DE102016206092A1

DE102016206092A1 - 3-Wege-Ventil

Info

Publication number: DE102016206092A1
Application number: DE102016206092.9A
Authority: DE
Inventors: Steffen Buhl; Sophie-Charlotte Deger-Panthene; Ganesan Vengianan Periasamy; Stephan Wehr
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-04-12
Filing date: 2016-04-12
Publication date: 2017-10-12
Also published as: US10301976B2; US20170292410A1

Abstract

3-Wege-Ventil (1) mit einem Ventilgehäuse (4) und einem längsbeweglich in dem Ventilgehäuse (4) angeordneten Schließkörper (3). In dem Ventilgehäuse (4) sind ein Einlasskanal (5), ein erster Auslasskanal (6) und ein zweiter Auslasskanal (6b) ausgebildet. Der Schließkörper (3) wirkt durch seine Längsbewegung mit einem im Ventilgehäuse (4) ausgebildeten ersten Ventilsitz (8) zusammen und öffnet und schließt dadurch eine erste hydraulische Verbindung zwischen dem Einlasskanal (5) und dem ersten Auslasskanal (6). Weiterhin wirkt der Schließkörper (3) durch seine Längsbewegung mit einem im Ventilgehäuse (4) ausgebildeten zweiten Ventilsitz (8b) zusammen und öffnet und schließt dadurch eine zweite hydraulische Verbindung zwischen dem Einlasskanal (5) und dem zweiten Auslasskanal (6b). In der zweiten hydraulischen Verbindung ist eine Drossel (20) ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein 3-Wege-Ventil. Das erfindungsgemäße 3-Wege-Ventil kann insbesondere in einem Abwärmerückgewinnungssystem einer Brennkraftmaschine verwendet werden.
Stand der Technik
3-Wege-Ventile sind in vielfältigen Ausführungen aus dem Stand der Technik bekannt.
Ein bekanntes 3-Wege-Ventil umfasst ein Ventilgehäuse und einen längsbeweglich in dem Ventilgehäuse angeordneten Schließkörper. In dem Ventilgehäuse sind ein Einlasskanal, ein erster Auslasskanal und ein zweiter Auslasskanal angeordnet. Der Schließkörper wirkt durch seine Längsbewegung mit einem an dem Ventilgehäuse ausgebildeten ersten Ventilsitz zusammen und öffnet und schließt dadurch eine erste hydraulische Verbindung zu dem ersten Auslasskanal. Weiterhin wirkt der Schließkörper mit einem an dem Ventilgehäuse ausgebildeten zweiten Ventilsitz zusammen und öffnet und schließt dadurch eine zweite hydraulische Verbindung zu dem zweiten Auslasskanal. Ein derartiges 3-Wege-Ventil ist beispielsweise aus der nicht vorveröffentlichten Anmeldung DE 10 2014 224979 A1 bekannt.
Beim Umschalten von der Öffnung der ersten hydraulischen Verbindung zur Öffnung der zweiten hydraulischen Verbindung kann es bei dem bekannten 3-Wege-Ventil zu einem Einbruch des Drucks im Einlasskanal kommen.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße 3-Wege-Ventil weist demgegenüber den Vorteil auf, dass es bei einem Umschalten der Ventilstellung zu keinen wesentlichen Drucksprüngen im Einlasskanal kommt. Daher verschleißen der Schließkörper und die Ventilsitze weniger, wodurch die Lebensdauer des gesamten 3-Wege-Ventils erhöht wird.
Dazu weist das 3-Wege-Ventil ein Ventilgehäuse und eine längsbeweglich in dem Ventilgehäuse angeordneten Schließkörper auf. In dem Ventilgehäuse sind ein Einlasskanal, ein erster Auslasskanal und ein zweiter Auslasskanal ausgebildet. Der Schließkörper wirkt durch seine Längsbewegung mit einem im Ventilgehäuse ausgebildeten ersten Ventilsitz zusammen und öffnet und schließt dadurch eine erste hydraulische Verbindung zwischen dem Einlasskanal und dem ersten Auslasskanal. Weiterhin wirkt der Schließkörper durch seine Längsbewegung mit einem im Ventilgehäuse ausgebildeten zweiten Ventilsitz zusammen und öffnet und schließt dadurch eine zweite hydraulische Verbindung zwischen dem Einlasskanal und dem zweiten Auslasskanal. In der zweiten hydraulischen Verbindung ist eine Drossel ausgebildet.
Die Drossel ist auf die nachfolgenden Abnehmer stromabwärts des ersten und zweiten Auslasskanals abgestimmt. Der erste Auslasskanal weist einen Abnehmer auf, welcher einen vergleichsweise hohen ersten Druckabfall hat. Der zweite Auslasskanal weist demgegenüber einen Abnehmer auf, welcher einen vergleichsweise niedrigen zweiten Druckabfall hat. Dafür ist die Drossel in der zweiten hydraulischen Verbindung angeordnet, so dass die Drossel und der zweite Druckabfall in Summe dem ersten Druckabfall entsprechen.
Dadurch kommt es zu keinen nennenswerten Drucksprüngen innerhalb des 3-Wege-Ventils, wenn von der ersten hydraulischen Verbindung auf die zweite hydraulische Verbindung umgeschaltet wird. Verschleiß und Funktionsstörungen des 3-Wege-Ventils sind somit minimiert.
In einer vorteilhaften Ausführung umfasst die Drossel eine Labyrinthdichtung. Dadurch kommt es zu Verwirbelungen in der Strömungslinie beim Durchströmen der Labyrinthdichtung, so dass sich ein entsprechender Druckverlust einstellt. Die Labyrinthdichtung ist einfach zu fertigen bzw. zu montieren, so dass das gesamte 3-Wege-Ventil günstig aufgebaut werden kann.
In einer alternativen vorteilhaften Ausführung umfasst die Drossel eine Schneckendrossel. Dadurch kann die Drossel ring- bzw. schneckenförmig um die zweite hydraulische Verbindung angeordnet werden. Dies ist besonders dann von Vorteil wenn radialer Bauraum aber kein axialer Bauraum vorhanden ist.
In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Schneckendrossel ein Schneckengehäuse mit darin angeordneten Rippen und mit einer Außenwand. Die Drossel ist vorzugsweise zwischen den Rippen und der Außenwand bzw. den Rippen und dem Ventilgehäuse ausgebildet. Der Strömungsweg durch die Drossel schlängelt sich somit um die Rippen herum. Das Schneckengehäuse inklusive Rippen und Außenwand kann somit als kostengünstiges Gussteil ausgeführt sein. Besonders bevorzugt sind Schneckengehäuse und Ventilgehäuse einstückig ausgeführt.
In einer weiteren alternativen vorteilhaften Ausführung umfasst die Drossel eine Drosselbox. Die Drosselbox kann vergleichsweise einfach in einem Ventilgehäuse angebracht bzw. nachgerüstet werden. In Abhängigkeit der Einsatzverwendung können dementsprechend verschiedene Drosselungen kostengünstig durch unterschiedliche Drosselboxen realisiert werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung weist die Drosselbox einen ersten Rippenzylinder und einen zweiten Rippenzylinder auf. Beide Rippenzylinder weisen wiederum jeweils eine Zylinderteilwand und daran angeordnete Rippen auf. Dadurch kann der Strömungsweg beim Durchströmen der Drossel vorteilhaft zwischen den Zylinderteilwänden und Rippen verlaufen, beispielsweise in sich schlängelnder Form.
Vorteilhafterweise greifen die beiden Rippenzylinder ineinander, so dass die Drossel zwischen der Zylinderteilwand des einen Rippenzylinders und den Rippen des jeweils anderen Rippenzylinders ausgebildet ist. Die Rippen sind dazu vorzugsweise parallel angeordnet und zwar abwechselnd des einen und des anderen Rippenzylinders. Der Strömungsweg führt somit um eine Rippe des ersten Rippenzylinders herum, anschließend um eine Rippe des zweiten Rippenzylinders, anschließend um die nächste Rippe des ersten Rippenzylinders usw.
In einer weiteren alternativen vorteilhaften Ausführung umfasst die Drossel eine Massivkaskade, wobei die Massivkaskade Kaskadenrippen und darin ausgebildete Drosselbohrungen aufweist. Die eigentliche Drossel verläuft somit durch die Drosselbohrungen, welche mit sehr engen Toleranzen gefertigt werden können. Vorzugsweise ist die Massivkaskade dabei als kostengünstiges Gussteil ausgeführt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung weist ein Außenumfang der Massivkaskade eine im Wesentlichen konische Form auf. Dadurch kann die Massivkaskade sehr genau in dem Ventilgehäuse positioniert werden. Weiterhin kann die Massivkaskade so mit einer sehr hohen Vorspannkraft angeordnet werden.
In einer weiteren alternativen vorteilhaften Ausführung umfasst die Drossel eine Blechkaskade, wobei die Blechkaskade Kaskadenrippen und darin ausgebildete Drosselbohrungen aufweist. Die eigentliche Drossel verläuft somit durch die Drosselbohrungen, welche mit sehr engen Toleranzen gefertigt werden können. Vorzugsweise ist die Blechkaskade dabei aus kostengünstigen Einzelblechen, also den Kaskadenrippen, aufgebaut. Auch die Blechkaskade kann in einer Weiterbildung an ihrem Außenumfang konisch ausgebildet sein.
Vorzugsweise sind die Kaskadenrippen durch einen Flansch in dem Ventilgehäuse verspannt. Dadurch können die Kaskadenrippen einfach über- bzw. nebeneinander angeordnet und anschließend fixiert werden.
In vorteilhaften Ausführungen der Erfindung ist die Drossel über ihre Länge als Diffusor ausgebildet. Der Strömungsquerschnitt der relevanten Drosselstellen erweitert sich also entlang der Drossel, beispielsweise kaskadisch. Dadurch wird eine sehr günstige Strömungsgeometrie erzielt. Die Drosselung kann dann auch sehr genau und robust ausgeführt werden, da lediglich der geringste Strömungsquerschnitt der Drossel enge Fertigungstoleranzen aufweisen muss.
In einer vorteilhaften Ausführung ist das erfindungsgemäße 3-Wege-Ventil in einem Abwärmerückgewinnungssystem einer Brennkraftmaschine angeordnet. Das Abwärmerückgewinnungssystem umfasst einen ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf, wobei der Kreislauf in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Pumpe, einen Verdampfer, ein Bypassventil, eine Expansionsmaschine und einen Kondensator umfasst. Parallel zur Expansionsmaschine ist eine Bypassleitung angeordnet, wobei das Bypassventil den Massenstrom des Arbeitsmediums zur Expansionsmaschine und zur Bypassleitung steuert. Das Bypassventil ist das erfindungsgemäße 3-Wege-Ventil. Dadurch kann der Massenstrom des Arbeitsmediums beliebig zwischen der Expansionsmaschine und der Bypassleitung aufgeteilt werden, ohne dass dies zu Druckschwankungen in der Pumpe bzw. in dem Verdampfer führt. Die Lebensdauer des gesamten Abwärmerückgewinnungssystems, speziell des Bypassventils, des Verdampfers und der Pumpe ist dadurch erhöht.
Um eine hohe Effizienz des Abwärmerückgewinnungssystems zu erzielen, ist es notwendig das Arbeitsmedium ohne nennenswerte Druckverluste vom Verdampfer zur Expansionsmaschine zu fördern. Vorzugsweise ist die Expansionsmaschine also mit dem ersten Auslasskanal verbunden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die zweite hydraulische Verbindung in der Bypassleitung ausgebildet, bzw. der zweite Auslasskanal ist mit der Bypassleitung verbunden. Dadurch kann die Drossel – als hydraulischer Bestandteil der Bypassleitung – vorzugsweise so dimensioniert werden, dass der zweite Druckabfall, also der Druckabfall an der Drossel, bei geöffneter zweiter hydraulischer Verbindung dem ersten Druckabfall an der Expansionsmaschine bei geöffneter erster hydraulischer Verbindung entspricht.
Zeichnungen
1 zeigt einen Längsschnitt eines 3-Wege-Ventils, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
2 zeigt den Ausschnitt II der 1 in einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen 3-Wege-Ventils.
3 zeigt schematisch das erfindungsgemäße 3-Wege-Ventil innerhalb eines Abwärmerückgewinnungssystems.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des 3-Wege-Ventils im Längsschnitt, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
5 zeigt noch ein weiteres Ausführungsbeispiel des 3-Wege-Ventils im Längsschnitt, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
6 zeigt noch ein weiteres Ausführungsbeispiel des 3-Wege-Ventils im Längsschnitt, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
7 zeigt noch ein weiteres Ausführungsbeispiel des 3-Wege-Ventils im Längsschnitt, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
Beschreibung
1 zeigt einen Längsschnitt eines 3-Wege-Ventils 1, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
Das 3-Wege-Ventil 1 weist ein Ventilgehäuse 4 auf, in welchem ein Schließkörper 3 längsbeweglich angeordnet ist. In dem Ventilgehäuse 4 sind ein Einlasskanal 5, ein erster Auslasskanal 6 und ein zweiter Auslasskanal 6b ausgebildet. Weiterhin sind in dem Ventilgehäuse 4 ein erster Ventilsitz 8 und ein zweiter Ventilsitz 8b ausgebildet. Der Schließkörper 3 umfasst den Schließzylinder 3a, welcher sowohl mit dem ersten Ventilsitz 8 als auch mit dem zweiten Ventilsitz 8b zusammenwirkt.
Der Schließzylinder 3a wirkt mit dem ersten Ventilsitz 8 zum Öffnen und Schließen einer ersten hydraulischen Verbindung von dem Einlasskanal 5 zu dem ersten Auslasskanal 6 zusammen. Und der Schließzylinder 3a wirkt weiterhin mit dem zweiten Ventilsitz 8b zum Öffnen und Schließen einer zweiten hydraulischen Verbindung von dem Einlasskanal 5 zu dem zweiten Auslasskanal 6b zusammen. Dabei sind die beiden Ventilsitze 8, 8b zylindrisch angeordnet. In axialer Richtung des Schließkörpers 3 betrachtet ist der erste Ventilsitz 8 auf der einen Seite benachbart zum Einlasskanal 5 angeordnet und der zweite Ventilsitz 8b auf der anderen Seite.
In der Ausführung der 1 ist der erste Ventilsitz 8 als ringförmiger Schiebersitz ausgebildet und der zweite Ventilsitz 8b als Stirnfläche eines in das Ventilgehäuse 4 eingepressten Ventilrohrs 15, also als Flachsitz. In dem Ventilrohr 15 sind weiterhin auch radiale Bohrungen 16 ausgebildet, um bei geöffneter zweiter hydraulischer Verbindung ein Durchströmen des Fluids vom Einlasskanal 5 durch den zweiten Ventilsitz 8b zu dem zweiten Auslasskanal 6b zu gewährleisten.
Benachbart zu dem Schließzylinder 3a ist an dem Schließkörper 3 eine Umfangsnut 30 ausgebildet, welche eine Durchmesserreduzierung des Schließkörpers 3 darstellt. Gibt der Schließzylinder 3a den ersten Ventilsitz 8 frei, so ist die Umfangsnut 30 radial gegenüberliegend dem ersten Ventilsitz 8 angeordnet. Die hydraulische Verbindung vom Einlasskanal 5 zum ersten Auslasskanal 6 verläuft dann über die Umfangsnut 30.
Das 3-Wege-Ventil 1 umfasst weiterhin eine Druckfeder 17 und eine Verbindungsbohrung 11. Die Druckfeder 17 ist derart innerhalb des Ventilgehäuses 4 angeordnet, dass sie bestrebt ist die erste hydraulische Verbindung zu schließen und die zweite hydraulische Verbindung zu öffnen; die Druckfeder 17 drückt den Schließkörper 3 also in eine Stellung wie in der 1 gezeigt. Die Verbindungbohrung 11 ist in dem Ventilgehäuse 4 so ausgebildet, dass sie eine Stirnfläche 13 des Schließkörpers 3, welche an dem der Druckfeder 17 gegenüberliegenden Ende des Schließkörpers 3 ausgebildet ist, mit dem Einlasskanal 5 hydraulisch verbindet; die Stirnfläche 13 ist damit mit dem Fluiddruck des Einlasskanals 5 beaufschlagt und belastet den Schließkörper 3 in der entgegengesetzten Richtung der Federkraft der Druckfeder 17.
Der Ventilantrieb des 3-Wege-Ventils 1, welcher auf den Schließkörper 3 wirkt, ist nicht dargestellt. Es kann jedoch ein beliebiger Ventilantrieb verwendet werden, beispielsweise pneumatisch, hydraulisch, elektromagnetisch oder piezoelektrisch. Die Wirkweisen des Fluiddrucks auf die Stirnfläche 13 und der Druckfeder 17 sind so ausgelegt, dass ohne Ventilantrieb bei kleinen Drücken im Einlasskanal 5 die erste hydraulische Verbindung geschlossen und die zweite hydraulische Verbindung geöffnet ist und bei größeren Drücken die erste hydraulische Verbindung geöffnet und die zweite hydraulische Verbindung geschlossen ist. Dies sind die beiden Vorzugsstellungen des 3-Wege-Ventils in Abhängigkeit des Drucks des Einlasskanals 5. Dadurch wird der Energieaufwand für den Ventilantrieb reduziert.
Im Betrieb des 3-Wege-Ventils 1 ist der Einlasskanal 5 mit einem Einlassdruck p₅ beaufschlagt, der erste Auslasskanal 6 mit einem ersten Auslassdruck p₆ und der zweite Auslasskanal 6b mit einem zweiten Auslassdruck p_6b. Die drei Drücke p₅, p₆ und p_6b sind dabei abhängig von der Stellung des 3-Wege-Ventils 1, einer Fördervorrichtung stromaufwärts des Einlasskanals 5 und den jeweiligen Abnehmern stromabwärts des ersten Auslasskanals 6 und des zweiten Auslasskanals 6b.
2 zeigt den Ausschnitt II der 1. Zwischen dem Ventilrohr 15 und dem Schließkörper 3 ist erfindungsgemäß eine Drossel 20 in der zweiten hydraulischen Verbindung vom Einlasskanal 5 zu dem zweiten Auslasskanal 6b ausgebildet. Dadurch werden die drei Drücke p₅, p₆ und p_6b im Wesentlichen unabhängig von der Stellung des 3-Wege-Ventils 1. Dazu ist die Drossel 20 so aufgebaut, dass sie in den wesentlichen Betriebspunkten den Druckunterschied zwischen den Abnehmern am ersten Auslasskanal 6 und am zweiten Auslasskanal 6b ausgleicht.
Das heißt der Abnehmer nach dem ersten Auslasskanal 6 reduziert den Einlassdruck p₅ (in diesem Fall p₅ = p₆) in gleichem Maße wie die Drossel 20 und der zweite Abnehmer. Ist der zweite Abnehmer beispielsweise nur eine Bypassleitung, so reduziert der erste Abnehmer (beispielsweise eine Expansionsmaschine) den Druck vom ersten Auslassdruck p₆ (= p₅) auf ca. den zweiten Auslassdruck p_6b.
In der Ausführungsform der 2 ist die Drossel 20 als Labyrinthdichtung 21 am Ventilrohr 15 ausgebildet. Dadurch ergibt sich bei geöffnetem zweiten Ventilsitz 8b ein Durchströmen der zweiten hydraulischen Verbindung mit Verwirbelungen, wie durch die Strömungslinie 21a dargestellt. Diese Verwirbelungen führen zu einem Druckabbau von p₅ auf p_6b über die Länge der Labyrinthdichtung 21.
3 zeigt das erfindungsgemäße 3-Wege-Ventil 1 angeordnet in einem Abwärmerückgewinnungssystem 100. Das Abwärmerückgewinnungssystem 100 einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine weist einen ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf 100a auf, der in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Pumpe 102, einen Verdampfer 103, eine Expansionsmaschine 104 und einen Kondensator 105 umfasst. Das Arbeitsmedium kann nach Bedarf über eine Stichleitung und eine Ventilanordnung 101a aus einem Sammelbehälter 101 in den Kreislauf 100a eingespeist werden. Der Sammelbehälter 101 kann dabei alternativ auch in den Kreislauf 100a eingebunden sein.
Der Verdampfer 103 ist an eine Abgasleitung der Brennkraftmaschine angeschlossen, nutzt also die Wärmeenergie des Abgases der Brennkraftmaschine.
Erfindungsgemäß wird das 3-Wege-Ventil 1 als ein Bypassventil für die Expansionsmaschine 104 verwendet. Dazu ist eine Bypassleitung 106 parallel zur Expansionsmaschine 104 angeordnet. Je nach Betriebszustand der Brennkraftmaschine und daraus resultierender Größen, beispielsweise Temperaturen des Arbeitsmediums, wird das Arbeitsmedium der Expansionsmaschine 104 zugeführt oder durch die Bypassleitung 106 an der Expansionsmaschine 104 vorbeigeführt. Beispielhaft ist ein Temperatursensor 107 vor dem Kondensator 105 angeordnet. Der Temperatursensor 107 ermittelt die Temperatur des Arbeitsmediums vor dem Kondensator 105 und übermittelt ein entsprechendes Signal an ein Steuergerät 108. Das Steuergerät 108 steuert in Abhängigkeit verschiedener Daten, wie beispielsweise der Temperatur des Arbeitsmediums vor dem Kondensator 105, über die beiden elektrischen Anschlüsse 61, 62 die Steuereinheit 50 an.
Die Steuereinheit 50 ist über die Anschlussleitung 54 mit dem 3-Wege-Ventil 1 verbunden. Das 3-Wege-Ventil 1 wird so geschaltet, dass das Arbeitsmedium entweder durch die Expansionsmaschine 104 geführt wird, oder durch die Bypassleitung 106. Der Massenstrom des Arbeitsmediums kann auch aufgeteilt werden, so dass ein Teil des Arbeitsmediums der Expansionsmaschine 104 zugeführt wird und ein weiterer Teil der Bypassleitung 106.
Der Einlasskanal 5 des 3-Wege-Ventils 1 ist mit dem Verdampfer 103 bzw. mit der Pumpe 102 verbunden, so dass an ihm im Betrieb ein relativ hoher Druck, beispielsweise 30 bar, anliegt. Die Expansionsmaschine 104 entspannt das unter Druck stehende Fluid unter Abgabe von mechanischer Energie, so dass nach der Expansionsmaschine 104 ein niedriger Druck, beispielsweise 1 bar, anliegt. Um das 3-Wege-Ventil 1 energetisch effizient zu gestalten, muss der Normalbetrieb-Druckabfall vom Verdampfer 103 zur Expansionsmaschine 104, also durch die erste hydraulische Verbindung des 3-Wege-Ventils 1, nahezu Null sein. Das 3-Wege-Ventil 1 darf die erste hydraulische Verbindung vom Einlasskanal 5 zum ersten Auslasskanal 6 nicht drosseln.
Wird jedoch die erste hydraulische Verbindung geschlossen und die zweite hydraulische Verbindung geöffnet, so ist der Einlasskanal 5 über den zweiten Auslasskanal 6b mit der Bypassleitung 106 verbunden, welche den vergleichsweise niedrigen Druck des Kondensators 105, beispielsweise 1 bar, aufweist. Fördert die Pumpe 102 weiterhin Arbeitsmedium zum Bypassventil 1, so sollte über die zweite hydraulische Verbindung ein ähnlicher (zweiter) Druckabfall erfolgen wie über die Expansionsmaschine 104 (erster Druckabfall), also beispielsweise von 30 bar auf 1 bar. Dieser zweite Druckabfall wird mittels der erfindungsgemäßen Drossel 20 des 3-Wege-Ventils 1 erzeugt.
2 zeigte eine mögliche Ausführungsvariante der Drossel 20 als Labyrinthdichtung 21. Im Folgenden werden weitere mögliche Ausführungsvarianten der Drossel 20 beschrieben:
4 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes 3-Wege-Ventil 1 mit der Drossel 20, wobei die Drossel 20 als Schneckendrossel ausgeführt ist. Dazu umfasst das Ventilgehäuse 4 ein Schneckengehäuse 22, welche das Ventilrohr 15 radial umgebend angeordnet ist. Alternativ können Ventilrohr 15 und Schneckengehäuse 22 auch einstückig ausgeführt sein.
Das Schneckengehäuse 22 weist radial verlaufende Rippen 23 und eine Außenwand 24 auf. Die Rippen 23 sind sternförmig und abwechselnd an das Ventilrohr 15 und die Außenwand 24 angrenzend. Dadurch ergibt sich ein Strömungsweg 22a, welcher von der Bohrung 16 kommend um die Rippen 23 schlangenförmig herumführt und in den zweiten Auslasskanal 6b mündet.
Die Rippen 23 weisen von einer der Bohrung 16 benachbarten ersten Rippe 23a bis zu einer dem zweiten Auslasskanal 6b benachbarten letzten Rippe 23b zunehmende Längen auf. Das heißt der Abstand der Außenwand 23 vom Ventilrohr 15 nimmt über den Umfang der Außenwand 23 hin zum zweiten Auslasskanal 6b zu.
Die eigentliche Drosselung des Fluids beim Durchströmen der Schneckendrossel kann sowohl zwischen zwei benachbarten Rippen 23 erfolgen, als auch zwischen den Rippen 23 und dem Ventilrohr 15 bzw. zwischen den Rippen 23 und der Außenwand 24.
5 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes 3-Wege-Ventil 1 mit der Drossel 20, wobei die Drossel 20 als Drosselbox ausgeführt ist. Die Drosselbox umfasst einen ersten Rippenzylinder 25 und einen zweiten Rippenzylinder 26, wobei die beiden Rippenzylinder 25, 26 ineinander greifen. Die Rippenzylinder 25, 26 weisen jeweils eine Anzahl von im Wesentlichen kreisringförmigen Rippen 25b, 26b auf, welche das Ventilrohr 15 radial über den gesamten Umfang umgebend angeordnet sind.
Die Rippenzylinder 25, 26 weisen weiterhin jeweils eine Zylinderteilwand 25d, 26d auf, welches als die jeweiligen Rippen 25b, 26b zusammenhaltendes Gehäuse gesehen werden kann. Die beiden Zylinderteilwände 25d, 26d sind aber nicht jeweils umlaufend, sondern laufen nur in Summe über 360°, so dass sie ineinander gesteckt werden können. Vorzugsweise verlaufen beide Zylinderteilwände 25d, 26d dabei über jeweils 180°. Im montierten Zustand sind die beiden Rippenzylinder 25, 26 ineinander angeordnet und durch einen Flansch 27 in dem Ventilgehäuse 4 fixiert.
Die eigentlichen Drosselstellen der als Drosselbox ausgeführten Drossel 20 der 5 verlaufen so zwischen den Rippen des einen Rippenzylinders und der Zylinderteilwand des anderen Rippenzylinders. Es gibt also mehrere Drosselstellen:

– Zwischen den Rippen 25b des ersten Rippenzylinders 25 und der zweiten Zylinderteilwand 26d des zweiten Rippenzylinders 26.
– Zwischen den Rippen 26b des zweiten Rippenzylinders 26 und der ersten Zylinderteilwand 25d des ersten Rippenzylinders 25.

Durch die Anordnung und Gestaltung der Rippen 25b, 26b ergibt sich ein Strömungsweg 22a des durch die Drossel 20 strömenden Fluids, der ähnlich dem Strömungsweg des Ausführungsbeispiels der 4 verläuft, nämlich sich um die Rippen 25b, 26b herum schlängelnd. Analog zur Ausführung der 4 wird dabei der Strömungsquerschnitt zwischen den Rippen 25b, 26b und der benachbarten Zylinderteilwand 25d, 26d in Flussrichtung des Fluids größer. Das heißt eine der Bohrung 16 benachbarte jeweils erste Rippe 25a, 26a der beiden Rippenzylinder 25, 26 ist größer ausgeführt als eine dem zweiten Auslasskanal 6b benachbarte jeweils letzte Rippe 25c, 26c der beiden Rippenzylinder 25, 26.
6 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes 3-Wege-Ventil 1 mit der Drossel 20, wobei die Drossel 20 als Massivkaskade ausgeführt ist. Die Massivkaskade umfasst eine Anzahl von Kaskadenrippen 28, welche scheibenförmig gestaltet und zur Achse des Schließkörpers 3 koaxial angeordnet sind.
Die Durchmesser der scheibenförmigen Kaskadenrippen 28 nehmen von der Bohrung 16 zum zweiten Auslasskanal 6b zu, so dass sich eine Konus ähnliche Außengeometrie der Massivkaskade ergibt. Diese Außengeometrie ist in eine entsprechend konisch geformte Innenwand des Ventilgehäuses 4 eingepresst bzw. eingeschraubt. Die eigentlichen Drosselstellen der Massivkaskade verlaufen durch in den Kaskadenrippen 28 ausgebildete Drosselbohrungen 29. Die Drosselbohrungen 29 weisen mit zunehmendem Abstand von der Bohrung 16 zunehmende Durchmesser auf.
7 zeigt ein zur 6 ähnliches Ausführungsbeispiel des 3-Wege-Ventils 1. Jedoch ist in dieser Ausführung die Drossel 20 nicht als Massivkaskade sondern als Blechkaskade ausgeführt. Die Blechkaskade weist eine Anzahl von topfförmigen Kaskadenrippen 28 auf, welche übereinander bzw. in Reihe angeordnet und durch den Flansch 27 in dem Ventilgehäuse 4 verspannt sind. Die Drosselbohrungen 29 sind in den Kaskadenrippen 28 und in dem Flansch 27 ausgebildet und weisen hin zum zweiten Auslasskanal 6b größer werdende Durchmesser auf. Alternativ dazu können natürlich auch die Anzahlen der Drosselbohrungen 29 pro Kaskadenrippe 28 mit abnehmendem Abstand zum zweiten Auslasskanal 6b erhöht werden, wobei die einzelnen Drosselbohrungen 29 dann den gleichen Durchmesser aufweisen können.
Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen 3-Wege-Ventils 1 ist wie folgt:
Bei geöffneter erster hydraulischer Verbindung, also vom Einlasskanal 5 zum ersten Auslasskanal 6, durchströmt das Fluid das 3-Wege-Ventil 1 ungedrosselt. Vorzugsweise mündet der erste Auslasskanal 6 in einen Abnehmer, welchem der erste Auslassdruck p₆ zur Verfügung gestellt werden soll. Vorzugsweise soll dann also der Einlassdruck p₅ gleich dem ersten Auslassdruck p₆ sein. Ein Beispiel eines derartigen Abnehmers ist die Expansionsmaschine 104 des Abwärmerückgewinnungssystems 100, wie in der 3 gezeigt.
Der Abnehmer, beispielsweise die Expansionsmaschine 104, entspannt das Fluid auf einen niedrigeren Druck, beispielsweise auf ~p_6b; es stellt sich der erste Druckabfall am Abnehmer ein. Der Auslasskanal 6b ist vorzugsweise mit dem Ausgang des Abnehmers bzw. der Expansionsmaschine 104 verbunden, so dass das 3-Wege-Ventil 1 als Bypassventil zu dem Abnehmer verwendet wird. Die zweite hydraulische Verbindung ist dann als Bypassleitung zu dem Abnehmer ausgeführt.
Das 3-Wege-Ventil 1 ist erfindungsgemäß so aufgebaut, dass die Drossel 20 das Fluid bei geöffneter zweiter hydraulischer Verbindung auf den gleichen Druck drosselt – also durch den zweiten Druckabfall – wie der Abnehmer bei geöffneter erster hydraulischer Verbindung, nämlich auf den zweiten Auslassdruck p_6b. Dadurch ergeben sich keine negativen Einflüsse der Ventilstellung auf den Einlassdruck p₅. Das bedeutet, dass die Stellung des Schließkörpers 3 keinen Einfluss auf den Einlassdruck p₅ hat. In dem Abwärmerückgewinnungssystem 100 der 3 entspricht der Einlassdruck p₅ einem Ausgangsdruck des Verdampfers 3, welcher wiederum von einem Auslassdruck der Pumpe 102 abhängig ist. Durch das erfindungsgemäße 3-Wege-Ventil 1 ist der Einlassdruck p₅ unabhängig von der Stellung des Schließkörpers 3. Dadurch kann ein Massenstrom durch die Pumpe 102 – bzw. eine Drehzahl der Pumpe 102 – unabhängig von der Ventilstellung des 3-Wege-Ventils 1 bzw. des Bypassventils geregelt werden. Weiterhin werden Pumpe 102 und Verdampfer 103 so beim Umschalten der Ventilstellung nicht mit schädlichen Druckpeaks belastet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014224979 A1 [0003]

Claims

3-Wege-Ventil (1) mit einem Ventilgehäuse (4) und einem längsbeweglich in dem Ventilgehäuse (4) angeordneten Schließkörper (3), wobei in dem Ventilgehäuse (4) ein Einlasskanal (5), ein erster Auslasskanal (6) und ein zweiter Auslasskanal (6b) ausgebildet sind, wobei der Schließkörper (3) durch seine Längsbewegung mit einem im Ventilgehäuse (4) ausgebildeten ersten Ventilsitz (8) zusammenwirkt und dadurch eine erste hydraulische Verbindung zwischen dem Einlasskanal (5) und dem ersten Auslasskanal (6) öffnet und schließt, und wobei der Schließkörper (3) durch seine Längsbewegung mit einem im Ventilgehäuse (4) ausgebildeten zweiten Ventilsitz (8b) zusammenwirkt und dadurch eine zweite hydraulische Verbindung zwischen dem Einlasskanal (5) und dem zweiten Auslasskanal (6b) öffnet und schließt, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten hydraulischen Verbindung eine Drossel (20) ausgebildet ist.
3-Wege-Ventil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drossel (20) eine Labyrinthdichtung (21) umfasst.
3-Wege-Ventil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drossel (20) eine Schneckendrossel umfasst.
3-Wege-Ventil (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneckendrossel ein Schneckengehäuse (22) mit darin angeordneten Rippen (23) und mit einer Außenwand (24) umfasst, wobei die Drossel (20) zwischen den Rippen (23) und der Außenwand (24) ausgebildet ist.
3-Wege-Ventil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drossel (20) eine Drosselbox umfasst.
3-Wege-Ventil (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselbox einen ersten Rippenzylinder (25) und einen zweiten Rippenzylinder (26) aufweist, wobei beide Rippenzylinder (25, 26) jeweils eine Zylinderteilwand (25d, 26d) und daran angeordnete Rippen (25b, 26b) aufweisen.
3-Wege-Ventil (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass, die beiden Rippenzylinder (25, 26) ineinander greifen und so die Drossel (20) zwischen der Zylinderteilwand (25d, 26d) des einen Rippenzylinders (25, 26) und den Rippen (25b, 26b) des jeweils anderen Rippenzylinders (25, 26) ausgebildet ist.
3-Wege-Ventil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drossel (20) eine Massivkaskade umfasst, wobei die Massivkaskade Kaskadenrippen (28) und darin ausgebildete Drosselbohrungen (29) aufweist.
3-Wege-Ventil (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Außenumfang der Massivkaskade eine im Wesentlichen konische Form aufweist.
3-Wege-Ventil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drossel (20) eine Blechkaskade umfasst, wobei die Blechkaskade Kaskadenrippen (28) und darin ausgebildete Drosselbohrungen (29) aufweist.
3-Wege-Ventil (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaskadenrippen (28) durch einen Flansch (27) in dem Ventilgehäuse (4) verspannt sind.
3-Wege-Ventil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Drossel (20) über ihre Länge als Diffusor ausgebildet ist.
Abwärmerückgewinnungssystem (100) mit einem ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf (100a), wobei der Kreislauf (100a) in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Pumpe (102), einen Verdampfer (103), ein Bypassventil (1), eine Expansionsmaschine (104) und einen Kondensator (105) umfasst, wobei parallel zur Expansionsmaschine (104) eine Bypassleitung (106) angeordnet ist und wobei das Bypassventil (1) den Massenstrom des Arbeitsmediums zur Expansionsmaschine (104) und zur Bypassleitung (106) steuert, dadurch gekennzeichnet, dass das Bypassventil (1) ein 3-Wege-Ventil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 ist.
Abwärmerückgewinnungssystem (100) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite hydraulische Verbindung in der Bypassleitung (106) ausgebildet ist.
Abwärmerückgewinnungssystem (100) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Druckabfall an der Expansionsmaschine (104) bei geöffneter erster hydraulischer Verbindung nahezu ähnlich groß ist wie ein zweiter Druckabfall an der Drossel (20) bei geöffneter zweiter hydraulischer Verbindung.