DE102018108013A1 - Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Verteilen eines Fluids in einem Fluidkreislauf - Google Patents

Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Verteilen eines Fluids in einem Fluidkreislauf Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (20-1, 20-2, 20-3, 20-4) zum Regeln eines Durchflusses und Verteilen eines Fluids in einem Fluidkreislauf, insbesondere eines Kältemittels in einem Kältemittelkreislauf. Die Vorrichtung (20-1, 20-2, 20-3, 20-4) weist ein Gehäuse (21-1, 21-2, 21-3, 21-4) mit Anschlüssen (22, 22z, 23, 23a, 23b, 23c, 23d, 24, 24a, 24b, 24c, 24d) zum Verbinden mit Fluidleitungen, welche jeweils über eine Durchgangsöffnung mit mindestens einem inneren Volumen des Gehäuses (21-1, 21-2, 21-3, 21-4) verbunden sind, sowie mindestens ein im inneren Volumen des Gehäuses (21-1, 21-2, 21-3, 21-4) angeordnetes Ventilelement (25, 25a, 25b, 25c, 25d) mit einem Antriebselement (26, 26a, 26b, 26c, 26d) zum Bewegen des Ventilelements (25, 25a, 25b, 25c, 25d) relativ zum Gehäuse (21-1, 21-2, 21-3, 21-4) auf. Das mindestens eine Ventilelement (25, 25a, 25b, 25c, 25d) ist um eine Rotationsachse (33) drehbar gelagert und weist mindestens drei als Durchgangsbohrungen ausgebildete Öffnungen (28, 29, 30) auf, welche im Inneren des Ventilelements (25, 25a, 25b, 25c, 25d) ein gemeinsames Volumen bilden. Dabei sind eine Symmetrieachse einer ersten Öffnung (28) und die Rotationsachse (33) des Ventilelements (25, 25a, 25b, 25c, 25d) auf einer gemeinsamen Achse angeordnet.
Die Erfindung betrifft zudem eine Verwendung der Vorrichtung (20-1, 20-2, 20-3, 20-4) in einem Kältemittelkreislauf eines thermischen Systems, insbesondere eines Thermomanagementsystems, eines Kraftfahrzeugs.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Verteilen eines Fluids in einem Fluidkreislauf, insbesondere eines Kältemittels in einem Kältemittelkreislauf. Die Vorrichtung weist ein Gehäuse mit Anschlüssen zum Verbinden mit Fluidleitungen, welche jeweils über eine Durchgangsöffnung mit einem inneren Volumen des Gehäuses verbunden sind, sowie ein im inneren Volumen des Gehäuses angeordnetes Ventilelement mit einem Antriebselement zum Bewegen des Ventilelements relativ zum Gehäuse auf.
  • Bei aus dem Stand der Technik bekannten Kraftfahrzeugen wird einer hohen Anforderung an den Komfort der Fahrgäste im Fahrgastraum durch Klimatisierungssysteme mit unterschiedlichen Kreisläufen für Kältemittel und Kühlmittel jeweils mit verschieden betriebenen Wärmeübertragern begegnet. Herkömmliche Kraftfahrzeuge mit elektromotorischem Antrieb, kurz als Elektrofahrzeuge bezeichnet, oder Kraftfahrzeuge mit einem hybriden Antrieb aus Elektromotor und Verbrennungsmotor, kurz als Hybridfahrzeuge bezeichnet, weisen aufgrund der Ausbildung mit zusätzlichen Komponenten des elektrischen Antriebsstrangs, wie einer Hochvoltbatterie, einem internen Ladegerät, einem Transformer, einem Inverter sowie dem Elektromotor, zudem meist einen höheren Versorgungsbedarf an Kälte beziehungsweise Wärme als Kraftfahrzeuge mit einem reinen verbrennungsmotorischen Antrieb auf. Neben dem Kältemittelkreislauf des eigentlichen Klimatisierungssystems sind bekannte Kraftfahrzeuge mit einem reinen elektrischen Antrieb oder einem elektrischen Hybridantrieb mit einem Kühlmittelkreislauf ausgebildet, in welchem das zum Abführen der von den Antriebskomponenten emittierter Wärme zirkulierende Kühlmittel durch einen Kühlmittel-Kältemittel-Wärmeübertrager geleitet wird, um die Wärme vom Kühlmittel das im Kältemittelkreislauf zirkulierende Kältemittel zu übertragen. Insbesondere sind die genannten Fahrzeuge mit einer Möglichkeit zum Schnellladen der elektrischen Energiespeicher, wie der Hochvoltbatterie des Antriebsstrangs, als einer gesteigerten Anforderung an die Kühlung der Energiespeicher auszubilden.
  • Thermische Systeme elektrisch angetriebener Kraftfahrzeuge weisen aufgrund des erforderlichen Energiebedarfs einen erheblichen Einfluss auf die Reichweite der Kraftfahrzeuge auf. So wird durch eine bedarfsgerechte Verteilung von Wärmeströmen im Kraftfahrzeug mit verschiedenen Untersystemen beispielsweise eine schnellere Konditionierung von Komponenten ermöglicht, welche eine optimale Betriebstemperatur erfordern. In batterieelektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen und Kraftfahrzeugen mit Hybridantrieb, bei welchen neben der Konditionierung des Fahrgastraums beispielsweise auch die Konditionierung der Hochvoltkomponenten des elektrischen Antriebsstrangs von besonderem Interesse sind, ist der Einfluss des Betriebs der thermischen Systeme auf die Reichweite des Kraftfahrzeugs zu minimieren.
  • Aus dem Stand der Technik ist zudem bekannt, Kältemittelkreisläufe von Klimatisierungssystemen sowohl in einem Modus als Wärmepumpe als auch in einem Modus als Kälteanlage betreibbar auszubilden, um thermische Energien innerhalb des Kraftfahrzeugs zu verteilen. Zum Beispiel kann insbesondere beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs im Wärmepumpenmodus Wärme aus der Umgebungsluft oder einem Kühlmittelkreislauf aufgenommen werden, welche anschließend an Komponenten des Kraftfahrzeugs mit Wärmebedarf übertragen wird. Beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs im Kälteanlagenmodus kann Wärme aus dem Fahrgastraum beziehungsweise aus der Zuluft zum Fahrgastraum oder anderen Komponenten aufgenommen und beispielsweise an die Umgebung übertragen werden. Dabei sind innerhalb der thermischen Systeme die Wärmeträgerkreisläufe, wie Kältemittelkreisläufe und Kühlmittelkreisläufe, untereinander und mit weiteren Komponenten des Kraftfahrzeugs verbunden. Speziell bei hybridangetriebenen Kraftfahrzeugen bestehen große Herausforderungen, das thermische System zum Konditionieren verschiedener Komponenten im vorhandenen Bauraum anzuordnen.
  • In der DE 10 2013 206 626 A1 wird ein Kältemittelkreislauf zur Klimatisierung eines Fahrzeuges offenbart. Der Kältemittelkreislauf weist einen Verdichter sowie mehrere als Verdampfer beziehungsweise Kondensatoren betriebene Wärmeübertrager zur Übertragung von Wärme mit dem Kältemittel auf. Dabei ist der Kältemittelkreislauf mit mindestens drei Verdampfern und zwei Kondensatoren ausgebildet, wobei jedem Verdampfer ein Expansionsventil zum Entspannen des Kältemittels vorgeschaltet und jedem Kondensator ein Rückschlagventil zum Vermeiden von Kältemittelverlagerungen innerhalb des Kältemittelkreislaufs nachgeschaltet angeordnet ist. Die Komponenten des Kältemittelkreislaufs, insbesondere die große Anzahl an Ventilen, sind jeweils über Verbindungsleitungen im Kältemittelkreislauf integriert.
    Dabei ist jedes Ventil für das Ausführen lediglich einer Funktion ausgebildet, sodass jeweils eine Vielzahl an Ventilen und Verbindungsleitungen erforderlich sind, was neben hohen Kosten auch ein hohes Gewicht des Kältemittelkreislaufs verursacht und eines erheblichen Bauraums bedarf.
  • Aus der DE 10 2014 105 097 A1 geht eine Ventilblockanordnung für mehrere Ventile, insbesondere Expansionsventile beziehungsweise Absperrventile, hervor. Die Anordnung weist einen Ventilblock mit mehreren Strömungspfaden für Fluide sowie mehrere Verstelleinheiten mit zugeordneten Antriebseinheiten auf. Der Ventilblock ist zweiteilig aus einem Strömungspfadelement mit den Strömungspfaden und einem Begrenzungselement ausgebildet. Die Ventilblockanordnung weist dabei speziell vier in einem Block zusammengefasste Kältemittelventile auf, auch um damit die Anzahl der Verbindungsleitungen im Kältemittelkreislauf zu reduzieren.
    Die sehr komplexe Ausbildung der zweiteiligen Ventilblockanordnung erfordert zusätzliche Komponenten, wie Dichtungen, Führungen und Verschraubungen, was wiederum hohe Herstellungskosten, eine hohe Fehleranfälligkeit bei der Montage, hohe Anforderungen an die Dichtheit und Festigkeit sowie ein hohes Gewicht verursacht.
  • Aus dem Stand der Technik ist zudem nicht bekannt, alle Ventile eines Fluidkreislaufs, insbesondere eines Kältemittelkreislaufs intern und damit in einem gemeinsamen Block oder Gehäuse miteinander verschaltet auszubilden.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Verteilen eines Fluids in einem Fluidkreislauf, insbesondere in Kältemittelkreisläufen, eines thermischen Systems eines Kraftfahrzeugs. Dabei sollen mit einer minimalen Anzahl an Komponenten eine maximale Anzahl an Wärmequellen und Wärmesenken des thermischen Systems, speziell eines batterieelektrisch oder hybridangetriebenen Kraftfahrzeugs, kältemittelseitig miteinander verbunden werden. Es soll Kältemittel auf unterschiedlichen Temperaturniveaus für unterschiedliche Komponenten verfügbar sein. Zudem sollen die Herstellungs-, Wartungs- und Betriebskosten sowie der erforderliche Bauraum der Vorrichtung minimal sein. Das thermische System soll mit maximaler Effizienz betreibbar sein.
  • Die Aufgabe wird durch die Gegenstände mit den Merkmalen der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
  • Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Verteilen eines Fluids in einem Fluidkreislauf, insbesondere eines Kältemittels in einem Kältemittelkreislauf, gelöst. Die Vorrichtung weist ein Gehäuse mit Anschlüssen zum Verbinden mit Fluidleitungen, welche jeweils über eine Durchgangsöffnung mit mindestens einem inneren Volumen des Gehäuses verbunden sind, sowie mindestens ein im inneren Volumen des Gehäuses angeordnetes Ventilelement mit einem Antriebselement zum Bewegen des Ventilelements relativ zum Gehäuse auf.
  • Nach der Konzeption der Erfindung ist das mindestens eine Ventilelement um eine Rotationsachse drehbar gelagert und weist mindestens drei als Durchgangsbohrungen ausgebildete Öffnungen auf, welche im Inneren des Ventilelements ein gemeinsames Volumen bilden. Dabei sind eine Symmetrieachse einer ersten Öffnung und die Rotationsachse des Ventilelements auf einer gemeinsamen Achse angeordnet. Das Ventilelement ist vorteilhaft kugelförmig oder kreiszylindrisch ausgebildet.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die erste Öffnung des Ventilelements auf einer Seite ausgebildet, welche der zum Antriebselement ausgerichteten Seite des Gehäuses gegenüberliegt. Bei einer kugelförmigen Ausgestaltung des Ventilelements sind die erste Öffnung des Ventilelements und das Antriebselement diametral zueinander angeordnet, während bei einer kreiszylinderförmigen Ausgestaltung des Ventilelements die erste Öffnung des Ventilelements und das Antriebselement jeweils im Bereich der Stirnseiten des Kreiszylinders angeordnet sind.
  • Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das mindestens eine Ventilelement derart innerhalb des Gehäuses ausgerichtet angeordnet, dass die Durchgangsbohrung der ersten Öffnung des Ventilelements und die Durchgangsöffnung eines ersten Anschlusses einen gemeinsamen Durchgang, insbesondere einen Strömungskanal für das Fluid, ausbilden. Dabei sind die Symmetrieachse der ersten Öffnung des Ventilelements und eine Symmetrieachse der Durchgangsöffnung des ersten Anschlusses auf einer gemeinsamen Achse angeordnet.
  • Die Durchgangsbohrungen der Öffnungen des Ventilelements sind vorzugsweise mit gleichen und über die Länge konstanten Durchmessern ausgebildet.
    Die Symmetrieachsen der insbesondere kreiszylindrisch ausgebildeten Öffnungen und die Rotationsachse des Ventilelements weisen vorteilhaft einen gemeinsamen Schnittpunkt im Zentrum des Ventilelements auf.
  • Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind eine zweite Öffnung und eine dritte Öffnung des Ventilelements in einer gemeinsamen Mittelebene des Ventilelements in einem von 0° und von 180° abweichenden Winkel zueinander angeordnet. Die Mittelebene ist dabei orthogonal zur Rotationsachse des Ventilelements ausgerichtet. Der Winkel ist in der Mittelebene aufgespannt.
    Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass an der Oberfläche des Ventilelements, ausgehend von einem Rand der dritten Öffnung mindestens eine Nut ausgebildet ist, welche sich entlang der Mittelebene des Ventilelements erstreckt und mit dem Volumen der Öffnung verbunden ist.
    An der Oberfläche des Ventilelements sind ausgehend vom Rand der dritten Öffnung bevorzugt zwei Nuten, insbesondere mit gleicher und konstanter Breite, gleicher und konstanter Tiefe sowie gleicher und konstanter Länge, ausgebildet. Die Nuten erstrecken sich beiderseits der dritten Öffnung entlang der Mittelebene des Ventilelements. Dabei ist eine sich von der dritten Öffnung erstreckende zweite Nut der zweiten Öffnung des Ventilelements diametral gegenüberliegend ausgebildet.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung weisen Symmetrieachsen der Durchgangsöffnungen des ersten Anschlusses, eines zweiten Anschlusses sowie eines dritten Anschlusses des Gehäuses und die Rotationsachse eines Ventilelements einen gemeinsamen Schnittpunkt auf, in welchem das Ventilelement mit einem Mittelpunkt angeordnet ist.
  • Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das mindestens eine Ventilelement über ein Verbindungselement mit einem außerhalb des Gehäuses angeordneten Antriebselement verbunden. Bei einer Ausbildung der Vorrichtung mit mindestens zwei Ventilelementen ist bevorzugt jedes Ventilelement über ein Verbindungselement mit einem Antriebselement verbunden, sodass die Ventilelemente unabhängig voneinander bewegbar sind.
  • Nach einem weiteren Vorteil der Erfindung sind die Durchgangsöffnungen des zweiten Anschlusses und des dritten Anschlusses des Gehäuses auf einer gemeinsamen Achse angeordnet. Zudem sind die Durchgangsöffnung des ersten Anschlusses und das Verbindungselement auf einer gemeinsamen Achse derart angeordnet, dass die Durchgangsöffnungen der Anschlüsse des Gehäuses T-förmig zueinander ausgerichtet sind.
    Dabei ist der erste Anschluss bevorzugt auf einer gegenüberliegenden Seite des Antriebselements zum Ventilelement angeordnet. Zudem sind der zweite Anschluss und der dritte Anschluss an sich gegenüberliegenden und von der Seite des ersten Anschlusses abweichenden Seiten des vorzugsweise quaderförmigen Gehäuses vorgesehen.
  • Das Verbindungselement ist vorteilhaft als eine Welle ausgebildet. Dabei ist das Verbindungselement insbesondere an einem ersten Ende fest mit dem Antriebselement und an einem zum ersten Ende distal ausgebildeten zweiten Ende durch eine Seite in das Gehäuse hineinragend und mit dem Ventilelement verbunden angeordnet.
    Das Antriebselement ist bevorzugt jeweils als ein elektrischer Stellmotor, insbesondere als ein Schrittmotor, ausgebildet.
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass bei einer Ausbildung der Vorrichtung mit einer geraden Anzahl von mindestens zwei Ventilelementen jeweils zwei Antriebselemente der Ventilelemente auf gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses und die Rotationsachsen der Ventilelemente auf einer gemeinsamen Achse angeordnet sind.
    Bei einer Ausbildung der Vorrichtung mit mindestens zwei Ventilelementen sind die Durchgangsöffnungen der ersten Anschlüsse bevorzugt an einer Verbindungsstelle miteinander verbunden.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist als eine hochintegrierte Komponente, speziell als ein Kältemittelventil, zum Ausführen mehrerer Funktionen ausgebildet. In der Vorrichtung ist eine Vielzahl von Funktionen von Einzelventilen zusammengefasst.
  • Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht die Verwendung der Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Verteilen eines Fluids in einem Kältemittelkreislauf eines thermischen Systems, insbesondere eines Thermomanagementsystems, eines Kraftfahrzeugs zum Konditionieren von mindestens einem einem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstrom sowie mindestens einer Komponente eines Antriebsstrangs. Dabei kann das thermische System mindestens den einen Kältemittelkreislauf sowie mindestens einen Kühlmittelkreislauf auch zum Aufnehmen von Wärme aus dem Kältemittelkreislauf aufweisen. Die Vorrichtung dient dann als ein adaptives Mehrwege-Kältemittelventil für die Fahrzeugklimatisierung.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist insbesondere als ein hochvariables Kältemittelventil mit einer Vielzahl von möglichen Durchströmungspfaden für das Kältemittel zusammenfassend diverse Vorteile auf:
    • - mit minimaler Anzahl an Komponenten können eine maximale Anzahl an Wärmequellen und Wärmesenken des thermischen Systems, speziell eines batterieelektrisch oder hybridangetriebenen Kraftfahrzeugs, kältemittelseitig miteinander verbunden werden,
    • - reduzierte Komplexität bei der Montage führt zu einer geringeren Fehler- und Ausfallwahrscheinlichkeit, was zu erwartende Gewährleistungskosten reduziert,
    • - minimieren des Gewichts,
    • - minimieren von Leckage von Kältemittel durch Entfallen von Verbindungsleitungen und Dichtstellen, dadurch reduzieren der Kosten für den Endkunden im Servicefall sowie
    • - schonen der Umwelt und kleiner zu dimensionierende Sammler- und/oder Akkumulatorvolumen, da geringe Kältemittelinitialfüllmenge erforderlich ist, dadurch minimale Kosten für den Fahrzeughersteller,
    • - je nach Bedarf wird Kältemittel auf unterschiedlichen Temperaturniveaus für unterschiedliche Komponenten zur Verfügung gestellt,
    • - maximale Effizienz beim Betrieb des thermischen Systems und
    • - minimale Herstellungs-, Wartungs- und Betriebskosten sowie minimaler erforderlicher Bauraum.
  • 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:
    • 1a: einen Kältemittelkreislauf eines Klimatisierungssystems eines Kraftfahrzeugs mit mehreren als Verdampfer beziehungsweise Kondensator betriebenen Wärmeübertragern aus dem Stand der Technik,
    • 1b: einen in einem Wärmepumpenmodus betreibbaren Kältemittelkreislauf ähnlich dem Kältemittelkreislauf gemäß 1a aus dem Stand der Technik,
    • 2: eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Verteilen eines Fluids in einem Fluidkreislauf, insbesondere ein Ventil für Kältemittelkreisläufe eines thermischen Systems eines Kraftfahrzeugs in schematischer Darstellung,
    • 3: ein Ventilelement einer Vorrichtung aus 2,
    • 4: einen in einem Wärmepumpenmodus betreibbaren Kältemittelkreislauf, ähnlich dem Kältemittelkreislauf aus 1b, mit Vorrichtungen zum Regeln des Durchflusses und Verteilen des Kältemittels nach 2 mit einem Ventilelement nach 3,
    • 5a - 5d: unterschiedliche Schaltungsvarianten des Ventilelements aus 3 der Vorrichtungen aus 4,
    • 6: eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Verteilen eines Fluids in einem Fluidkreislauf, insbesondere ein Ventil für Kältemittelkreisläufe eines thermischen Systems eines Kraftfahrzeugs in schematischer Darstellung,
    • 7: den in einem Wärmepumpenmodus betreibbaren Kältemittelkreislauf aus 1b mit einer Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Verteilen des Kältemittels nach 6,
    • 8: eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie
    • 9: eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • In den 1a und 1b ist jeweils ein Kältemittelkreislauf 1a, 1 b eines Klimatisierungssystems eines Kraftfahrzeugs mit einem Verdichter 2 und jeweils mehreren als Verdampfer beziehungsweise Kondensator/Gaskühler betreibbaren Wärmeübertragern 3, 5, 11, 13 zur Übertragung von Wärme mit dem Kältemittel aus dem Stand der Technik gezeigt. Die Kältemittelkreisläufe sind jeweils mit zwei Kondensatoren/Gaskühlern 3, 5 und zwei Verdampfern 11, 13 ausgebildet, wobei in Strömungsrichtung des Kältemittels jedem Kondensator/Gaskühler 3, 5 ein Ventil 4, 6, insbesondere ein Absperrventil, speziell ein Magnetventil, zum Aufteilen des Massenstroms des Kältemittels beziehungsweise ein Rückschlagventil zum Vermeiden von Kältemittelverlagerungen innerhalb des Kältemittelkreislaufs 1a, 1b, nachgeschaltet sowie jedem Verdampfer 11, 13 ein Expansionsorgan 12, 14, insbesondere ein Expansionsventil, zum Entspannen des Kältemittels vorgelagert angeordnet ist. Die Komponenten des Kältemittelkreislaufs 1a, 1b sind über Verbindungsleitungen fluidtechnisch miteinander verbunden.
  • Das aus dem Verdichter 2 als Hochdruckgas ausströmende Kältemittel kann je nach Bedarf in einen ersten Strömungspfad 7 und/oder einen zweiten Strömungspfad 8 eingeleitet werden, welche sich von einer Abzweigstelle 9 bis zu einer Mündungsstelle 10 oder bis zu einer Verbindungsstelle 19a, 19b erstrecken. Dabei kann der Massenstrom des Kältemittels an der Abzweigstelle 9 zwischen 0 und 100 % stufenlos aufgeteilt werden. Innerhalb des ersten Strömungspfades 7 ist ein erster Kondensator/Gaskühler 3 mit einem nachgeordneten ersten Ventil 4 ausgebildet, während innerhalb des zweiten Strömungspfades 8 ein zweiter Kondensator/Gaskühler 5 mit einem nachgeordneten zweiten Ventil 6 ausgebildet ist. Die Strömungspfade 7, 8 sind parallel zueinander mit Kältemittel beaufschlagbar.
    Zudem kann das aus den Strömungspfaden 7, 8 ausströmende Kältemittel je nach Bedarf in einen dritten Strömungspfad 15 und/oder einen vierten Strömungspfad 16 eingeleitet werden, welche sich von einer Abzweigstelle 17 oder Verbindungsstelle 19a, 19b bis zu einer Mündungsstelle 18 erstrecken. Dabei kann der Massenstrom des Kältemittels an der Abzweigstelle 17 oder den Verbindungsstellen 19a, 19b zwischen 0 und 100 % stufenlos aufgeteilt werden. Innerhalb des dritten Strömungspfades 15 ist ein erster Verdampfer 11 mit einem vorgelagerten ersten Expansionsventil 12 ausgebildet, während innerhalb des vierten Strömungspfades 16 ein zweiter Verdampfer 13 mit einem vorgelagerten zweiten Expansionsventil 14 ausgebildet ist. Die Strömungspfade 15, 16 sind parallel zueinander mit Kältemittel beaufschlagbar.
  • Wenn das Kältemittel bei unterkritischem Betrieb des Kältemittelkreislaufs, wie zum Beispiel mit dem Kältemittel R134a oder bei bestimmten Umgebungsbedingungen mit Kohlendioxid verflüssigt wird, wird der Wärmeübertrager als Kondensator bezeichnet. Ein Teil der Wärmeübertragung findet bei konstanter Temperatur statt. Bei überkritischem Betrieb beziehungsweise bei überkritischer Wärmeabgabe im Wärmeübertrager nimmt die Temperatur des Kältemittels stetig ab. In diesem Fall wird der Wärmeübertrager auch als Gaskühler bezeichnet. Überkritischer Betrieb kann unter bestimmten Umgebungsbedingungen oder Betriebsweisen des Kältemittelkreislaufs zum Beispiel mit dem Kältemittel Kohlendioxid auftreten.
  • Jedes Ventil 4, 6, 12, 14 ist für das Ausführen lediglich einer Funktion ausgebildet, sodass eine Vielzahl an Ventilen und Verbindungsleitungen erforderlich ist.
  • Aus 2 geht eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung 20-1 zum Regeln eines Durchflusses und Verteilen eines Fluids in einem Fluidkreislauf, insbesondere ein Ventil für Kältemittelkreisläufe eines thermischen Systems eines Kraftfahrzeugs, in schematischer Darstellung hervor. Die Vorrichtung 20-1 ist als ein hochintegriertes Kältemittelventil zum Ausführen mehrerer Funktionen ausgebildet, um insbesondere mindestens zwei Ventile nach dem Stand der Technik zu ersetzen und die Anzahl von vier Ventilen auf zwei Komponenten zu reduzieren.
  • Die Vorrichtung 20-1 weist ein vorzugsweise quaderförmiges Gehäuse 21-1 mit einem ersten Anschluss 22 als sekundärer Einlass/Auslass des Kältemittels, einem zweiten Anschluss 23 als primärer Einlass des Kältemittels sowie einem dritten Anschluss 24 als Auslass des Kältemittels zu einem als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager auf. Die Anschlüsse 22, 23, 24 für Kältemittelleitungen als Verbindungsleitungen mit anderen Komponenten des Kältemittelkreislaufs sind jeweils über Durchgangsöffnungen mit einem inneren Volumen des Gehäuses 21-1 verbunden. Innerhalb des Volumens ist ein Ventilelement 25 angeordnet. Symmetrieachsen der Durchgangsöffnungen der Anschlüsse 22, 23, 24 und eine Rotationsachse des Ventilelements 25 weisen einen gemeinsamen Schnittpunkt auf, in welchem das Ventilelement 25 angeordnet ist.
  • Das Gehäuse 21-1 ist außer in den Bereichen der Anschlüsse 22, 23, 24 geschlossen. Die äußere Form des Gehäuses 21-1 ist derart ausgebildet, dass die Funktionen, beispielsweise auch eine konkrete Anordnung innerhalb eines Systems, gewährleistet und dass eine kosteneffiziente Serienproduktion bei minimalem Komponentengewicht möglich ist.
  • Das kugelförmige Ventilelement 25 ist über ein Verbindungselement 27 mit einem außerhalb des Gehäuses 21-1 angeordneten Antriebselement 26 verbunden. Das beispielsweise als eine Welle beziehungsweise als ein Stellschaft ausgebildete Verbindungselement 27 ist an einem ersten Ende fest mit dem Antriebselement 26 verbunden. Mit dem zum ersten Ende distal ausgebildeten zweiten Ende ist das Verbindungselement 27 durch die Wandung des Gehäuses 21-1 in das Gehäuse 21-1 hineinragend angeordnet. Das Antriebselement 26 ist beispielsweise als ein Stellmotor zum Antreiben des Verbindungselements 27 ausgebildet.
    Der erste Anschluss 22 ist auf der gegenüberliegenden Seite des Antriebselements 26 am Gehäuses 21-1 angeordnet, während der zweite Anschluss 23 und der dritte Anschluss 24 an sich gegenüberliegenden und von der Seite des ersten Anschlusses 22 abweichenden Seiten ausgebildet sind. Die Durchgangsöffnungen des zweiten Anschlusses 23 und des dritten Anschlusses 24 sind auf einer gemeinsamen Achse angeordnet, während auch die Durchgangsöffnung des ersten Anschlusses 22 und das Verbindungselement 27 auf einer gemeinsamen Achse angeordnet sind. Die Durchgangsöffnungen der Anschlüsse 22, 23, 24 sind T-förmig zueinander ausgebildet, wobei sich die Mittelachsen der Durchgangsöffnungen im Mittelpunkt des Ventilelements 25 schneiden.
  • In 3 ist ein Ventilelement 25 einer Vorrichtung 20-1 aus 2 gezeigt. Das Ventilelement 25 weist drei als Durchgangsbohrungen ausgebildete Öffnungen 28, 29, 30 auf, welche mit gleichen und über die Länge der Öffnungen 28, 29, 30 konstanten Durchmessern ausgebildet sind.
  • Die Symmetrieachsen der kreiszylindrischen Öffnungen 28, 29, 30 und die Rotationsachse des Ventilelements 25 weisen einen gemeinsamen Schnittpunkt im Zentrum des Ventilelements 25 auf. Dabei ist die Symmetrieachse einer ersten Öffnung 28 koaxial zur Rotationsachse des Ventilelements 25 ausgerichtet, das heißt die Symmetrieachse der ersten Öffnung 28 und die Rotationsachse des Ventilelements 25 sind auf einer gemeinsamen Achse angeordnet. Die erste Öffnung 28 des Ventilelements 25 ist auf einer Seite ausgebildet, welche der Seite mit der Verbindung des Ventilelements 25 mit dem Verbindungselement 27 des Antriebselements 26 gegenüberliegt. Die erste Öffnung 28 und das Verbindungselement 27 des Antriebselements 26 sind somit diametral zueinander am Ventilelement 25 ausgebildet.
  • Eine zweite Öffnung 29 und eine dritte Öffnung 30 sind in einer gemeinsamen, orthogonal zur Rotationsachse des Ventilelements 25 ausgerichteten Mittelebene in einem von 0° und von 180° abweichenden Winkel zueinander angeordnet. Zudem weist die dritte Öffnung 30 an der Oberfläche des Ventilelements 25 ausgebildete Nuten 31, 32, vorzugsweise mit konstanter Breite und konstanter Tiefe, auf. Die jeweils als eine längliche Vertiefung ausgebildeten Nuten 31, 32 erstrecken sich ausgehend vom Rand der dritten Öffnung 30 der Mittelebene des Ventilelements 25 in Richtung der zweiten Öffnung 29. Die gleiche Länge aufweisenden und als Expansionskerben für das Kältemittel ausgebildeten Nuten 31, 32 sind in der Mittelebene der zweiten Öffnung 29 und der dritten Öffnung 30 angeordnet. Dabei erstreckt sich eine zweite Nut 32 in einem Bereich, welcher der zweiten Öffnung 29 diametral gegenüberliegt.
    Nach einer nicht dargestellten Ausführungsform sind an Stelle der Nuten 31, 32 jeweils eine Durchgangsbohrung mit einem geringeren Durchmesser als dem Durchmesser der dritten Öffnung 30 vorgesehen, welche sich vom Großkreis, das heißt der Mittelebene des Ventilelements 25 mit den Öffnungen 29, 30, in das von den Öffnungen 28, 29, 30 definierte offene Volumen innerhalb des Ventilelements 25 erstrecken.
  • Das kugelförmige Ventilelement 25 ist gemäß 2 derart innerhalb des Gehäuses 21-1 ausgerichtet, dass die Durchgangsbohrung der ersten Öffnung 28 des Ventilelements 25 und die Durchgangsöffnung des ersten Anschlusses 22 des Gehäuses 21-1 einen gemeinsamen Durchgang bilden. Die Symmetrieachsen der ersten Öffnung 28 des Ventilelements 25 und der Durchgangsöffnung des ersten Anschlusses 22 des Gehäuses 21-1 sind koaxial zueinander beziehungsweise auf einer gemeinsamen Achse angeordnet.
  • Das Ventilelement 25 mit den Öffnungen 28, 29, 30 ist innerhalb des Gehäuses 21-1 mit den Anschlüssen 22, 23, 24 sowie den dazugehörigen Durchgangsöffnungen derart beweglich angeordnet, Durchströmöffnungen für das Kältemittel zu blockieren oder freizugeben. Das Ventilelement 25 ist zudem zum Gehäuse 21-1 hin fluiddicht abgedichtet, um gezielt Einlässe und Auslässe für das Kältemittel bereitzustellen. Die Fertigungstoleranzen der einzelnen Komponenten der Vorrichtung 20-1 sind derart gewählt, dass das Fluid, insbesondere das Kältemittel, lediglich durch die Anschlüsse 22, 23, 24 mit den Durchgangsöffnungen sowie die Öffnungen 28, 29, 30 des Ventilelements 25 strömen kann und unerwünschte Bypassströmungen zwischen der Oberfläche des Ventilelements 25 und dem Gehäuse 21-1 vermieden werden.
  • 4 zeigt einen in einem Wärmepumpenmodus betreibbaren Kältemittelkreislauf 1c, ähnlich 1b, mit zwei erfindungsgemäßen Vorrichtungen 20-1 zum Regeln des Durchflusses und Verteilen des Kältemittels nach 2 mit jeweils einem Ventilelement 25 nach 3. Der Unterschied des Kältemittelkreislaufs 1c zum Kältemittelkreislauf 1 b aus 1b liegt in der Ausbildung der Vorrichtungen 20-1 anstelle der Ventile 4, 6, 12, 14. Die Vorrichtungen 20-1 ersetzen jeweils ein als Absperrventil ausgebildetes Ventil 4, 6 und ein als Expansionsventil ausgebildetes Ventil 12, 14, welche zur Verdeutlichung in die Symbole der Vorrichtungen 20-1 integriert dargestellt sind. Gleiche Komponenten der Kältemittelkreisläufe 1b, 1c sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Zudem wird auf die Beschreibung des Kältemittelkreislaufs zu 1b verwiesen.
    Die Verbindungsleitungen zwischen den Ventilen 4, 6 und den Verbindungsstellen 19a, 19b sowie zwischen den Verbindungsstellen 19a, 19b und den Ventilen 12, 14 entfallen.
  • Der Kältemittelkreislauf 1c, in welchem eine Vorrichtung 20-1 verwendet wird, kann mit einem beliebigen Kältemittel, insbesondere R1234yf, R134a, R744, R404a, R600a, R290, R152a, R32 sowie deren Gemischen, betrieben werden.
  • Aus den 5a bis 5d gehen unterschiedliche Schaltungsvarianten des Ventilelements 25 aus 3 einer Vorrichtungen 20-1 aus 4 hervor, welche durch eine Rotation des Ventilelements 25 um die Rotationsachse 33 innerhalb des Gehäuses 21-1 und relativ zum Gehäuse 21-1 einstellbar sind. Mit dem Verdrehen des Ventilelements 25 mit den Öffnungen 28, 29, 30 innerhalb des Gehäuses 21-1 mit den Anschlüssen 22, 23, 24 sowie den dazugehörigen Durchgangsöffnungen in Drehrichtung 34 werden vorbestimmte Durchströmöffnungen und damit Strömungspfade für das Kältemittel durch den Kältemittelkreislauf geöffnet oder geschlossen. Zudem kann das Kältemittel je nach freigegebener Durchströmöffnung beim Durchleiten durch eine der als Expansionskerben für das Kältemittel ausgebildeten Nuten 31, 32 auf ein niederes Druckniveau entspannt werden. Die Vorrichtung 20-1 ist in Verbindung mit dem Ventilelement 25 derart ausgebildet, dass der erste Anschluss 22 zum Einlassen oder Auslassen von Kältemittel in Verbindung mit der ersten Öffnung 28 stets geöffnet ist.
  • In 5a ist eine Stellung des Ventilelements 25 bei einer Schaltung der Vorrichtung 20-1 mit einem geöffnetem zweiten Anschluss 23 zum Einlassen von Kältemittel gezeigt. Die Symmetrieachsen der Durchgangsöffnung des zweiten Anschlusses 23 des Gehäuses 21-1 und der zweiten Öffnung 29 des Ventilelements 25 sind koaxial zueinander ausgerichtet. Auch der dritte Anschluss 24 ist geöffnet, obwohl die sich im Mittelpunkt des Ventilelements 25 schneidenden Symmetrieachsen der Durchgangsöffnung des dritten Anschlusses 24 des Gehäuses 21-1 und der dritten Öffnung 30 des Ventilelements 25 in einem Winkel und damit nicht koaxial zueinander ausgerichtet sind. Dabei ist die Durchgangsöffnung des dritten Anschlusses 24 des Gehäuses 21-1 über die zweite als Expansionskerbe ausgebildete Nut 32 mit der dritten Öffnung 30 des Ventilelements 25 verbunden. Beim Durchströmen der zweiten Nut 32 wird das Kältemittel entspannt und strömt auf einem Niederdruckniveau aus der Vorrichtung 20-1 aus.
    Beim Einsatz der Vorrichtung 20-1 im Kältemittelkreislauf 1c nach 4 ist bei der angegebenen Schaltung mindestens einer mit einem Kondensator/Gaskühler 3, 5 ausgebildeter Strömungspfad 7, 8 geöffnet und das auf dem Niederdruckniveau im Zweiphasen-Gebiet vorliegende Kältemittel kann in mindestens einen einen Verdampfer 11, 13 aufweisenden Strömungspfad 15, 16 eingeleitet werden.
  • 5b zeigt eine Stellung des Ventilelements 25 nach einer Drehung in Drehrichtung 34 um 90° um die Rotationsachse 33, ausgehend von der Stellung nach 5a, bei einer Schaltung der Vorrichtung 20-1 mit einem geschlossenen zweiten Anschluss 23. Die sich im Mittelpunkt des Ventilelements 25 schneidenden Symmetrieachsen der Durchgangsöffnung des zweiten Anschlusses 23 des Gehäuses 21-1 und der zweiten Öffnung 29 des Ventilelements 25 sind in einem Winkel und damit nicht koaxial zueinander ausgerichtet. Der dritte Anschluss 24 ist geöffnet, obwohl die Symmetrieachsen der Durchgangsöffnung des dritten Anschlusses 24 des Gehäuses 21-1 und der dritten Öffnung 30 des Ventilelements 25 wiederum in einem Winkel und damit nicht koaxial zueinander ausgerichtet sind. Dabei ist die Durchgangsöffnung des dritten Anschlusses 24 des Gehäuses 21-1 über die erste als Expansionskerbe ausgebildete Nut 31 mit der dritten Öffnung 30 des Ventilelements 25 verbunden. Beim Durchströmen der ersten Nut 31 wird das Kältemittel entspannt und strömt auf einem Niederdruckniveau aus der Vorrichtung 20-1 aus.
    Beim Einsatz der Vorrichtung 20-1 im Kältemittelkreislauf 1c nach 4 ist bei der angegebenen Schaltung einer mit einem Kondensator/Gaskühler 3, 5 ausgebildeter Strömungspfad 7, 8 geschlossen und das auf dem Niederdruckniveau im Zweiphasen-Gebiet vorliegende Kältemittel kann in einen einen Verdampfer 11, 13 aufweisenden Strömungspfad 15, 16 eingeleitet werden.
  • In 5c ist eine Stellung des Ventilelements 25 nach einer weiteren Drehung in Drehrichtung 34 um die Rotationsachse 33, ausgehend von der Stellung nach 5b, bei einer Schaltung der Vorrichtung 20-1 mit einem geschlossenen zweiten Anschluss 23 und einem geschlossenen dritten Anschluss 24 dargestellt. Die sich im Mittelpunkt des Ventilelements 25 schneidenden Symmetrieachsen der Durchgangsöffnung des zweiten Anschlusses 23 beziehungsweise des dritten Anschlusses 24 des Gehäuses 21-1 und der zweiten Öffnung 29 beziehungsweise der dritten Öffnung 30 des Ventilelements 25 sind jeweils in einem Winkel und damit nicht koaxial zueinander ausgerichtet. Auch die im Bereich der dritten Öffnung 30 ausgebildeten Nuten 31, 32 sind vom Gehäuse 21-1 vollständig abgedeckt. Beim Einsatz der Vorrichtung 20-1 im Kältemittelkreislauf 1c nach 4 ist bei der angegebenen Schaltung sowohl einer mit einem Kondensator/Gaskühler 3, 5 ausgebildeter Strömungspfad 7, 8 als auch ein einen Verdampfer 11, 13 aufweisender Strömungspfad 15, 16 geschlossen.
  • Aus 5d geht eine Stellung des Ventilelements 25 nach einer weiteren Drehung in Drehrichtung 34 um 90° um die Rotationsachse 33, ausgehend von der Stellung nach 5c, bei einer Schaltung der Vorrichtung 20-1 mit einem geöffnetem zweiten Anschluss 23 zum Einlassen von Kältemittel und einem geschlossenen dritten Anschluss 24 hervor. Die Symmetrieachsen der Durchgangsöffnung des zweiten Anschlusses 23 des Gehäuses 21-1 und der dritten Öffnung 30 des Ventilelements 25 sind koaxial zueinander ausgerichtet, während die Symmetrieachsen der Durchgangsöffnung des dritten Anschlusses 24 des Gehäuses 21-1 und der zweiten Öffnung 29 des Ventilelements 25 jeweils in einem Winkel und damit nicht koaxial zueinander ausgerichtet sind. Beim Einsatz der Vorrichtung 20-1 im Kältemittelkreislauf 1c nach 4 ist bei der angegebenen Schaltung mindestens einer mit einem Kondensator/Gaskühler 3, 5 ausgebildeter Strömungspfad 7, 8 geöffnet und ein einen Verdampfer 11, 13 aufweisender Strömungspfad 15, 16 geschlossen.
  • Ausgehend vom Kältemittelkreislauf 1c aus 4 können beide Vorrichtungen 20-1 in eine gemeinsame Vorrichtung 20-2 mit einem Gehäuse 21-2 nach 6 integriert werden. Dabei wird zudem auf die Verbindungsleitung zwischen den ersten Anschlüssen 22 verzichtet, sodass aufgrund der vorrichtungsinternen Verbindung auch keine externe Leckage an den ersten Anschlüssen 22 möglich ist.
  • In den 6 ist eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung 20-2 zum Regeln eines Durchflusses und Verteilen eines Fluids in einem Fluidkreislauf, insbesondere ein Ventil für Kältemittelkreisläufe eines thermischen Systems eines Kraftfahrzeugs in schematischer Darstellung gezeigt. Die Vorrichtung 20-2 ist als ein hochintegriertes Kältemittelventil zum Ausführen mehrerer Funktionen ausgebildet, um insbesondere mindestens vier Ventile nach dem Stand der Technik zu ersetzen und die Anzahl von vier Ventilen auf eine Komponente zu reduzieren.
    Die Vorrichtung 20-2 ist im Wesentlichen aus zwei Vorrichtungen 20-1 gemäß der 2 bis 4 ausgebildet, welche innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses 21-2 angeordnet sind. Dabei sind die ursprünglichen Vorrichtungen 20-1 kältemittelseitig über die jeweils an einer Unterseite der quaderförmigen Gehäuse 21-1 ausgebildeten ersten Anschlüsse 22 miteinander verbunden. Die Koppelstelle der ersten Anschlüsse 22 zweier Vorrichtungen 20-1 entspricht der Verbindungsstelle 22'. Damit werden die Einzelfunktionen der beiden ursprünglichen Vorrichtungen 20-1 miteinander kombiniert.
  • Die Vorrichtung 20-2 weist ein vorzugsweise quaderförmiges Gehäuse 21-2 mit zwei zweiten Anschlüssen 23a, 23b als Einlässe des Kältemittels sowie zwei dritten Anschlüssen 24a, 24b als Auslässe des Kältemittels jeweils zu einem als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager auf. Die Anschlüsse 23a, 23b, 24a, 24b für Kältemittelleitungen als Verbindungsleitungen mit anderen Komponenten des Kältemittelkreislaufs sind jeweils über Durchgangsöffnungen mit inneren Volumina des Gehäuses 21-2 verbunden. Innerhalb der Volumina ist jeweils ein Ventilelement 25a, 25b gemäß des Ventilelements 25 aus 3 angeordnet. Die Symmetrieachsen der Durchgangsöffnungen der Anschlüsse 23a, 24a und die Rotationsachse eines ersten Ventilelements 25a einerseits sowie die Symmetrieachsen der Durchgangsöffnungen der Anschlüsse 23b, 24b und die Rotationsachse eines zweiten Ventilelements 25b andererseits weisen jeweils einen gemeinsamen Schnittpunkt auf, in welchem das jeweilige Ventilelement 25a, 25b angeordnet ist.
  • Die kugelförmigen Ventilelemente 25a, 25b sind jeweils über ein Verbindungselement 27a, 27b mit einem außerhalb des Gehäuses 21-2 angeordneten Antriebselement 26a, 26b verbunden. Die beispielsweise als eine Welle beziehungsweise als ein Stellschaft ausgebildeten Verbindungselemente 27a, 27b sind an einem ersten Ende fest mit dem Antriebselement 26a, 26b verbunden. Mit dem zum ersten Ende distal ausgebildeten zweiten Ende sind die Verbindungselemente 27a, 27b durch die Wandung des Gehäuses 21-2 in das Gehäuse 21-2 hineinragend angeordnet. Die auf gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses 21-2 positionierten Antriebselemente 26a, 26b sind jeweils beispielsweise als ein Stellmotor zum Antreiben der Verbindungselemente 27a, 27b ausgebildet. Die Rotationsachsen der Ventilelemente 25a, 25b sind koaxial und damit auf einer gemeinsamen Achse ausgerichtet. Die von den Antriebselementen 26a, 26b erzeugten Drehbewegungen werden über die Verbindungselemente 27a, 27b an die Ventilelemente 25a, 25b übertragen, wobei die Ventilelemente 25a, 25b mittels der Antriebselemente 26a, 26b unabhängig voneinander jeweils um die Rotationsachse bewegt werden können.
  • Die zweiten, gemeinsam an einer ersten Seite des Gehäuses 21-2 ausgebildeten Anschlüsse 23a, 23b und die dritten, gemeinsam an einer zweiten Seite des Gehäuses 21-2 ausgebildeten Anschlüsse 24a, 24b sind sich jeweils gegenüberliegend angeordnet. Dabei sind jeweils die Durchgangsöffnungen eines zweiten Anschlusses 23a, 23b und eines dritten Anschlusses 24a, 24b auf einer gemeinsamen Achse ausgerichtet. Zudem sind die Verbindungselemente 27a, 27b auf einer gemeinsamen Achse angeordnet. Die Durchgangsöffnungen eines zweiten Anschlusses 23a, 23b, eines dritten Anschlusses 24a, 24b und der Verbindungsstelle 22' sind jeweils T-förmig zueinander ausgebildet, wobei sich die Mittelachsen der Durchgangsöffnungen jeweils im Mittelpunkt eines Ventilelements 25a, 25b schneiden. Dabei ist koaxial zur gemeinsamen Rotationsachse der Ventilelemente 25a, 25b eine Durchgangsbohrung ausgebildet, sodass die Verbindungselemente 27a, 27b der Antriebselemente 26a, 26b montiert werden können und die kältemittelseitige Verbindung zwischen beiden Ventilelementen 25a, 25b beziehungsweise jeweils zur Verbindungsstelle 22' hergestellt ist.
  • Das Gehäuse 21-2 weist zudem zwei jeweils in Richtung von einem zweiten Anschluss 23a, 23b zu einem dritten Anschluss 24a, 24b und damit vertikal zur Durchgangsbohrung der beiden Verbindungselemente 27a, 27b der Antriebselemente 26a, 26b ausgerichtete Durchgangsbohrungen auf, sodass die kugelförmigen Ventilelemente 25a, 25b in das Gehäuses 21-2 eingelegt werden können. Nach dem Einlegen der Ventilelemente 25a, 25b werden jeweils beidseitig Blenden mit Lagerschalen in das Gehäuse 21-2 eingebracht, insbesondere eingeschraubt, sodass die Ventilelemente 25a, 25b auch nach außen fluiddicht abgedichtet sind.
    Alternativ können anstelle jeweils einer mit dem Durchmesser der Ventilelemente 25a, 25b ausgebildeten vertikalen Durchgangsbohrung auch eine Kombination von jeweils zwei Bohrungen mit unterschiedlich großen Durchmessern vorgesehen sein, wobei ein erster Durchmesser dem Durchmesser des Ventilelements 25a, 25b zuzüglich eines Spiels zum rotierenden Bewegen und ein zweiter Durchmesser einer Durchgangsöffnung eines Anschlusses 23a, 23b, 24a, 24b entspricht, sodass das Einbringen, insbesondere das Verschrauben, einer Blende zum Verschließen der Vorrichtung 20-2 lediglich einseitig erforderlich ist. Dabei ist der Durchmesser einer Durchgangsöffnung eines Anschlusses 23a, 23b, 24a, 24b kleiner als der Durchmesser des Ventilelements 25a, 25b.
  • Aus 7 geht ein in einem Wärmepumpenmodus betreibbarer Kältemittelkreislauf 1d, ähnlich 1 b und 4, mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 20-2 zum Regeln eines Durchflusses und Verteilen des Kältemittels nach 6 mit Ventilelementen 25a, 25b nach 3 hervor. Der Unterschied des Kältemittelkreislaufs 1d zum Kältemittelkreislauf 1c aus 4 liegt in der Ausbildung der Vorrichtung 20-2 anstelle der Ventile 4, 6, 12, 14. Die Vorrichtung 20-2 ersetzt die jeweils als Absperrventil ausgebildeten Ventile 4, 6 und die jeweils als Expansionsventil ausgebildeten Ventile 12, 14, welche zur Verdeutlichung in das Symbol der Vorrichtung 20-2 integriert dargestellt sind. Gleiche Komponenten der Kältemittelkreisläufe 1b, 1c, 1d sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Zudem wird auf die Beschreibung des Kältemittelkreislaufs zu 1b verwiesen.
  • Im Vergleich zum Kältemittelkreislauf 1 b aus 1b entfallen beim Kältemittelkreislauf 1d die Verbindungsleitungen zwischen den Ventilen 4, 6 und den Verbindungsstellen 19a, 19b, zwischen den Verbindungsstellen 19a, 19b und den Ventilen 12, 14 sowie die Verbindungsleitung zwischen den Verbindungsstellen 19a, 19b. Im Vergleich zum Kältemittelkreislauf 1c aus 4 entfällt beim Kältemittelkreislauf 1d die Verbindungsleitung zwischen den ersten Anschlüssen 22.
  • Die Vorrichtung 20-2 kann im Bereich der Verbindungsstelle 22' ein nicht dargestelltes größeres inneres Volumen aufweisen, um im Inneren der Vorrichtung 20-2 Kältemittel zu speichern, um unabhängig von Betriebspunkten und externen Leckagen stets eine angepasste Kältemittelfüllmenge im Kältemittelkreislauf zu gewährleisten, oder beispielsweise ein Trocknermaterial zur Trocknung eines Kältemittel-/Ölgemisches anzuordnen.
  • In 8 ist eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 20-3 gezeigt. Im Vergleich zur Vorrichtung 20-2 nach 6 ist das Gehäuse 21-3 der Vorrichtung 20-3 nach 8 mit mindestens einem zusätzlichen ersten Anschluss 22z ausgebildet. Der zusätzliche erste Anschluss 22z ist über eine Durchgangsöffnung mit der Verbindungsstelle 22' fluidtechnisch gekoppelt. Dabei kann die Verbindungsstelle 22' auch mit einem größeren inneren Volumen ausgebildet sein.
    Am zusätzlichen ersten Anschluss 22z der Vorrichtung 20-3 können verschiedene Komponenten des Kältemittelkreislaufs, wie ein Akkumulator, ein Kältemittelsammler, ein Drucksensor und/oder ein Temperatursensor, ein externes Ventil, wie ein Druckentlastungsventil, eine Berstscheibe, ein Separator, ein Wärmeübertrager, wie ein innerer Wärmeübertrager, ein Kondensator/Gaskühler oder ein Verdampfer, ein Verdichter oder ein Expander oder ein Ejektor direkt oder über Verbindungsleitungen angeschlossen sein. Zusätzliche Ventile beziehungsweise Sensoren können zudem innerhalb des Gehäuses 21-3 der Vorrichtung 20-3 integriert angeordnet sein.
    Unter dem inneren Wärmeübertrager ist dabei ein kreislaufinterner Wärmeübertrager zu verstehen, welcher der Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel bei Hochdruck und dem Kältemittel bei Niederdruck dient. Dabei wird beispielsweise einerseits das flüssige Kältemittel nach der Kondensation weiter abgekühlt und andererseits das Sauggas vor dem Verdichter überhitzt.
  • In 9 ist eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 20-4 als eine Mehr-Ventilblocklösung analog zur Zwei-Ventilblocklösung nach 6 dargestellt. Auch die Vorrichtung 20-4 ist als ein hochintegriertes Kältemittelventil zum Ausführen mehrerer Funktionen ausgebildet, um insbesondere mindestens acht Ventile eines Kältemittelkreislaufs aus dem Stand der Technik zu ersetzen und eine Anzahl der Komponenten des Kältemittelkreislaufs auf eine Komponente zu reduzieren.
    Die Vorrichtung 20-4 ist im Wesentlichen aus vier Vorrichtungen 20-1 gemäß der 2 bis 4 ausgebildet, welche innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses 21-4 angeordnet sind. Dabei sind die ursprünglichen Vorrichtungen 20-1 kältemittelseitig über die ersten Anschlüsse 22 miteinander verbunden. Die Koppelstelle der ersten Anschlüsse 22 entspricht der Verbindungsstelle 22". Damit werden die Einzelfunktionen der ursprünglichen Vorrichtungen 20-1 miteinander kombiniert.
  • Das Gehäuse 21-4 der Vorrichtung 20-4 weist vier zweite Anschlüsse 23a, 23b, 23c, 23d als Einlässe des Kältemittels sowie vier dritte Anschlüsse 24a, 24b, 24b, 24c als Auslässe des Kältemittels jeweils zu einem als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager auf. Die Anschlüsse 23a, 23b, 23c, 23d, 24a, 24b, 24c, 24d für Kältemittelleitungen als Verbindungsleitungen mit anderen Komponenten des Kältemittelkreislaufs sind jeweils über Durchgangsöffnungen mit inneren Volumina des Gehäuses 21-4 verbunden. Innerhalb der Volumina ist jeweils ein Ventilelement 25a, 25b, 25c, 25d gemäß des Ventilelements 25 aus 3 angeordnet.
  • Die kugelförmigen Ventilelemente 25a, 25b, 25c, 25d sind jeweils über ein Verbindungselement 27a, 27b, 27c, 27d mit einem außerhalb des Gehäuses 21-4 angeordneten Antriebselement 26a, 26b, 26c, 26d verbunden. Dabei sind bei einer geraden Anzahl von Ventilelementen 25a, 25b, 25c, 25d stets zwei Antriebselemente 26a, 26b, 26c, 26d gegenüberliegend angeordnet. Alle Ventile der Vorrichtung 20-4 sind kältemittelseitig über die ursprünglich ersten Anschlüsse 22 der Vorrichtung 20-1 miteinander gekoppelt. Alternativ ist auch die Ausbildung einer Vorrichtung mit einer ungeraden Anzahl an Ventilelementen möglich.
  • Bezugszeichenliste
    • 1a, 1b, 1c, 1d
    Kältemittelkreislauf
    2
    Verdichter
    3
    Wärmeübertrager, erster Kondensator/Gaskühler
    4
    erstes Ventil
    5
    Wärmeübertrager, zweiter Kondensator/Gaskühler
    6
    zweites Ventil
    7
    erster Strömungspfad
    8
    zweiter Strömungspfad
    9
    Abzweigstelle
    10
    Mündungsstelle
    11
    Wärmeübertrager, erster Verdampfer
    12
    erstes Expansionsorgan, Expansionsventil, Ventil
    13
    Wärmeübertrager, zweiter Verdampfer
    14
    zweites Expansionsorgan, Expansionsventil, Ventil
    15
    dritter Strömungspfad
    16
    vierter Strömungspfad
    17
    Abzweigstelle
    18
    Mündungsstelle
    19a, 19b
    Verbindungsstelle
    20-1, 20-2, 20-3, 20-4
    Vorrichtung
    21-1, 21-2, 21-3, 21-4
    Gehäuse
    22
    erster Anschluss Gehäuse 21-1
    22', 22"
    Verbindungsstelle erster Anschlüsse
    22z
    erster Anschluss Gehäuse 21-3
    23, 23a, 23b, 23c, 23d
    zweiter Anschluss Gehäuse 21-1, 21-2, 21-3, 21-4
    24, 24a, 24b, 24c, 24d
    dritter Anschluss Gehäuse 21-1, 21-2, 21-3, 21-4
    25, 25a
    (erstes) Ventilelement
    25b
    zweites Ventilelement
    25c
    drittes Ventilelement
    25d
    viertes Ventilelement
    26, 26a
    (erstes) Antriebselement Ventilelement 25, 25a
    26b
    Antriebselement zweites Ventilelement 25b
    26c
    Antriebselement drittes Ventilelement 25c
    26d
    Antriebselement viertes Ventilelement 25d
    27, 27a
    Verbindungselement Antriebselement 26, 26a
    27b
    Verbindungselement Antriebselement 26b
    27c
    Verbindungselement Antriebselement 26c
    27d
    Verbindungselement Antriebselement 26d
    28
    erste Öffnung Ventilelement 25
    29
    zweite Öffnung Ventilelement 25
    30
    dritte Öffnung Ventilelement 25
    31
    erste Nut
    32
    zweite Nut
    33
    Rotationsachse Ventilelement 25
    34
    Drehrichtung Ventilelement 25
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102013206626 A1 [0005]
    • DE 102014105097 A1 [0006]

Claims (21)

  1. Vorrichtung (20-1, 20-2, 20-3, 20-4) zum Regeln eines Durchflusses und Verteilen eines Fluids in mindestens einem Fluidkreislauf, insbesondere eines Kältemittels in einem Kältemittelkreislauf, aufweisend ein Gehäuse (21-1, 21-2, 21-3, 21-4) mit Anschlüssen (22, 22z, 23, 23a, 23b, 23c, 23d, 24, 24a, 24b, 24c, 24d) zum Verbinden mit Fluidleitungen, welche jeweils über eine Durchgangsöffnung mit mindestens einem inneren Volumen des Gehäuses (21-1, 21-2, 21-3, 21-4) verbunden sind, sowie mindestens ein im inneren Volumen des Gehäuses (21-1, 21-2, 21-3, 21-4) angeordnetes Ventilelement (25, 25a, 25b, 25c, 25d) mit einem Antriebselement (26, 26a, 26b, 26c, 26d) zum Bewegen des Ventilelements (25, 25a, 25b, 25c, 25d) relativ zum Gehäuse (21-1, 21-2, 21-3, 21-4), dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Ventilelement (25, 25a, 25b, 25c, 25d) um eine Rotationsachse (33) drehbar gelagert ist und mindestens drei als Durchgangsbohrungen ausgebildete Öffnungen (28, 29, 30) aufweist, welche im Inneren des Ventilelements (25, 25a, 25b, 25c, 25d) ein gemeinsames Volumen bilden, wobei eine Symmetrieachse einer ersten Öffnung (28) und die Rotationsachse (33) des Ventilelements (25, 25a, 25b, 25c, 25d) auf einer gemeinsamen Achse angeordnet sind.
  2. Vorrichtung (20-1, 20-2, 20-3, 20-4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (25, 25a, 25b, 25c, 25d) kugelförmig oder kreiszylindrisch ausgebildet ist.
  3. Vorrichtung (20-1, 20-2, 20-3, 20-4) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Öffnung (28) des Ventilelements (25, 25a, 25b, 25c, 25d) auf einer Seite ausgebildet ist, welche der zum Antriebselement (26, 26a, 26b, 26c, 26d) ausgerichteten Seite gegenüberliegt.
  4. Vorrichtung (20-1, 20-2, 20-3, 20-4) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Ventilelement (25, 25a, 25b, 25c, 25d) derart innerhalb des Gehäuses (21-1, 21-2, 21-3, 21-4) ausgerichtet angeordnet ist, dass die Durchgangsbohrung der ersten Öffnung (28) des Ventilelements (25, 25a, 25b, 25c, 25d) und die Durchgangsöffnung eines ersten Anschlusses (22) einen gemeinsamen Durchgang ausbilden, wobei die Symmetrieachse der ersten Öffnung (28) des Ventilelements (25, 25a, 25b, 25c, 25d) und eine Symmetrieachse der Durchgangsöffnung des ersten Anschlusses (22) auf einer gemeinsamen Achse angeordnet sind.
  5. Vorrichtung (20-1, 20-2, 20-3, 20-4) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsbohrungen der Öffnungen (28, 29, 30) des Ventilelements (25, 25a, 25b, 25c, 25d) gleiche und über die Länge konstante Durchmesser aufweisen.
  6. Vorrichtung (20-1, 20-2, 20-3, 20-4) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Symmetrieachsen der Öffnungen (28, 29, 30) und die Rotationsachse (33) des Ventilelements (25, 25a, 25b, 25c, 25d) einen gemeinsamen Schnittpunkt im Zentrum des Ventilelements (25, 25a, 25b, 25c, 25d) aufweisen.
  7. Vorrichtung (20-1, 20-2, 20-3, 20-4) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Öffnung (29) und eine dritte Öffnung (30) des Ventilelements (25, 25a, 25b, 25c, 25d) in einer gemeinsamen Mittelebene des Ventilelements (25, 25a, 25b, 25c, 25d) in einem von 0° und von 180° abweichenden Winkel zueinander angeordnet sind, wobei die Mittelebene orthogonal zur Rotationsachse (33) des Ventilelements (25, 25a, 25b, 25c, 25d) ausgerichtet ist.
  8. Vorrichtung (20-1, 20-2, 20-3, 20-4) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass an der Oberfläche des Ventilelements (25, 25a, 25b, 25c, 25d) ausgehend von einem Rand der dritten Öffnung (30) mindestens eine Nut (31, 32) ausgebildet ist, welche sich entlang der Mittelebene des Ventilelements (25, 25a, 25b, 25c, 25d) erstreckt.
  9. Vorrichtung (20-1, 20-2, 20-3, 20-4) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass an der Oberfläche des Ventilelements (25, 25a, 25b, 25c, 25d), ausgehend vom Rand der dritten Öffnung (30), zwei Nuten (31, 32) ausgebildet sind, welche sich beiderseits der dritten Öffnung (30) entlang der Mittelebene des Ventilelements (25, 25a, 25b, 25c, 25d) erstrecken.
  10. Vorrichtung (20-1, 20-2, 20-3, 20-4) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Nut (32) der zweiten Öffnung (29) des Ventilelements (25, 25a, 25b, 25c, 25d) diametral gegenüberliegend ausgebildet ist.
  11. Vorrichtung (20-1, 20-2, 20-3, 20-4) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Symmetrieachsen der Durchgangsöffnungen eines ersten Anschlusses (22), eines zweiten Anschlusses (23, 23a, 23b, 23c, 23d) sowie eines dritten Anschlusses (24, 24a, 24b, 24c, 24d) des Gehäuses (21-1, 21-2, 21-3, 21-4) und die Rotationsachse (33) eines Ventilelements (25, 25a, 25b, 25c, 25d) einen gemeinsamen Schnittpunkt aufweisen, in welchem das Ventilelement (25, 25a, 25b, 25c, 25d) mit einem Mittelpunkt angeordnet ist.
  12. Vorrichtung (20-1, 20-2, 20-3, 20-4) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (25, 25a, 25b, 25c, 25d) über ein Verbindungselement (27, 27a, 27b, 27c, 27d) mit einem außerhalb des Gehäuses (21-1, 21-2, 21-3, 21-4) angeordneten Antriebselement (26, 26a, 26b, 26c, 26d) verbunden ist.
  13. Vorrichtung (20-2, 20-3, 20-4) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Ausbildung von mindestens zwei Ventilelementen (25a, 25b, 25c, 25d) jedes Ventilelement (25a, 25b, 25c, 25d) über ein Verbindungselement (27a, 27b, 27c, 27d) mit einem Antriebselement (26a, 26b, 26c, 26d) verbunden ausgebildet ist, sodass die Ventilelemente (25a, 25b, 25c, 25d) unabhängig voneinander bewegbar sind.
  14. Vorrichtung (20-1, 20-2, 20-3, 20-4) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsöffnungen eines zweiten Anschlusses (23, 23a, 23b, 23c, 23d) und eines dritten Anschlusses (24, 24a, 24b, 24c, 24d) auf einer gemeinsamen Achse angeordnet sind, und dass die Durchgangsöffnung eines ersten Anschlusses (22) und das Verbindungselement (27, 27a, 27b, 27c, 27d) auf einer gemeinsamen Achse derart angeordnet sind, dass die Durchgangsöffnungen der Anschlüsse (22, 23, 23a, 23b, 23c, 23d, 24, 24a, 24b, 24c, 24d) T-förmig zueinander ausgerichtet sind.
  15. Vorrichtung (20-1, 20-2, 20-3, 20-4) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Anschluss (22) auf einer gegenüberliegenden Seite des Antriebselements (26, 26a, 26b, 26c, 26d) zum Ventilelement (25, 25a, 25b, 25c, 25d) angeordnet ist, und dass der zweite Anschluss (23, 23a, 23b, 23c, 23d) und der dritte Anschluss (24, 24a, 24b, 24c, 24d) an sich gegenüberliegenden und von der Seite des ersten Anschlusses (22) abweichenden Seiten des Gehäuses (21-1, 21-2, 21-3, 21-4) ausgebildet sind.
  16. Vorrichtung (20-1, 20-2, 20-3, 20-4) nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (27, 27a, 27b, 27c, 27d) als eine Welle ausgebildet ist.
  17. Vorrichtung (20-1, 20-2, 20-3, 20-4) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (27, 27a, 27b, 27c, 27d) an einem ersten Ende fest mit dem Antriebselement (26, 26a, 26b, 26c, 26d) und an einem zum ersten Ende distal ausgebildeten zweiten Ende durch eine Seite in das Gehäuse (21-1, 21-2, 21-3, 21-4) hineinragend und mit dem Ventilelement (25, 25a, 25b, 25c, 25d) verbunden angeordnet ist.
  18. Vorrichtung (20-2, 20-3, 20-4) nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Ausbildung einer geraden Anzahl von mindestens zwei Ventilelementen (25a, 25b, 25c, 25d) jeweils zwei Antriebselemente (26a, 26b, 26c, 26d) der Ventilelemente (25a, 25b, 25c, 25d) auf gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses (21-2, 21-3, 21-4) und die Rotationsachsen der Ventilelemente (25a, 25b, 25c, 25d) auf einer gemeinsamen Achse angeordnet sind.
  19. Vorrichtung (20-2, 20-3, 20-4) nach einem der Ansprüche 4 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Ausbildung von mindestens zwei Ventilelementen (25a, 25b, 25c, 25d) die Durchgangsöffnungen der ersten Anschlüsse (22) an einer Verbindungsstelle (22', 22") miteinander verbunden ausgebildet sind.
  20. Vorrichtung (20-1, 20-2, 20-3, 20-4) nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebselement (26, 26a, 26b, 26c, 26d) als ein Stellmotor ausgebildet ist.
  21. Verwendung einer Vorrichtung (20-1, 20-2, 20-3, 20-4) zum Regeln eines Durchflusses und Verteilen eines Fluids nach einem der Ansprüche 1 bis 20 in einem Kältemittelkreislauf eines thermischen Systems, insbesondere eines Thermomanagementsystems, eines Kraftfahrzeugs zum Konditionieren von mindestens einem einem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstrom sowie mindestens einer Komponente eines Antriebsstrangs.
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