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Die
Erfindung betrifft ein Abschaltventil, insbesondere für einen
Kältemittelkreislauf,
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Zur
Abschaltung eines Massenstromkreislaufes beziehungsweise zur Trennung
eines ersten Kreislaufes von einem weiteren Kreislauf oder zur Umschaltung
von einem ersten Kreislauf auf einen weiteren Kreislauf werden Abschaltventile
eingesetzt. Ein solches Abschaltventil weist einen Ventilkörper auf.
Zwischen einer Einlassöffnung
und einer Auslassöffnung,
die durch zumindest einen Kanal miteinander verbunden sind, ist
ein Ventil im Ventilkörper
vorgesehen. Ein Ventilschließglied öffnet und schließt eine
Durchgangsöffnung
des Ventils. Ein solches Ventilschließglied ist einstückig an
einen Anker einer magnetischen Wegerzeugungs einrichtung angebracht.
Diese magnetische Wegerzeugungseinrichtung ist als Proportionalmagnet
ausgebildet.
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Zum
Schließen
eines solchen Abschaltventils beziehungsweise Umschaltventils wird
die Schließbewegung
des Ventilschließgliedes
mittels eines Proportionalmagneten angesteuert, um ein sanftes Schließen des
Ventilschließgliedes
zum Ventilsitz zu realisieren. Eine solche Ausgestaltung weist den Nachteil
auf, dass solche Proportionalmagneten teuer sind und eine separate
Ansteuerung erfordern. Zudem weisen solche Ventile zumeist keine
exakte Ausrichtung des Ventilschließgliedes zur Durchgangsöffnung auf,
so dass der Ventilschlitz stark beansprucht wird und Beschädigungen
zur Leckage solcher Ventilsitze führen. Eine solche Leckage ist
nicht erwünscht.
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Der
Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein sanftes Schließen des
Ventilschließgliedes
zum Ventilsitz ohne Proportionalmagnet zu ermöglichen, bei der eine äußerst geringe
Leckagerate des Ventils im geschlossenen Zustand über einen langen
Zeitraum hinweg erhalten bleibt.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Abschaltventil gemäß den Merkmalen
des Anspruchs 1 ermöglicht.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren
Ansprüchen
angegeben.
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Durch
die erfindungsgemäße Ausgestaltung des
Abschaltventils wird ermöglicht,
dass ein sanftes Schließen
oder gedämpftes
Schließen
des Ventilschließgliedes
zum Ventilsitz durch eine mechanische Anordnung erfolgt, bei welcher
nach dem Anliegen des Ventilschließgliedes im Ventilsitz die Schließkraft durch
zumindest ein an dem Ventilschließglied angreifenden Rückstellelement
aufgebracht wird. Diese mechanische Anordnung ersetzt den Einsatz
eines Proportionalmagneten mit einer dazugehörigen Ansteuerung. Das sanfte
Schließen wird
durch eine schwimmende Lagerung des Ventilschließgliedes in einer Aufnahme
am Anker erzielt, wodurch eine Entkoppelung des Ventilschließgliedes zum
Anker der magnetischen Wegerzeugungseinrichtung gegeben ist. Dadurch
wird ein Einhämmern des
Schließkörpers in
den Ventilsitz verhindert, die Le bensdauer des Ventilsitzes als
auch des Ventilschließgliedes
erhöht
und eine hohe Dichtigkeit beziehungsweise niedrige Leckagerate erzielt.
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Nach
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass in einer ersten Schließphase
der Schließbewegung
des Ventils eine auf den Anker wirkende Rückstelleinrichtung sowohl den
Anker als auch das Ventilschließglied
zum Ventilsitz führt
und das Ventilschließglied
im Ventilsitz zur Anlage kommt. In dieser ersten Schließphase nach einem
Stromlosschalten der magnetischen Wegerzeugungseinrichtung sind
die Geschwindigkeiten der bewegten Massen relativ gering, so dass
ein sanftes Schließen
des Ventilschließgliedes
beziehungsweise ein sanftes Anliegen des Ventilschließgliedes
am Ventilsitz ermöglicht
ist. Dadurch wird eine geringe Leckagerate bei hohen Zyklenzahlen
erzielt.
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Bevorzugt
ist vorgesehen, dass in einer an. die erste Schließphase sich
anschließenden
Schließphase
eine Schließbewegung
der Aufnahme und des Ankers relativ zum stillstehenden, auch am
Ventilsitz anliegenden Ventilschließglied vorgesehen ist und eine
Erhöhung
der Schließkraft
auf das Ventilschließglied
erfolgt. Durch die Entkoppelung der Bewegung des Ankers und des
Ventilschließgliedes
kann nach dem Anliegen des Ventilschließgliedes im Ventilsitz der
weitere Schließweg
des Ankers anschließend
zur Erhöhung
der Schließkraft
des Ventilschließgliedes im
Ventilsitz umgesetzt werden. Dadurch wird eine dichte Anlage des
Ventilschließgliedes
im Ventilsitz bei geringem Verschleiß sichergestellt.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass die Schließbewegung
des Ventils dann beendet ist, sobald der Anker oder die Aufnahme
an einem Endanschlag des Ventilkörpers
zur Anlage kommt. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass die Anpresskraft
erhöht
wird und der Anker eine definierte Endlage aufweist. Gleichzeitig
wird das Ende der Schließbewegung
nicht über das
Ventilschließglied
erzielt, sondern über
den separaten Endanschlag, wodurch wiederum der Verschleiß und die
Beanspruchung am Ventilsitz verringert ist.
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Bevorzugt
ist vorgesehen, dass die Rückstelleinrichtung
ein Federelement aufweist, deren Federrate höher als diejenige des elastischen Rückstellelementes
ist, welche am Ventilschließglied
angreift. Dadurch wird sichergestellt, dass das Ventilschließglied im
Ventilsitz zur Anlage kommt und gehalten wird sowie eine Anlagekraft
des Ventilschließgliedes im
Ventilsitz aufgebaut ist.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass eine hülsenförmige Aufnahme
für das
Ventilschließglied
vorgesehen ist, in der das Ventilschließglied bewegbar gelagert ist.
Dadurch wird die schwimmende Lagerung erzielt. Diese Relativbewegung
des Ventilschließgliedes
zum Anker ermöglicht
eine sanfte Anlage des Ventilschließgliedes im Ventilsitz.
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Bevorzugt
ist vorgesehen, dass das Ventilschließglied einen ring- oder scheibenförmigen Abschnitt
aufweist, der in der hülsenförmigen Aufnahme gemeinsam
mit dem Ventilschließglied
verschiebbar gelagert ist. Dieser ring- oder scheibenförmige Abschnitt
kann separat zum Ventilschließglied
ausgebildet sein. Alternativ kann dieser Abschnitt als auch das
Ventilschließglied
einstückig
ausgebildet sein. Dieser ring- oder scheibenförmige Abschnitt dient einerseits
als Widerlager, um das Ventilschließglied sicher in der Aufnahme
aufzunehmen und andererseits als Anlagefläche für das elastische Rückstellelement, welches
in der Aufnahme vorgesehen ist und auf das Ventilschließglied wirkt,
so dass selbständig
von Massenventilschließgliedern
eine Endlage in der Aufnahme eingenommen wird.
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Des
Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass die Aufnahme eine Entlastungsbohrung
in einem seitlichen Wandabschnitt aufweist. Dadurch wird sichergestellt,
dass eine hydraulische dämpfende
Wirkung zwischen dem ring- oder scheibenförmigen Abschnitt am Ventilschließglied und
der hülsenförmigen Aufnahme
nicht erzielt wird. Dies wäre nachteilig
für das
sanfte Schließen,
da unmittelbar im Schließvorgang
eine solche hydraulische Dämpfung wie
eine feste Verbindung wirkt und ein Einhämmern zur Folge hätte.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass die hülsenförmige Aufnahme
an einer Schulter des Ankers angeschraubt, aufgepresst, verschweißt oder
verlötet ist.
Dadurch ist eine einfache Montage und lagerichtige Anordnung ermöglicht.
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Bevorzugt
ist vorgesehen, dass die Schulter auf deren Innenseite einen Führungsabschnitt
zur Positionierung des elastischen Rückstellelementes aufweist.
Dadurch kann ein sicherer Betrieb bei sehr hohen Schaltzyklen gewährleistet
werden. Bevorzugt ragt ein Abschnitt des Ventilschließgliedes
gegenüber
dem ring- oder scheibenförmigen
Abschnitt in Richtung auf die Schulter zu, so dass an der gegenüberliegenden
Seite der Schulter ebenfalls durch diesen am Ventilschließglied hinausragenden
Abschnitt eine Führung
des elastischen Rückstellelementes gegeben
ist.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass die Aufnahme einen zum Ventil weisenden Ringbund aufweist, an
dem sich der ring- oder scheibenförmige Abschnitt des Ventilschließgliedes
in einer Offenstellung des Ventils abstützt und das Ventilschließglied gegenüber der
hülsenförmigen Aufnahme
in Richtung auf das Ventil hervorsteht. Dieser Ringbund dient zur
sicheren Aufnahme des Ventilschließgliedes in der Aufnahme, so
dass dieses über
einen vorbestimmten Weg gefedert gelagert ist. Dieser Federweg kann
zur Aufbringung einer Anpresskraft verwendet werden, wobei diese
durch die Federrate des elastischen Rückstellelementes bestimmt wird.
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Das
Ventilschließglied
ist gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung in einem Führungsabschnitt
am Ventilkörper
geführt,
in dem der Ventilsitz und die Durchgangsbohrung eingebracht ist.
Somit ist der Führungsabschnitt
des Ventilschließgliedes
und die Durchgangsöffnung
sowie der Ventilsitz im selben Ventilkörper eingebracht, der auch
als Düsenstock
bezeichnet wird. Dadurch wird eine hohe Präzision erzielt, da die Längsachsen des
Führungsabschnittes
des Ventilsitzes und der Durchgangsbohrung in einer gemeinsamen
Achse liegen.
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Bevorzugt
ist vorgesehen, dass der Führungsabschnitt
im Ventilkörper
als Gleitführung
ausgebildet ist. Dadurch kann eine präzise Führung vorgesehen sein, ohne
dass zusätzliche
Lagerbauteile erforderlich sind.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass die magnetische Wegerzeugungseinrichtung als Magnetspule ausgebildet
ist, die in einer Offenstellung des Ventils bestromt und in einer
Schließstellung
des Ventils stromlos geschalten ist. Eine solche Magnetspule ist im
Vergleich zu Proportionalventilen kostengünstig. Die durch den Proportionalmagneten
gezielt angesteuerte Schließbewegung
wird nunmehr durch die schwimmend gelagerte Anordnung des Ventilschließgliedes
zum Anker erzielt, da eine solche Magnetspule entweder in einen
bestromten oder stromlosen Zustand versetzt werden kann.
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Die
Anpresskraft des Ventilschließgliedes
im Ventilsitz wird vorzugsweise durch die Vorspannkraft des elastischen
Rückstellelementes
oder der am Anker vorgesehenen Rückstelleinrichtung
bestimmt. Die Federraten der Rückstelleinrichtung
und des Rückstellelementes
können
einzeln oder auch kumulativ wirken. Über die Vorspannkraft der Rückstelleinrichtung
oder des Rückstellelementes
kann eine maximale Druckdifferenz eingestellt werden. Sobald die Druckdifferenz
zu hoch wird, öffnet
das Ventilschließglied,
so dass ein Abströmen
des Massenstromes sichergestellt ist, wodurch eine Sicherheitsfunktion
gegeben ist.
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Des
Weiteren ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass der Ventilkörper und
eine daran angeordnete Wegerzeugungseinrichtung als Baueinheit in ein
Ventilgehäuse
einsetzbar sind. Dadurch kann das Ventilgehäuse mit entsprechenden Zuführ- und
Abführleitungen
in einem Massenstromkreislauf, insbesondere Kältemittelkreislauf, vormontiert
werden, wobei bedarfsmäßig ein
Abschaltventil als Baueinheit eingesetzt wird, welche auf die erforderliche Öffnungs-
und Schließkräfte angepasst
ist.
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Die
Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen
derselben werden im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten
Beispiele 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 eine
schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Abschaltventils,
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2a-c
schematische Schnittdarstellungen von drei Schließphasen
während
einer Schließbewegung
eines Abschaltventils und
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3 ein
Diagramm eines Kraft-Hubverlaufes des erfindungsgemäßen Ventilschließgliedes.
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In 1 ist
eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Abschaltventils 11 dargestellt.
Dieses Abschaltventil 11 ist in ein Ventilgehäuse 12 eingesetzt,
welches über
eine Zuführöffnung 14 einen
Massenstrom oder Kältemittelstrom zu
einem Ventil 17 führt
oder über
eine Abführöffnung 18 aus
dem Ventilgehäuse 12 abströmt. Das
Abschaltventil 11 umfasst einen Ventilkörper 19, in dem das
Ventil 17 vorgesehen ist. Dieses besteht aus einer Durchgangsöffnung 21,
an der ein Ventilsitz 22 angrenzt und zur Aufnahme und
Anlage eines Ventilschließgliedes 24 vorgesehen
ist.
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Das
Ventilschließglied 24 ist
körperlich
getrennt zu einem Anker 26 einer magnetischen Wegerzeugungseinrichtung 27 vorgesehen,
so dass eine Entkopplung vorgesehen ist, wobei das Ventilschließglied über eine
an dem Anker 26 angeordnete Aufnahme 29 aufgenommen
ist. Diese Aufnahme 29 ist hülsenförmig ausgebildet und umgreift
eine am Anker 26 angeordnete Schulter 31. Die
insbesondere hülsenförmige Aufnahme 29 ist
an dieser Schulter 31 durch eine lösbare Verbindung, beispielsweise
eine Schraubverbindung oder durch eine unlösbare Verbindung, wie beispielsweise
eine Klebe-, Löt-
oder Schweißverbindung
als auch eine Press- oder Klemmverbindung verbunden.
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In
der Aufnahme 29 ist das Ventilschließglied 24 relativ
zur Aufnahme bewegbar gelagert. An einem ring- oder scheibenförmigen Abschnitt 32 des Ventilschließgliedes 24 greift
ein elastisches Rückstellelement 34 an,
welches sich gegenüberliegend am
Anker 26 innerhalb eines Führungsabschnittes 36 abstützt, der
Teil der Schulter 31 ist. Das elastische Rückstellelement 34 ist
bevorzugt als Federelement, insbesondere Spiralfeder, ausgebildet,
welches das Ventilschließglied 34 in
einer Offenstellung des Abschaltventils 11 zur Anlage an
einen Ringbund 38 der Aufnahme 29 hält. Das
elastische Rückstellelement 34 kann
eine lineare oder progressive Federkennlinie aufweisen. Des weiteren
können
mehrere Federelemente, die in der Art auch unterschiedlich sein
können,
das elastische Rückstellelement 34 bilden.
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Das
Ventilschließglied 34 ist
während
einer Öffnungs-
und Schließbewegung
in einem Führungsabschnitt 39 am
Ventilkörper 19 geführt. Dieser
Führungsabschnitt 39 wird
bevorzugt in einer gleichen Einspannung des Ventilkörpers 19 zusammen
mit der Durchgangsbohrung 21 und dem Ventilsitz 22 hergestellt.
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Zwischen
dem Ringbund 38 der Aufnahme 29 und einem Außenumfang
des Ventilschließgliedes 24 ist
ein hinreichender Spalt vorhanden, so dass der Massenstrom in der
Aufnahme 29 frei zirkulieren kann. Zusätzlich ist eine Entlastungsbohrung 41 in
einem seitlichen Wandabschnitt vorgesehen, um eine hydraulische
Dämpfung
zu vermeiden.
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Die
magnetische Wegerzeugungseinrichtung 27 weist zwischen
dem Anker 26 und einem Joch 43 eine Rückstelleinrichtung 44 auf,
die bevorzugt als Federelement ausgebildet ist. Die Wegerzeugungseinrichtung 27 umfasst
eine Magnetspule bzw. einen Schaltmagnet, welche im bestromten Zustand
den Anker 26 entgegen der Rückstelleinrichtung 44 zum
Joch 43 bewegt und hält,
so dass das Ventils 17 offen steht.
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Anhand
der 2a bis c wird ein sanftes Schließen des
erfindungsgemäßen Absperrventils 11 näher beschrieben,
wobei die Zustandsänderung
der Magnetspule von der Wegerzeugungseinrichtung 27 von
einem bestromten Zustand in einen stromlosen Zustand durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des
Abschaltventils 11 in eine Schließbewegung umgesetzt wird, bei
der die Schließkraft
proportional zunimmt.
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In 2a ist
eine Offenstellung 51 des Ventils 17 dargestellt.
Das Ventilschließglied 24 ist
in dem Führungsabschnitt 39 geführt und
zum Ven tilsitz 22 beabstandet, so dass die Durchgangsöffnung 21 freigegeben
ist. Der Massenstrom kann in die seitlich ausgebildeten Kanäle 52 abströmen.
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In
dieser Ausgangsposition liegt ein ringförmiger Abschnitt 32 des
Ventilschließgliedes 24 an dem
Ringbund 38 der Aufnahme 29 aufgrund der Vorspannkraft
des Rückstellelementes 34 an.
Eine Stirnseite 53 der Aufnahme 29 ist zum Ventilkörper 19 beabstandet
vorgesehen.
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Ausgehend
von dieser Offenstellung 51 wird die Magnetspule der Wegerzeugungseinrichtung 27 stromlos
geschalten. Die Rückstelleinrichtung 44 bewegt
den Anker 26 in einer ersten Schließphase auf den Ventilsitz 22 zu,
wobei das Ventilschließglied 24 zur
Anlage im Ventilsitz 22 kommt. Aufgrund der schwimmend
gelagerten Anordnung des Ventilschließgliedes 24 in der
Aufnahme 29 kann ein sanftes Anliegen des Ventilschließgliedes 24 am
Ventilsitz 22 erfolgen. Diese erste Schließphase ist
in 2b dargestellt.
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An
diese erste Schließphase
schließt
sich eine weitere Schließbewegung
des Ankers 26 und der Aufnahme 29 aufgrund der
Rückstelleinrichtung 44 an,
bis eine Stirnseite 53 der Aufnahme 29 an einem
am Anschlag 56 anliegt, der beispielsweise nahe dem Führungsabschnitt 39 am
Ventilkörper 19 oder
am Ventilgehäuse 12 vorgesehen
ist. Alternativ kann der Endanschlag 56 auch an einem anderen Abschnitt
des Ventilkörpers 19 vorgesehen
sein. Während
dieser Schließbewegung
taucht das Ventilschließglied 24 in
die Aufnahme 29 ein, wobei die Anpresskraft des Ventilschließgliedes 24 in
den Ventilsitz 22 durch das Rückstellelement 34 erhöht wird. Dadurch
kann das sichere Schließen
des Ventils 17 gegeben sein.
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In 3 ist
ein Diagramm über
einen Kraft-Hubverlauf am Ventilschließglied 24 dargestellt. Dieses
Diagramm zeigt zwei Kennlinien, bei denen die Schließkraft über die
Hubbewegung aufgetragen ist. Die Kennlinie 60 resultiert
aus dem Abschaltventil gemäß dem Stand
der Technik, bei dem die Schließkraft über einen
Proportionalmagneten auf gebracht wird. Die Kennlinie 61 zeigt
einen Kraft-Hubverlauf am Ventilschließglied 24 gemäß dem erfindungsgemäßen Abschaltventil 11.
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In
einer ersten Schließphase,
die mit I bezeichnet ist und der Abbildung in 2a entspricht, wird
das Ventilschließglied 24 auf
den Ventilsitz 22 zugeführt,
wobei das Ventilschließglied 24 mit
einer Vorspannkraft in der Aufnahme 29 gehalten ist. Sobald
das Ventilschließglied 24 im
Ventilsitz 22 anliegt, ist der Punkt 62 erreicht.
Der weitere Hubweg bewirkt aufgrund der Vorspannkraft einen Sprung
von Punkt 62 auf Punkt 63. Daran schließt sich
die Schließphase
II an. Diese Schließphase
II entspricht dem Übergang
von der dargestellten Situation in 2b nach 2c.
Nachdem die Aufnahme 29 am Endanschlag 56 anliegt
(2c), ist der Punkt 64 erreicht, in dem die
maximale Schließkraft
auf den Ventilsitz 22 wirkt.
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Durch
die erfindungsgemäße Ausgestaltung des
Abschaltventils 11 wird nach einem sanften Schließen des
Ventils 17 eine proportionale Zunahme der Schließkraft über einen
erweiterten Hub erzielt, der dem Verfahrweg der Aufnahme 29 aus
der Schließphase
in 2b nach 2c entspricht.
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Anstelle
des in den 1 und 2a bis
c dargestellten Ventilschließgliedes 24 können auch abweichende
geometrische Formen vorgesehen sein. Diese Form ist nur beispielhaft.
Ebenso kann beispielsweise ein kugelförmiges Ventilschließglied vorgesehen
sein.
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Alle
vorbeschriebenen Merkmale sind jeweils für sich erfindungswesentlich
und können
beliebig miteinander kombiniert werden.