DE102015114336B4

DE102015114336B4 - Kombinationsventil, insbesondere für den Einsatz in mobilen R744 Kältemittelkreisläufen

Info

Publication number: DE102015114336B4
Application number: DE102015114336.4A
Authority: DE
Inventors: Frank Weber; Thomas Büth; Andrea Gentile; Frank Schmitz
Original assignee: Halla Visteon Climate Control Corp
Current assignee: Hanon Systems Corp
Priority date: 2015-08-28
Filing date: 2015-08-28
Publication date: 2018-11-15
Anticipated expiration: 2035-08-29
Also published as: KR20170026058A; DE102015114336A1

Abstract

Kombinationsventil (1) mit einem Verschlussteil (3) und einer durch das Verschlussteil (3) verschließbaren Fluidpassage (2), dadurch gekennzeichnet, dass zwei unabhängig voneinander auf das Verschlussteil (3) wirkende Stellantriebe im Kombinationsventil (1) vorgesehen sind, wobei ein kontinuierlicher Stellantrieb den Durchströmungsquerschnitt des Kombinationsventils (1) kontinuierlich und ein diskontinuierlicher Stellantrieb den Durchströmungsquerschnitt des Kombinationsventils (1) diskontinuierlich veränderbar ausbildet,
wobei der kontinuierliche Stellantrieb für das Verschlussteil (3) als Schrittmotor (5) ausgebildet ist, wobei der Schrittmotor (5) einen mit dem Verschlussteil (3) in Verbindung stehenden Schaft (4) rotierend bewegt und über ein Getriebe das Verschlussteil (3) translatorisch bewegbar und den Durchströmungsquerschnitt der Fluidpassage (2) veränderbar ausgebildet ist,
wobei der diskontinuierliche Stellantrieb für das Verschlussteil (3) als Elektromagnete (6, 7) nach dem Solenoidprinzip ausgebildet ist, wobei die Elektromagnete (6, 7) den mit dem Verschlussteil (3) in Verbindung stehenden Schaft (4) durch elektromagnetische Kraft translatorisch in axialer Richtung bewegen und
wobei das Getriebe als Kombination einer inneren Getriebehülse (9) und einer mit dieser korrespondierenden äußeren Getriebehülse (8) ausgebildet ist, wobei die äußere Getriebehülse (8) als Kupplungspermanentmagnet ausgeführt ist und dass der Kupplungspermanentmagnet korrespondierend mit den Elektromagneten (6, 7) die Lage des Getriebes und mit diesem verbunden den Schaft (4) und damit das Verschlussteil (3) durch die Schaltung der Elektromagneten (6, 7) positionierbar ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kombinationsventil, welches insbesondere für den Einsatz in mobilen R744 Kältemittelkreisläufen in Kraftfahrzeugen einsetzbar ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Steuerung eines Kombinationsventils. Die Erfindung ist insbesondere dadurch charakterisiert, dass das Kombinationsventil sowohl die Funktionalität eines Expansionsventils als auch die Funktionalität eines Schnellschlussventils aufweist.
Ventile für den Einsatz als Expansionsventile in Kältemittelkreisläufen müssen besonders präzise den Fluidstrom regeln können. Mit Drossel- oder Expansionsventilen sind geringe Volumenströme einstellbar, was über eine kontinuierliche Veränderung des Durchströmungsquerschnittes erreicht wird. Weiterhin ist es bei Verwendung von Fluiden mit einem Gefährdungspotential für den Menschen und die Umwelt erforderlich und teilweise auch vorgeschrieben, dass eine schnelle Schließfunktion (Englisch: shut off function) realisierbar ist, um bei Gefahrenzuständen ein Absperren von betroffenen Leitungsabschnitten unverzüglich und mit geringster Verzögerung zu ermöglichen.
Im Stand der Technik werden herkömmliche Expansionsventile für Kohlendioxid-Hochdruckkältemittelkreisläufe in Reihenschaltung mit Ventilen mit geringsten Verschlusszeiten, sogenannten Schnellschlussventilen, realisiert. Ein Schnellschlussventil erlaubt die schlagartige Unterbrechung einer Durchströmung durch eine diskontinuierliche Veränderung des Durchströmungsquerschnittes.
Durch den Einsatz von zwei getrennten, in Reihe geschalteten Ventilen sind zwar die erforderlichen Funktionalitäten der präzisen Durchflussteuerung für die Expansion und des schnellen Absperrens von Leitungen im Havariefall erreichbar, jedoch führt diese Realisierung mit zwei Ventilen zu einem hohen Bauteilaufwand, einem erhöhten Gewicht der Gesamtanlage, erhöhten Kosten und einem hohen Bauraumaufwand.
Gleichfalls bringt diese Strategie des Vorsehens mehrerer Ventile ein höheres Risiko im Hinblick auf die Dichtigkeit und einen erhöhten Montage- und Wartungsaufwand aufgrund der höheren Schnittstellenanzahl mit sich.
In der DE 11 2013 002 481 T5 wird ein Strömungsmengeneinstellventil, welches eine Durchflussmenge bzw. Strömungsmenge eines Kältemittels regelt, welches zu einem Verdampfer eines Kältekreislaufs hin strömt, beschrieben.
In der DE 102 18 817 A1 wird ein thermisches Expansionsventil für Kälteanlagen, insbesondere Fahrzeugklimaanlagen, beschrieben.
Außerdem wird in der DE 603 18 530 T2 ein mit einem Magnetventil ausgestattetes Expansionsventil beschrieben.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Kältemittelkreislauf zu vereinfachen unter Beibehaltung der erforderlichen Funktionalitäten hinsichtlich regelungstechnischer und sicherheitstechnischer Vorgaben.
Die Aufgabe wird durch einen Gegenstand und ein Verfahren mit den Merkmalen der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Insbesondere wird die Aufgabe der Erfindung durch ein Kombinationsventil gelöst, welches konzeptionsgemäß sowohl die Funktionalität der präzisen Volumendurchflusssteuerung eines Expansionsventiles als auch der sicherheitstechnischen Schnellschlussfunktion gewährleisten kann.
Dazu ist das Kombinationsventil mit einem Verschlussteil und einer durch das Verschlussteil verschließbaren Fluidpassage ausgestattet, wobei zwei unabhängig voneinander auf das Verschlussteil wirkende Stellantriebe vorgesehen sind.
Ein kontinuierlicher Stellantrieb, welcher den Durchströmungsquerschnitt des Kombinationsventils kontinuierlich verändern kann erfüllt die Anforderungen eines Expansionsventils. Kontinuierlich bedeutet dabei im Sinne der Erfindung in mehreren Stufen beziehungsweise stufenlos. Damit ist umfasst, dass der kontinuierliche Stellantrieb das Verschlussteil des Kombinationsventil als Expansionsventil zur präzisen Einstellung des Durchflusses bewegt.
Ein diskontinuierlicher Stellantrieb, welcher den Durchströmungsquerschnitt des Kombinationsventils diskontinuierlich mit geringster Schließzeit verändern kann erfüllt hingegen die Anforderungen eines Schnellschlussventils.
Unter einem diskontinuierlichen Stellantrieb im Sinne der Erfindung ist zu verstehen, dass dieser Stellantrieb mit geringster Schaltzeit das Ventil auf oder zu schalten kann, wobei der Durchströmungsquerschnitt in geöffneter Stellung nicht notwendigerweise eine voll geöffnete Stellung sein muss sondern aus jeder Stellung des Verschlussteiles heraus ist dieses mit dem diskontinuierlichen Stellantrieb in eine vollständig absperrende Stellung zu verbringen.
Bevorzugt wird der diskontinuierliche Stellantrieb des Verschlussteils von einem nicht geschlossenen Durchströmungsquerschnitt der Fluidpassage in einen vollständig geschlossenen Durchströmungsquerschnitt der Fluidpassage veränderbar ausgebildet, wodurch die Funktionalität eines Sicherheitsabsperrventils mit schnellstmöglicher Verschlusszeit von bevorzugt kleiner oder gleich 0,5 Sekunden ausgebildet ist.
Damit wird im Falle einer Havarie mit aus dem Kreislauf austretendem Fluid verhindert, dass gegebenenfalls größere Mengen von Kältemittel aus dem Kreislauf austreten können, sofern durch das Schnellschlussventil Bereiche des Kältemittelsystems von der havarierten Stelle abtrennbar ausgebildet sind.
Der kontinuierliche Stellantrieb ist bevorzugt als Schrittmotor ausgebildet, wobei der Schrittmotor einen mit dem Verschlussteil des Ventils in Verbindung stehenden Schaft rotierend bewegt. Über ein Schneckengetriebe, welches die rotierende Bewegung in eine translatorische Bewegung umsetzt, wird das Verschlussteil translatorisch den Durchströmungsquerschnitt der Fluidpassage verändernd ausgebildet.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass der diskontinuierliche Stellantrieb für das Verschlussteil als als separat schaltbare Elektromagnete entlang einer Verschiebestrecke ausgebildet wird. Die gerade aktiv geschalteten Elektromagnete halten das Verschlussteil in einer bestimmten Position. Werden andere Elektromagnete entlang der Verschiebstrecke aktiv geschaltet so bewegt sich der Schaft und mit ihm das Verschlussteil translatorisch durch elektromagnetische Kräfte in axialer Richtung zum geschalteten Bereich hin. Dieses Prinzip wird auch als Solenoidprinzip bezeichnet.
Besonders vorteilhaft wird das Schneckengetriebe zur Wandlung einer Rotationsbewegung des Schrittmotors in eine kombinierte rotatorische und translatorische Bewegung des des Verschlussteils als Kombination einer inneren Schneckengewindehülse und einer mit dieser korrespondierenden äußeren Schneckengewindehülse ausgebildet, wobei die äußere Schneckengewindehülse als Kupplungspermanentmagnet ausgeführt ist. Der Kupplungspermanentmagnet wiederum korrespondiert mit den Elektromagneten. Die Lage des Schneckengetriebes und mit diesem verbunden die Lage des Schaftes und damit die Lage des Verschlussteiles wird durch die Schaltung der Elektromagneten bestimmt. Werden die Elektromagneten in einer anderen Lage geschaltet, so wird durch den Kupplungspermanentmagnet das gesamte Schneckengetriebe in axialer Richtung des Schaftes bewegt und damit je nach Stellung ein Verschließen oder Öffnen des Verschlussteils bewirkt.
Bevorzugt ist am Verschlussteil eine Feder zur Unterstützung der Schließbewegung des Verschlussteils angeordnet. Damit kann die Verschlusszeit erheblich verkürzt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung des Durchströmungsquerschnitts eines Kombinationsventils besteht darin, dass im vollständig geöffneten Zustand des Durchströmungsquerschnitts der Schaft mit dem Verschlussteil in einer Durchflussstellung gehalten wird. Dabei wird das Schneckengetriebe mittels des Kupplungspermanentmagneten der äußeren Schneckengewindehülse von dem Elektromagnet Durchflussstufe gehalten.
Im teilweise geöffneten Zustand des Durchströmungsquerschnitts wird der Schaft mit dem Verschlussteil mittels des Schrittmotors rotatorisch bewegt. Über das Schneckengetriebe wird dies Bewegung mit einer translatorischen Komponente überlagert und das Verschlussteil somit auch translatorisch bewegt. Mit der translatorischen Bewegungskomponente des Verschlussteiles wird der Durchströmungsquerschnitt der Fluidpassage je nach Bewegungsrichtung vergrößert oder verkleinert.
Zum vollständigen Verschließen des Durchströmungsquerschnitts wird das gesamte Schneckengetriebe mit äußerer Schneckengewindehülse, innerer Schneckengewindehülse sowie dem Schaft mit dem Verschlussteil mittels Schaltung des Elektromagneten Absperrstufe in die Schließposition des Verschlussteils durch elektromagnetische Kräfte gemäß dem Solenoidprinzip in axialer Richtung des Schaftes bewegt.
Bevorzugt erfolgt die Verwendung eines Kombinationsventils als Expansionsventil mit Schnellschlussfunktion in Kältemittelkreisläufen. Besonders bevorzugt ist die Verwendung des Kombinationsventils in Kältemittelkreisläufen mit Kohlendioxid, R744, als Kältemittel.
Zusammengefasst besteht die Konzeption der Erfindung somit darin, dass der Aktuator des Kombinationsventils zwei Funktionsmodi in einem Ventil ermöglicht. Dies wird realisiert durch einen Aktuator, welcher aus einem Motor mit Getriebe besteht, wobei das Getriebe die verschiedenen Funktionen der Feineinstellung und der Schnellschlussfunktion realisieren kann.
Im Ausführungsbeispiel ist das Getriebe als Kombination von Schneckengetriebe mit Elektromagneten zur translatorischen Bewegung für die Schnellschlussfunktion realisiert.
Auf der einen Seite ist eine langsame und hoch akkurater Positionierung für die Expansionsfunktion und auf der anderen Seite ein schneller vorgespannter offen/geschlossen Modus für die Notfallfunktion in dieser Ausgestaltung realisiert.
Im Falle einer Leckage eines R744 Kreislaufes oder anderen kritischen Bedingungen ist es somit möglich, die Schnellschlussfunktion des Kreislaufes zur Verhinderung des Austritts des Kältemittels und somit für eine sichere Umgebung für die Passagiere zu nutzen.
Die Kombinationswirkung wird durch den Einsatz von zwei verschiedenen Ventiltypen ermöglicht. Besonders vorteilhaft wird der Aktuator als Hybridgetriebe ausgeführt, welches eine Kombination eines Schneckengetriebes und eines mehrstufigen Solenoidprinzips ist.
Das Kombinationsventil wird wie üblich von einer externen elektronischen Steuer- und Regelungseinheit gesteuert.
Vorteilhaft ist die durch diese Kombination der Ventiltypen in einem Kombinationsventil erreichbare Reduktionen von Kosten, Bauraum und Gewicht. Zusätzlich ist mit der Verminderung des Bauraumes auch ein verringerter Verkabelungsaufwand verbunden. Außerdem ist die Leckagewahrscheinlichkeit vermindert und der Kreislauf somit insgesamt optimiert.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:

1: schematische Schnittdarstellung Kombinationsventil,
2: Kombinationsventil mit vollständig geöffneten Durchflussquerschnitt,
3: Kombinationsventil als Expansionsventil in Drosselstellung und
4: Kombinationsventil als Schnellschlussventil in geschlossener Stellung.

In 1 ist ein Kombinationsventil 1 schematisch dargestellt. Das Kombinationsventil 1 weist eine Fluidpassage 2 und ein die Fluidpassage 2 verschließbares Verschlussteil 3 auf. Das Verschlussteil 3 wird über einen Stellantrieb zwischen einer geöffneten Ventilstellung und einer geschlossenen Ventilstellung bewegt. der Stellantrieb besteht aus einem Schaft 4, dem Ventilschaft, mit welchem das Verschlussteil 3 verbunden ist. Der Schaft 4 wird über einen Schrittmotor 5 im oberen Bereich rotatorisch bewegt. Gehaltert ist der Schaft 4 über ein Schneckengetriebe, welches aus einer äußeren Schneckengewindehülse 8 und einer inneren Schneckengewindehülse 9 aufgebaut ist. Die äußere Schneckengewindehülse 8 ist dabei als Kupplungspermanentmagnet ausgebildet, welcher in Wechselwirkung mit den Elektromagneten 6 und 7 steht, die entlang des axialen Verstellweges des Schaftes 4 positioniert sind. Das Schneckengetriebe mit dem Schaft 4 und dem Verschlussteil 3 wird somit elektromegnetisch im Kombinationsventil 1 gehaltert. Die Lage des Kupplungspermanentmagneten und damit der äußeren und inneren Schneckengewindehülse 8, 9 wird über die jeweils aktiv geschalteten Elektromagnete 6, 7 vorgegeben. Die innere Schneckengewindehülse 9 ist fest mit dem Schaft 4 verbunden.
Auf das Verschlussteil 3 wirkt eine Feder 10, welche das Verschlussteil 3 in Richtung der Schließstellung drückt. Sobald die Gegenkraft wegfällt verschließt das Verschlussteil 3 die Fluidpassage 2.
In 2 ist das Kombinationsventil 1 mit den Komponenten gemäß 1 in der Durchflussstellung bei voll geöffneter Fluidpassage 2 dargestellt. Dabei sind die Elektromagneten Durchflussstufe 6 aktiv geschaltet, welche die äußere Schneckengewindehülse 8 und damit innere Schneckengewindehülse 9 und den Schaft 4 mit dem Verschlussteil 3 in der geöffneten Position entgegen der Federkraft der Feder 10 halten.
In 3 wird die Funktion des Expansionsventils des Kombinationsventils 1 grafisch verdeutlicht, indem über Pfeile angedeutet der Schrittmotor 5 den Schaft 4 rotatorisch entgegen dem Uhrzeigersinn bewegt. Dabei bewegt sich der Schaft 4 durch das Schneckengetriebe translatorisch mit der inneren Schneckengewindehülse 9 nach oben, wodurch das Verschlussteil 3 den Durchströmungsquerschnitt der Fluidpassage 2 verringert. Dies ist dargestellt an den Dimensionen der Pfeile, welche das die Fluidpassage 2 durchströmende Kältemittel symbolisieren. Nunmehr wird das Kältemittel durch die reduzierte Fluidpassage 2 gedrosselt. Bewegt der Schrittmotor 5 den Schaft 4 in entgegengesetzter Richtung wird das Verschlussteil 3 entgegen der Federkraft der Feder 10 bewegt und der Durchflussquerschnitt der Fluidpassage 2 wieder vergrößert.
In 4 ist das Kombinationsventil 1 im abgesperrten Zustand gezeigt. Die schlagartige Verschiebung des Verschlussteils 3 mit dem Schaft 4 und dem Schneckengetriebe wird erreicht durch eine Umschaltung der wirksamen Elektromagnete nach dem Solenoidprinzip. Die gemäß 2 und 3 als wirksam gekennzeichneten Elektromagnete Durchflussstufe 6 werden in 4 abgeschaltet und die Elektromagnete Absperrstufe 7 werden wirksam geschaltet. Dadurch wird das gesamte Schneckengetriebe über die auf den Kupplungspermanentmagneten der äußeren Schneckengewindehülse 8 wirkende Kraft translatorisch nach oben bewegt, wodurch, unterstützt durch die Federkraft der Feder 10, das Verschlussteil 3 in die Schließstellung gezogen wird. Die Umschaltung der Magneten von den Elektromagneten Durchflussstufe 6 zu den Elektromagneten Absperrstufe 7 und die Unterstützung der Schließbewegung des Verschlussteils 3 durch die Feder 10 führt zu einer extrem kurzen Verschlusszeit von weniger als 0,5 Sekunden.
Damit ist in besonders vorteilhafterweise in einem Ventil die Kombination von zwei Ventilen, einem Expansionsventil und einem Schnellschlussventil, über einen kombinierten Stellantrieb für eine kontinuierliche und eine diskontinuierliche Stellbewegung des Verschlussteils ausgeführt.
Bezugszeichenliste

1: Kombinationsventil
2: Fluidpassage
3: Verschlussteil
4: Schaft
5: Schrittmotor
6: Elektromagnet Durchflussstufe
7: Elektromagnet Absperrstufe
8: äußere Schneckengewindehülse
9: innere Schneckengewindehülse
10: Feder

Claims

Kombinationsventil (1) mit einem Verschlussteil (3) und einer durch das Verschlussteil (3) verschließbaren Fluidpassage (2), dadurch gekennzeichnet, dass zwei unabhängig voneinander auf das Verschlussteil (3) wirkende Stellantriebe im Kombinationsventil (1) vorgesehen sind, wobei ein kontinuierlicher Stellantrieb den Durchströmungsquerschnitt des Kombinationsventils (1) kontinuierlich und ein diskontinuierlicher Stellantrieb den Durchströmungsquerschnitt des Kombinationsventils (1) diskontinuierlich veränderbar ausbildet, wobei der kontinuierliche Stellantrieb für das Verschlussteil (3) als Schrittmotor (5) ausgebildet ist, wobei der Schrittmotor (5) einen mit dem Verschlussteil (3) in Verbindung stehenden Schaft (4) rotierend bewegt und über ein Getriebe das Verschlussteil (3) translatorisch bewegbar und den Durchströmungsquerschnitt der Fluidpassage (2) veränderbar ausgebildet ist, wobei der diskontinuierliche Stellantrieb für das Verschlussteil (3) als Elektromagnete (6, 7) nach dem Solenoidprinzip ausgebildet ist, wobei die Elektromagnete (6, 7) den mit dem Verschlussteil (3) in Verbindung stehenden Schaft (4) durch elektromagnetische Kraft translatorisch in axialer Richtung bewegen und wobei das Getriebe als Kombination einer inneren Getriebehülse (9) und einer mit dieser korrespondierenden äußeren Getriebehülse (8) ausgebildet ist, wobei die äußere Getriebehülse (8) als Kupplungspermanentmagnet ausgeführt ist und dass der Kupplungspermanentmagnet korrespondierend mit den Elektromagneten (6, 7) die Lage des Getriebes und mit diesem verbunden den Schaft (4) und damit das Verschlussteil (3) durch die Schaltung der Elektromagneten (6, 7) positionierbar ausgebildet ist.
Kombinationsventil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der diskontinuierliche Stellantrieb das Verschlussteil (3) von einem nicht geschlossenen Durchströmungsquerschnitt der Fluidpassage (2) in einen geschlossenen Durchströmungsquerschnitt der Fluidpassage (2) bewegend ausgebildet ist.
Kombinationsventil (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltzeit des Kombinationsventiles (1) mit diskontinuierlichem Stellantrieb kleiner oder gleich 0,5 Sekunden beträgt.
Kombinationsventil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass am Verschlussteil (3) eine Feder (10) zur Unterstützung der Schließstellung angeordnet ist.
Verfahren zur Steuerung eines Kombinationsventils (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im vollständig geöffneten Zustand des Durchströmungsquerschnittes der Schaft (4) mit dem Verschlussteil (3) in einer Durchflussstellung gehalten wird, wobei das Getriebe mittels des Kupplungsmagneten der äußeren Gewindehülse (8) von dem Elektromagnet Durchflussstufe (6) gehalten wird, im teilweise geöffneten Zustand des Durchströmungsquerschnitt der Schaft (4) mit dem Verschlussteil (3) mittels des Schrittmotors (5) rotatorisch bewegt wird und über das Getriebe das Verschlussteil (3) rotatorisch und translatorisch bewegt wird und damit den Durchströmungsquerschnitt der Fluidpassage (2) je nach Bewegungsrichtung vergrößert oder verkleinert und dass zum vollständigen Verschließen des Durchströmungsquerschnittes das gesamte Getriebe über die äußere Gewindehülse (8) mit der inneren Gewindehülse (9), dem Schaft (4) und dem Verschlussteil (3) mittels Schaltung des Elektromagneten Abpserrstufe (7) in die Schließposition des Verschlussteils (3) bewegt wird.
Verwendung eines Kombinationsventils (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 als Expansionsventil mit Schnellschließfunktion in Kältemittelkreisläufen.
Verwendung eines Kombinationsventils (1) nach Anspruch 6 in Kältemittelkreisläufen mit R744 als Kältemittel.