nach oben vor. In der Darstellung liegt rechts der Mittelachse ein Druckgefälle D_r von (gemäß der Darstellung) oben nach unten vor. Gleiche Elemente sind der besseren Übersichtlichkeit halber teilweise nur links oder nur rechts bezeichnet.

Die Drehschiebereinheit 100 umfasst, in der Regel neben anderen Elementen, die folgenden Elemente:

einen Zuführkanal 10 (links unterhalb des Drehschiebers 12 und rechts oberhalb des Drehschiebers 12) für eine Kühlflüssigkeit, welcher beispielsweise mit einer Druckausgabeseite einer Pumpe mittelbar über eine Leitung oder unmittelbar verbunden ist, sodass in dem Zuführkanal 10 ein Zuführ-Druck (p_Z) vorliegt;

einen Abführkanal 11 (links oberhalb des Drehschiebers 12 und rechts unterhalb des Drehschiebers 12) für die Kühlflüssigkeit, welcher beispielsweise mit einer Eingangsseite eines Kühlers oder eines Wärmetauschers mittelbar über eine Leitung oder unmittelbar verbunden ist, wobei im Einsatz ein Druckgefälle (D_r = p_Z - p_A) von dem Zuführkanal 10 zu dem Abführkanal 11 vorliegt, also der Zuführ- Druck (p_Z) in dem Zuführkanal 10 höher ist als der Abführ-Druck (p_A) in dem Abführkanal 11 und somit bei geöffneter Drehschiebereinheit 100 eine Flussrichtung von dem Zuführkanal 10 zu dem Abführkanal 11 vorliegt;

einen Drehschieber 12 (hier nur ausschnittsweise gezeigt) zwischen dem Zuführkanal 10 und dem Abführkanal 11 zum Steuern eines Durchflusses der Kühlflüssigkeit durch eine Durchlassöffnung 15 (hier als Ebene senkrecht zu der axialen Richtung (R) gekennzeichnet), wobei der Drehschieber 12 um eine Schieberachse verdrehbar ist, beispielsweise mittels eines Servomotors, und von einer Durchlass-Stellung in eine Geschlossen-Stellung überführbar ist, wobei in der Durchlass-Stellung die Kühlflüssigkeit bei anliegendem Druckgefälle (D_r = p_Z - p_A) durch eine Strömungsverbindung 15 von dem Zuführkanal 10 in den Abführkanal 11 strömen kann und in der (gezeigten) Geschlossen-Stellung die Kühlflüssigkeit auch bei anliegendem Druckgefälle (D_r) nicht von dem Zuführkanal 10 in den Abführkanal 11 strömen kann; und

einen Dichtsitz 13, welcher mittels eines Dichtrings 14 mit dem Drehschieber 12 in der Geschlossen-Stellung des Drehschiebers 12 in dichtendem Kontakt steht, also die Strömungsverbindung 15 abschließt, und dafür der Dichtring 14 mit einer Axialkraft (F) gegen den Drehschieber 12 gedrückt ist, sodass die Strömungsverbindung 15 zwischen dem Zuführkanal 10 und dem Abführkanal 11 geschlossen ist und nicht mehr durchströmbar ist, sodass dann keine konvektive Kühlleistung von dem Thermo-Management-Modul 200 geleistet wird.

Die Drehschiebereinheit 100 beziehungsweise der Dichtsitz 13 ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Schlauchelement 20 mit einer von einer radialen Erstreckung der Wölbung 21 (jeweils darstellungsgemäß von links nach rechts gewölbt, wobei links die Wölbung 21 eine Erstreckung nach radial innen und rechts in der Darstellung die Wölbung 21 eine Erstreckung nach radial außen aufweist) abhängigen axialen Länge (L) umfasst. Der Betrag der Länge (L) ist somit (beispielsweise proportional) abhängig von dem Betrag der Erstreckung der Wölbung 21. Der Dichtring 14 ist axial zwischen dem Schlauchelement 20 und dem Drehschieber 12 angeordnet. Das Schlauchelement 20 weist eine axiale Erstreckung auf, beispielsweise in der Drehschiebereinheit 100 senkrecht zu einer von einer Dichtungslinie des Dichtsitzes 13 aufgespannten Dichtungsebene, also der hier gekennzeichneten Durchlassöffnung 15. Eine senkrechte Ausrichtung hat den Vorteil, dass durch eine Veränderung der axialen Länge (L) des Schlauchelements 20, aus welcher eine Axialkraft (F) auf den Dichtsitz 13 resultiert, eine sehr gleichmäßige Axialdruckverteilung auf jeden (infinitesimalen) Abschnitt der Dichtungslinie bewirkt wird und damit mit einfachen Mitteln eine zuverlässige Dichtung erzielt wird.

Das Schlauchelement 20 ist (radial) zwischen dem Zuführkanal 10 und dem Abführkanal 11 und damit im Einsatz radial beidseitig in Druckkontakt mit der Kühlflüssigkeit angeordnet. Es liegt also über dem Schlauchelement 20 (zumindest näherungsweise) das Druckgefälle (D_r = p_Z - p_A) an. Daraus folgt, dass die radiale Erstreckung der Wölbung 21 von dem anliegenden Druckgefälle (D_r) abhängig ist. Das Schlauchelement 20 beziehungsweise dessen Erstreckung der Wölbung 21 ist dabei derart angeordnet, dass mit zunehmenden Druckgefälle (D_r), also zunehmendem Zuführ-Druck (p_Z) und/oder abnehmendem Abführ-Druck (p_A), die radiale Erstreckung der Wölbung 21 abnimmt und dadurch die axiale Länge (L) des Schlauchelements 20 zunimmt beziehungsweise dadurch die Axialkraft (F) des Dichtrings 14 auf den Drehschieber 12 zunimmt.

Dies hat den Vorteil, dass der Dichtsitz 13 bei zunehmendem Druckgefälle (D_r) eine steigende Dichtungswirkung aufbringt. Damit ist in einer Ausführungsform der Aufbau des Dichtrings 14 und/oder seine Einfassung auf der bewegungsfreien, also kanalseitigen, Dichtungsseite einfacher gestaltbar. In einer Ausführungsform ist die Axialkraft (F) für ein Druckgefälle (D_r) bei einem angestrebten Betriebsdruck reduzierbar, weil die Dichtwirkung bei höheren Druckgefällen (D_r) mittels des Anwuchses der Axialkraft (F) mittels des Schlauchelements 20 sichergestellt ist. Damit ist die Reibung an dem Drehschieber 12 (bei einem Öffnungsvorgang oder Schließvorgang) reduzierbar. Der (größere) Zuführ-Druck wirkt auf den Berg der Wölbung und bedingt damit ein axiales Aufstellen des eine Balgdichtung bildendenden Schlauchelements 20. Die Ausrichtung der Erstreckung der Wölbung muss passend zu dem Druckgefälle (D_r) gewählt werden. Das (optionale) Federmittel wirkt wie eine Bandage und bedingt zum einen eine Vorspannung der Balgdichtung (bei einem Druckgefälle von Null oder sogar negativem Druckgefälle, also höherem Abführ-Druck (p_A) als Zuführ-Druck (p_Z)) und verhindert zum anderen ein Kollabieren des Schlauchelements 20 nach radial innen (bei sanduhrförmigem Schlauchelement 20) beziehungsweise nach radial außen (bei tonnenförmigem Schlauchelement 20). Ein Federmittel 22 ausgeführt als Flachring oder Rundring ist nach radial außen oder radial innen vorspannend einsetzbar. Ein Federmittel 22 als Wurmfeder wirkt nur nach innen und ist daher nur bei einer Erstreckung der Wölbung nach radial außen einsetzbar. Die radiale Vorspannung des Federmittels 22 wirkt in die gleiche Richtung wie das Druckgefälle (D_r). Das Schlauchelement 20 ist beispielsweise aus einem Elastomer gefertigt. Das geeignetste Material richtet sich nach dem umgebenden Medium (beispielsweise EPDM bei reinem Kühlmittel, oder FINBR bei öligen Bestandteilen). In einem solchen Kühlkreislauf wirken Drücke bis 3 bar.

In der hier gezeigten Ausführungsform ist (optional) die radiale Erstreckung der Wölbung 21 konvex-seitig von einem Federmittel 22 radial gestützt. Die konvexe Seite ist auf einen Querschnitt des Schlauchelements 20 bezogen, also bei einer tonnenförmigen Wölbung 21 radial außen und bei einer sanduhrförmigen Wölbung 21 radial innen angeordnet. Damit ist das Schlauchelement 20 mit einem relativ großen Wanddurchmesser und/oder aus einem festen Werkstoff ausführbar, sodass das Schlauchelement 20 zum Aufbringen einer großen Axialkraft (F) ausreichend steif ist und zugleich zuverlässig auf eine Änderung des Druckgefälles (D_r) mit einer entsprechenden Längenänderung beziehungsweise Veränderung der Axialkraft (F) reagiert. Gleichzeitig schafft das Federmittel 22 eine Verringerung der radialen Steifigkeit gegenüber der Seite des Zuführ-Drucks (p_Z) und je nach Auslegung zudem eine Steigerung der radialen Steifigkeit gegenüber der Seite des Abführ-Drucks (p_A) und die Federkennlinie des Schlauchelements 20 ist mittels des Federmittels 22 sicher einstellbar. Ein solches Federmittel 22 ist beispielsweise ein Federstahlband, eine Wurmbandfeder oder ähnliches. Der axiale Hub infolge einer Änderung der axialen Länge (L) des Schlauchelements 20 verursacht ein radiales Wölben beim Schlauchelement 20. Die Größe der Wölbung 21 kann durch die Härte des Materials und das Federmittel 22 eingestellt werden. Das Wölben wird mit steigendem Druckgefälle (D_r) behindert. Es sei darauf hingewiesen, dass eine Wölbung 21 auch als Taillierung bezeichnet werden kann, wenn die radiale Erstreckung der Wölbung 21 nach radial innen gerichtet ist (siehe Darstellung links in Fig. 1). Die konvexe Seite einer Taillierung ist dann radial innen und das Federmittel 22 radial innerhalb des Schlauchelements 20 angeordnet, sodass das Federmittel 22 der Taillierung (nach radial außen) entgegenwirkt. Das Federmittel 22 ist in beliebigen Querschnitten, umlaufend offen oder umlaufend geschlossen, aus Metall oder Kunststoff ausführbar.

In der hier gezeigten Ausführungsform der Drehschiebereinheit 100 bildet (optional) das Schlauchelement 20 eine erste Axialdichtung 23 zu dem Kanalgehäuse 16 des Zuführkanals 10 beziehungsweise des Abführkanals 11 und eine zweite Axialdichtung 24 zu dem Dichtring 14. Hierbei sind also keine zusätzlichen Dichtungsmittel notwendig, und der Aufbau ist besonders einfach. Das Schlauchelement 20 liegt spaltfrei sowohl an dem Dichtring 14 (zweite Axialdichtung 24), beispielsweise kraftschlüssig, formschlüssig geklemmt, oder chemisch angebunden (beispielsweise mittels 2-Komponenten-Spritzguss) und in gleicher oder anderer Weise an dem Gehäuse an (erste Axialdichtung 23). Aufgrund der elastischen Eigenschaften ergibt sich eine gute Dichtwirkung. Das Schlauchelement 20 wird in einer Ausführungsform in eine Nut im Dichtring 14 eingelegt und verliersicher geklemmt. Gehäuseseitig ist das Schlauchelement 20 gegen eine Stufe abgestützt und so sicher positioniert.

In der hier gezeigten Ausführungsform der Drehschiebereinheit 100 sind der Zuführkanal 10 und der Abführkanal 11 von einem (gemeinsamen) Kanalgehäuse 16 gebildet, wobei das Kanalgehäuse beispielsweise einstückig ausgebildet ist. In dem Kanalgehäuse 16 ist (in der Ausführungsform gemäß der Darstellung links) zuführseitig und (in der Ausführungsform gemäß der Darstellung rechts) abführseitig eine Strömungsbucht 17 hin zu dem Schlauchelement 20 gebildet. In dieser Strömungsbucht 17 liegt (näherungsweise) der statische Druck des jeweiligen Kanals vor. Von dynamischen (kurzzeitigen) Druckänderungen, beispielsweise abführseitig bei einem Öffnungsvorgang des Drehschiebers 12, bleibt das Schlauchelement 20 (nahezu) unbeeinflusst.

Bei einem Aufbau gemäß einer vorstehend beschriebenen Ausführungsform der Drehschiebereinheit 100 ist ein stärkeres Schlagen des Drehschiebers 12 ohne Verlust der Dichtheit tolerierbar. Die Drehschiebereinheit 100 ist nicht einzig in einem Thermo-Management-Modul 200 einsetzbar, sondern in jeglicher Anwendung mit einer Strömungsregelung mittels eines Drehschiebers 12.

In Fig. 2 ist schematisch ein Thermo-Management-Modul 200 in einem Kraftfahrzeug 300 gezeigt. Das Thermo-Management-Modul 200 umfasst einen Wärmetauscher 30, beispielsweise einen Kühlergrill, und einen Kühler 31, beispielsweise eine in einen Motorblock integrierte Kühlkammer für einen oder mehrere Brennräume einer Antriebsmaschine 40. Die Antriebsmaschine 40 ist mittels eines Kühlflüssigkeitskreislaufs 32 über den Wärmetauscher 30 wärmeabführend verbunden, wobei zum Steuern beziehungsweise Regeln des Durchflusses von einer Kühlflüssigkeit und/oder der Temperatur, beispielsweise des Brennraums, eine Drehschiebereinheit 100, beispielsweise wie in Fig. 1 gezeigt und/oder vorstehend beschrieben, in dem Kühlflüssigkeitskreislauf 32 vorgesehen ist.

Bezugszeichenliste

100 Drehschiebereinheit

200 Thermo-Management-Modul

300 Kraftfahrzeug

10 Zuführkanal

11 Abführkanal

12 Drehschieber

13 Dichtsitz

14 Dichtring

15 Strömungsverbindung

16 Kanalgehäuse

17 Strömungsbucht

18 Radialanschlag

20 Schlauchelement

21 Wölbung

22 Federmittel

23 erste Axialdichtung

24 zweite Axialdichtung

30 Wärmetauscher

31 Kühler

32 Kühlflüssigkeitskreislauf

40 Antriebsmaschine

F Axialkraft

L axiale Länge

R axiale Richtung

p_Z Zuführ-Druck

p_A Abführ-Druck

D_r Druckgefälle