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Die
Erfindung betrifft ein Expansionsventil mit den Merkmalen gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine
Kraftfahrzeugklimaanlage.
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Expansionsventile
sind Drosseleinrichtungen, die typischerweise in Kältekreisläufen
beispielsweise einer Klimaanlage eingesetzt werden, um eine Hoch-
und Niederdruckseite voneinander zu trennen, sowie um diverse Regelfunktionen
zu erfüllen. Insbesondere wirkt dabei das Expansionsventil
in dem Kältekreislauf, um die Kältemittelmenge,
die einem Verdampfer unter jeweiligen Arbeitsbedingungen zugeführt
wird, zu regeln und ein Gleichgewicht zwischen Zufluss und Absaugung
bei jedem Betriebszustand aufrecht zu erhalten.
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Um
dem immer stärker werdenden Kostenverfall bezüglich
von Klimaanlagen Rechnung zu tragen, ist es jedoch notwendig die
Herstellungs- und Materialkosten ihrer einzelnen Komponenten möglicht
gering zu halten, wobei allerdings die Funktionen und Wirkungsweisen
der Komponenten mit gleich bleibender Qualität aufrecht
erhalten werden sollen. Insbesondere das Expansionsventil ist eine
wichtige Komponente des Kältekreislaufs, um einen maximalen
Wirkungsgrad in einer Klimaanlage zu erzielen.
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Aus
DE 10 2005 003 967
A1 ist ein Expansionsventil mit hoher Effizienz zur Erzielung
maximaler Leistungsdaten eines Expansionsventils bekannt, welches
ein Expansionsorgan mit einem Öffnungsquerschnitt im Bereich
zwischen 0,06 mm
2 bis 0,50 mm
2 und
parallel dazu angeordnet ein Bypassventil umfasst. Das Bypassventil öffnet
erst bei einem Überdruck eines voreingestellten Hochdrucks,
da durch den Öffnungsquerschnitt des Expansionsorgans ein
hoher Massenstrom beziehungsweise ein Massenstrom mit hohem Druck
aus einer Zuführleitung zur Abführleitung gelangt.
Dadurch wird eine Erhöhung des Kältemittelmassenstromes
erzielt, wodurch eine größere Kälteleistung
erzielt wird. Das in
DE
10 2005 003 967 A1 beschriebene Expansionsventil weist
einen Ventilschießglied auf, welches durch eine Rückstelleinrichtung
in einer Schließposition gehalten wird. Die Rückstelleinrichtung
umfasst eine Spiralfeder und einen Faltenbalg.
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Weiterhin
wird in
DE 100 62
790 A1 ein Expansionsventil beschrieben, welches als Membranventil
ausgebildet ist. Das Expansionsventil weist eine Kunststoffmembran,
einen Kunststoffgrundkörper und nichtmetallische Flächen
im gasberührten Bereich des Membranventils auf. Das Oberteil
des Membranventils wird durch übliche metallische Teile gebildet.
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Die
aus dem Stand der Technik bekannten Expansionsventile sind konstruktiv
aufwändig und daher teuer in der Herstellung. Insbesondere
die zur Schaffung einer Druckdifferenz zwischen Hochdruck und Umgebungsdruck
vorgesehene Konfiguration, welche einen Faltenbalg und eine Spiralfeder
verwendet, erfordert einen hohen konstruktiven Aufwand, der mit
einem hohen Kostenfaktor verbunden ist.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, eine Expansionsventil
sowie eine Kraftfahrzeugklimaanlage mit einem Expansionsventil zu
schaffen, welches bei Aufrechterhaltung seiner Funktionen und zuverlässiger
Wirkungsweise kostengünstig herstellbar ist.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Expansionsventil mit den Merkmalen gemäß Anspruch
1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen
definiert.
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Gemäß der
Erfindung wird ein Expansionsventil für einen Kältekreislauf,
insbesondere für einen Kältekreislauf einer Kraftfahrzeugklimaanlage,
vorgesehen, welches ein Ventilgehäuse aufweist, in welchem
ein Ventilsitzkörper und ein Ventilschließelement
angeordnet sind, welche an einem Ventilsitz zusammenwirken, um einen
Druck eines das Expansionsventil durchströmenden Kältemittels
zu begrenzen. Erfindungsgemäß ist das Ventilschließelement
in einer Ventilkappe ausgebildet, wobei zwischen der Ventilkappe
und einem das Ventilgehäuse verschließenden Verschlusselement
ein elastischer Körper angeordnet ist. Die erfindungsgemäße
Konfiguration, welche ein elastisches Element zwischen einer das Ventilschießelement
umfassenden Ventilkappe und dem Verschlusselement aufweist, ist
konstruktiv einfach und daher kostengünstig herstellbar.
Ein balgartig ausgebildeter Bereich und eine Spiralfeder, wie sie
bei Expansionsventilen des Standes der Technik zum Druckausgleich
eingesetzt werden, sind bei der erfindungsgemäßen
Konfiguration nicht erforderlich. Durch Ersetzen der im Stand der
Technik verwendeten Regeleinheit durch die Ventilkappe kann eine
wesentliche Kostenersparnis erzielt werden. Auch wird mittels des
erfindungsgemäßen Expansionsventils eine zuverlässige
Wirkung und Funktion sichergestellt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist der elastische Körper
aus Kautschuk, insbesondere aus Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk,
hergestellt.
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So
bildet der elastische Körper auf einfache und kostengünstige
Art und Weise eine Art „Gummipuffer”, der die
im Stand der Technik bekannte teure Konstruktion aus Stahlfeder
und Stahlbalg ersetzt.
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Gemäß einer
Alternative kann der elastische Körper auch aus einem Kunststoff
mit elastischen Eigenschaften, insbesondere aus einem Elastomer, hergestellt
sein.
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Sowohl
der vorzugsweise eingesetzte synthetische Kautschuk als auch der
gemäß einer alternativen Ausführungsform
eingesetzte Kunststoff weisen eine Beständigkeit gegen
das im Kältekreislauf verwendete Kältemittel auf,
um eine lange Haltbarkeit bzw. Lebensdauer des Expansionsventils
zu gewährleisten. Vorzugsweise wird im Kältekreislauf CO2 (R744) als Kältemittel eingesetzt,
was eine gute Umweltverträglichkeit vorsieht; wobei das
elastische Element dementsprechend eine gute R744-Resistenz aufweist.
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Vorzugsweise
weist das Verschlusselement eine Entlüftungsplatte mit
einer Durchgangsbohrung auf. Mittels der Durchgangsbohrung wird
auf vorteilhafte Art und Weise der Umgebungsdruck auf den Ventilsitz
automatisch ausgeglichen. Mittels des Verschlusselements, welches
vorzugsweise als Verschlussschraube ausgebildet ist, können
darüber hinaus der Ventildruck und gleichzeitig die Ventildichtung
eingestellt werden.
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Besonders
bevorzugt ist es, wenn das elastische Element zwischen der Ventilkappe
und der Entlüftungsplatte angeordnet ist, wobei das elastische Element
an der Ventilkappe und an der Entlüftungsplatte fixiert
ist.
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Vorzugsweise
ist dabei im Falle des Verwendens von Kautschuk, insbesondere von
EPDM als Material für das elastische Element, das elastische Element
auf die Ventilkappe und die Entlüftungsplatte aufvulkanisiert.
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Gemäß noch
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Ventilkappe
aus Metall, insbesondere als metallisches Präzisionsziehteil,
hergestellt. Das Verwenden von Metall für die Ventilkappe sieht
einen guten und widerstandsfähigen Schutz für das
elastische Element beim Öffnen bzw. Schließen des
Expansionsventils vor. Auch ist die Herstellung als metallisches
Ziehteil, welches bereits das Ventilschließelement für
den Ventilsitz beinhaltet, besonders kostengünstig verglichen
mit einer getrennten Herstellung einzelner Bauteile.
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Weiterhin
weist das elastische Element vorzugsweise eine Aussparung auf, welche
mit der Durchgangsbohrung der Entlüftungsplatte kommuniziert.
Die Aussparung dient dem Druckausgleich, wenn das elastische Element
zum Begrenzen eines Hochdrucks zusammengedrückt wird, um
die Öffnung am Ventilsitz freizugeben.
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Besonders
bevorzugt ist es darüber hinaus, wenn das elastische Element
an einer inneren Wand des Ventilgehäuses dichtend anliegt,
bzw. wenn das elastische Element gegenüber der Wand des
Ventilgehäuses abgedichtet ist.
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Gemäß noch
einer bevorzugten Ausführungsform weist das elastische
Element eine gestufte Form auf, wobei an einer Fläche einer
Stufe ein Schraubgewinde zum Einschrauben des elastischen Elements
in das Ventilgehäuse vorgesehen ist. Dies ermöglicht
eine besonders einfache Montage des elastischen Elements in dem
Ventilgehäuse.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Ventilsitzkörper
aus Metall hergestellt, was eine bessere Haltbarkeit und somit längere
Lebensdauer des Expansionsventils verglichen mit Kunststoff vorsieht.
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Vorzugsweise
sind in dem Ventilsitzkörper eine erste Durchgangsöffnung
und eine zweite Durchgangsöffnung ausgebildet, welche an
einem jeweiligen ersten Ende in einen Druckraum des Expansionsventils
münden, wobei das erste Ende der ersten Durchgangsöffnung
durch den Ventilsitzkörper verschießbar ist, und
wobei die zweite Durchgangsöffnung mit einem zweiten Ende
in die erste Durchgangsöffnung mündet. Mittels
dieser Konfiguration kann der Druck des über eine Zuführleitung
zugeführten Kältemittels auf einfache und zuverlässige
Art und Weise geregelt bzw. begrenzt werden.
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Gemäß einer
zweckmäßigen Weiterbildung weist die zweite Durchgangsöffnung
einen kleineren Durchmesser als die erste Durchgangsöffnung
auf, wobei die zweite Durchgangsöffnung als Fixdrossel des
Expansionsventils wirkt, und wobei die zweite Durchgangsöffnung
zur Druckregelung, insbesondere zur Druckbegrenzung des in dem Kältemittel
vorhandenen Hochdrucks wirkt.
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Bei
einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist es
zweckmäßig, wenn die zweite Durchgangsöffnung
variabel gesteuert wird. Dabei kann sie in einem Ausführungsbeispiel
vorteilhaft elektrisch gesteuert werden, oder bei einem weiteren Ausführungsbeispiel
mit einer differenzdruckgesteuerten variablen Öffnung versehen
sein oder eine thermisch gesteuerte variable Öffnung aufweisen.
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Bevorzugt
ist auch, wenn in dem Druckraum ein Filtereinsatz zum Filtern des
Kältemittels beim Durchlaufen des Expansionsventils vorgesehen
ist.
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Vorzugsweise
weist der Kältekreislauf zumindest einen Kompressor, einen
Außenwärmeüberträger, einen
Wärmetauscher, einen Verdampfer und einen Sammler auf.
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Weiterhin
wird erfindungsgemäß eine Kraftfahrzeugklimaanlage
bereitgestellt, welche ein Expansionsventil mit den obigen Merkmalen
umfasst.
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Im
Nachfolgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnungen näher
beschrieben. Es zeigen:
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1 ein
Expansionsventil gemäß dem Stand der Technik,
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2 ein
Expansionsventil gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung.
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1 zeigt
ein Expansionsventil 1 gemäß dem Stand
der Technik. Zunächst wird die Funktionsweise des Expansionsventils 1,
welches in einem Kältekreislauf einer Kraftfahrzeugklimaanlage
einsetzbar ist, beschrieben werden. In dem Kältekreislauf
führt ein Kompressor (nicht gezeigt) verdichtetes Kältemittel,
beispielsweise CO2, hochdruckseitig einem
Außenwärmeüberträger (nicht
gezeigt) zu, welcher mit der Umgebung in Verbindung steht und Wärme
nach außen abgibt. Dem Außenwärmeüberträger ist
ein Wärmetauscher nachgeschaltet, welcher das Kältemittel
dem Expansionsventil 1 über eine Zuführleitung 2 zuführt.
Vor dem Expansionsventil liegt hochdruckseitig ein Eingangsdruck
an, welcher je nach Außentemperatur z. B. zwischen 60 und
130 bar betragen kann. Das Kältemittel durchströmt
das Expansionsventil 1, um auf der Niederdruckseite mit einem
deutlich niedrigen Druck im Vergleich zu dem Eingangsdruck auszutreten,
welcher z. B. zwischen 35 und 60 bar liegen kann. Über
eine Abführleitung 3 wird das Kältemittel,
welches durch die Druckerniedrigung abgekühlt ist, zu einem
Verdampfer (nicht gezeigt) zugeführt, wo es der Umgebung
Wärme entzieht, wodurch wiederum die Kühlung von
z. B. einem Fahrzeuginnenraum erzielt wird. Stromabwärts
des Verdampfers durchströmt das Kältemittel wiederum den
Wärmetauscher und gelangt danach zum Ausgangspunkt, dem
Kompressor, zurück.
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Das
in 1 gezeigte Expansionsventil 1 gemäß dem
Stand der Technik ist wie folgt aufgebaut. Das Expansionsventil 1 weist
ein Ventilgehäuse 4 auf, durch welches die Zuführleitung 2 zu
einem Druckraum 5 geführt ist. In dem Druckraum 5 ist
ein Ventilschließkörper 6 mit einem konischen
Ventilschließelement 7 angeordnet. Das Ventilschließelement 7 wirkt
mit einem Ventilsitzkörper 15 an einem Ventilsitz 8 zusammen,
um die Abführleitung 3 zu öffnen und
zu schließen. Der Ventilschließkörper 6 wird durch
eine Rückstelleinrichtung 9 in der Schließposition
gehalten. Die Rückstelleinrichtung 9 umfasst eine
Spiralfelder 10 und einen Balg 11. Zwischen der Zuführleitung 2 und
der Abführleitung 3 ist eine Expansionseinrichtung 12 vorgesehen,
welche als eine Durchgangsbohrung mit einem festen Öffnungsquerschnitt
AF ausgebildet ist. Durch diese Expansionseinrichtung 12 wird
ein Massenstrom unmittelbar von der Zuführleitung 2 zur
Abführleitung 3 durch das Expansionsventil 1 geleitet.
Erst ab dem Überschreiten eines einstellbaren Wertes eines
Hochdrucks erfolgt eine Öffnung des Ventilschließelements 7,
um den Überdruck abzubauen.
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2 zeigt
ein Expansionsventil 1 gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung, welches in einem Kältekreislauf einer Kraftfahrzeugklimaanlage einsetzbar
ist. Der Kältekreislauf entspricht im Wesentlichen dem
im Zusammenhang mit dem Expansionsventil 1 des Standes
der Technik beschriebenen Kältekreislauf und wird daher
nicht erneut erläutert. Das Expansionsventil 1 weist
ein aus Metall hergestelltes Ventilgehäuse 4 auf,
durch welches eine Zuführleitung 2 zum Zuführen
von Kältemittel in Form eines CO2-Stroms
in das Expansionsventil 1 hinein und eine Abführleitung 3 zum
Abführen bzw. Absaugen des Kältemittels aus dem
Expansionsventil 1 heraus führt.
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Die
Zuführleitung 2 und die Abführleitung 3 können
bei einem Ausführungsbeispiel auf einer gemeinsamen Längsachse
L angeordnet sein.
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Die
Zuführleitung 2 mündet in einen Druckraum 5,
in welchem ebenfalls ein Filtereinsatz 13 zum Filtern bzw.
Reinigen des Kältemittels angeordnet ist. Das Kältemittel
passiert zunächst den Filtereinsatz 13, bevor
es in eine zweite Durchgangsöffnung 14, welche
in einem Ventilsitzkörper 15 vorgesehen ist, eintritt.
Diese zweite Durchgangsöffnung 14 wirkt als so
genannte Fixdrossel des Expansionsventils 1. Weiterhin
ist in dem Ventilsitzkörper 15 eine erste Durchgangsöffnung 16 vorgesehen,
welche an einem ersten Ende 17 ebenfalls in den Druckraum 5 mündet,
und an einem zweiten Ende 18 in die Abführleitung 3 mündet.
Die zweite Durchgangsöffnung 14, welche einen
deutlich geringeren Durchmesser bzw. Strömungsquerschnitt
als die erste Durchgangsöffnung 16 aufweist, mündet
mit einem ersten Ende 19 in den Druckraum 5 und
mit einem zweiten Ende 20 in die erste Durchgangsöffnung 16.
Das Expansionsventil 1 weist weiterhin eine aus Metall
hergestellte Ventilkappe 21 auf, welche als Präzisions-Ziehteil einstückig
mit einem Ventilschließelement 32 ausgebildet
ist. Das Ventilschließelement 32 ragt halbkugelförmig
von der Ventilkappe 21 ab, um mit dem ersten Ende 18 der
ersten Durchgangsöffnung 16 an einem Ventilsitz 8 zum Öffnen
und Schließen des Expansionsventils 1 zusammenzuwirken.
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Die
Ventilkappe 21 ist weiterhin mit einem umlaufenden Kragen 22 ausgebildet,
welcher an einer Stufe 23 des Ventilgehäuses 4 anliegt
bzw. darauf aufliegt. An der Oberseite wird das Expansionsventil 1 durch
ein Verschlusselement 24, welches eine Entlüftungsplatte 25 aufweist,
verschlossen. Die Entlüftungsplatte 25 weist eine
Durchgangsbohrung 26 auf, durch welche der Umgebungsdruck
auf den Ventilsitz automatisch ausgeglichen wird. Das Verschlusselement 24 ist
an seinem äußeren Umfang mit einem Gewinde versehen,
mittels welchem es in eine Öffnung 27 des Ventilgehäuses 4 eingeschraubt werden
kann. Zwischen dem Verschlusselement 24 bzw. der Entlüftungsplatte 25 des
Verschlusselements 24 und der Ventilkappe 21 ist
ein elastischer Körper 28 angeordnet. Der elastische
Körper 28 ist aus Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk
(EPDM) hergestellt und ist an der Entlüftungs platte 25 sowie
an der Ventilkappe 21 mittels Vulkanisieren fixiert. Weiterhin
weist der elastische Körper 28 ein Gewinde 29 auf,
mittels welchem er in das Ventilgehäuse 4 einschraubbar
ist. Der elastische Körper 28 ist gegen eine innere
Wandung 30 der Öffnung 27 des Ventilgehäuses 4 abgedichtet
bzw. liegt dichtend gegen diese an. Weiterhin weist der elastische
Körper eine gestufte Form entsprechend der Ventilgehäuseform in
dem Abschnitt auf, in welchem der elastische Körper 28 in
die Öffnung 27 des Ventilgehäuses 4 eingesetzt
ist. An seiner Oberseite weist der elastische Körper weiterhin
eine Aussparung 31 auf, die mit der Durchgangsbohrung 26 der
Entlüftungsplatte 25 kommuniziert. Wenn das elastische
Element 28 komprimiert wird, wenn ein vorbestimmter Druck,
wie z. B. 110 oder 115 bar, in der Zuführleitung 3 überschritten
wird, wobei das Ventilschießelement 32 langsam von
dem Ventilsitz 8 abhebt und die erste Durchgangsöffnung 16 freigibt,
um den Hochdruck des Kältemittelstroms, der maximal z.
B. 133 bar betragen darf, zu regeln, insbesondere zu begrenzen,
kann ein Druckausgleich des Umgebungsdrucks auf den Ventilsitz 8 über
die Aussparung 31 bzw. die Durchgangsbohrung 26 automatisch
stattfinden. Somit finden über das elastische Element 28 gleichzeitig
ein Ausgleich des Umgebungsdrucks sowie eine Regelung des Hochdrucks
statt.
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Durch
seinen konstruktiv einfachen Aufbau und geringere Materialkosten
stellt das erfindungsgemäße Expansionsventil 1,
welches das oben beschriebene elastische Element 28 umfasst,
eine kostengünstige Alternative zu den aus dem Stand der Technik
bekannten Expansionsventilen dar.
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- 1
- Expansionsventil
- 2
- Zuführleitung
- 3
- Abführleitung
- 4
- Ventilgehäuse
- 5
- Druckraum
- 6
- Ventilschließkörper
- 7
- Ventilschließelement
- 8
- Ventilsitz
- 9
- Rückstelleinrichtung
- 10
- Spiralfeder
- 11
- Balg
- 12
- Expansionseinrichtung
- 13
- Filtereinsatz
- 14
- zweite
Durchgangsöffnung
- 15
- Ventilsitzkörper
- 16
- erste
Durchgangsöffnung
- 17
- erstes
Ende der ersten Durchgangsöffnung
- 18
- zweites
Ende der ersten Durchgangsöffnung
- 19
- erstes
Ende der zweiten Durchgangsöffnung
- 20
- zweites
Ende der zweiten Durchgangsöffnung
- 21
- Ventilkappe
- 22
- umlaufender
Kragen
- 23
- Stufe
- 24
- Verschlusselement
- 25
- Entlüftungsplatte
- 26
- Durchgangsbohrung
- 27
- Öffnung
- 28
- elastischer
Körper
- 29
- Gewinde
- 30
- Wandung
- 31
- Aussparung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005003967
A1 [0004, 0004]
- - DE 10062790 A1 [0005]