DE102007047440A1

DE102007047440A1 - Expansionsventil für eine Klimaanlage

Info

Publication number: DE102007047440A1
Application number: DE102007047440A
Authority: DE
Inventors: Roland Haussmann; Mark Sondermann
Original assignee: Valeo Klimasysteme GmbH
Current assignee: Valeo Klimasysteme GmbH
Priority date: 2007-10-04
Filing date: 2007-10-04
Publication date: 2009-04-09

Abstract

Ein Expansionsventil für eine Klimaanlage, mit einem Grundkörper (20), in welchem ein Kältemitteleingang (E) vorgesehen ist, und ein Kältemittelausgang (A), der eine Mittelachse (M) aufweist, einem Ventilsitz (24), der im Grundkörper (20) ausgebildet ist, einem Ventilelement (22), das verschiebbar in dem Grundkörper (20) angeordnet ist und mit dem Ventilsitz (24) zusammenwirken kann, und einem Abtriebselement (28), welches das Ventilelement (22) verschieben kann und eine Achse (M1) aufweist, ist dadurch gekennzeichent, daß die Achse (M1) des Antriebselementes (28) parallel mit der Mittelachse (M2) des Kältemittelausgangs (A) verläuft.

Description

Die Erfindung betrifft ein Expansionsventil für eine Klimaanlage, mit einem Grundkörper, in welchem ein Kältemitteleingang vorgesehen ist und ein Kältemittelausgang, der eine Mittelachse aufweist, einem Ventilsitz, der im Grundkörper ausgebildet ist, einem Ventilelement, das verschiebbar in dem Grundkörper angeordnet ist und mit dem Ventilsitz zusammenwirken kann, und einem Antriebselement, welches das Ventilelement verschieben kann und eine Achse aufweist.
Ein solches Expansionsventil ist Bestandteil einer Klimaanlage, die einen Kältemittelkreislauf aufweist. Das Expansionsventil wirkt als Drossel, die unmittelbar stromaufwärts eines Verdampfers angeordnet ist.
Ein Beispiel für ein solches Expansionsventil findet sich in der EP 1 380 456 A1 . Bei einer in dieser Offenlegungsschrift gezeigten Ausführungsform wird als Ventilelement eine Kugel verwendet, die von einer Feder gegen den Ventilsitz gedrückt wird. Zum Öffnen des Expansionsventils wird die Kugel entgegen der Strömungsrichtung des Kältemittels durch einen Aktuator vom Ventilsitz abgehoben. Bei einer anderen Ausführungsform wird als Ventilelement ein Kegel verwendet, der von einem Aktuator entgegen der Strömungsrichtung des Kältemittels gegen den Ventilsitz gedrückt wird. Bei beiden Ausführungsformen fällt der Kältemitteleingang mit der Längsachse und der Bewegungsrichtung des Ventilelements zusammen, während der Kältemittelausgang etwa senkrecht zur Stellrichtung des Ventilelements ausgerichtet ist.
Solche Expansionsventile weisen eine Reihe von Nachteilen auf. Zum einen wird nahezu der gesamte Druckabfall zwischen dem Kältemitteleingang und dem Kältemittelausgang im Bereich zwischen dem Ventilelement und dem Ventilsitz erzeugt. Dies bedeutet, daß das Ventilelement besonders präzise gesteuert werden muß und außerdem der Ventilsitz und das Ventilelement mit sehr geringen Toleranzen hergestellt werden müssen. Weiterhin besteht das Problem, daß sich der freie Ventilquerschnitt überproportional mit der Verstellung des Ventilelements vergrößert und außerdem die gesamte Änderung des Ventilquerschnitts von einem geschlossenen zu einem maximal geöffneten Zustand über einen sehr kleinen Hub des Ventilelementes bewerkstelligt wird. Dies stellt hohe Anforderungen an die Genauigkeit, mit welcher der Hub des Ventilelementes gesteuert wird. Außerdem ist es sehr schwierig, mit einem solchen Expansionsventil einen konstanten Massendurchfluß einzustellen. Als nachteilig hat sich außerdem herausgestellt, daß ein solches Expansionsventil keinen homogenen Kältemittelstrom am Ausgang bereitstellen kann. Schließlich läßt sich bei einem solchen Expansionsventil nicht verhindern, daß der Aktuator mit dem Kältemittel im Kältemittelkreislauf in Berührung kommt. Der Aktuator muß hierfür also speziell ausgebildet sein.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Expansionsventil der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß sich bei geringeren Anforderungen an die bei der Herstellung einzuhaltenden Toleranzen eine bessere Kontrollierbarkeit und Steuerbarkeit des Öffnungsverhaltens des Expansionsventils sowie des Massendurchflusses ergibt. Ferner sollen die mit dem Betrieb des Expansionsventils einhergehenden Geräusche verringert werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Expansionsventil der eingangs genannten Art vorgesehen, daß die Achse des Antriebselements parallel mit der Mittelachse des Kältemittelausgangs verläuft. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß eine solche Ausrichtung des Antriebselements relativ zum Kältemittelausgang die Voraussetzung für eine Vielzahl von konstruktiv vorteilhaften Merkmalen ist, die zusammengenommen zu einem insgesamt erheblich verbesserten Betriebsverhalten des Expansionsventils führen. Zum einen kann das Antriebselement so geführt werden, daß sich eine Dämpfungswirkung ergibt, die ein Ventilflattern verhindert. Es stellt sich dadurch ein stabiles Öffnungsverhalten ein. Zum anderen können die Strömungsverhältnisse verbessert werden, die sich beim Umströmen des Ventilelements mit dem Kältemittel ergeben. Insbesondere können die auf das Ventilelement einwirkenden Bernoulli-Kräfte verringert werden, die das Ventilelement bei herkömmlichen Gestaltungen in die geschlossene Stellung beaufschlagen. Durch die Ausrichtung der Längsachse des Antriebselementes in Richtung des Kältemittelausganges ergeben sich geringe Abmessungen des Ventiles quer zur Achsrichtung des Kältemittelaustrittes. Da die Montage des Klimagerätes im Fahrzeug immer in Fahrtrichtung erfolgt, um einen Durchtritt des Anschlußrohres für das Heiz- und Kühlmittel durch die Trennwand Motor/Innenraum zu ermöglichen, kann die erforderliche Öffnung in der Motor-Trennwand klein gehalten werden, so daß sich die Festigkeit dieser Stabilitäts- und Crash-relevanten Zwischenwand nur minimal reduziert. Auch sind die Abdichtungsprobleme bei kleinerer Zwischenwand geringer.
Vorzugsweise fällt die Achse des Antriebselements mit der Mittelachse des Kältemittelausgangs zusammen. Dies ergibt eine besonders direkte Übertragung der Kraft vom Antriebselement auf das Ventilelement.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß das Ventilelement ein spitzwinkliger Kegel ist, insbesondere mit einem Winkel zwischen 3 und 15° zwischen der Außenkontur und der Mittelachse des Kegels. Ein derart spitzwinkliger Kegel führt dazu, daß dann, wenn das Ventilelement vom Kältemittel umströmt wird, nahezu keine Bernoulli-Kräfte auftreten, die in der Längsrichtung des Ventilelements wirken. Bei jedem Ventilelement stellt sich grundsätzlich das Problem, daß aufgrund der Bernoulli-Gesetzmäßigkeit sich der Druck, der vom strömenden Medium auf das Ventilelement ausgeübt wird, in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit ändert. Insbesondere wenn als Ventilelement eine Kugel verwendet wird und das Ventil nur sehr wenig geöffnet ist, übt das strömende Medium auf das Ventilelement einen Druck aus, der es zur geschlossenen Stellung hin beaufschlagt. Sobald das Ventilelement am Ventilsitz anliegt, bricht die Strömung zusammen, so daß wieder der höhere statische Druck, zusammen mit der vom Aktuator ausgeübten Öffnungskraft, auf das Ventilelement wirkt, welches dadurch sofort wieder geöffnet wird. Sobald aber das Medium wieder durch den geöffneten Ventilquerschnitt fließt, sinkt der vom Medium ausgeübte statische Druck an dieser Stelle ab, so daß das Ventilelement wieder in Richtung seiner geschlossenen Stellung beaufschlagt wird. Es ist nur sehr schwer möglich, unter diesen Umständen das Ventilelement in einem stabilen Zustand zu halten. Durch die Verwendung eines spitzwinkeligen Kegels, der einer Nadel ähnelt, haben die Kräfte, die aufgrund der Bernoulli-Gesetzmäßigkeit auf das Ventilelement ausgeübt werden, nur einen geringen Einfluß auf die Stellung des Ventilelements. Der Großteil der Kräfte wirkt nämlich senkrecht zur Längsachse und damit zur Verstellrichtung des Ventilelements und ist deshalb unschädlich. Der sich bei vektorieller Zerlegung ergebende schädliche Anteil, der parallel zur Bewegungsrichtung des Ventilelements wirkt, ist dagegen sehr klein.
Der spitze Kegelwinkel führt außerdem dazu, daß ein vergleichsweise großer Ventilhub verwendet wird. Anders ausgedrückt ändert sich der Öffnungsquerschnitt beim Öffnen des Ventilelementes relativ langsam. Auf diese Weise kann der Öffnungsquerschnitt sehr präzise angesteuert werden, ohne daß übermäßig große Anforderungen an die Genauigkeit der Positionssteuerung des Ventilelements gestellt werden müssen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß das Ventilelement zumindest abschnittsweise eine sphärische Außenfläche aufweist, wobei der Ventilsitz mit dem Ventilelement in der Nähe von dessen Äquator zusammenwirkt. Auch bei dieser Gestaltung verbleibt, wenn die vom strömenden Medium auf das Ventilelement ausgeübten Kräfte vektoriell in eine Komponente parallel zur Verstellrichtung und in eine Komponente senkrecht dazu zerlegt werden, nur eine sehr kleine „schädliche" Komponente parallel zur Verstellrichtung übrig.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß das Ventilelement stromaufwärts des Ventilsitzes angeordnet ist. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß das Ventilelement vom Druck des Kältemittels gegen den Ventilsitz beaufschlagt wird, so daß keine besonderen Vorkehrungen notwendig sind, um das Ventil im geschlossenen Zustand zu halten. Außerdem läßt sich durch geeignete Verlängerung des Ventilelements stromabwärts des Ventilsitzes ein Homogenisierungsabschnitt bilden, in welchem sich die Strömung des Kältemittels beruhigt.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist vorgesehen, daß das Ventilelement stromabwärts des Ventilsitzes angeordnet ist. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß in einfacher Weise eine Überdruckfunktion implementiert werden kann, indem eine Rückstellfeder vorgesehen wird, die das Ventilelement in die geschlossene Stellung beaufschlagt. Bei geeigneter Dimensionierung der Rückstellfeder wird das Ventilelement beim Anliegen eines konstruktiv vorgegebenen Grenzdrucks automatisch geöffnet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die Rückstellfeder sich am Ventilelement mittels eines Federhalters abstützt, der wiederum mit mindestens einem, vorzugsweise jedoch drei Abstützarmen versehen ist, die an der Wandung des Grundkörpers anliegen. Die Abstützarme setzen einer Verstellung des Ventilelements eine Reibungskraft entgegen, die dämpfend auf eine eventuelle Flatterneigung des Ventilelements wirkt.
Anstelle eines Federhalters kann auch eine Abstützschulter vorgesehen sein, die einstückig mit dem Ventilelement bzw. dessen Verlängerung ausgebildet ist.
Die Rückstellfeder stützt sich vorzugsweise im Grundkörper an einem Widerlager ab, das in den Grundkörper eingeschraubt sein kann. Auf diese Weise kann die Vorspannung der Rückstellfeder in einfacher Weise präzise eingestellt werden.
Vorzugsweise weist das Widerlager eine Durchflußöffnung für das Kältemittel auf, die als Nachdrossel wirkt. Dies gewährleistet, daß der Druckabfall über das Expansionsventil nicht nur an einem Querschnitt stattfindet, sondern sich aufteilt auf den Öffnungsquerschnitt im Bereich des Ventilsitzes und auf die Nachdrossel.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist stromabwärts des Ventilsitzes, jedoch stromaufwärts des Bereichs, in welchem die Rückstellfeder am Ventilelement angreift, eine erste Homogenisierungskammer gebildet. Diese hat vorzugsweise ein Volumen zwischen 30 und 60 mm³. Diese Kammer dient zur Strömungsberuhigung und auch als Dämpfungskammer für Strömungsgeräusche.
Vorzugsweise ist stromabwärts des Abschnittes, in welchem die Rückstellfeder am Ventilelement anliegt, eine zweite Homogenisierungskammer gebildet. Diese hat vorzugsweise ein Volumen zwischen 15 und 30 mm³. Indem die Volumina der beiden Homogenisierungskammern unterschiedlich gewählt werden, können unterschiedliche Frequenzbereiche gedämpft werden.
Zur Betätigung des Ventilelements wird vorzugsweise ein elektrischer Aktuator verwendet, der vorzugsweise als Linearaktuator ausgeführt ist, insbesondere als Linear-Schrittmotor. Auf diese Weise läßt sich flatterfrei ein sehr präziser Öffnungshub des Ventilelementes einstellen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die Mittelachse des Aktuators mit der Mittelachse des Antriebselements zusammenfällt. Dies ermöglicht, das Antriebselement ohne Wirkungsgradbeeinträchtigung unmittelbar zu betätigen.
Vorzugsweise ist vorgesehen, daß zwischen dem Aktuator und dem Antriebselement eine Dichtung angeordnet ist. Auf diese Weise kann der Aktuator hermetisch vom Kältemittelkreislauf getrennt werden, so daß der Aktuator als kostengünstiges Standard-Bauteil ausgeführt werden kann, da es nicht mehr dem Kältemittel ausgesetzt ist.
Vorzugsweise ist vorgesehen, daß der Aktuator einen Kern aufweist, der als vom Antriebselement separates Bauteil ausgeführt ist, und daß zwischen dem Kern und dem Antriebselement die Dichtung angeordnet ist. Ebenso ist vorzugsweise vorgesehen, daß die Dichtung im Bereich zwischen dem Aktuator und dem Antriebselement ein Verstärkungselement aufweist, an dem sie dicht befestigt ist.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß der Öffnungsquerschnitt zwischen Ventilsitz und Ventilelement sich linear mit dem Hub des Ventilelements vom Ventilsitz weg vergrößert. Auf diese Weise läßt sich das Öffnungsverhalten des Expansionsventils sehr präzise steuern. Der Ventilquerschnitt kann sich mit dem Hub auch progressiv öffnen. Dies ermöglicht eine Konzentration der Regelgenauigkeit auf kleinere Massenströme.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand verschiedener Ausführungsformen beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. In diesen zeigen:
1 schematisch eine Klimaanlage mit einem Expansionsventil;
2 einen schematischen Schnitt eines Expansionsventils gemäß einer ersten Ausführungsform;
3 in vergrößertem Maßstab den Ausschnitt III von 2;
4 eine alternative Ausgestaltung des Abschnittes IV von 2;
5 eine wiederum weitere Alternative zur Ausgestaltung gemäß 4;
6 eine Schnittansicht eines Expansionsventils gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
7 in vergrößertem Maßstab den Ausschnitt VII von 6;
8 eine Schnittansicht eines Expansionsventils gemäß einer dritten Ausführungsform;
9 in vergrößertem Maßstab den Ausschnitt IX von 8; und
10 eine Ausführungsvariante zum in 9 gezeigten Federhalter.
In 1 ist schematisch eine Klimaanlage gezeigt, die einen Kompressor 10, einen Kondensator 12, einen Sammler 14, einen internen Wärmetauscher 16, ein Expansionsventil 18 und einen Verdampfer 20 aufweist. Das Expansionsventil 18 wirkt als Drossel und wird bei dem gezeigten Kältemittelkreislauf in Abhängigkeit von der Temperatur des Kältemittels am Ausgang des Verdampfers 20 gesteuert. Zu diesem Zweck ist dort ein Temperatursensor 22 vorgesehen. Das Steuergerät, das die Signale des Sensors 22 verarbeitet und das Expansionsventil 18 steuert, ist in 1 zum Zwecke der besseren Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
Das Expansionsventil 18 weist einen Grundkörper 20 auf, in welchem ein Kältemitteleingang E und ein Kältemittelausgang A vorgesehen sind. Konzentrisch mit der Mittelachse M2 des Kältemittelausgangs A ist eine durchgehende Öffnung im Grundkörper 20 ausgebildet, die ein Ventilelement 22 aufnimmt, das mit einem im Grundkörper ausgebildeten Ventilsitz 24 so zusammenwirken kann, daß der Strömungsweg vom Kältemitteleingang E zum Kältemittelausgang A geschlossen oder kontrolliert geöffnet werden kann. Konzentrisch mit derselben Mittelachse sind auch eine Rückstellfeder 26 für das Ventilelement 22, ein Antriebselement 28 mit einer Achse M1, welches das Ventilelement 22 vom Ventilsitz 24 abheben kann, und ein Aktuator 30 mit einer Mittelachse M angeordnet, der über das Antriebselement 28 das Ventilelement 22 verstellen kann. Die Mittelachse des Kältemitteleingangs E ist senkrecht zur Längsachse des Kältemittelausgangs und zur Bewegungsrichtung des Ventilelements 22 angeordnet.
Das Ventilelement 22 ist hier mit einer etwa halbkugelförmigen stromaufwärtigen Seite ausgebildet. Der Ventilsitz 24 befindet sich an einer solchen Stelle im Grundkörper, daß er etwa mit dem Äquator der halbkugelförmigen Fläche des Ventilelements 22 zusammenwirkt. Anders ausgedrückt liegt der Ventilsitz am stromabwärtigen Ende der halbkugelförmigen Fläche des Ventilelements 22 an. Stromabwärts der halbkugelförmigen Fläche des Ventilelements 22 hat dieses eine zylindrische Kontur. Die Wandung des Grundkörpers 20 erweitert sich in diesem Bereich kegelig, wobei der Winkel α zwischen der sich erweiternden Wandung im Grundkörper 20 und der zylindrischen Fläche des Ventilelements 22 etwa 7,5° beträgt.
Am stromabwärtigen Ende des Ventilelements ist eine Schulter 32 ausgebildet, an der sich die Rückstellfeder 26 abstützt. Die Rückstellfeder 26 stützt sich mit ihrem anderen Ende an einem Widerlager 34 ab, das in den Grundkörper eingeschraubt ist. Die Rückstellfeder ist optional von einem Führungsring umgeben. Auf diese Weise kann die Vorspannung der Rückstellfeder 26 genau eingestellt werden. Die Rückstellfeder 26 ist von einem Führungsring 36 umgeben.
Das Antriebselement 28 ist gleitend im Grundkörper 20 geführt und endet an einer Dichtung 38, die zwischen dem Grundkörper 20 des Expansionsventils und dem Aktuator 30 angeordnet ist. Die Dichtung kann statisch, aber auch dynamisch ausgeführt werden. Im Ausführungsbeispiel wurde eine statische Dichtung in Form einer Membran ausgeführt. Metall sowie Elastomerfaltenbälge und Membranen sind als Dichtung möglich. Auf der dem Antriebselement 28 gegenüberliegenden Seite liegt an der Dichtung 38 ein Kern 40 des Aktuators 30 an. Beim Aktuator handelt es sich vorzugsweise um einen Linearaktuator, insbesondere um einen Linear-Schrittmotor. Die Dichtung 38 gewährleistet, daß kein Kältemittel in den Aktuator 30 eindringen kann, so daß dieser als kostengünstiges Standard-Bauteil ausgeführt werden kann. Bei der Dichtung 38 kann es sich insbesondere um einen Metall-Faltenbalg handeln.
Wenn der Aktuar 30 nicht betätigt wird, drückt die Rückstellfeder 26 das Ventilelement 22 fest gegen den Ventilsitz 24. Die Strömungsverbindung zwischen dem Kältemitteleingang E und dem Kältemittelausgang A ist somit unterbrochen. Durch Ansteuern des Aktuators 30 wird das Ventilelement 22 um die gewünschte Strecke vom Ventilsitz 24 abgehoben. Dadurch wird ein Strömungsquerschnitt für das Kältemittel vom Eingang E zum Ausgang A freigegeben. Aufgrund der Anordnung des Ventilsitzes 24 in einem Bereich des Ventilelements 22, in welchem eine Tangente an dessen Außenkontur nahezu parallel zur Längsachse verläuft, haben die Bernoulli-Kräfte, die durch das Umströmen des Ventilelements 22 mit dem Kältemittel erzeugt werden, nahezu keine axiale Komponente, sondern im wesentlichen nur eine radiale Komponente. Daher werden keine Längskräfte auf das Ventilelement ausgeübt.
Beim Ansteuern des Aktuators erfolgt die Bewegung sämtlicher Teile entlang deren Achsen M, M1 und M2, die bei dem Ausführungsbeispiel zusammenfallen. Es könnte auch vorgesehen sein, daß diese Achsen nicht zusammenfallen, aber parallel zueinander ausgerichtet sind.
Für das strömende Kältemittel wirkt der Bereich der Rückstellfeder 26 als Homogenisierungs- und Dämpfungskammer. Weiterhin wirkt der Durchflußquerschnitt im Inneren des Widerlagers 34 als Nachdrossel, so daß der mit dem Expansionsventil herbeigeführte Druckabfall zwischen dem Kältemitteleingang und dem Kältemittelausgang nicht allein im Bereich des Ventilsitzes 24 hervorgerufen wird, sondern sich auf zwei Drosselquerschnitte verteilt. Dies ist vorteilhaft hinsichtlich der Entstehung von Geräuschen.
In 4 ist eine Ausführungsvariante der Dichtung von 2 gezeigt. Als Dichtung wird hier eine Gummidichtung verwendet, die mit einer Aufnahme für das Antriebselement 28 versehen ist. Auch hier greift auf der vom Antriebselement 28 abgewandten Seite der Dichtung 38 der Kern 40 des Aktuators 30 an.
In 5 ist eine weitere Ausführungsvariante gezeigt. Der Unterschied zur Dichtung von 4 besteht darin, daß bei der Variante von 5 die Dichtung als Zwei-Komponenten-Bauteil ausgeführt ist. Die Dichtung besteht aus einem elastischen Außenteil 38a, beispielsweise aus Gummi, das mittig mit einem Verstärkungselement 38b versehen ist, beispielsweise aus Metall, an dem der Kern 40 des Aktuators 30 angreift. Dies gewährleistet eine besonderes starre Kraftübertragung vom Aktuator auf das Antriebselement und dadurch auf das Ventilelement, während gleichzeitig gewährleistet ist, daß die Dichtung nicht beschädigt wird.
In 6 ist eine zweite Ausführungsform gezeigt. Für die von der ersten Ausführungsform bekannten Bauteile werden dieselben Bezugszeichen verwendet, und es wird insoweit auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
Der Unterschied zwischen der ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform besteht in der Ausgestaltung des Ventilelements. Bei der zweiten Ausführungsform sind das Ventilelement 22 und das Antriebselement 28 einstückig ausgeführt. Ferner ist das Ventilelement 22 als spitzer Kegel ausgeführt, dessen Außenkontur mit der Mittelachse einen Winkel von 10° einschließt. Der Ventilsitz hat einen Radius in der Größenordnung von 1 mm.
Der Strömungsquerschnitt stromaufwärts des Ventilsitzes 24 ist als enger, das Antriebselement 28 umgebender Ringspalt 40 ausgeführt. Dieser wirkt bei geöffnetem Expansionsventil als Vordrossel. Zusätzlich wirkt der Innenquerschnitt des Widerlagers 34 als Nachdrossel.
Das Ventilelement 22 ist hier mit einer in radialer Richtung sich soweit erstreckenden Abstützschulter 32 versehen, daß, in Strömungsrichtung betrachtet, zwischen dem Ventilsitz 24 und der Abstützschulter 32 eine erste Homogenisierungskammer 42 gebildet ist und zwischen der Abstützschulter 32 und dem Widerlager 34 eine zweite Homogenisierungskammer 44 gebildet ist. Das Volumen der ersten Homogenisierungskammer beträgt zwischen 30 und 60 mm³, während das Volumen der zweiten Homogenierungskammer zwischen 15 und 30 mm³ beträgt. Auf diese Weise können die beim Strömen des Kältemittels entstehenden Geräusche in zwei unterschiedlichen Frequenzbereichen gedämpft werden.
Auch bei dem Expansionsventil gemäß 6 haben die bei geöffnetem Ventil auftretenden Bernoulli-Kräfte nahezu keine Komponente in axialer Richtung, so daß sie das Öffnungsverhalten des Ventils nicht beeinflussen. Das Ventilelement muß nicht zwingend einstückig ausgeführt sein. Die Strömungskräfte stabilisieren das Ventil in radialer Richtung. Aufgrund der einstückigen Ausführung des Ventilelements 22 mit dem Antriebselement 28 führt die Reibung zwischen dem Antriebselement 28 und dem Grundkörper 20 dazu, daß das Ventilelement 22 im geöffneten Zustand nicht flattert. Auch ist das Ventilelement 22 sehr präzise in radialer Richtung geführt. Es soll bei einem definierten maximalen Hochdruck öffnen.
Den beiden Ausführungsformen gemäß 2 und gemäß 6 ist gemeinsam, daß das Expansionsventil als Überdruckventil ausgelegt ist. Die Vorspannung der Rückstellfeder 26 ist so bemessen, daß das Expansionsventil automatisch bei einem Überdruck in der Größenordnung von 30 bar öffnet.
In 8 ist ein Expansionsventil gemäß einer dritten Ausführungsform gezeigt. Für die von den vorhergehenden Ausführungsformen bekannten Bauteilen werden dieselben Bezugszeichen verwendet, und es wird insoweit auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
Der wesentliche Unterscheid zwischen dem Expansionsventil gemäß der dritten Ausführungsform im Vergleich mit den Expansionsventilen gemäß der ersten und der zweiten Ausführungsform besteht darin, daß bei der dritten Ausführungsform das Ventilelement 22 vom Druck des Kältemittels am Kältemitteleingang E in die geschlossene Stellung beaufschlagt wird, also gegen den Ventilsitz 24, während bei der ersten und der zweiten Ausführungsform das Ventilelement 22 vom anliegenden Druck in eine geöffnete Stellung beaufschlagt wurde.
In gleicher Weise wie bei der zweiten Ausführungsform ist auch bei der dritten Ausführungsform das Ventilelement 22 einstückig mit dem Antriebselement 28 ausgeführt.
Die Abstützschulter 32 ist hier an einem Federhalter 33 ausgebildet, der auf eine Verlängerung 50 des Ventilelements 22 aufgesetzt ist. Der Federhalter 33 trennt die erste Homogenisierungskammer 42 von der zweiten Homogenisierungskammer 44.
In 10 ist eine Ausführungsvariante gezeigt, die sich durch die Ausgestaltung des Federhalters 33 von der dritten Ausführungsform unterscheidet. Der Federhalter 33 ist hier mit drei Abstützarmen 52 versehen, die außen an der Wandung im Strömungsweg anliegen. Die Abstützarme sorgen für eine Reibung, wenn der Federhalter 33 und damit das Ventilelement 22 in Längsrichtung verschoben werden. Diese Reibung verringert die Flatterneigung.
Ein besonderer Vorteil der beschriebenen Ausführungsformen der Expansionsventile liegt darin, daß sie in sehr vorteilhafter Ausrichtung an dem Blech zwischen dem Motorraum und dem Fahrzeuginnenraum angebracht werden können. Der sich in Längsrichtung erstreckende Kältemittelausgang kann direkt durch eine Öffnung im Blech zum Verdampfer im Klimagerät geführt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1380456 A1 [0003]

Claims

Expansionsventil für eine Klimaanlage, mit einem Grundkörper (20), in welchem ein Kältemitteleingang (E) vorgesehen ist und ein Kältemittelausgang (A), der eine Mittelachse (M) aufweist, einem Ventilsitz (24), der im Grundkörper (20) ausgebildet ist, einem Ventilelement (22), das verschiebbar in dem Grundkörper (20) angeordnet ist und mit dem Ventilsitz (24) zusammenwirken kann, und einem Antriebselement (28), welches das Ventilelement (22) verschieben kann und eine Achse (M1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (M1) des Antriebselements (28) parallel mit der Mittelachse (M2) des Kältemittelausgangs (A) verläuft.
Expansionsventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (M1) des Antriebselements (28) mit der Mittelachse (M2) des Kältemittelausgangs (A) zusammenfällt.
Expansionsventil nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilelement (22) ein spitzwinkliger Kegel ist.
Expansionsventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenkontur des Kegels einen Winkel zwischen 3° und 15° mit der Mittelachse (M) einschließt, vorzugsweise 10°.
Expansionsventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilelement (22) zumindest abschnittweise eine sphärische Außenfläche aufweist, wobei der Ventilsitz (24) mit dem Ventilelement (22) in der Nähe von dessen Äquator zusammenwirkt.
Expansionsventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsitz (24) einen Radius zwischen 0,5 mm und 3 mm aufweist.
Expansionsventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilelement (22) stromaufwärts oder stromabwärts des Ventilsitzes (24) angeordnet ist.
Expansionsventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rückstellfeder (26) vorgesehen ist, die auf das Ventilelement (22) einwirkt und stromabwärts des Ventilsitzes (24) angeordnet ist.
Expansionsventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstellfeder (26) zwischen einem im Grundkörper (20) angeordneten Widerlager (34) und einer Abstützschulter (32) angeordnet ist, die am Ventilelement (22) bzw. einer Verlängerung (50) des Ventilelements (22) ausgebildet ist.
Expansionsventil nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Führungsring (36) vorgesehen ist, der im Grundkörper (20) angeordnet ist und die Rückstellfeder (26) umgibt.
Expansionsventil nach einem der Ansprüche 8 bis 10 sowie nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstellfeder (26) so ausgelegt ist, daß das Expansionsventil als Überdruckventil wirkt.
Expansionsventil nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ventilsitz (24) und der Abstützschulter (32) eine erste Homogenisierungskammer (42) gebildet ist.
Expansionsventil nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Homogenisierungskammer (42) ein Volumen von 30 mm³ bis 60 mm³ hat.
Expansionsventil nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstellfeder (26) im Strömungsweg des Kältemittels angeordnet ist, so daß eine zweite Homogenisierungskammer (44) gebildet ist.
Expansionsventil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Homogenisierungskammer (44) ein Volumen von 15 mm³ bis 30 mm³ hat.
Expansionsventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebselement (28) zusammen mit der es umgebenden Wandung des Grundkörpers eine Vordrossel bildet, die stromaufwärts des Ventilsitzes (24) angeordnet ist.
Expansionsventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrischer Aktuator (30) vorgesehen ist, der das Ventilelement (22) vom Ventilsitz (24) abheben kann, insbesondere ein Linearaktuator ist, vorzugsweise ein Linear-Schrittmotor.
Expansionsventil nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelachse (M) des Aktuators (30) mit der Achse (M1) des Antriebselements (28) zusammenfällt.
Expansionsventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelachse (M) des Kältemittelausgangs (A) und die Mittelachse (M) des Kältemitteleingangs (E) einen Winkel zwischen 70° und 110° miteinander einschließen.
Expansionsventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungsquerschnitt zwischen Ventilsitz (24) und Ventilelement (22) sich linear mit dem Hub des Ventilelements (22) vom Ventilsitz (24) weg vergrößert.
Expansionsventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebselement (28) einstückig mit dem Ventilelement (22) ausgeführt ist.