DE102004040649B4 - Ventilanordnung für ein Expansionsventil, insbesondere für Kälteanlagen in Fahrzeugklimaanlagen - Google Patents

Ventilanordnung für ein Expansionsventil, insbesondere für Kälteanlagen in Fahrzeugklimaanlagen Download PDF

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Ventilanordnung für ein Expansionsventil, insbesondere für Kälteanlagen in Fahrzeugklimaanlagen, mit einem Ventilsitz (47) zur Aufnahme eines Ventilschließgliedes (42), das in einer Schließposition im Ventilsitz (47) anliegt und eine Durchgangsöffnung (49) zwischen einer Kältemitteleinlassseite (16) und einer Kältemittelauslassseite (19) schließt, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz (47) oder das Ventilschließglied (42) zumindest zwei Bereiche (61, 62) aufweist, wobei ein erster Bereich (61) mit dem Ventilschließglied (42) oder dem Ventilsitz (47) in einer Schließposition einen Dichtsitz bildet und zumindest ein weiterer Bereich (62) einen die Durchgangsöffnung (49) durchströmenden Massenstrom des Kältemittels reguliert und eine Steigung von dem den Dichtsitz bildenden Bereich (61) von einer Steigung des zumindest einen weiteren Bereiches (62) abweicht.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Ventilanordnung für ein Expansionsventil, insbesondere für Kälteanlagen in Fahrzeugklimaanlagen mit einem Ventilsitz zur Aufnahme eines Ventilschließgliedes, durch welches in einer Schließposition im Ventilsitz eine Durchgangsöffnung zwischen einer Kältemitteleinlassseite und einer Kältemittelauslassseite geschlossen ist.
  • Bei Fahrzeugen wird es zunehmend üblich, Klimaanlagen mit mindestens einem zusätzlichen Verdampfer auszurüsten, um beispielsweise vorne und hinten oder auf der linken und rechten Seite des Fahrzeuginnenraumes getrennt kühlen zu können. Zur Vermeidung eines unnötigen Energieverbrauches ist es wünschenswert, die zusätzlichen Verdampfer bei nicht bestehendem Bedarf abschalten zu können. Deshalb werden Expansionsventile eingesetzt, welche eine Abschaltvorrichtung umfassen, die in einer Schließposition eine mit einem Verflüssiger in Verbindung stehende Kühlmitteleinlassöffnung und eine mit einem Kompressor in Verbindung stehende Kühlmittelauslassöffnung schließt.
  • Aus der DE 101 40 0241 A1 ist ein Expansionsventil mit einer Ventilanordnung bekannt geworden, welche einen kegelförmigen Ventilsitz umfassen, in dem in einer Schließposition ein als Kugel ausgebildetes Ventilschließglied in einer Schließposition anliegt. Derartige thermostatische Expansionsventile werden über eine Betätigungseinrichtung gesteuert, die zum Öffnen und Schließen der Ventilanordnung auf einen Übertragungsstift einwirken, welcher das Ventilschließglied aus einer Schließposition im Ventilsitz in eine Öffnungsposition durch eine Hubbewegung überführt. Solche Ventilanordnungen in Expansionsventilen sind auch aus der US 2002/0023462 A und WO 03/091816 A2 bekannt.
  • Diese bekannten kegelförmigen Ventilsitze zur Aufnahme eines kugelförmigen Ventifschließgliedes weisen den Nachteil auf, dass unmittelbar nach Öffnen der Ventilanordnung eine starke Zunahme im Volumen des Massenstromes durch den stumpfen Winkel der Ventilsitzflächen gegeben ist. Um eine feine Regulierung zu erzielen, ist eine spitze Winkelanordnung der Ventilsitzflächen erforderlich. Diese haben jedoch den Nachteil, dass zur Einleitung einer Öffnungsbewegung des Ventilschließgliedes die Überwindung einer Selbsthemmung erforderlich ist.
  • Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Ventilanordnung zu schaffen, welche ein leichtes Öffnen und eine Dosierung des Volumenstromes von Anfang an unmittelbar nach dem Öffnen der Ventilanordnung ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.
  • Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Ventilanordnung mit einem Ventilsitz, der zumindest zwei querschnittsbestimmende Bereiche aufweist, die in der Steigung voneinander abweichen, wird eine Dosierung des Massenstromes bereits unmittelbar nach einer geringen Hub bewegung sowie eine leichte und exakte Öffnung der Ventilanordnung ermöglicht. Ein erster querschnittbestimmender Bereich der Ventilanordnung bildet mit einem in einer Schließposition angeordneten Ventilschließglied im Ventilsitz einen Dichtsitz. Zumindest ein weiterer Bereich reguliert nach dem Öffnen der Ventilanordnung einen Massenstrom des Kältemittels, der durch einen im weiteren Bereich gebildeten Spalt zwischen dem Ventilsitz und dem Ventilschließglied durchströmt. Durch die zumindest zwei unterschiedlichen Steigungen der die Bereiche bildenden Flächen im Ventilsitz werden die Funktion der Ventilanordnung und Dosierung des Massenstromes voneinander getrennt. Der Massenstrom kann somit ohne sprunghaften Anstieg bereits unmittelbar nach dem Öffnen der Ventilanordnung kontrolliert auch in geringen Mengen die Durchgangsöffnung durchströmen. Insbesondere bei kleinen Kälteleistungen, wie beispielsweise kleiner 2 KW, sind feine Dosierungen von Vorteil, um eine exakt arbeitende und sensible beziehungsweise fein einstellbare Kältemittelanlage auszubilden. Analoges gilt auch für die Ausgestaltung der querschnittsbestimmenden Bereiche am Ventilschließglied.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steigung des den Dichtsitz bildenden Bereiches größer als 30° ausgebildet ist und die Steigung des zumindest einen weiteren Bereiches kleiner als 30° ausgebildet ist. Dadurch ist ermöglicht, dass das Ventilschließglied im Ventilsitz in einer Schließposition dicht anliegt und ohne Selbsthemmung schließt und eine leicht Öffnung ermöglicht ist. Des Weiteren kann durch die Steigung im weiteren Bereich von kleiner 30° eine exakte Dosierung des Massenstromes von Kältemitteln ermöglicht sein.
  • Die querschnittsbestimmenden Bereiche der Ventilanordnung können vorteilhafterweise durch im Querschnitt betrachtet kegelförmig, konkav, konvex, gekrümmt oder parallel ausgebildete Wandabschnitte vorgesehen sein. Eine beliebige Kombination dieser Ausgestaltungen ist möglich. Beispielsweise kann ein erster Bereich kegelförmig ausgebildet sein, der in einen zweiten kegelförmigen Bereich übergeht. Alternativ kann sich an einen ersten kegelförmigen Bereich ein weiterer konkaver oder entspre chend einer Parabelfunktion oder Exponentialfunktion ausgestalteter kurvenförmiger oder gekrümmter Bereich anschließen. Ebenso kann der erste und zumindest eine weitere Bereich fließend ineinander übergehen und einen konkaven oder beispielsweise eine Parabel- oder Exponentialfunktion entsprechenden gekrümmten Bahnverlauf umfassen. Alternativ kann des Weiteren vorgesehen sein, dass der erste Bereich konvex ausgebildet ist und eine Düsenform bildet, wohingegen die weiteren, sich daran anschließenden Bereiche wiederum kegelförmig, konkav, gekrümmt oder parallel ausgebildet sein können. Die Ausgestaltung von parallel zueinander angeordneten Wandabschnitten ist vorteilhafterweise zur Durchströmung eines konstanten Volumens des Massenstromes über einen bestimmten Hubweg vorgesehen. Die weiteren Ausgestaltungen der Wandabschnitte ermöglichen mit zunehmendem Hub einen zunehmenden Massenstrom.
  • Ein sich an den ersten, den Dichtsitz bildenden Bereich anschließender Bereich erstreckt sich vorteilhafterweise in Öffnungsrichtung der Hubbewegung des Ventilschließgliedes und führt dieses. Dadurch kann eine sichere und langlebige Anordnung einer Reguliervorrichtung für ein Abschaltventil mit einer erfindungsgemäßen Ventilanordnung gegeben sein.
  • Zur Dosierung des Massenstromes in zumindest einem weiteren Bereich ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Steigung der Wandabschnitte des Ventilsitzes in Abhängigkeit der vorgesehenen Hubbewegung des Ventilschließgliedes bestimmt werden. Somit kann beispielsweise bei einer sehr großen Hubbewegung und einem sehr kleinen Steigungswinkel eine sehr feine Dosierung ermöglicht werden. Die betragsmäßige Zunahme der Spaltbreite zwischen dem weiteren Bereich des Ventilsitzes und dem Ventilschließglied bei einer solchen Ausgestaltung ist bei einer kleinen Änderung des Hubweges gering.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass der zumindest eine weitere Bereich eine Steigung von weniger als 10° aufweist. Dadurch kann unmittelbar nach dem Öffnen der Ventilanordnung ein sanfter und stetiger Anstieg des Massenstromes gegeben sein. Bevorzugt liegen die Wandabschnitte des Ventilsitzes am Beginn dieses Bereiches gerade nicht mehr an dem Ventilschließglied an, so dass eine ganz geringe Durchströmung gegeben ist. Insbesondere für kleine Kälteleistungen, beispielsweise kleiner 2 KW, werden die Winkel sehr klein gewählt.
  • Der die Ventilanordnung durchströmende maximale Massenstrom kann vorteilhafterweise bei vollständigem Öffnungshub durch einen Spalt zwischen einem in der Durchgangsöffnung angeordneten und auf das Ventilschließglied einwirkenden Übertragungsstift einer Betätigungsvorrichtung und dem Wandabschnitt der Durchgangsöffnung begrenzt sein und/oder einem dem ersten Bereich zugeordneten weiteren Bereich mit einem Ventilsitz, der unabhängig des Öffnungshubes einen konstanten Querschnitt zwischen Ventilsitz und Ventilschließglied freigibt. Dadurch wird eine sogenannte Festdrossel ausgebildet. Der Massenstrom ist unabhängig von einer nehmenden Hubbewegung zur Öffnung des Ventilschließgliedes gegenüber dem Ventilsitz konstant.
  • Vorteilhafterweise kann eine sogenannte Festdrossel auch zwischen einem ersten und einem weiteren Bereich mit unterschiedlichen Steigungen sowie zwischen zwei zumindest weiteren Bereichen mit unterschiedlichen Steigungen vorgesehen sein, um beispielsweise eine gestufte Zunahme des Massenstromes vorzusehen.
  • Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen derselben werden im Folgenden anhand den in den Zeichnungen dargestellten Beispielen näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmenden Merkmale können einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination erfindungsgemäß angewandt werden. Es zeigen:
  • 1 einen schematischen Querschnitt durch ein Expansionsventil mit einer erfindungsgemäßen Ventilanordnung,
  • 2 eine schematisch vergrößerte Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ventilanordnung,
  • 3 eine schematisch vergrößerte Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Ventilanordnung und
  • 4 ein Diagramm, das den Massenstrom in Abhängigkeit der Hubbewegung bei einer Ventilanordnung gemäß den 2 und 3 darstellt.
  • In 1 ist eine Ausführungsform eines Expansionsventils 11 dargestellt. Dieses Expansionsventil 11 umfasst ein Gehäuse 12 mit einer ersten Kühlmitteleinlassöffnung 14 auf einer Kühlmitteleinlassseite 16, einer ersten Kühlmittelauslassöffnung 18 auf einer ersten Kühlmittelauslassseite 19 und einen die erste Kühlmitteleinlassöffnung 14 und die erste Kühlmittelauslassöffnung 18 verbindenden Kühlmittelkanal 21. In dem Gehäuse 12 ist des Weiteren eine zweite Kühlmitteleinlassöffnung 23 und eine zweite Kühlmittelauslassöffnung 24 durch einen Kühlmittelkanal 26 miteinander verbunden. An die erste Kühlmittelauslassöffnung 14 ist die Austrittsseite eines Verflüssigers 28 angeschlossen, dessen Eintrittseite mit der Austrittseite eines Kompressors 29 verbunden ist. Die Eintrittsseite des Kompressors 29 steht mit einer Austrittseite eines Verdampfers 31 in Verbindung. In dem Gehäuse 12 ist beispielsweise eine Reguliervorrichtung 36 einsetzbar. Diese Reguliervorrichtung 36 umfasst eine Regulierschraube 37, die als hohlzylindrischer Körper ausgebildet ist und eine Regulierfeder 39, die in der Regulierschraube 37 positioniert ist sowie eine Dämpfungshülse 41, die die Regulierfeder 36 umgreift und ein Ventilschließglied 42 fixiert. An der Hülse 41 ist eine Dämpfungsfeder 44 vorgesehen, die in dem hohlzylindrischen Körper der Regulierschraube 37 zur dämpfenden Hubbewegung eines Ventilschließgliedes 42 angreift.
  • In dem Gehäuse 12 ist zum Regulierraum 46 weisend ein Ventilssitz 47 vorgesehen, der mit dem Ventilschließglied 42 eine Ventilanordnung 48 bildet. Der Ventilsitz 47 mündet in eine Durchgangsöffnung 49, die die Kältemitteleinlassseite 16 mit der Kältemittelauslassseite 19 verbindet.
  • Zur Betätigung der Reguliervorrichtung 36 ist eine als Thermokopf ausgebildete Betätigungseinrichtung 51 vorgesehen, die über einen Übertragungsstift 52 das Ventilschließglied 42 in eine Öffnungs- und Schließstellung überführt.
  • Das in 1 dargestellte Gehäuse 12 kann auch als sogenanntes Zwei-Port-Gehäuse vorgesehen sein, bei dem die zweite Kühlmitteleinlass- und -auslassöffnung 23, 26 nicht vorgesehen sind.
  • Die Reguliervorrichtung 36 kann nach einer alternativen Ausgestaltung des Expansionsventils 11 eine Wegerzeugungseinrichtung, die beispielsweise als Magnetventil ausgebildet ist, und ein Abschaltventil umfassen.
  • In 2 ist schematisch vergrößert eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ventilanordnung 48 dargestellt. Bei dieser Ventilanordnung 48 ist vorgesehen, dass das Ventilschließglied 42 als Kugelventil ausgebildet ist. Der Ventilsitz 47 umfasst einen ersten Bereich 61, der in einer Schließposition des Ventilschließgliedes 42 zum Ventilsitz 47 einen Dichtsitz bildet, wodurch die Durchgangsöffnung 49 geschlossen ist. Dieser erste Bereich 61 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel als Kegelventilsitz ausgebildet und weist einen Öffnungswinkel von größer 30°, vorzugsweise größer 50°, auf. Dadurch ist eine sichere Anlage des Ventilschließgliedes 42 im geschlossenen Zustand zum Ventilsitz 47 gegeben, jedoch ein einfaches Überführen in eine Öffnungsposition gegeben, ohne dass eine Selbsthemmung der Ventilanordnung aufgrund eines zu kleinen Öffnungswinkels zu überwinden ist.
  • An diesen ersten Bereich 61 schließt sich ein weiterer Bereich 62 an, der gemäß dem Ausführungsbeispiel kegelförmig ausgebildet ist und einen Öffnungswinkel von kleiner 30° aufweist. Somit weicht die Steigung des ersten Bereiches 61 von dem weiteren Bereich 62 deutlich ab. Beispielsweise ist im weiteren Bereich 62 eine Steigung der Wandabschnitte von weniger als 10° vorgesehen.
  • Die Ventilanordnung 48 wird durch eine Hubbewegung des Übertragungsstiftes 52 gemäß Pfeil A geöffnet. Eine maximale Hubbewegung ist beispielsweise durch Pfeil H dargestellt. Der weitere Bereich 62 ist derart ausgebildet, dass einerseits eine Führung des Ventilschließgliedes 42' geben ist und andererseits bei maximalem Hub ein definierter Massenstrom an Kältemittel die Durchgangsöffnung 49 durchströmt. Die Größe der Steigung im weiteren Bereich 62 bestimmt die Zunahme des Massenstromes in Abhängigkeit des Hubweges. Zusätzlich wird der Massenstrom durch das Größenverhältnis, Umfang des Ventilschließgliedes 42 und kleinster querschnittsbestimmender Bereich 62 bestimmt.
  • In 4 ist beispielsweise die Kennlinie D dargestellt, die durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ventilanordnung 48 gemäß 2 erzielt wird. Die Kennlinie D gemäß 4 geht am Ende in einen horizontalen Abschnitt über. Dieser Abschnitt wird dann erzielt, wenn die Hubbewegung in Öffnungsrichtung vollständig erfolgt ist, der Übertragungsstift 52 vollständig in der Durchgangsöffnung 49 positioniert ist und einen Spalt 64 freigibt. Dadurch ist eine Drosselwirkung gegeben, wodurch der maximale Volumenstrom begrenzt ist.
  • Alternativ zu der maximalen Volumenstrombegrenzung durch den Querschnitt des Übertragungsstiftes 52 in der Durchgangsöffnung 49 kann gemäß 3 ein weiterer Bereich 66 vorgesehen sein, dessen Wandabschnitte keine Steigung aufweisen, sondern parallel zueinander ausgebildet sind. Dadurch wird unabhängig von weiterer zunehmender Hubbewegung ein konstanter Querschnitt zwischen dem Ventilschließglied 42 und dem weiteren Bereich 66 freigegeben. Die Kennlinie E gemäß 4 zeigt den Volumenstrom gemäß der Ausführungsform in 3, wobei abweichend zu 2 der weitere Abschnitt 62 kleiner ausgebildet ist, wodurch der Volumenstrom auf einem niederen Anteil auf ein konstantes Volumen begrenzt ist.
  • Nach einer alternativen und nicht näher dargestellten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der Ventilsitz 47 einen ersten Bereich 61 und gegebenenfalls einen weiteren Bereich 66 aufweist und das am Ventilschließglied 42 angreifende Ende des Übertragungsstiftes einen Bereich mit einer Steigung aufweist, der bei zunehmender Hubbewegung einen größer werdenden Öffnungsquerschnitt zwischen der Durchgangs öffnung 49 und dem Übertragungsstift 52 freigibt. Derartige Bereiche können beispielsweise durch separate Teile ausgebildet werden, die anwendungsspezifisch an dem Übertragungsstift 52 lösbar oder unlösbar verbunden werden.
  • Die in den 2 und 3 dargestellten Bereiche 61 und 62 sind nur beispielhaft. Deren Übergänge können fließend oder beispielsweise gerundet sein. Darüber hinaus können anstelle einer kegelförmigen Ausgestaltung der Bereiche 61 und 62 jegliche weiteren Verlaufsformen vorgesehen sein, um die gewünschte und dosierte Zunahme des Massenstromes bei entsprechender Hubbewegung zu ermöglichen. Beispielsweise kann durch eine entsprechende Funktion ein gekrümmter Bahnverlauf des ersten und zweiten Bereiches vorgesehen sein, der zumindest abschnittsweise eine kontinuierliche und/oder diskontinuierliche Zunahme des Massenstromes ermöglicht. Des Weiteren kann auch eine gestufte Zunahme des Massenstromes ausgebildet sein, indem beispielsweise zwischen zwei Bereichen 62 ein Bereich 66 vorgesehen ist. Der Steigungswinkel des zumindest einen weiteren Bereiches 62 sowie die einzustellende Zunahme des Massenstromes wird auf den Arbeitsbereich der Betätigungsvorrichtung 51 beziehungsweise auf den Hubweg angepasst. Je kleiner der Winkel beziehungsweise die Steigung der wirksamen Fläche des zweiten Bereiches 62 ausgebildet ist, desto kleiner ist die Zunahme des Massenstromes bei gleicher Hubbewegung. Der weitere Bereich 62 bildet somit den Regulierbereich für die Zunahme des Massenstromes bei zunehmender Öffnung der Ventilanordnung 48.
  • Die vorgenannten Merkmale der Ausführungsformen sind jeweils für sich erfindungswesentlich und können beliebig miteinander kombinierbar sein.

Claims (7)

  1. Ventilanordnung für ein Expansionsventil, insbesondere für Kälteanlagen in Fahrzeugklimaanlagen, mit einem Ventilsitz (47) zur Aufnahme eines Ventilschließgliedes (42), das in einer Schließposition im Ventilsitz (47) anliegt und eine Durchgangsöffnung (49) zwischen einer Kältemitteleinlassseite (16) und einer Kältemittelauslassseite (19) schließt, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz (47) oder das Ventilschließglied (42) zumindest zwei Bereiche (61, 62) aufweist, wobei ein erster Bereich (61) mit dem Ventilschließglied (42) oder dem Ventilsitz (47) in einer Schließposition einen Dichtsitz bildet und zumindest ein weiterer Bereich (62) einen die Durchgangsöffnung (49) durchströmenden Massenstrom des Kältemittels reguliert und eine Steigung von dem den Dichtsitz bildenden Bereich (61) von einer Steigung des zumindest einen weiteren Bereiches (62) abweicht.
  2. Ventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigung von dem den Dichtsitz bildenden Bereich (61) größer als 30° und die Steigung des zumindest einen weiteren Bereiches (62) kleiner 30° ausgebildet ist.
  3. Ventilanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche (61, 62, 66) im Querschnitt betrachtet kegelförmig, konkav, konvex, gekrümmt oder parallel ausgebildet sind.
  4. Ventilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein sich an den ersten Bereich (61) anschließender weiterer Bereich (62) in Öffnungsrichtung einer Hubbewegung des Ventilschließgliedes (42) oder des Ventilsitzes (47) erstreckt und das Ventilschließglied (42) führt.
  5. Ventilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigung des zumindest einen weiteren Bereiches in Abhängigkeit der Hubbewegung des Ventilschließgliedes (42) den Massenstrom bestimmt.
  6. Ventilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine weitere Bereich (62) eine Steigung von weniger als 10° aufweist.
  7. Ventilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale, die Durchgangsöffnung (49) durchströmende Massenstrom durch einen Spalt zwischen einem in der Durchgangsöffnung (49) angeordneten und auf das Ventilschließglied (42) einwirkenden Übertragungsstift (52) einer Betätigungsvorrichtung (51) und dem Wandabschnitt der Durchgangsbohrung (49) begrenzt ist oder durch einen dem ersten Bereich (61) zugeordneten weiteren Bereich (66) mit konstantem Querschnitt entlang einer vorbestimmten Strecke einer Hubbewegung begrenzt ist.
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