DE102013012029A1

DE102013012029A1 - Elektronisches Expansionsventil

Info

Publication number: DE102013012029A1
Application number: DE102013012029.2A
Authority: DE
Inventors: Charilaos Dalkidis; Doris Baier; Steffen Edelmann
Original assignee: Honeywell Technologies SARL
Current assignee: Pittway SARL
Priority date: 2013-07-19
Filing date: 2013-07-19
Publication date: 2015-01-22

Abstract

Elektronisches Expansionsventil (10) für Kältemittel in Kälteanlagen, Klimaanlagen oder Wärmepumpen, mit einem einen Ventileinlass (12) und einen Ventilauslass (13) definierenden Ventilgehäuse (11), mit einem im Ventilgehäuse (11) aufgenommen Ventilkörper (14), der in einer Schließstellung an einem Ventilsitz (15) zur Anlage kommt und in einer Öffnungsstellung von dem Ventilsitz (15) wegbewegt ist, mit einem Aktuator (16) zur linearen Verlagerung des Ventilkörpers (14) relativ zum Ventilsitz (15), und mit einem Federelement (27), welches bei Ausfall des Aktuators (16) unter Bereitstellung einer mechanischen Fail-Safe-Funktion den Ventilkörper (14) in die Schließstellung verlagert, wobei der Ventilkörper (14) an einem ersten Abschnitt (17) eine Drehsicherung (18) aufweist und über die Drehsicherung (18) mit einem gehäuseseitigen Bauteil (19) in Eingriff steht, wobei der Ventilkörper (14) an einem zweiten Abschnitt (20) ein Gewinde (21) aufweist und über das Gewinde (21) mit einem rotorseitigen, über den Aktuator (16) drehbaren und in linearer Verlagerungsrichtung des Ventilkörpers (14) feststehenden Bauteil (22) in Eingriff steht, und wobei das am zweiten Abschnitt (20) des Ventilkörpers (14) ausgebildete Gewinde (21) nicht selbsthemmend ist, sodass bei Ausfall des Aktuators (16) der Ventilkörper (14) über das Federelement (27) unter Drehung des rotorseitigen Bauteils (22) linear in die Schließstellung verlagerbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Expansionsventil für Kältemittel in Kälteanlagen, Klimaanlagen oder Wärmepumpen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der US 5 735 501 A ist ein elektronisches Expansionsventil für Kältemittel bekannt. Das aus diesem Stand der Technik bekannte elektronische Expansionsventil verfügt über ein Ventilgehäuse mit einem Ventileinlass und einem Ventilauslass. Im Ventilgehäuse ist ein Ventilkörper linear verlagerbar aufgenommen. Zur linearen Verlagerung des Ventilkörpers umfasst das elektronische Expansionsventil einen Aktuator. Dann, wenn der Aktuator mit elektrischem Strom bestromt ist, kann derselbe den Ventilkörper verlagern. Zur Bereitstellung einer Fail-Safe-Funktion weist das elektronische Expansionsventil ein Federelement auf, welches bei Ausfall des Aktuators den Ventilkörper in eine Schließstellung verlagert. Ein solches elektronisches Expansionsventil wird auch als elektronisches Expansionsventil mit mechanischer Fail-Safe-Funktion bezeichnet.
Obwohl aus dem Stand der Technik bereits elektronische Expansionsventile für Kältemittel mit mechanischer Fail-Safe-Funktion bekannt sind, besteht Bedarf daran, derartige elektronische Expansionsventile dahingehend weiterzuentwickeln, dass dieselben eine einfachere und kompaktere Bauform aufweisen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein neuartiges elektronisches Expansionsventil zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein elektronisches Expansionsventil gemäß Anspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß weist der Ventilkörper an einem ersten Abschnitt eine Drehsicherung auf und steht über die Drehsicherung mit einem gehäuseseitigen Bauteil in Eingriff, wobei der Ventilkörper an einem zweiten Abschnitt ein Gewinde aufweist und über das Gewinde mit einem rotorseitigen, über den Aktuator drehbaren und in linearer Verlagerungsrichtung des Ventilkörpers feststehenden Bauteil in Eingriff steht, und wobei das am zweiten Abschnitt des Ventilkörpers ausgebildete Gewinde nicht selbsthemmend ist, sodass bei Ausfall des Aktuators der Ventilkörper über das Federelement unter Drehung des rotorseitigen Bauteils linear in die Schließstellung verlagerbar ist. Die Erfindung stellt ein elektronisches Expansionsventil mit mechanischer Fail-Safe-Funktion bereit, welches über einen einfachen und kompakten Aufbau verfügt.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung trägt das rotorseitige Bauteil einen Magneten, der durch elektrisches Bestromen des Aktuators über den Aktuator berührungslos drehbar ist. Auch hierdurch ist eine kompakte Bauform für das elektronische Expansionsventil realisierbar.
Vorzugsweise ist der Ventilkörper in Durchströmungsrichtung des Ventilgehäuses linear verlagerbar, wobei der Ventilkörper und das Federelement in Durchströmungsrichtung des Ventilgehäuses hintereinander angeordnet sind. Dieses Merkmal unterstützt die Bereitstellung einer kompakten und einfachen Bauform für das erfindungsgemäße elektronische Expansionsventil.
Vorzugsweise umgeben das gehäuseseitige Bauteil und das rotorseitige Bauteil den Ventilkörper abschnittsweise, wobei das gehäuseseitige Bauteil Ausnehmungen aufweist, die in der Öffnungsstellung des Ventilkörpers von Kältemittel durchströmt sind, wobei das rotorseitige Bauteil Ausnehmungen aufweist, die in der Öffnungsstellung des Ventilkörpers von Kältemittel durchströmt sind, wobei der Ventilkörper in der Öffnungsstellung desselben von Kältemittel umströmt ist, und wobei das Federelement in der Öffnungsstellung des Ventilkörpers von Kältemittel umströmt sowie durchströmt ist. Unter Gewährleistung einer kompakten Bauform kann der Aufbau des Expansionsventils weiter vereinfacht werden.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, ohne hierauf beschränkt zu sein, anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
1 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes elektronisches Expansionsventil.
Die hier vorliegende Erfindung betrifft ein elektronisches Expansionsventil für Kältemittel mit mechanischer Fail-Safe-Funktion. Derartige elektronische Expansionsventile kommen zum Beispiel in Kälteanlagen, Klimaanlagen oder Wärmepumpen zum Einsatz.
1 zeigt einen Querschnitt durch erfindungsgemäßes elektronisches Expansionsventil 10. Das elektronische Expansionsventil 10 umfasst ein Ventilgehäuse 11 mit einem Ventileinlass 12 und einem Ventilauslass 13. In 1 ist der Ventileinlass 12 auf der rechten Seite und der Ventilauslass 13 auf der linken Seite gezeigt. Dies ist jedoch ausschließlich rein exemplarischer Natur. So kann das elektronische Expansionsventil 10 der 1 auch in entgegengesetzter Strömungsrichtung durchströmt werden, sodass dann Ventileinlass und Ventilauslass vertauscht sind. Ein derartiges elektronisches Expansionsventil, welches in zwei Richtungen gleichermaßen durchströmt werden kann, wird auch als Biflow-Expansionventil bezeichnet.
Im Ventilgehäuse 11 ist ein Ventilkörper 14 aufgenommen. Bei dem Ventilkörper 14 handelt es sich um eine linear verlagerbare Spindel. Der Ventilkörper 14 ist relativ zu einem vom Ventilgehäuse 11 bereitgestellten Ventilsitz 15 mit Hilfe eines Aktuators 16 linear verlagerbar, wobei in einer Schließstellung des elektronischen Expansionsventils 10 der Ventilkörper 14 am Ventilsitz 15 zur Anlage kommt. In einer Öffnungsstellung des Expansionsventils 10 ist der Ventilkörper 14 vom Ventilsitz 15 abgehoben bzw. wegbewegt, um die Durchströmung des elektronischen Expansionsventils 10 mit Kältemittel freizugeben.
Der Ventilkörper 14 weist an einem ersten Abschnitt 17 eine Verdrehsicherung 18 auf, wobei der Ventilkörper 14 mit diesem ersten Abschnitt 17 und damit mit der Verdrehsicherung 18 mit einem gehäuseseitigen Bauteil 19 in Eingriff steht. Das gehäuseseitige Bauteil 19 ist feststehend und kann weder linear noch drehend verlagert werden. Der Ventilkörper 14 kann relativ zu diesem gehäuseseitigen Bauteil 19 linear verlagert werden, jedoch bedingt durch die Drehsicherung 18 nicht verdreht werden.
An einem zweiten Abschnitt 20 weist der Ventilkörper 14 ein Gewinde 21 auf. Über dieses Gewinde 21 steht der Ventilkörper 14 mit einem rotorseitigen Bauteil 22 in Eingriff, wobei das rotorseitige Bauteil 22 über den Aktuator 16 rotatorisch verlagert und damit gedreht werden kann. Eine Drehbewegung des rotorseitigen Bauteils 22, welches in linearer Richtung nicht verlagerbar ist, wird über den Gewindeeingriff zwischen dem rotorseitigen Bauteil 22 und dem Ventilkörper 14 in eine lineare Verlagerung des Ventilkörpers 14 relativ zu den beiden Bauteilen 22 und 19 umgesetzt.
Das rotorseitige Bauteil 22, welches mit Hilfe des Aktuators 16 gedreht werden kann, ist über ein Lager 23 im Ventilgehäuse 11 drehbar gelagert und nimmt einen Magneten 24 auf. Der Magnet 24 ist zusammen mit dem rotorseitigen Bauteil 22 verdrehbar, nämlich dadurch, dass der Aktuator 16 bestromt wird. Die Verdrehung des Magneten 24 und damit des rotorseitigen Bauteils 22 durch Bestromen des Aktuators 16 erfolgt berührungslos, nämlich dadurch, dass der Aktuator 16 ein magnetisches Feld aufbaut, welches die Verdrehung des Magneten 24 und damit des rotorseitigen Bauteils 22 relativ zum Aktuator 16 verursacht.
Wie 1 entnommen werden kann, umgibt das gehäuseseitige, feststehende Bauteil 19 den linear verlagerbaren Ventilkörper 14 außen abschnittsweise. Ferner umgibt das rotorseitige, drehbare Bauteil 22 den linear verlagerbaren Ventilkörper 14 außen abschnittsweise.
Dann, wenn der Ventilkörper 14 vom Ventilsitz 15 abgehoben ist, gibt der Ventilkörper 14 die Strömung des Kältemittels durch das elektronische Expansionsventil 10 vom Ventileinlass 12 in Richtung auf den Ventilauslass 13 frei, wobei dann der Ventilkörper 14 vom Kältemittel umströmt ist. Sowohl in das gehäuseseitige Bauteil 19 als auch in das rotorseitige Bauteil 22 sind Ausnehmungen 25 bzw. 26 eingebracht, die bei geöffnetem elektronischem Expansionsventil 11 von Kältemittel durchströmt sind. Diese Ausnehmungen 25, 26 sind dabei derart bemessen, dass dieselben für keinen Druckverlust der Kältemittelströmung sorgen.
Das elektronische Expansionsventil 10 umfasst weiterhin ein Federelement 27, welches der Bereitstellung einer mechanischen Fail-Safe-Funktion für das Expansionsventil 10 dient. Das Federelement 27 stützt sich einerseits am Ventilkörper 14 und andererseits am Ventilgehäuse 11 ab, wobei sich das Federelement 27 an demjenigen Ende des Ventilkörpers 14 abstützt, welches dem Ende desselben gegenüberliegt, das mit dem Ventilsitz 15 zusammenwirkt. Das rotorseitige Bauteil 22 umgibt das Federelement 17 außen abschnittsweise.
Das am zweiten Abschnitt 20 des Ventilkörpers 14 ausgebildete Gewinde 21 ist erfindungsgemäß nicht selbsthemmend, sodass bei Ausfall des Aktuators 16, zum Beispiel bei einem Ausfall der elektrischen Stromversorgung für den Aktuator 16, das Federelement 27 den Ventilkörper 14 selbsttätig und linear in die Schließstellung verlagert. Hierbei wird das rotorseitige Bauelement 22 relativ zum Ventilkörper 14 verdreht.
Gemäß 1 sind das Federelement 27 und der Ventilkörper 14 in Durchströmungsrichtung des Ventilgehäuses 11 gesehen hintereinander angeordnet. Die lineare Verlagerung des Ventilkörpers 14 bedingt durch den Aktuator 16 sowie im Fail-Safe-Betrieb bedingt durch das Federelement 27 erfolgt in Durchströmungsrichtung des elektronischen Expansionsventils 10. Dann, wenn das elektronische Expansionsventil 10 geöffnet ist und die Kältemittelströmung freigibt, ist das Federelement 27 von Kältemittel durchströmt und umströmt.
Bedingt durch die oben beschriebene geometrische Konturierung und geometrische Anordnung der einzelnen Baugruppen des elektronischen Expansionsventils 10 kann eine kompakte Bauform des elektronischen Expansionsventils 10 bereitgestellt werden. Das Federelement 27 stellt eine mechanische Fail-Safe-Funktion bereit, um bei Ausfall des Aktuators 16 den Ventilkörper 14 linear in Richtung auf den Ventilsitz 15 zu verlagern und das elektronische Expansionsventil 10 zu schließen. Hierzu ist das Gewinde 21, welches am zweiten Abschnitt 20 des Ventilkörpers 14 ausgebildet ist, als nicht selbsthemmendes Gewinde ausgeführt. Hierdurch kann dann das Federelement 27 bei Ausfall des Aktuators 16 den Ventilkörper 14 sicher gegen den Ventilsitz 15 drücken.
Alle obigen Bauelemente 11, 12, 13, 14, 15, 16, 19, 22, 23, 24, 27 des elektronischen Expansionsventils 10 sind vorzugsweise rotationssymmetrisch ausgebildet, wobei Längsmittelachsen 28 derselben einerseits untereinander und andererseits mit der Durchströmungsrichtung des elektronischen Expansionsventils 10 zusammenfallen. Zumindest sind das Ventilgehäuse 11, der Ventilkörper 14, das gehäuseseitige Bauteil 19, das rotorseitige Bauteil 22 und der Magnet 24 rotationssymmetrisch ausbildet.
Bezugszeichenliste

10: Expansionsventil
11: Ventilgehäuse
12: Ventileinlass
13: Ventilauslass
14: Ventilkörper
15: Ventilsitz
16: Aktuator
17: erster Abschnitt
18: Drehsicherung
19: gehäuseseitiges Bauteil
20: zweiter Abschnitt
21: Gewinde
22: rotorseitiges Bauteil
23: Lagerung
24: Magnet
25: Ausnehmung
26: Ausnehmung
27: Federelement
28: Längsmittelachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5735501 A [0002]

Claims

Elektronisches Expansionsventil für Kältemittel in Kälteanlagen, Klimaanlagen oder Wärmepumpen, mit einem einen Ventileinlass (12) und einen Ventilauslass (13) definierenden Ventilgehäuse (11), mit einem im Ventilgehäuse (11) aufgenommen Ventilkörper (14), der in einer Schließstellung an einem Ventilsitz (15) zur Anlage kommt und in einer Öffnungsstellung von dem Ventilsitz (15) wegbewegt ist, mit einem Aktuator (16) zur linearen Verlagerung des Ventilkörpers (14) relativ zum Ventilsitz (15), und mit einem Federelement (27), welches bei Ausfall des Aktuators (16) unter Bereitstellung einer mechanischen Fail-Safe-Funktion den Ventilkörper (14) in die Schließstellung verlagert, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (14) an einem ersten Abschnitt (17) eine Drehsicherung (18) aufweist und über die Drehsicherung (18) mit einem gehäuseseitigen Bauteil (19) in Eingriff steht, der Ventilkörper (14) an einem zweiten Abschnitt (20) ein Gewinde (21) aufweist und über das Gewinde (21) mit einem rotorseitigen, über den Aktuator (16) drehbaren und in linearer Verlagerungsrichtung des Ventilkörpers (14) feststehenden Bauteil (22) in Eingriff steht, das am zweiten Abschnitt (20) des Ventilkörpers (14) ausgebildete Gewinde (21) nicht selbsthemmend ist, sodass bei Ausfall des Aktuators (16) der Ventilkörper (14) über das Federelement (27) unter Drehung des rotorseitigen Bauteils (22) linear in die Schließstellung verlagerbar ist.
Elektronisches Expansionsventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das gehäuseseitige Bauteil (19) Ausnehmungen (25) aufweist, die in der Öffnungsstellung des Ventilkörpers von Kältemittel durchströmt sind.
Elektronisches Expansionsventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das rotorseitige Bauteil (22) Ausnehmungen (26) aufweist, die in der Öffnungsstellung des Ventilkörpers von Kältemittel durchströmt sind.
Elektronisches Expansionsventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (14) in der Öffnungsstellung desselben von Kältemittel umströmt ist.
Elektronisches Expansionsventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (27) in der Öffnungsstellung des Ventilkörpers (14) von Kältemittel umströmt sowie durchströmt ist.
Elektronisches Expansionsventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das gehäuseseitige Bauteil (19) und das rotorseitige Bauteil (22) den Ventilkörper (14) abschnittsweise umgeben.
Elektronisches Expansionsventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (14) in Durchströmungsrichtung des Ventilgehäuses (11) linear verlagerbar ist.
Elektronisches Expansionsventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (14) und das Federelement (27) in Durchströmungsrichtung des Ventilgehäuses (11) hintereinander angeordnet sind.
Elektronisches Expansionsventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das rotorseitige Bauteil (22) das Federelement (27) abschnittsweise umgibt, und wobei sich das Federelement (27) einerseits am Ventilkörper (14) und anderseits am Ventilgehäuse (11) abstützt.
Elektronisches Expansionsventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das rotorseitige Bauteil (22) einen Magneten (24) trägt, der durch elektrisches Bestromen des Aktuators (16) über den Aktuator (16) berührungslos relativ zum Aktuator (16) drehbar ist.
Elektronisches Expansionsventil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das Ventilgehäuse (11), der Ventilkörper (14), das gehäuseseitige Bauteil (19), das rotorseitige Bauteil (22) und der Magnet (24) rotationssymmetrisch ausbildet sind, wobei Längsmittelachsen (28) derselben einerseits untereinander und andererseits mit der Durchströmungsrichtung des elektronischen Expansionsventils zusammenfallen.