DE102016013492A1

DE102016013492A1 - Expansions- und Absperrventil

Info

Publication number: DE102016013492A1
Application number: DE102016013492.5A
Authority: DE
Inventors: Dominik Wiechard; Andreas Capelle; Markus Herzog; Matthias Herpers; Jörn Fröhling; Marco Favara
Original assignee: Hanon Systems Corp
Current assignee: Hanon Systems Corp
Priority date: 2016-11-11
Filing date: 2016-11-11
Publication date: 2018-05-17
Also published as: US10962265B2; KR102160011B9; US20180135903A1; KR20180053239A; KR102160011B1

Abstract

Die Erfindung stellt ein Expansions- und Absperrventil, insbesondere ein elektrisches Expansions- und Absperrventil für den Betrieb mit dem Kältemittel R744 bereit, das einen Ventilkörper, der in einer Ventilkörperkammer angeordnet ist, einen Dichtungssitz und eine Dichtung, welche entlang einer axialen Bewegungsrichtung des Ventilkörpers im Expansionsventil angeordnet sind, aufweist. Das Expansionsventil ist ferner so ausgestaltet ist, dass in einem geschlossenen Zustand des Expansionsventils ein Druck-Bypass zu der Ventilkörperkammer besteht und bevorzugt ein Ventilkörperdurchmesser an Positionen des Dichtungssitzes und der Dichtung den dortigen Dichtungsdurchmessern entspricht.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Expansions- und Absperrventil, insbesondere ein elektrisches Expansions- und Absperrventil für den Betrieb mit dem Kältemittel R744.
Stand der Technik
Im Hinblick auf die derzeitige Entwicklung der Elektromobilität und deren Akzeptanz ist es wichtig, die Gesamtarchitektur elektrischer Fahrzeuge so zu optimieren, dass deren Reichweite aber auch deren Umweltfreundlichkeit insgesamt maximiert wird. Als Teil dieser Optimierungsstrategie wird daran gearbeitet, insbesondere Klimaanlagensysteme für Kraftfahrzeuge insbesondere Elektrofahrzeuge hinsichtlich z.B. Gewicht und Energieverbrauch zu optimieren. Eine Hauptkomponente dieser Systeme, die es zu verbessern gilt ohne jedoch deren Funktionalität zu verschlechtern, sind Expansions- und Absperrventile. Solche Verbesserungen sollen auch im Hinblick auf den Einsatz umweltverträglicherer Kältemittel wie beispielsweise R744 (Kohlendioxid, CO₂) geschehen.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass R744 Wärmepumpen- und Klimaanlagensysteme notwendigerweise Kältemittel expandieren müssen. In den meisten Wärmepumpen-Systemen muss die Richtung des Kältemittelkreislaufs im Betrieb geändert werden. Dies bedeutet, dass ein darin verwendetes Expansionsventil das Kältemittel in zwei verschiedenen Richtungen expandieren muss. Konventionelle Expansionsventile besitzen nicht die Möglichkeit eine solche bidirektionale Expansion zu ermöglichen. Ferner ist es erforderlich, dass Expansionsventile die Möglichkeit aufweisen komplett geöffnet zu werden, sodass ein Druckabfall gering ausfällt. Ferner müssen entsprechende Ventilsysteme absolute Dichtheit in beiden Richtungen aufweisen. Eine solche bidirektionale Dichtheit ermöglicht es, dass Kältemittel in dem aktiven Systemkreislauf „gefangen“ werden kann.
Aus obiger Schilderung ergibt sich, insbesondere für R744-basierende Systeme, ein Bedarf an elektrisch betriebenen Expansions- und Absperrventilen mit folgenden Eigenschaften:

- bidirektionale Expansionsfunktion,
- bidirektionale Dichtheit/Undurchlässigkeit und
- bidirektional maximierter/voller Strömungsdurchmesser jeweils unter hohem Druck bis zu den hohen Druckniveaus von R744.

Die Erfüllung dieser Kriterien hat in der Vergangenheit zu einem begrenzten Durchmesser der Ventile und/oder zu größeren Baueinheiten geführt, die durch einen größeren Aktuator angetrieben werden mussten. Zusätzlich besteht ein Problem darin, dass die hohen Drücke zu entsprechend hohen Bewegungskräften des Ventilkörpers (Ventilnadel) führen.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Expansions- und Absperrventil bereitzustellen, dass den obigen Anforderungen gerecht wird.
Diese Aufgabe wird durch das Expansions- und Absperrventil nach Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Expansions- und Absperrventil weist einen Ventilkörper, vorzugsweise eine Ventilnadel, der in einer Ventilkörperkammer angeordnet ist, einen Dichtungssitz, vorzugsweise einen kreisringförmigen Dichtungssitz mit entsprechender Dichtungskomponente und eine Dichtung, vorzugsweise eine Axialdichtung/Ringdichtung, welche entlang einer axialen Bewegungsrichtung des Ventilkörpers im Expansionsventil angeordnet sind, auf. Das erfindungsgemäße Expansionsventil ist so ausgestaltet, dass in einem geschlossenen Zustand des Expansionsventils ein Druck-Bypass zu der Ventilkörperkammer besteht und bevorzugt ein Ventilkörperdurchmesser an Positionen des Dichtungssitzes und der Dichtung den dortigen Dichtungsdurchmessern entspricht. Aus dieser Anordnung ergeben sich geringe Ventilkörperkräfte und geringe Betätigungskräfte für das erfindungsgemäße Ventil insgesamt, bedingt durch eine Druckbalance (Druckgleichgewicht, Druckausgleich). Diese wird erreicht durch den Druck-Bypass zur Ventilkörperkammer. Ferner wird die Druck-Balance dadurch bewirkt, dass der Ventilkörperdurchmesser (Außendurchmesser) an den Positionen des Dichtungssitzes und der Dichtung den Dichtungsdurchmessern davon entspricht. Aus der erreichten Druck-Balance ergibt sich eine geringe Druckkraft an dem Ventilkörper und damit ist es möglich, einen vollen, vergleichsweise großen Strömungsdurchmesser zwischen Medienzugängen des erfindungsgemäßen Ventils in zwei Strömungsrichtungen zu gewährleisten.
Vorzugsweise ist obiger Druck-Bypass durch eine Öffnung in dem Ventilkörper und weiter bevorzugt durch einen Kanal in einer Spitze des Ventilkörpers oder durch einen Kanal im Gehäuse des Expansionsventils gebildet ist. Die denkbaren Kanalstrukturen dienen und sollen bevorzugt ausgestaltet sein zum Verbindungsaufbau mit der Ventilkörperkammer
Es ist ferner bevorzugt, dass das Expansionsventil so ausgestaltet ist, dass es eine bidirektionale Strömung und eine bidirektional Abdichtung einer Medienströmung durch das Ventil gestattet. Diese ist wie oben geschildert für moderne und effiziente Wärmepumpen- und Klimaanlagensysteme unbedingt erforderlich.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es weiter bevorzugt, dass das Expansionsventil ein elektrisches Expansions- und Absperrventil ist, bevorzugt ein LIN (Local Interconnect Network)-gesteuertes Ventil ist, das einen elektrischen Aktuator aufweist, der ausgestaltet ist, um den Ventilkörper zu betätigen, bevorzugt, um den Ventilkörper zwischen einer Öffnungsstellung, einer Expansionsstellung und einer Absperrstellung ferner bevorzugt in einer Linearbewegung entlang und in Richtung einer Axialrichtung des Ventilkörpers hin und her zu bewegen. Das Expansions- und Absperrventil ist ferner zumindest zum Betrieb mit dem Kältemittel R744 ausgelegt, was insbesondere hinsichtlich der besseren Umweltverträglichkeit von Kohlendioxid als Kältemittel/Kühlmittel und eines Einsatzes davon und des erfindungsgemäßen Ventils in umweltfreundlichen Kraftfahrzeugen vorteilhaft ist. Damit kann der Einsatz der z.Z. üblichen Kältemittel R134a und 1234yf vermieden werden. Abschließend ist es bevorzugt, dass der Ventilkörperdurchmesser zumindest an Positionen des Dichtungssitzes und der Dichtung gleich ist.
Insgesamt lassen sich die Vorteile des erfindungsgemäßen Expansions- und Absperrventils wie folgt zusammenfassen:

- insgesamt verbesserte Systemleistung bzw. Heizkapazität,
- platzsparendes Design mit kleiner Baugröße durch Möglichkeit der Verwendung eines kleinen Aktuators wegen der Druckbalance;
- modularer Aufbau zum Wechsel von Absperrventil zu Expansionsventil z.B. durch Designänderung des Ventilkörpers (Ventilnadel);
- Ermöglichung bidirektionaler Strömung und Dichtheit sowie Öffnung bis nahezu auf einen vollen inneren Leitungsdurchmesser.

Aus den obigen Schilderungen folgt direkt, dass es besonders vorteilhaft ist, das erfindungsgemäße Expansions- und Absperrventil als Bestandteil von effizienzgesteigerten Wärmepumpen- und Klimaanlagensystemen (Klimageräten etc.) zu verwenden und solche Systeme wiederrum in beispielsweise Kraftfahrzeugen, insbesondere Elektrofahrzeugen einzusetzen. Die vorliegende Erfindung umfasst daher auch die Verwendung des erfindungsgemäßen Expansions- und Absperrventils in den oben genannten Systemen aber auch die Systeme selbst samt dem erfindungsgemäßen Expansions- und Absperrventil.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den Zeichnungen noch weiter ersichtlich werden.
Figurenliste

1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht des erfindungsgemäßen Expansions- und Absperrventils in einem geöffneten Zustand (Öffnungszustand, Öffnungsstellung).
2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht des erfindungsgemäßen Expansions- und Absperrventils in einem Expansions-Zustand (Expansionsstellung).
3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht des erfindungsgemäßen Expansions- und Absperrventils in einem geschlossenen Zustand (Absperr-/Abstellzustand, Absperrstellung).

Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht des erfindungsgemäßen Expansions- und Absperrventils in welcher sich der Ventilkörper 2 in einer geöffneten Stellung (Öffnungsstellung) befindet. Aus 1 ist zu entnehmen, dass das erfindungsgemäße Expansions- und Absperrventil 10 vorzugsweise aus einer Reihe einzelner Baugruppen besteht.
Zunächst weist das Expansions- und Absperrventil 10 einen elektrischen Aktuator auf, der ausgestaltet ist, um den Ventilkörper 2 innerhalb des Expansions- und Absperrventils (2) vorzugsweise linear zwischen verschiedenen Positionen hin und her zu bewegen. Dazu ist der elektrische Aktuator 1 in geeigneter Weise mit dem Ventilkörper 2 verbunden und dieser in geeigneter Weise in dem Expansions- und Absperrventil 10 beweglich aufgenommen.
In dem Beispiel in 1 kann der Ventilkörper 2 als längliches, zylindrisches, optional röhrenartiges Objekt (Ventilnadel) beschrieben werden, wobei ein axiales Ende davon in Wechselwirkung mit dem elektrischen Aktuator steht und das andere axial Ende davon die eigentliche Expansionsventilfunktion gewährleistet. Denkbar ist es zum Beispiel, dass der Ventilkörper 2 im Inneren ein Innengewinde aufweist, in welches eine Gewindestange des elektrischen Aktuators 1 eingreift. Dieser würde demnach eine Spindel aufweisen und der Ventilkörper ein entsprechendes Gegenstück, sodass eine Rotationsbewegung des elektrischen Aktuators 1 in eine Linearbewegung des Ventilkörpers 2 umgewandelt wird. Durch Drehung dieser Gewindestange wird dann der Ventilkörper 2 linear d.h. in Richtung dessen Axialrichtung bewegt. Das Ende des Ventilkörpers 2 welches die eigentliche Ventilfunktion gewährleistet, ist mit einer spezifischen endnahen Kurvenkontur versehen, welche die Expansion des Kältemittels in Wechselwirkung mit den anderen Ventilbestandteilen ermöglicht. Diese Kontur kann je nach den jeweiligen Expansionsanforderungen ausgestaltet und eingestellt werden. Ebenfalls in 1 erkennbar ist, dass in dem Ende des Ventilkörpers 2, das mit der Expansions-Kurvenkontur versehen ist, optional eine Öffnung 8 (3) ausgebildet ist, die vorzugsweise mit einem ausgenommenen Inneren eines röhrenartigen Ventilkörpers 2 in Verbindung steht.
Das Expansions- und Absperrventil 10 ist ferner mit einem ersten Zugang 3 und einem zweiten Zugang 5 versehen, die so ausgestaltet sind, dass durch diese z.B. Kohlendioxid als Kältemittel jeweils in das Expansions- und Absperrventil aber auch aus diesem heraus strömen kann. Es ist also eine bidirektionale Strömung durch das Expansions- und Absperrventil 10 möglich. Anders ausgedrückt, die Zugänge 3 und 5 können jeweils, je nach Strömungsrichtung eines Kältemittels als Medieneinlässe bzw. Medienauslässe fungieren. Aus 1 ist ferner eine winklige Anordnung der Zugänge 3 und 5 zu erkennen, die damit nicht auf einer Achse liegen, sondern deren Längsachsen (Strömungsrichtung des Kältemittels) beispielsweise einen rechten Winkel bilden. Beim Durchgang durch das das Expansions- und Absperrventil 10 entsprechend umgelenkt.
Ferner ist in 1 erkennbar, dass in axialer Richtung des Ventilkörpers zwischen der Dichtung 6, vorzugsweise eine Axialdichtung oder Ringdichtung, welche mit dem Ventilkörper in radialer Richtung dessen umfänglich in Kontakt steht, und dem Dichtungssitz 4, welcher in axialer Richtung näher zu dem Zugang 3 angeordnet ist, ein Ventilraum 9 ausgebildet ist. Dieser Ventilraum 9 ist so ausgestaltet, dass er im geöffneten Zustand des Expansions- und Absperrventils 10, d.h., wenn sich der Ventilkörper 2 in einer axial zurückgezogenen Position (Öffnungszustand), entfernt von dem Zugang 3 befindet, eine Medienkommunikation zwischen den Zugängen 3 und 5 ermöglicht. Ein Kältemittel kann in diesem Zustand durch das Expansions- und Absperrventil 10 von Zugang 3 zu Zugang 5 strömen oder umgekehrt d.h. bidirektional. Wie in 1 illustriert ist, wurde der Ventilkörper vorzugsweise vollständig aus der Kältemittelströmung entfernt und bewirkt nur einen geringen Druckabfall.
2 illustriert einen Expansionszustand des Expansions- und Absperrventils 10. Für diesen Zustand wurde der Ventilkörper 2 durch den elektrischen Aktuator 1 linear axial von der zurückgezogenen Position zu einer Position hin verschoben, die näher an dem Dichtungssitz 4 und dem Zugang 3 liegt. In dieser Position kommt es zur Wechselwirkung des Endes des Ventilkörpers 2, welches mit der spezifischen Expansions-Kurvenkontur versehen ist mit dem Dichtungssitz 4 und den unmittelbare angrenzenden Bereichen. Wird der Dichtungssitz als kreisringförmiges Bauteil angenommen, durch dessen innere Öffnung das Kältemittel strömt, dann wird diese innere Öffnung (Strömungsquerschnitt) durch die Verlagerung des Ventilkörpers 2 in die Expansionsposition derart verkleinert, dass es zu einer Expansion des Kältemittels, und dessen Passage dort hindurch und über den Ventilraum 9 zu dem jeweils anderen Zugang kommt. Diese Expansionswirkung ist vorteilhafterweise bidirektional, d.h., eine Expansion des Kältemittels findet statt, wenn dieses von Zugang 3 zu Zugang 5 aber auch wenn dieses umgekehrt von Zugang 5 zu Zugang 3 strömt.
3 illustriert den Fall, in welchem der Ventilkörper durch den elektrischen Aktuator noch weiter in Richtung des Zugangs 3 verschoben worden ist. Das Expansions- und Absperrventil 2 befindet sich dann in einem geschlossenen Zustand, einem Absperrzustand, der erreicht wird, unter großen Druckdifferenzen zwischen den Zugängen 3 und 5 bzw. 5 und 3. Die Expansions-Kurvenkontur des einen Endes des Ventilkörpers 2 steht nunmehr nicht mehr in unmittelbarer Wechselwirkung mit Dichtungssitz 4 sondern wurde axial darüber hinaus verschoben. Der Dichtungssitz 4 steht nun in Verbindung mit einem Teil des bevorzugt zylindrischen Ventilkörpers 2 ohne die Expansions-Kurvenkontur. Dasselbe gilt für die Dichtung 6. In diesem Zustand ergibt sich eine vorteilhafte bidirektionale Abdichtung/Dichtheit des Ventilraumes 9 egal an welchem der Zugänge 3 und 5 ein Kältemittel mit hohem Druck anliegt. Aus dem in 3 gezeigten Zustand ergeben sich vorteilhafterweise geringe Ventilkörperkräfte und Aktuatorkräfte durch eine Druck-Balance. Diese wird erreicht durch einen Druck-Bypass zur Ventilkörperkammer 7, der beispielsweise durch Vorsehen der gezeigten Öffnung 8 im Ventilkörper 2 oder eines Bypass-Kanals in Gehäusekomponenten des Expansions- und Absperrventils 10 erreicht werden kann. Ferner wird die Druck-Balance dadurch bewirkt, dass der Ventilkörperdurchmesser (Außendurchmesser) an den Positionen des Dichtungssitzes 4 und der Dichtung 6 den Dichtungsdurchmessern davon entspricht. Vorzugsweise ist der Ventilkörperdurchmesser an beiden Positionen gleich. Aus der erreichten Druck-Balance ergibt sich eine geringe Druckkraft an dem Ventilkörper und damit ist es möglich, einen vollen, vergleichsweise großen Strömungsdurchmesser zwischen den Zugängen 3 und 5 bzw. 5 und 3 in beide Richtungen zu gewährleisten.
Bezugszeichenliste

1: Elektrischer Aktuator (Antrieb)
2: Ventilkörper (Ventilnadel, Ventilspindel)
3: Medieneinlass bzw. Medienauslass
4: Dichtungssitz
5: Medieneinlass bzw. Medienauslass
6: Dichtung (Axialdichtung)
7: Ventilkörperkammer
8: Ventilkörperöffnung (Ventilnadelloch)
9: Ventilraum
10: Expansions- und Absperrventil

Claims

Expansions- und Absperrventil (10) mit: einem Ventilkörper (2), der in einer Ventilkörperkammer (7) angeordnet ist; einem Dichtungssitz (4) und einer Dichtung (6), welche entlang einer axialen Bewegungsrichtung des Ventilkörpers (2) im Expansionsventil angeordnet sind; wobei das Expansions- und Absperrventil so ausgestaltet ist, dass in einem geschlossenen Zustand des Expansionsventils ein Druck-Bypass zu der Ventilkörperkammer (7) besteht und bevorzugt ein Ventilkörperdurchmesser an Positionen des Dichtungssitzes (4) und der Dichtung (6) den dortigen Dichtungsdurchmessern entspricht.
Expansions- und Absperrventil nach Anspruch 1, wobei der Druck-Bypass durch eine Öffnung in dem Ventilkörper (2), bevorzugt durch einen Kanal in einer Spitze des Ventilkörpers (2) oder durch einen Kanal im Gehäuse des Expansionsventils gebildet ist.
Expansions- und Absperrventil nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Expansions- und Absperrventil so ausgestaltet ist, dass es eine bidirektionale Strömung und eine bidirektional Abdichtung einer Medienströmung durch das Ventil gestattet.
Expansions- und Absperrventil nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Expansions- und Absperrventil ein elektrisches Expansions- und Absperrventil ist.
Expansions- und Absperrventil nach einem der vorangegangenen Ansprüche, ferner aufweisend: einen elektrischen Aktuator (1), der ausgestaltet ist, um den Ventilkörper (2) zu betätigen, bevorzugt, um den Ventilkörper (2) zwischen einer Öffnungsstellung, einer Expansionsstellung und einer Absperrstellung hin und her zu bewegen.
Expansions- und Absperrventil nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Expansions- und Absperrventil zumindest zum Betrieb mit dem Kältemittel R744 ausgelegt ist.
Expansions- und Absperrventil nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Ventilkörperdurchmesser an Positionen des Dichtungssitzes (4) und der Dichtung (6) gleich ist.
Wärmepumpensystem oder Klimaanlagensystem, aufweisend: ein Expansions- und Absperrventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Kraftfahrzeug, insbesondere Elektrofahrzeug, aufweisend: Wärmepumpensystem oder Klimaanlagensystem nach Anspruch 8.
Verwendung eines Expansions- und Absperrventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in Wärmepumpen und/oder Klimaanlagensystemen.