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Die Erfindung betrifft ein elektrisches Regelventil zur Verwendung in einem Klimakompressor, insbesondere in einem Klimakompressor für ein Kraftfahrzeug. Das elektrische Regelventil steuert den Kältemittelfluss von einem Hochruckbereich in einen Kurbelraumdruckbereich bzw. von dem Kurbelraumdruckbereich in einen Niederdruckbereich des Klimakompressors.
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Sowohl der Aufbau als auch die Funktionsweise von Klimakompressoren ist dem Fachmann bekannt, z.B. aus:
DE 10 2011 117 354 A1 .
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In einem Kurbelgehäuse eines Klimakompressors sind eine Vielzahl an Kolben angeordnet, um Kältemittel in eine Druckkammer zu pumpen. Die Bewegung der Kolben wird dabei durch eine rotierende Taumelscheibe geführt, wie aus der folgenden Beschreibung deutlich wird.
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Weist die z.B. über einen Riemenantrieb in Rotation versetzte Taumelscheibe einen von Null verschiedenen Kippwinkel auf, führt dies zu einer axialen Hubbewegung der Kolben während ihrer Umdrehung um die Drehachse der Taumelscheibe. Dabei wird Kältemittel von der Saugkammer des Klimakompressors angesaugt und in die Druckkammer gepumpt.
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Die Saugkammer ist mit dem niederdruckseitigen Anschluss des Klimakompressors verbunden, welcher seinerseits im montierten Zustand im Kraftfahrzeug mit dem Niederdruckbereich des Klimasystems, d.h. insbesondere mit dem Ausgang des Verdampfers verbunden ist. Die Druckkammer ist mit dem hochdruckseitigen Ausgang des Klimakompressors verbunden, der seinerseits mit dem Hochdruckbereich des Klimasystems, insbesondere über einen Wärmetauscher mit dem Eingang des Verdampfers verbunden ist.
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Zur Anpassung des Fördervolumens, insbesondere zur Steuerung des Kältemittelflusses, ist es bereits bekannt den Kippwinkel der Taumelscheibe in dem Klimakompressors zu variieren. Ist beispielsweise der Klimakompressor für ein maximales Fördervolumen voreingestellt, bewirkt ein Zurückschwenken der Taumelscheibe eine Verringerung der axialen Hubbewegung der Kolben des Klimakompressors und damit eine Reduktion des Fördervolumens.
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Weiterhin bekannt ist es eine derartige Steuerung des Kältemittelflusses durch ein Regelventil vorzunehmen. Dazu ist das Regelventil mit dem Hochruckbereich, dem Niederdruckbereich und dem Kurbelraumdruckbereich verbunden und steuert den Kältemittelfluss zwischen den drei Bereichen.
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Öffnet beispielsweise das Regelventil, in einer Stellung, eine Verbindung zwischen dem Hochdruckbereich und Kurbelraumdruckbereich des Klimakompressors, strömt Kältemittel von dem Hochdruckbereich in den Kurbelraumdruckbereich; es kommt zu einem Druckanstieg im Kurbelraumdruckbereich.
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Öffnet das Regelventil, in einer weiteren Stellung, eine Verbindung zwischen dem Kurbelraumdruckbereich und dem Niederdruckbereich des Klimakompressors, strömt Kältemittel von dem Kurbelraumdruckbereich in den Niederdruckbereich; es kommt zu einem Druckabfall im Kurbelraumdruckbereich.
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Durch den per Regelventil gesteuerten Druckanstieg im Kurbelraumdruckbereich wird ein Zurückschwenken der Taumelscheibe bewirkt. Damit verringert sich die axiale Hubbewegung der Kolben des Klimakompressors und das Fördervolumen des Klimakompressors wird reduziert. Folglich steigt der Druck im Hochdruckbereich des Klimasystems nicht weiter an.
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Durch den per Regelventil gesteuerten Druckabfall im Kurbelraumdruckbereich wird ein Ausschwenken (d.h. Kippen) der Taumelscheibe bewirkt. Damit vergrößert sich die axiale Hubbewegung der Kolben des Klimakompressors und das Fördervolumen des Klimakompressors wird erhöht. Folglich steigt der Druck im Hochdruckbereich des Klimasystems weiter an.
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Gewöhnlicher Weise wird die Taumelscheibe per Federspannung in gekippter Ausgangsstellung gehalten, sodass bei einem späteren Druckabfall im Kurbelraumdruckbereich die Taumelscheibe wieder in die Ausgangsstellung schwenkt und für eine Ausgangsstellung bezüglich des Fördervolumens im Klimakompressor sorgt.
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Eine beispielhafte Realisierung eines Regelventils 100 soll im Folgenden anhand von 1 erläutert werden. Dabei ist das Regelventil 100 in einer schematischen Darstellung gezeigt wie es für einen Klimakompressor zur Steuerung eines Kältemittelflusses von einem Hochdruckbereich in einen Kurbelraumdruckbereich bzw. von dem Kurbelraumdruckbereich in einen Niederdruckbereich zum Einsatz kommt.
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Die Betätigung des Regelventils 100 erfolgt durch die Bewegung eines Regelkolbens 104 in dem Regelventil. Der Regelkolben 104 umfasst dabei eine Betätigungsstange 106 mit mindestens einem Dichtungskörper 108. Folglich wird die Betätigungsstange 106 in bzw. entgegen der Längsrichtung des Regelkolbens 104 bewegt, sodass der Dichtungskörper 108 den Durchlass zwischen dem Hockdruckbereich und dem Kurbelraumbereich im Regelventil öffnet bzw. blockiert.
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Dabei erfolgt die Bewegung des Regelkolbens 104 im Regelventil häufig als geführte Bewegung. Die Kolbenführung des Regelkolbens kann beispielsweise durch eine Längsbohrung im Gehäuse des Regelventils realisiert werden. Weiterhin können seitliche Aussparungen Ps, Pd, und Pc im Gehäuse für den Anschluss des Hochruckbereich Pd, des Niederdruckbereich Ps und des Kurbelraumdruckbereich Pc vorgesehen sein.
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Im Bereich der Klimakompressoren wird der Regelkolben häufig auch als Nadel bezeichnet. Dabei ist eine Nadel dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungskörper (d.h. Absperrkörper) kegelförmig ausgebildet ist und mit einer ringförmigen Ein-/Auslassöffnung in dem Durchlass zwischen dem Hochdruckbereich und dem Kurbelraumdruckbereich bzw. in dem Durchlass zwischen dem Kurbelraumdruckbereich und dem Niederdruckbereich zusammenwirkt.
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Die Betätigung des Regelkolbens erfolgt dabei gemäß der folgenden Beschreibung: Wird der Regelkolben 104 in eine erste Stellung bewegt, öffnet des Regelventil 100 (genauer: der Dichtungskörper 108) den Durchlass von dem Hochdruckbereich Pd in den Kurbelraumdruckbereich Pc. Gleichzeitig wird der Durchlass zwischen dem Kurbelraumdruckbereich Pc und dem Niederdruckbereich Ps verschlossen (d.h. blockiert).
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Folglich kann Kältemittel von dem Hochdruckbereich Pd in den Kurbelraumdruckbereich Pc strömen und dort für einen Druckanstieg sorgen. Die erste Stellung des Regelventils resultiert in dem Abregeln des Klimakompressors.
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Wird der Regelkolben 104 in eine zweite Stellung bewegt, öffnet das Regelventil 100 (genauer: der Dichtungskörper 108) den Durchlass zwischen dem Kurbelraumdruckbereich Pc und dem Niederdruckbereich Ps. Gleichzeitig wird der Durchlass zwischen dem Hochdruckbereich Pd und dem Kurbelraumdruckbereich Pc verschlossen (d.h. blockiert).
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Folglich wird Kältemittel von dem Kurbelraumdruckbereich Pc in den Niederdruckbereich Ps strömen und im Kurbelraumdruckbereich für einen Druckabfall sorgen. Die zweite Stellung des Regelventils resultiert in dem Aufregeln des Klimakompressors.
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Die Bewegung des Regelkolbens erfolgt durch eine seitlich zur Betätigungsstange 106 angeordnete elektromagnetische Ringspule 102. Wenn in der Ringspule 102 Strom einspeist wird, dann wird im Inneren der Spule ein magnetisches Feld induziert, welches mit dem innerhalb der Ringspule angeordneten Ende der Betätigungsstange 106 des Regelkolbens 104 wechselwirkt.
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Vorteilhafterweise ist das innerhalb der Ringspule 102 angeordnete Ende der Betätigungsstange 106 des Regelkolbens 104 aus ferromagnetischem Material gebildet.
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Bei Regelventilen, die mit einer elektromagnetischen Ringspule betrieben werden, ist die Steuerung der Bewegung des Regelkolbens zwischen der ersten und der zweiten Stellung unpräzise. Die mechanischen und magnetischen Wechselwirkungen zwischen der Ringspule 102 und dem darin angeordneten Ende der Betätigungsstange 106 des Regelkolbens 104 resultiert in einer Hysterese der Bewegung des Regelkolbens 104 bezogen auf den, in die Ringspule 102 eingespeisten Strom.
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Außerdem ist der auf den Dichtungskörper des Regelkolbens wirkende Hoch- bzw. Niederdruck im Hochdruckbereich bzw. im Niederdruckbereich veränderlich und wirkt dem induzierten magnetischen Feld entgegen. Damit ist, beispielsweise, bei einem höheren Druck im Hochdruckbereich ein stärkeres magnetisches Feld notwendig, um beispielsweise den Regelkolben von der einen in die zweite Stellung zu bewegen.
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Weiterhin ist eine präzise Steuerung des Regelventils aufgrund der komplizierten Lagebestimmung des Regelkolbens nachteilig und nicht energieeffizient, da beispielsweise selbst zum Halten des Regelkolbens in der geschlossenen Stellung ein konstanter Stromfluss in der elektromagnetischen Ringspule erforderlich ist.
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Die zugrunde liegende Erfindung stellt sich die Aufgabe ein Regelventil bereitzustellen, das eine präzise Steuerung der Bewegung des Regelkolbens ermöglicht. Weiterhin ist es die Aufgabe der Erfindung ein kostengünstiges Regelventil vorzusehen, das gleichsam energieeffizient arbeitet.
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Zumindest eine der obengenannten Aufgaben wird durch die im Hauptanspruch beschriebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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Gemäß der zugrunde liegenden Erfindung wird ein elektrisches Regelventil vorgeschlagen, das insbesondere für die Verwendung in einem Klimakompressor ausgebildet ist, um einen Kältemittelfluss von einem Hochdruckbereich in einen Kurbelraumdruckbereich bzw. von dem Kurbelraumdruckbereich in einen Niederdruckbereich zu steuern. Das Regelventil umfasst einen Regelkolben, der in zwei verschiedenen Stellungen den Hochdruckbereich mit dem Kurbelraumdruckbereich bzw. den Kurbelraumdruckbereich mit dem Niederdruckbereich verbindet. Weiterhin umfasst das Regelventil einen elektrischen Motor, der den Regelkolben zwischen den zwei Stellungen hin- und herbewegt. In dem Regelventil ist ein Sensor umfasst, der die Stellung des durch den elektrischen Motor bewegten Regelkolbens bestimmt. Zudem umfasst das Regelventil eine Steuerung, die in Abhängigkeit von der durch den Sensor bestimmten Stellung des Regelkolbens den Kältemittelfluss mittels Bewegung des Regelkolbens durch den elektrischen Motor steuert.
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Im Zusammenhang mit der Erfindung bezeichnet der Begriff „Motor“ oder „elektrischer Motor“ eine Vorrichtung, die über eine Rotation elektrische Energie in mechanische Bewegung umsetzt. Dabei impliziert der Begriff Motor oder elektrischer Motor das Vorhandensein eines Stators und eines Rotors, die mittels Rotation den Regelkolben bewegen. Folglich seien all solche Vorrichtungen nicht von dem Begriff des Motors oder elektrischen Motors umfasst, die nicht mittels Rotation den Regelkolben bewegen (Beispielsweise etwa mittels Translation).
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Vorteilhafterweise ermöglicht die Bewegung des Regelkolbens mittels Rotation in einem Motor eine präzise Positionierung des Regelkolbens in den zwei verschiedenen (d.h. der geöffneten und geschlossenen) Stellungen des Regelventils. Bei einer Bewegung des Regelkolbens mittels Rotation in dem elektrischen Motor ist eine winkelgenaue Positionierung des in dem Motor vorgesehenen Rotors zu dem Stator möglich, sodass keine zusätzliche Kompensation von auf den Dichtungskörper wirkender Gegendrücke notwendig wird.
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In anderen Worten: durch die mechanische Umsetzung der rotatorischen Bewegung im Motor in die translatorische Bewegung des Regelkolbens wird der Vorteil des elektrischen Regelventils von einer gesteigerten Präzision in der Hin- und Herbewegung zwischen den zwei Stellungen realisiert. Gleichzeitig ermöglicht die Verwendung eines Motors, im Vergleich zu der elektrischen Ringspule, eine stärkere Vorschubkraft bei der Bewegung des Regelkolbens zwischen den zwei verschiedenen Stellungen des Regelventils, wodurch beispielsweise der Kältemittelfluss von einem Hochdruckbereich in einen Kurbelraumdruckbereich besser verriegelt werden kann.
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Gleichzeitig werden die folgenden Vorteile realisiert: nahezu keine Hysterese, Steigerung der Energieeffizienz, da kein Haltestrom (vgl. etwa elektromagnetische Ringspule) notwendig ist; Verbesserung der Positionsbestimmung mittels zusätzlichem Sensor, beispielsweise für eine präzisere Lagebestimmung des Regelkolbens nach einem elektrischen Neustart (z.B.: hard reset); Kostenreduktion bei der Fertigung des Regelventils; Reduktion der Baugröße des Regelventils und Gewichtsersparnis desselbigen durch Einsparung der elektromagnetischen Ringspule.
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Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird diese anhand der in den nachfolgenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei werden gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen und gleichen Bauteilbezeichnungen versehen. Weiterhin können auch einzelne Merkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen Ausführungen für sich genommen eigenständige erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Regelventils für einen Klimakompressor zur Steuerung eines Kältemittelflusses von einem Hochdruckbereich in einen Kurbelraumdruckbereich;
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2a eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Regelventils für einen Klimakompressor in einer ersten Stellung die der Abregelung des Klimakompressors entspricht;
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2b eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Regelventils für einen Klimakompressor in einer Zwischenstellung die der teilweisen Aufregelung des Klimakompressors entspricht; und
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2c eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Regelventils für einen Klimakompressor zur Steuerung eines Kältemittelflusses in einer zweiten Stellung die der Aufregelung des Klimakompressors entspricht.
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Mit Bezug auf die 2a, 2b und 2c soll nachfolgend zunächst das allgemeine erfinderische Prinzip des Regelventils für einen Klimakompressor zur Steuerung eines Kältemittelflusses von einem Hochdruckbereich in einen Kurbelraumdruckbereich oder von dem Kurbelraumdruckbereich in einen Niederdruckbereich näher erläutert werden.
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In den 2a, 2b und 2c ist ein erfindungsgemäßes Regelventil für einen Klimakompressor eines ersten Ausführungsbeispiels dargestellt, weitere Ausführungsbeispiele werden in der Beschreibung näher erläutert. Alle Ausführungsbeispiele des Regelventils erlauben eine präzise Positionierung des Regelkolbens in den zwei verschiedenen Stellungen des Regelventils.
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Das Regelventil 200 steuert den Kältemittelfluss von einem Hochdruckbereich in einen Kurbelraumdruckbereich bzw. von dem Kurbelraumdruckbereich in einen Niederdruckbereich eines Klimakompressors (nicht gezeigt). Dazu umfasst das Regelventil einen Anschluss Pd zur Verbindung mit dem Hochdruckbereich eines Klimakompressors und einen Anschluss Pc zur Verbindung mit dem Kurbelraumdruckbereich des Klimakompressors und den Anschluss Ps zur Verbindung mit dem Niederdruckbereich des Klimakompressors.
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Weiterhin umfasst das Regelventil 200 einen Regelkolben 204, der zwei verschiedene Stellungen im Regelventil 200 einnehmen kann. Der Regelkolben 204 umfasst dabei eine Betätigungsstange 206 mit mindestens einem Dichtungskörper 208.
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In der ersten der zwei verschiedenen Stellungen verbindet der Regelkolben 204 den Hochdruckbereich mit dem Kurbelraumdruckbereich. In der zweiten der zwei verschiedenen Stellungen verbindet der Regelkolben 204 den Kurbelraumdruckbereich mit dem Niederdruckbereich.
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Die Betätigung des Regelventils 200 erfolgt, im Zusammenhang mit der Erfindung, durch die Positionierung des Regelkolbens 204 in den zwei Stellungen, in denen ein Durchlass von dem Hochdruckbereich in den Kurbelraumdruckbereich bzw. von dem Kurbelraumdruckbereich in den Niederdruckbereich durch den Regelkolben 204 entsprechend geöffnet bzw. blockiert ist.
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Ein elektrischer Motor 202, zusätzlich umfasst in dem Regelventil 200, bewegt den Regelkolben 204 zwischen den zwei Stellungen hin und her. Die Verwendung eines elektrischen Motors 202 impliziert die Bewegung des Regelkolbens 204 mittels Rotation zwischen den zwei Stellungen. Gerade diese rotatorische Bewegung des elektrischen Motors 202 ist vorteilhaft im Sinne der Erfindung, da winkelgenau eine Positionierung des Regelkolbens 204 vorgenommen werden kann.
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Weiterhin umfasst das Regelventil 200 einen Sensor 210, der die Stellung des durch den elektrischen Motor 202 bewegten Regelkolbens 204 bestimmt, und eine Steuerung 212, die in Abhängigkeit von der durch den Sensor 210 bestimmten Stellung des Regelkolbens 204 den Kältemittelfluss mittels Bewegung des Regelkolbens 204 durch den elektrischen Motor 202 steuert.
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In dem Zusammenspiel aus elektrischem Motor 202, Sensor 210 und Steuerung 212 sind weitere erfindungsgemäße Vorteile in der Verbesserung der Präzision bei der Positionierung des Regelkolbens 204 in den zwei verschiedenen Stellungen des Regelventils 200 realizert. Vorteilhafterweise können nämlich durch den Sensor 210 Abweichungen zwischen dem Soll-Wert und dem Ist-Wert in der Steuerung 212 bestimmt werden.
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In anderen Worten erlaubt eine Anpassung der Steuerung 212 zur Ansteuerung des Motors 202 anhand eines Soll-Wertes (Führungsgröße) und eines Ist-Wertes (Regelgröße), welcher der durch den Sensor 210 bestimmte Stellung des Regekolbens entspricht, die Minimierung des Einflusses von Störungen (Störgrößen) bei der Bewegung des Regelkolbens 204.
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Weiterhin können auf vorteilhafte Weise in der Steuerung 212 verschiedene Kennfelder des Regelventils oder des Klimakompressors in umschaltbarer Weise vorgesehen sein, die eine entsprechende präzise Regelung über die Stellung des Regelkolbens auf den Kältemittelfluss von dem Hochdruckbereich in den Kurbelraumdruckbereich übertragen.
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Entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Regelventils ist der Regelkolben derart zwischen den zwei Stellungen bewegbar, dass der Querschnitt der Verbindung zwischen dem Hochdruckbereich und dem Kurbelraumdruckbereich bzw. dem Kurbelraumdruckbereich und dem Niederdruckbereich des Regelventils stufenlos veränderbar ist.
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Folglich wird durch die Hin- und Herbewegung des Regelkolbens letzterer nicht nur in der ersten Stellung, in der das Regelventil den Hochdruckbereich und den Kurbelraumdruckbereich miteinander verbindet, und in der zweiten Stellung, in der das Regelventil dem Kurbelraumdruckbereich und dem Niederdruckbereich miteinander verbindet, positioniert, sondern auch in Zwischenstellungen gebracht, die zwischen der ersten und zweiten Stellung liegen. Damit entsprechen die erste und die zweite Stellung des Regelkolbens Stellungen maximaler Ausrückung im Hinblick auf die Bewegung des Regelkolbens.
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Weiterhin sieht eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Regelventils vor, dass ein Gehäuse des Regelventils die Bewegung des Regelkolbens zwischen den zwei verschiedenen Stellungen führt. Anders ausgedrückt ist das Gehäuse des Regelventils in der vorteilhaften Weiterbildung als eine Führung ausgebildet, sodass die Bewegung des Regelkolbens zwischen den zwei verschiedenen Stellungen beschränkt ist.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Regelventils erfolgt die Bewegung des Regelkolbens in Form einer Schraubbewegung oder in Form einer gradlinigen Bewegung zwischen den zwei Stellungen. Insbesondere bei der Schraubbewegung wird eine besonders präzise Positionierung des Regelkolbens durch den elektrischen Motor ermöglicht, da der Vorwärts- bzw. Rückwärtsbewegung des Regelkolbens in Abhängigkeit von einem Drehwinkel und einer Schraubenkennlinie vorgegeben ist.
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In einer weiteren, vorteilhaften Weiterbildung umfasst das erfindungsgemäße Regelventil zusätzlich ein Getriebe, mithilfe dessen der elektrische Motor die Stellung des Regelkolbens hin- und herbewegt. Dabei ermöglicht das Getriebe beispielsweise die mechanische Umsetzung der Rotationsbewegung des Motors in eine Translationsbewegung zur Bewegung des Regelkolbens zwischen den zwei verschiedenen Stellungen.
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Vorteilhaft ist ein Getriebe auch im Hinblick auf die Anpassungsfähigkeit der Kraft oder des Drehmomentes der Rotationsbewegung des elektrischen Motors bevor damit der Regelkolben bewegt wird. Beispielhafte Implementierungen der letztgenannten vorteilhaften Weiterbildung umfassen ein Schneckengetriebe oder Kegelradgetriebe.
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Besonders hervorzuheben ist, dass der Regelkolben, bei hohem Drehmoment des Motors, in die zwei verschiedenen Stellungen, in denen der Hochdruckbereich und der Kurbelraumdruckbereich bzw. der Kurbelraumdruckbereich und der Niederdruckbereich miteinander verbunden ist, derart bewegt wird, dass die jeweils andere Verbindung, nämlich zwischen dem Kurbelraumdruckbereich und dem Niederdruckbereich bzw. zwischen dem Hochdruckbereich und dem Kurbelraumdruckbereich, besonders gut abgedichtet wird. Damit steigt die Effizienz bei der Verwendung des Regelventils.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Regelventils sieht vor, dass der elektrische Motor als Servomotor ausgebildet ist und den Sensor integriert. Dabei ist diese Realisierung insoweit vorteilhaft, da sie einen weiteren Sensor in dem Regelventil zur Positionsbestimmung des Regelkolbens überflüssig macht. Konstruktionsbedingt detektiert ein in einem Servomotor integrierter Sensor zwar die Drehposition der Motorwelle, jedoch steht diese in direkter Abhängigkeit zu der Stellung des Regelkolbens.
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Insbesondere bei der Kombination der zuletzt obengenannten beispielhaften Weiterbildungen mit Servomotor und Getriebe ist der Sensor derart angepasst, dass die Stellung des Regelkolbens in Abhängigkeit von einer Drehposition der Motorwelle des Servomotors und einem bekannten Übersetzungsverhältnis des Getriebes bestimmt wird. Dabei wird die direkte Abhängigkeit der Stellung des Regelkolbens von der Rotationsbewegung des Motors und dem Übersetzungsverhältnis des Getriebes ausgenutzt, und es kann auf einen zusätzlichen Sensor in dem Regelventil zur Positionsbestimmung des Regelkolbens verzichtet werden.
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In einer anderen vorteilhaften Weiterbildung, ist der Sensor des erfindungsgemäßen Regelventils als Hallsensor ausgebildet. Dabei ist die Bestimmung der Position des Regelkolbens aus dessen Bewegung als eine Änderung eines Magnetfeldes möglich. Verschiedene Konstruktionen des Regelventils lassen eine derartige Positionsbestimmung als Magnetfeldänderung zu.
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Einerseits könnte beispielsweise zumindest das dem Sensor zugewandte Ende des Regelkolbens magnetisiert sein oder einen Magneten (vorzugsweise einen Permanentmagneten) umfassen, sodass die Bewegung des Regelkolbens direkt eine Änderung des Magnetfeldes bewirkt und damit durch den als Hallsensor ausgebildeten Sensor bestimmbar wird. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Permanentmagnet derart an dem Regelkolben vorgesehen, dass er dem Hallsensor gegenüberstehend angeordnet ist.
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Andererseits könnte beispielsweise zumindest das dem Sensor zugewandte Ende des Regelkolbens aus Metall oder einer Metalllegierung gebildet sein, sodass die Bewegung des Regelkolbens ein externes Magnetfeld indirekt, durch Abschirmung oder Fokussierung, ändert und damit derart steuert, dass eine Änderung durch den als Hallsensor ausgebildeten Sensor bestimmbar wird.
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Eine derartige Weiterbildung ist insbesondere bei der Miniaturisierung des erfindungsgemäßen Regelsensors vorteilhaft, da es bei dieser Anordnung nicht mehr erforderlich ist, dass das magnetisierte Ende des Regelkolbens oder der daran angebrachte Magnet fluchtend mit dem Sensor angeordnet sind. Vielmehr kann ein externes Magnetfeld auch durch einen seitlich angeordneten Permanentmagneten erzeugt werden, sodass die Bauhöhe des Regelventils in Längsachse reduziert werden kann.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Regelventils ist der Hallsensor derart ausgebildet, dass er zumindest in einer der zwei verschiedenen Stellungen des Regelkolbens den daran angeordneten Permanentmagnet einfasst (z.B. umgibt) und damit das emittierte Magnetfeld durch äußere Störungen abschirmt. Alternativ wird natürlich der gleiche Effekt auch dadurch erzeugt, dass in einer Stellung des Regelkolbens der Hallsensor durch den an dem Regelkolben angeordneten Permanentmagneten angeordnet ist.
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Diese Weiterbildung ist deshalb vorteilhaft, da durch die Einfassung des Permanentmagneten durch den Hallsensor (oder umgekehrt) in einer der Stellungen des Regelkolbens, diese Stellung unabhängig von Störungen durch einem externes magnetischen Feld bestimmt wird.
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Insbesondere erlaubt eine solche Weiterbildung auch die Kalibrierung des Sensors in dieser von Störungen unabhängigen Stellung des Regelkolbens, was beispielsweise zur Kompensation von Temperaturschwankungen und der damit verbundenen Änderung des emittierten Magnetfeldes eines Permanentmagneten vorteilhaft ist. Folglich kann auch auf diese Art und Weise die Präzision bei der Positionsbestimmung des Regelkolbens im erfindungsgemäßen Regelventil verbessert werden.
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Weiterhin sieht eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Regelventils vor, dass der Hallsensor derart ausgebildet ist, dass er zumindest eine der zwei verschiedenen Stellungen des Regelkolbens ohne Bewegung desselbigen bestimmt. Dazu kann beispielsweise der Hallsensor derart ausgebildet sein, dass die gemessene Magnetfeldstärke verglichen wird mit einem voreingespeicherten (optional re-kalibrierbaren) Referenzwert für eine Magnetfeldstärke, die den zumindest einen der zwei verschiedenen Stellungen des Regelkolbens zugeordnet ist.
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Eine andere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Regelventils sieht vor, dass der Hallsensor ohne einen voreingespeicherten Referenzwert für eine (d.h. absolute) Magnetfeldstärke auskommt. Dabei ist der Hallsensor derart angepasst, dass die gemessene Änderung der Magnetfeldstärke verglichen wird mit dem Ansteuerungssignal des elektrischen Motors zur Bewegung des Regelkolbens.
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Wird beispielsweise der elektrische Motor mit einem gleichförmigen Signal angesteuert, bewegt er den Regelkolben zwischen den zwei Stellungen in linearer Weise. Bei einer Wegbewegung des Regelkolbens von dem Hallsensor nimmt die gemessene Änderung der Magnetfeldstärke ab, je weiter sich der Regelkolben von dem Hallsensor entfernt. Folglich kann auf diese Weise die Entfernung und damit Position des Regelkolbens auch anhand der Änderung der Magnetfeldstärke durch den Hallsensor bestimmt werden.
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Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Regelventils ist die Steuerung derart ausgebildet, dass der Kältemittelfluss mittels Bewegung des Regelkolbens durch den elektrischen Motor in Abhängigkeit von der durch den Sensor bestimmten Stellung des Regelkolbens und von einem pulsweitenmodulierten (d.h. PWM-)Eingangssignal gesteuert wird. Beispielsweise hat das PWM-Eingangssignal eine Frequenz von 400 Hz oder anders formuliert eine Pulsweitendauer von 1/400 Sekunde.
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Insbesondere wird dadurch die Rückwärtskompatibilität mit bestehenden Klimakompressoren gewährleistet, für deren Ansteuerung ein PWM-Eingangssignal vorgesehen ist.
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Zudem ist die Steuerung in einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Regelventils derart ausgebildet ist, dass zumindest teilweise die durch das pulsweitenmodulierte Eingangssignal bereitgestellte Energie für die Bewegung des Regelkolbens durch den Motor und für die Bestimmung der Stellung des Regelkolben durch den Sensor verwendet wird. Dadurch wird eine zusätzliche Energieversorgung des Regelventils überflüssig.
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Mit Bezugnahme auf die 2a, 2b, und 2c sollen im Folgenden drei exemplarische Stellungen des Regelkolbens im erfindungsgemäßen Regelventils entsprechend eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
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In 2a, 2b, und 2c ist das erfindungsgemäße Regelventil 200 entsprechend des ersten Ausführungsbeispiels gezeigt. Dabei umfasst das Regelventil 200 den bereits beschriebenen Regelkolben 204, den elektrischen Motor 202, den Sensor 210 und die Steuerung 212.
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Um Wiederholungen zu vermeiden, sei in diesem Zusammenhang nur auf obige Ausführungen verwiesen, die erläutern, wie das Regelventil den Kältemittelfluss von einem Hochdruckbereich Pd in einen Kurbelraumdruckbereich Pc bzw. von dem Kurbelraumdruckbereich Pc in den Niederdruckbereich Ps insbesondere in einem Klimakompressors ermöglicht.
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Dabei umfasst der Regelkolben 204 des Regelventils 200 entsprechend des ersten Ausführungsbeispiels eine Betätigungsstange 206 und an ihrem einen Ende einen Dichtungskörper 208, wobei die Betätigungsstange 206 und der Dichtungskörper 208 wie in dem abgebildeten ersten Ausführungsbeispiel aus einem Stück aufgebaut (d.h. geformt) sind.
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Die Betätigung des Regelkolbens 204 erfolgt dabei durch den elektrischen Motor 202, der die Betätigungsstange 206 in Bewegung versetzt. Durch eine mechanische Kopplung zwischen Betätigungsstange 206 und Dichtungskörper 208 wird die Bewegung auf den Dichtungskörper 208 übertragen. In dem Ausführungsbeispiel erfolgt die Betätigung der Betätigungsstange 206 als lineare Bewegung in Längsrichtung des Regelventils 200 und wird, durch den einstückigen Aufbau, gleichermaßen auf den Dichtungskörper 208 übertragen.
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Wird der Regelkolben 204 des Regelventils 200 in eine erste Stellung bewegt, öffnet der Dichtungskörper 208 den Durchlass zwischen dem Hochdruckbereich Pd und den Kurbelraumdruckbereich Pc öffnet (siehe beispielsweise 2a). Folglich kann Kältemittel von dem Hochdruckbereich Pd in den Kurbelraumdruckbereich Pc eines Klimakompressors strömen und dort (d.h. im Kurbelraum des Klimakompressors) für einen Druckanstieg sorgen. Die erste Stellung des Regelventils resultiert in dem Abregeln des Klimakompressors.
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Gleichzeitig ist in der ersten Stellung des Regelkolbens der Durchlass zwischen dem Kurbelraumdruckbereich Pc und dem Niederdruckbereich Ps verschlossen (d.h. blockiert). Folglich kann kein Kältemittel von dem Kurbelraumdruckbereich in den Niederdruckbereich strömen und für einen Druckabfall im Kurbelraum sorgen.
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Wird der Regelkolben 204 des Regelventils 200 in eine zweite Stellung bewegt, öffnet der Dichtungskörper 208 den Durchlass zwischen dem Kurbelraumdruckbereich Pc und dem Niederdruckbereich Ps (siehe beispielsweise 2b und 2c). Folglich kann Kältemittel von dem Kurbelraumdruckbereich Pc in den Niederdruckbereich Ps eines Klimakompressors strömen und für einen Druckabfall im Kurbelraum sorgen. Die zweite Stellung des Regelventils resultiert in dem Aufregeln des Klimakompressors.
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Gleichzeitig ist in der zweiten Stellung des Regelkolbens der Durchlass zwischen dem Hochdruckbereich Pd und den Kurbelraumdruckbereich Pc verschlossen (d.h. blockiert). Folglich kann kein Kältemittel von dem Hochdruckbereich in den Kurbelraumdruckbereich strömen und dort (d.h. Kurbelraum des Klimakompressors) nicht für einen Druckanstieg sorgen.
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Entsprechend des Ausführungsbeispiels ist der Regelkolben 204 derart zwischen den zwei Stellungen (d.h. zwischen der ersten und der zweiten Stellung) bewegbar, dass der Querschnitt der Verbindung zwischen dem Hochdruckbereich Pd und dem Kurbelraumdruckbereich Pc bzw. dem Kurbelraumdruckbereich Pc und dem Niederdruckbereich Ps des Regelventils stufenlos veränderbar ist.
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Folglich wird durch die Hin- und Herbewegung des Regelkolbens letzterer nicht nur in der ersten Stellung, in der das Regelventil den Hochdruckbereich und den Kurbelraumdruckbereich miteinander verbindet, und in der zweiten Stellung, in der das Regelventil dem Kurbelraumdruckbereich und dem Niederdruckbereich miteinander verbindet, positioniert, sondern auch in Zwischenstellungen gebracht, die zwischen der ersten und zweiten Stellung liegen. Damit entsprechen die erste und die zweite Stellung des Regelkolbens Stellungen maximaler Ausrückung im Hinblick auf die Bewegung des Regelkolbens.
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Beispielsweise ist in 2b eine Zwischenstellung des Regelkolbens 204 gezeigt, die der teilweisen Aufregelung des Klimakompressors entspricht. In dieser Zwischenstellung ist der Querschnitt des Durchgangs, der durch die Stellung des Regekolbens 204 in dem Regelventil 200 gesteuert wird, zwischen dem Kurbelraumdruckbereich Pc und dem Niederdruckbereich Ps verringert.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung wird die Verringerung des Querschnittes des Durchgangs dadurch erzeugt, dass der Regelkolben 204 in einer Zwischenstellung den Durchgang zwischen dem Hochdruckbereich Pd und dem Kurbelraumdruckbereich Pc bzw. dem Kurbelraumdruckbereich Pc und dem Niederdruckbereich Ps des Regelventils 200 nur freigibt.
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Beispielsweise kann in einer Zwischenstellung dazu der Regelkolben 204 derart positioniert sein, dass eine Öffnung in dem Regelkolben 204, die den Durchgang zwischen dem Kurbelraumdruckbereich Pc und dem Niederdruckbereich Ps freigibt, versetzt zu einer der Aussparungen Pc und Ps im Gehäuse des Regelventils 200 für den Anschluss des Kurbelraumdruckbereich Pc und des Niederdruckbereich Ps vorgesehen sein. Eine entsprechende Zwischenstellung des Regelkolbens 204 im Regelventil 200 ist in 2b abgebildet.
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Gleichsam kann beispielsweise auch in einer anderen Zwischenstellung der Regelkolben 204 derart positioniert sein, dass eine Öffnung in dem Regelkolben 204, die den Durchgang zwischen dem Hochdruckbereich Pd und dem Kurbelraumdruckbereich Pc freigibt, versetzt zu einer der Aussparungen Pd und Pc im Gehäuse des Regelventils 200 für den Anschluss des dem Hochdruckbereich Pd und des Kurbelraumdruckbereich Pc vorgesehen sein.
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Hervorgehoben sei jedoch, dass der Regelkolben 204 des Regelventils 200 derart ausgestaltet ist, dass in keiner Zwischenstellung eine Verbindung zwischen allen drei Bereichen, nämlich dem Hochdruckbereich Pd, Kurbelraumdruckbereich Pc und dem Niederdruckbereich Ps möglich ist. Damit ist die Möglichkeit eines Kurzschlusses zwischen Hochdruckbereich Pd und dem Niederdruckbereich Ps ausgeschlossen.
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Wie im Bereich der Klimakompressoren üblich kann der Regelkolben 204 auch als Nadel bezeichnet werden. Dabei ist die Nadel dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungskörper 208 (d.h. Absperrkörper) kegelförmige ausgebildet ist und mit einer ringförmigen Aussparung Pd und/oder Ps im Gehäuse des Regelventils 200 zwischen dem Hochdruckbereich Pd und den Kurbelraumdruckbereich Pc bzw, dem Kurbelraumdruckbereich Pc und dem Niederdruckbereich Ps zusammenwirkt.
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In dem Ausführungsbeispiel des Regelventils 200 in 2a, 2b und 2c ist der Regelkolben 204 als Hohlnadel ausgebildet, wobei eine auf das Regelventil bezogen längsgerichtete Aussparung (z.B. Längsbohrung) in der Nadel beim Öffnen des Regelventils 200 den Durchlass zwischen dem Hochdruckbereich Pd und den Kurbelraumdruckbereich Pc bildet.
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In diesem Ausführungsbeispiel des Regelventils 200 ist weiterhin an dem zum Dichtungskörper 208 entgegengesetzten Ende der Betätigungsstange 206 ein Permanentmagnet 220 angeordnet, der dem Sensor 210 gegenübersteht. Der Sensor 210 ist weiterhin als Hallsensor ausgebildet.
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Weiterhin umfasst das Regelventil
200 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen elektrischen Anschluss
222, der mit der Steuerung
212 verbunden ist und über welchen beispielsweite das pulsweitenmodulierte Eingangssignal eingeht. Der Sensor
210 und der elektrische Motor
202 sind jeweils elektrisch mit der Steuerung
212 verbunden. Bezugszeichenliste:
| Bezugsziffer | Beschreibung |
| 100, 200, | Regelventil |
| 102 | Elektromagnetische Ringspule |
| 202 | Elektrischer Motor |
| 104, 204, | Regelventil |
| 106, 206 | Betätigungsstange |
| 108, 208 | Dichtungskörper |
| 210 | Sensor |
| 212 | Steuerung |
| 220 | Permanentmagnet |
| 222 | Anschluss |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011117354 A1 [0002]
