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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung
sind in den weiteren Ansprüchen
angegeben.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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:
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1 einen
schematischen Querschnitt durch ein Expansionsventil mit einer erfindungsgemäßen Ventilanordnung,
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2 eine
schematisch vergrößerte Darstellung
einer ersten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Ventilanordnung,
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3 eine
schematisch vergrößerte Darstellung
einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
einer Ventilanordnung und
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4 ein
Diagramm, das den Massenstrom in Abhängigkeit der Hubbewegung bei
einer Ventilanordnung gemäß den 2 und 3 darstellt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Reguliervorrichtung 36 kann nach einer alternativen Ausgestaltung
des Expansionsventils 11 eine Wegerzeugungseinrichtung,
die beispielsweise als Magnetventil ausgebildet ist, und ein Abschaltventil
umfassen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
vorgenannten Merkmale der Ausführungsformen
sind jeweils für
sich erfindungswesentlich und können
beliebig miteinander kombinierbar sein.