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Die
Erfindung betrifft ein Regelventil für das Kältemittel R 744 entsprechend
dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Stand der Technik
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Regelventile
werden im R 744-Klimakreis als Stellglieder in Kompressoren mit
variablem Hub und als Expansionsorgan eingesetzt. Ventile, z. B.
elektronisch steuerbare, dienen als wesentliche Stellglieder im
Regelkreis des Klimasystems. Mit ihrer Hilfe wird der Kältemittelstrom
in Abhängigkeit
eines elektrischen Signals dosiert bzw. es wird eine große Druckdifferenz
zwischen Ventilzu- und -ablauf eingestellt.
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Anders
als bei Klimaanlagen mit klassischen Kältemitteln, die in der Regel
im unterkritischen Bereich betrieben werden, kann der R 744-Kreislauf transkritisch
bei hohen Drücken
betrieben werden und trotzdem kompakt bauen. Abhängig von den spezifischen Anforderungen
des Klimasystems müssen
die Stellglieder durch einen sehr guten Druckausgleich charakterisiert
sein und nur sehr geringe innere Leckagewerte aufweisen. Daneben
sollen Kennlinien an die Regelaufgabe adaptiert werden können. Unerlässlich ist,
dass die verwendeten Materialien eine hervorragende Verträglichkeit
mit dem Kältemittel
und den verwendeten Kältemaschinenölen aufweisen.
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Die
hohe Drucklage bei R 744 bedingt besonders für das Expansionsventil eine
entsprechend druckfeste Auslegung aller seiner Komponenten zur Vermeidung
externer Leckagen des Kältemittels. Hierzu
werden in anderen Anwendungen als R 744 üblicherweise Abdichtungen aus
elastomeren Material in Form von O-Ringen verwendet. Die Verwendung von
Kunstoffen und Elastomeren ist aber für Bauteile, die in Berührung mit
R 744 stehen, problematisch, da sie wegen des Eindiffundierens von
R 744 zum Versagen durch explosive Dekompensation neigen.
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Externe
Leckagen wird durch elastomere Abdichtung nur reduziert, nicht vermieden.
Ventile druckfester Magnetausführungen
sind für
Bremsventile bekannt. Bei konventionellen Kälteanlagen für mobile
Anwendungen werden thermostatisch geregelte Expansionsventile eingesetzt.
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Aus
der Ventiltechnik sind Sitzventile bekannt, die einen vollständigen,
hermetisch dichte Absperrung eines Volumenstromes ermöglichen.
Nachteilig ist auch jedoch, dass sie für anspruchsvolle Regelaufgaben
nicht ideal geeignet sind.
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DE 102 55 740 A1 zeigt
ein direktgesteuerte proportionales Druckbegrenzungsventil, bei
dem eine Betätigungsstange
mit einem Dichtkörper
mittels eines Ankers eines Proportionalmagneten betätigbar ist.
Die Betätigungsstange
ist kardanisch im Anker abgestützt
und in einer gehäuseseitigen
Führung
geführt.
Zwischen Der Betätigungsstange
und der gehäuseseitigen
Führung
sowie zwischen der Betätigungsstange
und dem Anker ist ein radiales Spiel vorgesehen, wobei das erste
Spiel geringer ist als das zweite Spiel. Damit wird eine Reibungsminderung
durch Reduktion von Querkräften
durch die exzentrische Lage der Bauteile verhindert. Die Lagerung
des Dichtkörpers
im Sitz erfolgt gelenkig.
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DE 100 27 171 A1 zeigt
ein Elektromagnetventil mit einer Betätigungsstange, die einen elastischen
axialen Abschnitt zwischen ihrem Befestigung an der Ankerstange
und dem in einem Ventilsitz sitz angeordneten Dichtkörper. Die
Befestigung ist an ihrem dem Ventilsitz zugewandten Endabschnitt
in einer zusätzlichen
Führungshülse spielbehaftet
aufgenommen, die konzentrisch zum Ventilsitz im Ventilgehäuse angeordnet
ist. Der biegeelastische Abschnitt ermöglicht dabei eine Reduzierung
der Querkräfte, die
insbesondere an den Kontaktstellen des Magentankers mit dem der
Ventilhülse
auftreten. Eine Beeinflussung der Dichtfunktion bzw. die exakte
Zentrierung oder Ausrichtung des Dichtkörpers zum Dichtsitz wird durch
den elastischen Abschnitt nicht erzielt bzw. verbessert.
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DE 199 17 756 A1 zeigt
einen Elektromagnetventil mit einer mehrteiligen Ausführung einer durch
den Anker des Magneten bewegten Betätigungsstange und einem Dichtkörper des
Ventils, deren Teile durch ein Gelenk gelagert sind. Zwischen der
Führung
und der Betätigungsstange
ist ein Spiel vorgesehen, wodurch zwar eine Reibungsminderung durch
Reduktion von Querkräften
durch eine exzentrischen Lage der Bauteile erzeugt wird, jedoch
wirkt sich diese gelenkartige Verbindung nicht auf die Dichtfunktion
des Dichtkörpers
und dessen Dichtsitz aus.
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DE 196 25 349 A1 )
zeigt eine weitere gelenkartige Verbindung zwischen der Betätigungsstange
und dem Anker eines magnetbetätigten
Sitzventils. Zum Ausgleich von Passungsungenauigkeiten bezüglich der
Dichtung in der Schließlage
weist die Betätigungsstange
gegenüber
ihrer Führung
im Anker ein Spiel auf.
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DE 102 54 341 A1 zeigt
ein Sitzventil mit einer den Ventilstößel führenden zusätzlichen Zentrierhülse, die
gelenkig am Ventilsitzkörper
befestigt ist. Durch diese Anordnung soll das minimale Radialspiel in
der Zentrierhülse
verkleinert werden. Der Ventilsitzkörper bildet mit der Innenwand
der Zentrierhülse eine
Gelenkverbindung, vergleichbar einem Kardangelenk, das entweder
konkav oder konvex geformt ist. Auch hier ist keine Verbesserung
der Dichtfunktion vorgesehen.
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DE 41 37 123 A1 zeigt
ein Drucksteuerventil mit einem veränderbaren Ventilöffnungsquerschnitt. Der
Ventilstößel ist
ebenso in einem zusätzlichen Führungsteil
geführt,
in dem radial beweglich angeordnete Dichtelemente vorgesehen sind,
in die radial der Stößel mit
Spiel geführt
ist, und mit denen er ferner durch Selbstzentrierung in den Ventilsitz
hineingedrückt
wird.
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Die
aus der Ventiltechnik bekannten Sitzventile, erfüllen jedoch nicht die Regelgüte für R 744-Klimakreise.
Sie können
nicht mit den bei dem Klimakreislauf auftretenden hohen Drücken arbeiten.
Unerlässlich
ist, dass die verwendeten Materialien eine hervorragende Verträglichkeit
mit dem Kältemittel und
den verwendeten Kältemaschinenölen aufweisen.
Daneben sollen Kennlinien an die Regelaufgabe adaptiert werden können. D.
h. der beim Hub erzeugte Öffnungsquerschnitt
soll in Abhängigkeit
vom Durchfluss-Strom entsprechend beeinflussbar sein.
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DE 103 05 947 A1 zeigt
ein Schiebersitzventil in der Anwendung als Expansionsventil für eine Klimaanlage.
Das Ventil arbeitet mit einer Modifikation der Spaltgeometrie zwischen
dem Ventilkolben als Schieberelement und der Kolbenführung als
Sitz des Schiebers. Die Anordnung arbeitet im Wesentlichen nach
dem Schieberprinzip von Ventilen, wodurch hohe Leckageverluste impliziert
sind.
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Aufgabe der Erfindung
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung ein kostengünstiges Regelventil in druckfester
Ausführung
für das
Kältemittel
R 744 vorzusehen, das geringste innerer Leckagen des Dichtkörpers gegenüber seinem Dichtsitz
aufweist und eine mögliche
Kennlinienbeeinflussung ermöglicht.
Die Aufgabe wird in Kombination mit dem Oberbegriff durch die kennzeichnenden
Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
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Die
vorgeschlagene Ventilkonstruktion ist durch sehr geringe innere
Leckagewerte im geschlossenen Zustand charakterisiert. Externe Leckagen
treten nicht auf. Dies gilt auch bei hohen Absolutdrücken und
großen
Druckdifferenzen.
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Durch
die erfinderische Anordnung wird unabhängig von der gewählten Dichtkörperform
und Konturierung mit dem Dichtsitz eine Selbstzentrierung der beiden
Ventilbauteile erzielt. Hierzu ist im Gegensatz zum Stand der Technik
nur ein einfacher Ventilaufbau mit kostengünstigen Bauteilen erforderlich.
Die Zentrierung im Sitz erfolgt zum einen durch eine elastische
oder montagebedingte Ausrichtung des Dichtkörpers im Dichtsitz (Materialelastizität) und alternativ
durch einen schwimmenden Sitz, wobei die Ausrichtung des Dichtkörpers radial
zum Dichtsitz vorgesehen ist. Die elastische und montagebedingte Ausrichtung
des Dichtkörpers
zum Dichtsitz ist auf die zulässige
Schließlage
des Dichtkörpers
abgestimmt. Damit erfolgt eine in radialer Richtung wirkende mechanische
Entkopplung des Dichtkörpers
von der Betätigungsstange.
Zusätzlich
ist zwischen der Führungsbohrung
und der Betätigungsstange
ein funktionsbedingtes Führungsspiel
zum Ausgleich von Passungsungenauigkeiten vorgesehen. Dieses Spiel
ist so ausgerichtet, dass die Bewegung der Stange nicht behindert
wird, jedoch gleichzeitig eine Lecklage des Kältemittels R744 möglichst
minimiert wird. Dadurch sind hohe Anforderungen an den Rundlauf
und die Zentrizität
nicht mehr erforderlich. Durch die Auslegung des Spieles zwischen
Führungsbohrung und
Betätigungsstange
weist das Ventil eine geringe Hysterese auf, da nur geringe Reibungsflächen vorhanden
sind und diese optimal ausgelegt sind. Die Führung wird zudem auf eine möglichst
gute Abdichtung ausgelegt, wobei eine unter Berücksichtigung des Einsatzes
des Ventils als Stellglied eine möglichst geringe Gleitreibung
der Bauteile angestrebt wird.
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Dichtkörper und
Sitz können
konstruktiv so gestaltet werden, dass eine sehr gute Abdichtung
bei vollständiger
Druckkompensation sichergestellt ist, d. h. die verschiedenen Komponenten
des Ventils erfahren keine zusätzliche
Kraftwirkung durch eine anliegende Druckdifferenz. Die Führungsbohrung
der Betätigungsstange
dichtet bei geringster Reibung bestmöglich ab, um die Aufgabe mit
geringster Hysterese adäquat
erfüllen
zu können.
Dichtkörper
und Sitz zentrieren sich selbständig
während
des Schließens
des Ventils.
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Durch
die Form des Dichtkörpers
wird ein Dichtdurchmesser mit der entsprechenden Sitzkontur festgelegt.
Durch die geometrische Gestaltung des Dichtkörpers und des Sitzes wird eine
Durchflusskennlinie des Regelventils charakterisiert. Die Kennlinienanpassung
der Anordnung Öffnungsquerschnittes-Hub
bzw. des Durchflussstromes ermöglicht
es, dass das Ventil seiner Aufgabe als Regelorgan einer transkritischen
R 744-Klimakreises in idealer Weise nachkommen kann. Es ermöglicht Kennlinien
besonders im Bereich der Feinsteuerung bei geringen Durchflussmengen
aufgabengerecht anzupassen. Hierzu bedarf es – im Gegensatz zu den bekannten
Lösungen – keines
zusätzlichen
Schieberventils mit spezieller Öffnungskontur,
so dass das Ventil wegen des einfachen Aufbaues sowohl kostengünstig als
auch kompakt bauen kann. Die Anpassung erfolgt nicht nur bei geringen
Durchflussmengen, sondern auch für
im Regelbereich hohe Durchflüsse,
die während
spezieller Betriebszustände
des Klimasystems unumgänglich
sein können.
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Neben
dem Dichtkörper
kann auch in einer weiteren bevorzugten Ausführung der Dichtsitz radial elastisch
verschieblich angeordnet sein. Erst bei Verschluß durch den Dichtkörper wird
er anschließend radial
fixiert. Der Dichtsitz wird so ausgeführt, dass der Körper selbst
als Führung
für den
Sitz verwendet wird. Der Sitz wird dabei solange bewegt, bis eine
optimale Abdichtung erreicht ist. Alternativ dazu kann der Sitz
zunächst
radial schwimmend ausgeführt werden,
dann aber während
der Montage unter ständigem
Messen der Leckage in einer optimalen Position festgesetzt werden.
Dieses Festsetzen erfolgt dabei so, dass dabei keine radiale Verlagerung
erfolgt.
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In
einer vorteilhaften Ausführung
entspricht der Durchmesser der Führungsbohrung
in etwa dem Wirkdurchmesser des Dichtkörpers im Dichtsitz. Damit wird
neben der Abdichtung auch ein vollständiger Druckausgleich erzielt,
welcher für
die Anwendung im R 744-Klimakreislauf notwendig ist. Durch den verbesserten
Druckausgleich erfahren die verschiebbaren Komponenten des Ventils
keine zusätzliche Kraftwirkung
durch anliegende Druckdifferenzen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung taucht
der Dichtkörper
vollständig
aus dem Dichtsitz auf, um somit eine erheblich größere Querschnittsflächen zu öffnen. Damit
wird ein breiterer Bereich deutlich höherer Durchflüsse realisiert.
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Eine
zusätzliche
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich dadurch, dass
das Ventil unterschiedliche Durchflusskennlinien des Kältemittels aufweist.
Damit können
mehrere, vorzugsweise zwei Durchflusszusammenhänge in einem einzigen Ventil kombiniert
werden, so dass die Kennlinien für
die jeweilige Regelaufgabe optimiert werden können. Zur Gewährung der
Steuerbarkeit bei sehr geringen Durchflüssen wird die Dichtgeometrie
so ausgeführt, dass
bei kleinem Hub der Betätigungsstange
nur eine geringe Änderung
der Öffnungsfläche erfolgt, – dies entspricht
einem flachen Verlauf der Kurve Hub-Öffnungsfläche – während das Verhältnis Öffnungsfläche/Hub
mit größerem Hub
höhere
Werte einnimmt.
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Im
oberen Bereich des Regelbereiches arbeitet das Ventil vorteilhaft
als Drosselventil mit angenähert
progressiver Kennlinie, da der wirksame Drosselquerschnitt mehr
als proportional mit dem Hub des Ventils wächst. Auch der im progressiven
Bereich verlaufende Kennlinenbereich erfolgt durch Anpassung der
Geometrie des Dichtkörpers
und des Dichtsitzes.
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Zur
Auslegung der Geometrie des Ventils und des notwendigen Hubes zum
Auftauchen des Dichtkörpers
kann der bekannte Zusammenhang auf der Basis der Durchflussgesetze
für das
Kältemittel
R 744 in den thermodynamischen Zuständen am Ventilein- bzw. -auslauf verwendet
werden. Dieser Zusammenhang beruht auf einer empirisch abgesicherten theoretischen
Beschreibung des Durchflusses in Abhängigkeit von der Geometrie,
so dass für
eine entsprechende Geometrie des Dichtkörpers und des Dichtsitzes verschiedene
Durchflussgeometrien hiervon abgeleitet werden können. Darüber hinaus sind die Erfordernisse
des Kältemittels
und die für
dieses verwendbare Werkstoffe einzubeziehen. Die Gestaltung von
Dichtkörper
und Ventilsitz wird vorteilhaft so ausgeführt, dass das Verhältnis Öffnungsfläche-Hub über den
Hub variabel ist. Hierzu wird vorzugsweise ein Dichtkörper mit
abschnittsweise unterschiedlichem Kegelwinkel verwendet, alternativ
hierzu können
in Sitz oder Dichtkörper
Konturen eingebracht werden, die vorzugsweise mechanisch (Prägen etc.) oder
chemisch (Ätzen
etc.) aufgebracht werden.
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Um
die Zentrizität
von Dichtkörper
und -sitz sicherzustellen, weist in einer weiteren vorteilhaften Variante
der Erfindung die Betätigungsstange
einen in axialer Richtung sich erstreckenden elastischen Abschnitt
auf, der sich zwischen dem Dichtkörper und der Betätigungseinrichtung
erstreckt, damit sich der Dichtkörper
im Sitz selbst zentrieren kann.
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Alternativ
oder zusätzlich
kann in einer weiteren vorteilhaften Ausführung die radiale Ausrichtung des
Dichtkörpers
einen elastischen Bereich zwischen der Führungsbohrung und dem Dichtkörper aufweisen.
Damit wird die Zentrizität
von Dichtkörper
und Sitz sichergestellt, wodurch die Selbstzentrizität des Dichtkörpers im
Sitz noch wesentlich verbessert werden kann. Die Führung der
Betätigungsstange
dichtet bei geringster Reibung bestmöglich ab, um die Aufgabe als
Regelorgan mit geringster Hysterese adäquat erfüllen zu können.
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Üblicherweise
sind die Betätigungsstange und
der Dichtkörper
ein Bauteil. Der in Richtung des Zu- und Ablaufes des Ventils angeordnet
Kopf der Stange ist als Dichtkörper
in Form eines zylindrischen Körpers,
z. B. als Nadel, als konischer Körper in
Form eines Kegels mit positivem oder alternativ negativem Kegelwinkels
oder als Kugel ausgeführt.
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Alternativ
hierzu kann der Dichtkörper
als separates Bauteil ausgeführt
sein, welches lose mit der Betätigungsstange
verbunden ist. Damit kann der Dichtkörper auch geringfügig mit
radialem Spiel zum Sitz hin ausgerichtet werden. Die Betätigungsstange wirkt
in diesem Falle als Stößel.
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Bei
der Ausführung
des Dichtkörpers
als zylindrischer Körper,
z. B. als Nadel, wird der Dichtdurchmesser mit dem entsprechenden
Sitz durch die Form bestimmt. Durch die geometrische Gestaltung von
Nadel und Sitz wird, wie oben schon dargelegt, die Durchflusskennlinie
charakterisiert werden. Die Nadel kann z. B. rein zylindrisch geformt
sein oder kann alternativ an ihrer Spitze einen zusätzlichen
Kegel oder -Kegelstumpf aufweisen.
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Nadel
und Sitz werden konstruktiv so gestaltet, dass eine sehr gute Abdichtung
bei vollständiger Druckkompensation
sichergestellt ist, damit keine zusätzliche Kraftwirkung durch
anliegende Druckdifferenzen auftreten. Um dies zu erreichen kann
das zylindrische Ende der Nadel gerundet ausgeführt sein, so das eine definierte
Berührungslinie
zwischen dem Dichtkörper
und Sitz entsteht. Zusätzlich
kann auf der Nadelspitze eine entsprechend geformter Dichtkegel angebracht
werden.
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In
einer alternativen Variante kann als Dichtkörpers ein konischer Körper, ein
Kegel, mit positivem oder alternativ dazu negativem Kegelwinkel
verwendet werden. Der Dichtdurchmesser wird zusammen mit dem entsprechenden
Sitz durch letzteren festgelegt. Durch die geometrische Gestaltung
des Dichtkörpers
und des Sitzes kann auch bei dieser Ausführung die Durchflusskennlinie
beeinflusst werden. Der Kegelwinkel wird mit betragsmäßig möglichst
geringen Winkel oder paraboloid ausgeführt. Die Bestimmung des Kegelwinkels
erfolgt in einer Optimierungsberechnung, das eine optimale Auslegung
einerseits die mögliche
Selbsthemmung des Kegels ausschließt, andererseits aber eine
möglichst feine
Auflösung
des Signalverhaltens beim Regelprozess ermöglicht.
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Das
vollständige
Austauchen des Dichtkegels aus seinem Sitz erfolgt vorteilhaft bei
positivem Kegelwinkel, wodurch der geforderte weite Bereich mit
deutlich höheren
Durchflüssen
erreicht wird.
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Die
konstruktive Gestaltung des Sitzes bei der Kegelausführung ist
so gestaltet, dass eine sehr gute Abdichtung sichergestellt ist
ohne das Auftreten von zusätzlichen
Kraftwirkungen durch anliegende Druckdifferenzen. Dies wird dadurch
realisiert, dass der Sitz verundet wird, so dass eine definierte
Berührungslinie
zwischen Dichtkörper
und Sitz entsteht. Zur Erzielung eines vollständigen Druckausgleiches wird
der Durchmesser der Führung
der Betätigungsstange
so bestimmt, dass er dem tatsächlichen
Dichtdurchmesser entspricht. Demzufolge kann auch bevorzugt bei
dieser Ausführung
der Sitz als separate Bauteile vorgesehen werden, bzw. die Betäti gungsstange
und der Dichtkegel können
als verschiedene Bauteile ausgeführt
werden.
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Alternativ
kann aber auch der Sitz als Konus aufgeführt sein, der stumpfer ist
als der kegelige Dichtkörper.
Damit wird ein perfekter Druckausgleich zwischen den beiden Ventilteilen
hergestellt.
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Zur
Verbesserung der Steuerbarkeit bei niedrigen Durchflüssen weist
der Dichtkegel abschnittsweise verschiedene Kegelwinkel auf. Ein spitzer
Kegel ist bei kleinem Hub erforderlich, während ein stumpfer Kegel hingegen
bei großem
Hub erforderlich ist.
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In
einer weiteren vorteilhaften alternativen Ausführung kann der Dichtkörper als
Kugel ausgeführt
sein, wobei der Dichtdurchmeser zusammen mit dem entsprechenden
Sitz durch letzteren festgelegt ist. Durch eine geometrische Gestaltung
des Sitzes kann die Durchflusskennlinie beeinflusst werden. Die Kugel
kann dabei entweder gegen eine Feder durch die als Stößel ausgeführte Betätigungsstange
aufgedrückt
werden oder die Kugel wird mit Hilfe der Kraftwirkung der Feder
im geöffnetem
Zustand gehalten und durch die Kraft der Betätigungseinrichtung zugedrückt. Für die optimale
Durchmesserbestimmung muss einerseits eine mögliche Selbsthemmung des Dichtkörpers ausgeschlossen
werden, andererseits aber auch eine möglichst feine Auflösung des
Signalverhaltens ermöglicht
werden.
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Damit
der Sitz den Anforderungen auf eine gute Abdichtung und auf möglichst
keine zusätzliche Kraftwirkung
durch anliegende Druckdifferenzen entspricht, können zwei Varianten der Dichtkontur
konstruktiv realisiert werden. Zum einen kann der Sitz verrundet
ausgeführt
sein, so dass eine definierte Berührungslinie zwischen Dichtkörper und
Sitz entsteht, zum anderen kann der Sitz scharfkantig ohne Verrundung
oder kegelige Schräge
ausgeführt
sein.
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In
einer ganz besonders vorteilhaften Ausführung wird das Regelventil
als Magnetventil ausgeführt.
Die Betätigungseinrichtung
umfasst einen proportional arbeitenden Hubmagneten mit einem drückenden
Ankerkolben, an dessen dem Zu- und Abfluss zugewandten Stirnseite
die Betätigungsstange sich
in axialer Richtung erstreckt. Es handelt sich um ein 2/2 Wegeventil
Drosselventil, wobei der Dichtkörper
sowohl in der Ausführung „stromlos
offen" als auch „stromlos
geschlossen" arbeiten
kann.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungen
ergeben sich aus den Unteransprüchen,
der Zeichnung und der nachfolgenden Figurenbeschreibung.
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Ausführungsbeispiele
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Die
Erfindung wird in Form eines bevorzugten Ausführungsbeispieles mit verschiedenen
Varianten näher
erläutert.
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1 zeigt
eine Querschnittsdarstellung der Erfindung
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2 zeigt
ein Detail aus 1
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3 zeigt
in einer Prinzipskizze die Ausführung
als Nadelventil
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4 zeigt
die Darstellung der 3 in einer austauchenden Position
des Nadelventils.
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5 zeigt
in einer Prinzipskizze die Ausführung
als Kegelsitzventil mit negativem Kegelwinkel
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6 zeigt
eine Variante von 5 mit abgerundetem Sitz
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7 zeigt
in einer Prinzipskizze Kegelkonturen zur Kennlinienbeinflussung,
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8 zeigt
in einer Prinzipskizze die Ausführung
als Kugelventil.
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1 zeigt
eine Prinzipskizze in Form eines Längsquerschnittes durch ein
erfindungsgemäßes Regelventil 1,
welches als Expan sionsorgan oder als Ventil eines Mehrverdampfers-Klimasystem
in einer Klimaanlage Anwendung findet. Das Regelventil 1 dient
dazu, den Hochdruck in einem transkritischen CO2 Klimakreislauf
in mobilen Anwendungen zu regeln. Dies geschieht dadurch, dass das
Kältemittel
in dem Expansionsventil 1 gezielt auf einen niedrigeren Druck
gedrosselt wird (Expansionsorgan). Der innere Druck des Kältemittels
wird dabei in einer isenthalpen Expansion reduziert.
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Das
erfindungsgemäße Ventil 1 weist
einen Zu- und einen Ablauf 2 in Form von Kanälen auf,
deren Verbindung über
einen Dichtkörper 3a und
Dichtsitz 3b in gewünschter
Weise geöffnet
bzw. geschlossen werden kann, wobei auch Zwischenpositionen analog
geregelt werden können.
Die nähere
Beschreibung der beiden der Bauteile 3a und 3b erfolgt bei
der Beschreibung der 2 bis 8. Zu- bzw. Ablauf 2 bilden
jeweils die Hoch- bzw. Niedrigdruckseite des Ventils 1,
je nach Richtung des Kältemittels. Da
das Ventil bidirektional durchströmt werden kann, weisen der
Zu- und der Abfluss 2 jeweils dieselben Bezugszeichen auf.
Die Drosselung des Kältemittels erfolgt
im Ventilinneren.
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Die
Ventilfunktionen werden elektromagnetisch durch einen im rechten
Bereich von 1 dargestellten, topfartigen
Elektromagneten 4 mittels eines Hubkolbenankers 5 betätigt, der
von einer außen angeordneten
Magnetspule 6 mit Joch 24 angetrieben wird, die über ein
Steckerelement 7 mit einem entsprechendem Ansteuersignal
beaufschlagt werden. Der Elektromagnet 4 bildet die Betätigungseinrichtung 17 für das Ventil 1.
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Der
Elektromagnet 4 ist von einem flussführenden Gehäuse 8 umgeben, in
der eine Magnetspule 6 und das Steckerelement 7 integriert
sind, mit dem der Magnet 4 bestromt wird. Das Gehäuse 8 bildet
somit einen Raum, der nach innen durch eine koaxial zur Achse des
Ankerkolbens 5 angeordnete topfartiges Hülse 9 abgeschlos sen
wird, der als Führung
für die
Hubbewegung des Ankers 5 dient, wobei das offene Ende der
Hülse 9 in
Richtung der Hubbewegung des Ankers 5 angeordnet ist. Der
Hülsenboden
ist kugelartig ausgeführt
ist. Der Elektromagnet 4 wird an seinem rechten Ende durch
eine Hubbegrenzung 12 für
den kugeligen Hülsenboden
abgeschlossen.
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Das
offene Ende der Hülse 9 ist
direkt auf der Aussenwandung des Steuerkonus 10 des Elektromagneten 4 befestigt,
wobei der Steuerkonus 10 und der zugehörige Pol 13 wiederum
Teil eines Ventilblockes 11 sind, in dem alle Ventilfunktionseinrichtungen
des Expansionsventils 1 integriert sind. Steuerkonus 12 und
Pol 13 bilden somit einen Adapter für den Ventilblock 11.
Wenn der Ventilblock 11 aus einem nichtmagnetischen Material
hergestellt wird, muss der Konus 12 aus magnetisierbarem
Material und, anders als in 1 dargestellt,
als separates Teil hergestellt sein. Er wird dann mit dem Ventilblock 11 gefügt und separat
abgedichtet.
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In
der Darstellung von 1 sind die Hülse 9 des Elektromagneten 4 und
der Ventilblock 11 als separate Bauteile ausgeführt, die über eine
Verbindungsstelle druck- und leckagefrei gefügt sind. Alternativ können beide
Bauteile auch als ein kompaktes einheitliches Bauteil ausgeführt werden,
welches keine Verbindungsstelle erforderlich macht.
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Die
Verbindung zwischen Hülse 9 und
Steuerkonus 10 erfolgt vorzugsweise stoffschlüssig. Damit
wird nicht nur ein druckfester Ankerinnenraum erzeugt, sondern auch
ein sicher extern leckagefreier Ventilinnenraum. Auf diese Weise
kann auf eine – zusätzliche,
beispielsweise elastomere – Abdichtung des
Ankerraumes mittels O-Ringen
verzichtet werden, so dass die Montage vereinfacht und prozeßsicher
durchgeführt
werden kann. Der Ankerkolben 5 weist zur Druckentlastung
beim Hub in axialer (18a) und radialer (18b) Richtung
sich erstreckende Bohrungen auf.
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An
der in Richtung des Steuerkonusses 10 angeordneten Stirnseite
des Ankerkolbens 5 ragt in axialer Richtung eine Betätigungsstange 23 für den am
anderen Ende angeordneten Dichtkörper 3a ab. Der
Ventilblock weist eine axiale Durchgangsbohrung 25 auf,
in die die Betätigungsstange 23 geführt ist.
Zur Druckentlastung weist der Ventilblock 11 parallel zur
Führungsbohrung 25 eine
weitere Durchgangsbohrung 21 auf.
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Das
Ventil 1 umfasst auf Grund seines vorgesehenen Einsatzes
mehrer Abdichtungen in Form von O-Ringen. Die erste O-Ringabdichtung 14 dichtet
das flussführende
Gehäuse 8 gegenüber dem
Ankerinnenraum des Elektromagnet 4 ab, eine weitere Abdichtung 14 die
Verbindungsstelle des Gehäuses mit
dem Ventilblock 11 ab, der wiederum gegenüber der
Außenwelt
durch eine weiteres paar von O-Ringabdichtungen 20 abgedichtet
ist.
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Der
Bereich des Ventilblockes 11, der den Zu- und Ablauf 2 mit
dem Dichtkörper 3a und
dem Dichtsitz 3b umfasst, ist in 2 vergrößert dargestellt.
Durch einen axialen Hub des Ankerkolbens 5 nach links wird
der Dichtkörper 3a aus
seinem Sitz 3b aus der dargestellten Schliesstellung für Zu- und
Ablauf 2 in eine Öffnungsstellung
bewegt. Durch das am Steckerelement 7 anliegende Ansteuersignal
kann die Durchlassmenge für
das Kältemittel
gesteuert werden. Gegen den durch Magnetkraft bewegte Betätigungsstange 23 wirkt
eine Flachfeder 15 als Gegenkraft auf der Rückseite
des Dichtkörpers 3a,
die sich seitlich auf einen Einsatz 26 in dem Ventilblock 11 abstützt und
somit den Dichtkörper 3a in
den Sitz 3b drückt.
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Aus 2 ist
weiter ersichtlich, dass die Betätigungsstange 23 in
ihrem Bereich kurz vor dem Dichtkörper 3a eine axiale
Einschürung 22 aufweist, die
aus einem elastischen Material besteht und die Zentrizität des Dichtkörpers 3a und
des Sitzes 3b sicherstellt. Damit wird zwischen der Führungsbohrung 25 und
der Betätigungsstange 25 ein
Führungsspiel zum
Ausgleich von Passungenauigkeiten bezüglich der Schließlage des
Dichtkörpers 3a erzielt.
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Der
Dichtsitz 3b ist in der Darstellung von 2 als
radiale Scheibe ausgeführt,
deren axiale Ausdehnung die Dichtkontur 27 mit der des
Dichtkörpers 3a umfasst,
die mit dem Bezugszeichen 28 versehen ist. Der Dichtsitz 3b ist
in der Darstellung von 2 als separates Bauteil ausgeführt, das
radial schwimmend angeordnet ist, wodurch eine elastische oder montagebedingte
radiale Ausrichtung des Dichtkörpers 3a zum
Dichtsitz 3b vorgesehen ist. Er wird damit zunächst radial
mit Spiel gelagert und anschließend
bei Verschluß durch
den Dichtkörper 3a radial
fixiert.
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Der
Dichtkörper 3a hat
in 2 die Form eines Kolbens mit einer in Richtung
zum Dichtsitz 3b hin verlaufenden kegeligen stumpfen Spitze 29,
gegen das das Ende der Betätigungsstange 23 drückt, wobei
die Kegelspitze 29 durch die Flachfeder 15 in den
Sitz 3b und gegen die Magnetkraft gedrückt ist, so dass Zu- und Ablauf 2 unterbrochen
sind.
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Neben
der in 2 dargestellten Kegelformen des Dichtkörpers 3a sind
in den 3 bis 8 weitere Varianten des Dichtkörpers und
des zugehörigen
Dichtsitzes 3b dargestellt. Zur Vereinfachung sind lediglich
Prinzipskizzen der unterschiedlichen Gestaltung des Dichtkörpers 3a dargestellt,
wobei gleiche Funktionen mit denselben Bezugszeichen versehen sind.
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3 zeigt
die Variante des Dichtkörpers 3a als
zylindrischer Körper,
der als Nadel 30, die – durch ihre
Form bedingt – einen
Dichtdurchmesser 38 (siehe auch 8) mit dem
entsprechenden Dichtsitz 3b festlegt. Die Nadel 30 weist
an ihrer Spitze einen zusätzliche
Kegelstumpf 31 auf, wodurch die Durchflusskennlinie des
Ventils 1 charakterisiert werden kann. Die Dichtkontur 27, 28 sowohl
des Dichtköpers 3a als
auch die des Sitzes 3b verlaufen parallel, so dass bei
Verschluss eine vollständige
Berührung
der beiden Konturen sichergestellt ist.
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Die
Nadel 30 ist als separates Bauteil von der in 3 nicht
dargestellten Betätigungsstange 23 getrennt,
die in diesem Falle wie ein Stößel 40 (siehe
auch 8) auf das rückwärtige Ende
der Nadel 30 bei Aktivierung wirkt. Als Gegenkraft für die magnetische
Krafteinwirkung auf die Nadel 30 ist jedoch – im Gegensatz
zu der Darstellung aus 1 und 2 – eine Druckfeder 32 vorgesehen,
die am rückwärtige Ende
der Nadel 30 an einer Halterung 33 koaxial um
die Nadel 30 angeordnet ist und sich in einer axialen Ausnehmung 34 der
Führungsbohrung 25 abstützt.
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In 4 zeigt
die Ausführung
von 3 mit einer stumpfen Nadelspitze, wobei die Nadel 30 vollständig aus
dem Sitz 3b ausgetaucht ist, wodurch eine erheblich größere Querschnittsfläche eröffnet wird.
Der Durchmesser der Führungsbohrung 25 ist nahezu
gleich dem Dichtdurchmeser 38 am Sitz 3b.
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In 5 bis 7 zeigen
Prinzipskizzen des Dichtkörpers 3a mit
seinem Sitz 3b als ein konischer Körper, wobei der Dichtdurchmesser 38 (siehe 8)
zusammen mit dem entsprechenden Sitz durch den Sitz 3b festgelegt
ist. Durch die geometrische Gestaltung des Dichtkörpers 3a und
des Sitzes 3b wird die Durchflusskennlinie beeinflusst.
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Der
Dichtkörper 3a in 5 ist,
wie die Darstellung in 2 als Kegel 35 ausgeführt, hier
jedoch mit negativem Kegelwinkel, wobei der Kegel 35 mit einem
betragsmäßig geringen
Winkel ausgeführt
ist.
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Zur
Verbesserung der Abdichtung weist, wie in der Prinzipskizze von 6 argestellt
ist, der Sitz 3b eine Verrundung 36 seiner Dichtkontur 27 auf.
Er ist – wie
schon in der Beschreibung der 2 erwähnt, als
separates Bauteil ausgeführt,
das in den Flachfedereinsatz 26 (siehe 2)
eingesetzt ist und radial mit Spiel gelagert ist.
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In
der 7 ist in der linken Darstellung eine Dichtkörper/Dichtsitz
Anordnung mit gekrümmter Kontur 27, 28 sowohl
für den
Dichtkörper 3a als
auch für
den Dichtsitz 3b skizziert, wobei die Krümmung zwischen
beiden Konturen unterschiedlich ist. Die rechte Darstellung zeigt
eine Anordnung einer Dichtkörperkontur 27 mit
unterschiedlichen Steigungen, die gegen eine rechtwinkelige Dichtsitzkante 38 stößt. Damit
wird bei sehr kleinen Durchflüssen
bei kleinem Hub nur eine geringe Änderung der Öffnungsfläche und
damit ein flacher Verlauf einer Kurve der Hub-Öffnungsfläche erzielt, während das
Verhältnis
mit größerem Hub
höhere
Werte annimmt.
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In
der Prinzipskizze nach 8 wurde als Dichtkörper 3a eine
Kugel 39 verwendet, wobei der Dichtdurchmesser 38 zusammen
mit dem Dichtsitz 3b durch letzteren festgelegt ist. Zur
Erzielung eines vollständigen
Druckausgleiches entspricht der Durchmesser der Führungsbohrung 25 dem
des Dichtdurchmessers 38. Wie bei der Darstellung von 6 ist
der Sitz 3b als separates Bauteil vorgesehen. Die Betätigungsstange 23 weist
an ihrem der Kugel 39 zugewandten Ende einen Stößel 40 auf,
so dass der Dichtkörper 3a und
die Betätigungsstange 23 unterschiedliche
Bauteile sind.
-
Die
Erfindung wurde an Hand eines als Betätigungseinrichtung wirkenden
Elektromagneten erläutert.
Neben dieser Form der Aktivierung gehört auch die Aktivierung durch
andere Arten von Aktoren zu der Erfindung. Sie ist nicht auf die
oben beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt,
sondern im Rahmen der Offenbarung vielfach variabel. Alle neuen,
in der Beschreibung und/oder der Zeichnung offenbarten Einzel- und
Kombinationsmerkmale werden als erfindungswesentlich angesehen.
-
- 1
- Regelventil
- 2
- Zu-
und Ablauf
- 3a
- Dichtkörper
- 3b
- Dichtsitz
- 4
- Elektromagnet
- 5
- Anker
- 6
- Magnetspule
- 7
- Steckerelement
- 8
- Gehäuse
- 9
- Hülse
- 10
- Steuerkonus
- 11
- Ventilblock
- 12
- Hubbegrenzung
- 13
- Pol
- 14
- O-Ringabdichtung
(Gehäuse/Ankerinnenraum)
- 15
- Flachfeder
- 16
- O-Ringabdichtung
(Gehäuse/Ventilblock)
- 17
- Betätigungseinrichtung
- 18a
- Axiale
Ankerbohrung
- 18b
- Radiale
Ankerbohrung
- 19
- Elastischer
Abschnitt (Betätigungsstange)
- 20
- O-Ringabdichtung
(Außenwelt)
- 21
- Bohrung
(Druckentlastung/Ventil)
- 22
- Einschnürung (Betätigungsstange)
- 23
- Betätigungsstange
- 24
- Joch
- 25
- Führungsbohrung
(Ventilblock)
- 26
- Einsatz
(Federaufnahme)
- 27
- Dichtkontur
(Sitz)
- 28
- Dichtkontur
(Dichtkörper)
- 29
- Kegelspitze
- 30
- Nadel
- 31
- Kegelstumpf
- 32
- Druckfeder
- 33
- Halterung
- 34
- Ausnehmung
- 35
- Kegel
- 36
- Verrundung
- 37
- Dichtsitzkante
- 38
- Dichtdurchmesser
- 39
- Kugel
- 40
- Stößel