DE102019111018A1

DE102019111018A1 - Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Verteilen eines Fluids in einem Fluidkreislauf

Info

Publication number: DE102019111018A1
Application number: DE102019111018.1A
Authority: DE
Inventors: Toni Spies; Tobias Haas; Dominik Wiechard; Markus Herzog
Original assignee: Hanon Systems Corp
Current assignee: Hanon Systems Corp
Priority date: 2018-06-27
Filing date: 2019-04-29
Publication date: 2020-01-02
Also published as: US11221076B2; CN110645379B; KR20200001468A; CN110645379A; US20200003311A1; KR102206454B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (10) zum Regeln eines Durchflusses und Verteilen eines Fluids in einem Fluidkreislauf, insbesondere eines Kältemittels in einem Kältemittelkreislauf. Die Vorrichtung (10) weist ein Gehäuse (11) mit Anschlüssen (13, 14, 15) zum Verbinden mit Fluidleitungen, welche jeweils über eine Durchgangsöffnung mit einem inneren Volumen des Gehäuses (11) verbunden sind, sowie ein im inneren Volumen des Gehäuses (11) angeordnetes Ventilelement (12, 12-1, 12-2) mit einem Stellelement (16) zum Bewegen des Ventilelements (12, 12-1, 12-2) relativ zum Gehäuse (11) auf. Das Ventilelement (12, 12-1, 12-2) ist um eine Rotationsachse (22) drehbar gelagert und weist als Durchgangsbohrungen ausgebildete Öffnungen (18, 19, 20, 21) auf, welche im Inneren des Ventilelements (12, 12-1, 12-2) ein gemeinsames Volumen bilden. Dabei sind eine Symmetrieachse einer mindestens einen Durchgangsbohrung (18a, 18b) einer ersten Öffnung (18) und die Rotationsachse (22) des Ventilelements (12, 12-1, 12-2) sowie eine Symmetrieachse einer Durchgangsöffnung eines ersten Anschlusses (13) des Gehäuses (11) in einer Richtung z und Symmetrieachsen von Durchgangsbohrungen von mindestens drei Öffnungen (19, 20, 21) des Ventilelements (12, 12-1, 12-2) und von Durchgangsöffnungen zweier Anschlüsse (14, 15) des Gehäuses (11) in einer durch zwei Richtungen x, y aufgespannten Ebene angeordnet. Die Richtungen x, y, z sind jeweils senkrecht zueinander ausgerichtet.

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 und zukünftige Kraftfahrzeuge mit elektromotorischem Antrieb, kurz als Elektrofahrzeuge, beispielsweise als EV für „electric vehicles“ oder FCV für „fuel cell vehicles“ bezeichnet, oder Kraftfahrzeuge mit einem hybriden Antrieb aus Elektromotor und Verbrennungsmotor, kurz als Hybridfahrzeuge beziehungsweise HEV für „hybrid electric vehicles“ 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, kurz als BEV für „battery electric vehicle“ bezeichnet, 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.
Speziell die Kältemittelkreisläufe der Klimatisierungssysteme beziehungsweise der thermischen Systeme der Kraftfahrzeuge werden immer komplexer, auch um energieeffiziente Lösungen für das Konditionieren der Zuluft des Fahrgastraums, wie Kühlen, Entfeuchten beziehungsweise Heizen, bereitzustellen. Die Anzahl der Komponenten, insbesondere der Ventile, wird mit zunehmender Anzahl an Funktionen der Systeme größer.
In der DE 10 2013 206 626 A1 wird ein Kältemittelkreislauf zur Klimatisierung eines Fahrzeugs offenbart. Der Kältemittelkreislauf weist einen Verdichter sowie mehrere als Verdampfer beziehungsweise Kondensatoren betriebene Wärmeübertrager zur Übertragung von Wärme mit dem Kältemittel auf. Die Komponenten des Kältemittelkreislaufs, insbesondere die große Anzahl an Ventilen, sind jeweils über Verbindungsleitungen im Kältemittelkreislauf integriert.
Die erforderliche Vielzahl an Ventilen und Verbindungsleitungen beansprucht einen erheblichen Bauraum und verursacht neben hohen Kosten auch ein hohes Gewicht des Kältemittelkreislaufs.
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.
In der DE 20 2013 005 960 U1 wird ein als Kugelabsperrventil ausgebildetes 3/2-Wegeventil beschrieben, welches drei Anschlüsse aufweist, wobei zwei Anschlüsse jeweils ausschließlich als Einlass sowie ein Anschluss ausschließlich als Auslass ausgebildet sind. Dabei ist das im Kreislauf zirkulierende Fluid durch verschiedene Ventilstellungen lediglich jeweils von einem der beiden Einlässe oder von beiden Einlässen zusammen in Richtung des Auslasses leitbar. Die Anschlüsse können nicht unabhängig voneinander beziehungsweise einzeln gesteuert werden. Zwischen den Einlässen ist stets eine offene Verbindung ausgebildet. Die Einlässe und der Auslass können in der jeweiligen Funktion nicht umgekehrt werden, sodass das Fluid durch einen Einlass ausströmen oder durch den Auslass einströmen könnte. Um derartige Funktionen sicherzustellen, sind weitere externe Ventile, insbesondere Absperrventile, vorzusehen.
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, wie Ventilen und Verbindungsleitungen, eine maximale Anzahl an Wärmequellen und Wärmesenken des thermischen Systems, speziell eines batterieelektrisch oder hybridangetriebenen Kraftfahrzeugs, unter Beibehaltung der gesamten Funktionalität kältemittelseitig miteinander verbunden werden. Zudem sollen die Herstellungs-, Wartungs- und Betriebskosten sowie der erforderliche Bauraum der Vorrichtung minimal sein. Das thermische System soll uneingeschränkt 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, insbesondere kreiszylindrisch ausgebildete Durchgangsöffnung mit einem inneren Volumen des Gehäuses verbunden sind, sowie ein im inneren Volumen des Gehäuses angeordnetes Ventilelement mit einem Stellelement zum Bewegen des Ventilelements relativ zum Gehäuse auf.
Nach der Konzeption der Erfindung ist das eine Ventilelement um eine Rotationsachse drehbar gelagert und weist als Durchgangsbohrungen, insbesondere kreiszylindrisch ausgebildete Öffnungen, vorzugsweise mindestens vier Öffnungen, auf, welche im Inneren des Ventilelements ein gemeinsames Volumen bilden. Dabei sind eine Symmetrieachse einer mindestens einen Durchgangsbohrung einer ersten Öffnung und die Rotationsachse des Ventilelements sowie eine Symmetrieachse einer Durchgangsöffnung eines ersten Anschlusses des Gehäuses in einer Richtung z angeordnet, während Symmetrieachsen von Durchgangsbohrungen von mindestens drei Öffnungen des Ventilelements und von Durchgangsöffnungen zweier Anschlüsse des Gehäuses in einer durch zwei Richtungen x, y aufgespannten Ebene angeordnet sind. Die Richtungen x, y, z sind jeweils senkrecht zueinander ausgerichtet.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weisen die Symmetrieachsen der Durchgangsöffnungen des ersten Anschlusses, eines zweiten Anschlusses sowie eines dritten Anschlusses des Gehäuses und die Rotationsachse des Ventilelements einen gemeinsamen Schnittpunkt auf, in welchem das Ventilelement mit einem Mittelpunkt angeordnet ist.
Der erste Anschluss des Gehäuses ist bevorzugt auf einer gegenüberliegenden Seite des Stellelements zum Ventilelement angeordnet, während der zweite Anschluss und der dritte Anschluss an sich gegenüberliegenden und von der Seite des ersten Anschlusses abweichenden Seiten des vorzugsweise quaderförmigen Gehäuses ausgebildet sind.
Die Symmetrieachsen der Durchgangsöffnungen des zweiten Anschlusses und eines dritten Anschlusses des Gehäuses sind vorteilhaft auf einer gemeinsamen, in Richtung y ausgerichteten Achse angeordnet. Damit sind die Symmetrieachsen der Durchgangsöffnungen des ersten Anschlusses, des zweiten Anschlusses sowie des dritten Anschlusses des Gehäuses in einer durch die Richtungen y, z aufgespannten Ebene T-förmig zueinander ausgebildet.
Nach einem weiteren Vorteil der Erfindung sind die Symmetrieachse der Durchgangsöffnung des ersten Anschlusses des Gehäuses und die Rotationsachse des Ventilelements koaxial zueinander ausgerichtet.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Ventilelement kugelförmig oder kreiszylinderförmig ausgebildet.
Die Symmetrieachsen der mindestens drei in der durch zwei Richtungen x, y aufgespannten Ebene angeordneten Öffnungen des Ventilelements weisen vorteilhaft einen gemeinsamen Schnittpunkt im Zentrum des Ventilelements auf. Die Rotationsachse des Ventilelements verläuft bevorzugt durch das Zentrum des Ventilelements.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Symmetrieachse der mindestens einen Durchgangsbohrung der ersten Öffnung beabstandet zur Rotationsachse des Ventilelements und damit exzentrisch zum Ventilelement ausgerichtet ist, sodass die Symmetrieachsen der mindestens einen Durchgangsbohrung der ersten Öffnung des Ventilelements und der Durchgangsöffnung des ersten Anschlusses des Gehäuses parallel und versetzt zueinander angeordnet sind.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind die Symmetrieachsen drei der in der durch zwei Richtungen x, y aufgespannten Ebene angeordneten Öffnungen des Ventilelements T-förmig zueinander ausgerichtet. Dabei sind die Symmetrieachsen einer zweiten Öffnung und einer dritten Öffnung sowie der dritten Öffnung und einer vierten Öffnung jeweils orthogonal zueinander die Symmetrieachsen der zweiten Öffnung und der vierten Öffnung koaxial zueinander angeordnet. Die zweite Öffnung, die dritte Öffnung und die vierte Öffnung des Ventilelements sind insbesondere in einer Ebene mit dem zweiten Anschluss und dem dritten Anschluss des Gehäuses vorgesehen.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Symmetrieachsen einer ersten Durchgangsbohrung der ersten Öffnung und der zweiten Öffnung des Ventilelements sich einander schneidend ausgerichtet. Dabei ist die Symmetrieachse der ersten Durchgangsbohrung der ersten Öffnung aus dem Zentrum des Ventilelements in Richtung der vierten Öffnung versetzt angeordnet. Zudem schneidet die Symmetrieachse der ersten Durchgangsbohrung der ersten Öffnung eine zwischen der zweiten Öffnung und der vierten Öffnung ausgebildete Durchführung in einer Großkreisschnittebene, vorzugsweise in einem eingeschlossenen Winkel von 90°.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die erste Öffnung des Ventilelements mit einer ersten Durchgangsbohrung und einer zweiten Durchgangsbohrung aus mindestens zwei Durchgangsbohrungen ausgebildet. Dabei sind die Symmetrieachsen der Durchgangsbohrungen der ersten Öffnung auf einem gemeinsamen Teilkreisdurchmesser bezogen auf die Rotationsachse des Ventilelements angeordnet.
Die Symmetrieachsen der Durchgangsbohrungen der ersten Öffnung sind vorzugsweise in einem Winkel von 90° um die Rotationsachse des Ventilelements versetzt sowie parallel zueinander und damit parallel zur Rotationsachse des Ventilelements ausgerichtet.
Die Symmetrieachsen der zweiten Durchgangsbohrung der ersten Öffnung und der dritten Öffnung des Ventilelements sind sich bevorzugt schneidend ausgerichtet. Dabei ist die Symmetrieachse der zweiten Durchgangsbohrung der ersten Öffnung aus dem Zentrum des Ventilelements in Richtung der dritten Öffnung versetzt angeordnet. Die Symmetrieachse der zweiten Durchgangsbohrung der ersten Öffnung schneidet die Durchgangsbohrung der dritten Öffnung in einer Großkreisschnittebene, vorzugsweise in einem eingeschlossenen Winkel von 90°.
Die mindestens eine Durchgangsbohrung der ersten Öffnung des Ventilelements ist vorzugsweise auf einer Seite ausgebildet, welche einer zum Stellelement ausgerichteten Seite gegenüberliegt. Bei einer kugelförmigen Ausgestaltung des Ventilelements sind die mindestens eine Durchgangsbohrung der ersten Öffnung des Ventilelements und das Stellelement im Wesentlichen diametral zueinander angeordnet, während bei einer kreiszylinderförmigen Ausgestaltung des Ventilelements die mindestens eine Durchgangsbohrung der ersten Öffnung des Ventilelements und das Stellelement jeweils im Bereich der sich gegenüberliegenden Stirnseiten des Kreiszylinders angeordnet sind.
Die Durchgangsbohrungen der mindestens drei in der durch die Richtungen x, y aufgespannten Ebene angeordneten Öffnungen des Ventilelements weisen vorzugsweise gleiche sowie über die Länge konstante Durchmesser und damit konstante und gleich große Strömungsquerschnitte auf.
Des Weiteren ist die mindestens eine Durchgangsbohrung der ersten Öffnung des Ventilelements mit einem über die Länge konstanten Durchmesser ausgebildet. Dabei ist der Durchmesser der mindestens einen Durchgangsbohrung der ersten Öffnung gleich oder geringer als der Durchmesser der in der durch die Richtungen x, y aufgespannten Ebene angeordneten Öffnungen des Ventilelements.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weisen die Durchgangsöffnungen der Anschlüsse des Gehäuses im Wesentlichen gleiche sowie über die Länge konstante Durchmesser auf, wobei die Durchmesser der Durchgangsöffnungen der Anschlüsse des Gehäuses jeweils größer sind als der Durchmesser der mindestens einen Durchgangsbohrung der ersten Öffnung des Ventilelements sowie größer oder gleich den Durchmessern der Durchgangsbohrungen der in der durch die Richtungen x, y aufgespannten Ebene angeordneten Öffnungen des Ventilelements.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist ein Strömungsquerschnitt der Durchgangsöffnung des ersten Anschlusses des Gehäuses im Bereich der Anlage des Ventilelements am Gehäuse derart abgedeckt, dass lediglich mindestens zwei Durchlassöffnungen in Richtung des Ventilelements mit der mindestens einen Durchgangsbohrung der ersten Öffnung ausgebildet sind. Dabei ist der gesamte Strömungsquerschnitt der Durchlassöffnungen geringer als der Strömungsquerschnitt der Durchgangsöffnung des ersten Anschlusses des Gehäuses.
Die Durchlassöffnungen weisen vorteilhaft jeweils einen kreisrunden Strömungsquerschnitt, insbesondere mit einem gleichen Durchmesser, auf und sind mit den Mittelpunkten auf einem gemeinsamen Teilkreisdurchmesser bei einer kugelförmigen Ausgestaltung des Ventilelements bezogen auf einen projizierten Mittelpunkt einer Kugelschale oder bei einer kreiszylinderförmigen Ausgestaltung des Ventilelements bezogen auf einen Mittelpunkt einer kreisrunden Stirnfläche eines Zylinders angeordnet.
Die Durchmesser der Durchlassöffnungen sind vorzugsweise jeweils größer oder gleich dem Durchmesser einer Durchgangsbohrung der ersten Öffnung des Ventilelements. Zudem entspricht ein Teilkreisdurchmesser, auf welchem die Mittelpunkte der Durchlassöffnungen angeordnet sind, bevorzugt einem Teilkreisdurchmesser, auf welchem die Durchgangsbohrungen der ersten Öffnung des Ventilelements angeordnet sind. Dabei ist der Teilkreisdurchmesser jeweils auf den projizierten Mittelpunkt der Kugel bezogen.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind eine erste Durchlassöffnung und eine zur ersten Durchlassöffnung benachbart angeordnete zweite Durchlassöffnung in einem Winkel von 90° bei einer kugelförmigen Ausgestaltung des Ventilelements bezogen auf den projizierten Mittelpunkt der Kugelschale oder bei einer kreiszylinderförmigen Ausgestaltung des Ventilelements bezogen auf den Mittelpunkt der Stirnfläche des Zylinders angeordnet.
Im Bereich der Anlage des Ventilelements am Gehäuse können mindestens drei Durchlassöffnungen ausgebildet sein, wobei die erste Durchlassöffnung und eine zur ersten Durchlassöffnung benachbart angeordnete dritte Durchlassöffnung ebenfalls in einem Winkel von 90° bei einer kugelförmigen Ausgestaltung des Ventilelements bezogen auf den projizierten Mittelpunkt der Kugelschale oder bei einer kreiszylinderförmigen Ausgestaltung des Ventilelements bezogen auf den Mittelpunkt der Stirnfläche des Zylinders angeordnet sind. Damit sind die zweite Durchlassöffnung und die dritte Durchlassöffnung in einem Winkel von 0° beziehungsweise von 180° zueinander ausgerichtet.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass Symmetrieachsen der Durchlassöffnungen jeweils eine gleiche Neigung bei einer kugelförmigen Ausgestaltung des Ventilelements bezogen auf den projizierten Mittelpunkt der Kugelschale aufweisen, sodass sich die Symmetrieachsen der Durchlassöffnungen in einem gemeinsamen Punkt auf einer Symmetrieachse der Kugelschale schneiden beziehungsweise parallel zueinander und zur Symmetrieachse der Kugelschale oder einer Symmetrieachse des Kreiszylinders angeordnet sind.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zum Abdecken des Strömungsquerschnitts der Durchgangsöffnung des ersten Anschlusses des Gehäuses im Bereich der Anlage des Ventilelements am Gehäuse ein Abdeckelement mit mindestens zwei Durchlassöffnungen ausgebildet. Das Abdeckelement ist vorzugsweise im Gehäuse fixiert und relativ zum Gehäuse unbeweglich angeordnet. Dabei kann das Abdeckelement formschlüssig beziehungsweise stoffschlüssig mit dem Gehäuse verbunden sein. Zudem kann je nach Ausgestaltung der Vorrichtung zwischen dem Abdeckelement und dem Gehäuse ein Dichtelement, insbesondere in der Form eines O-Rings, angeordnet sein, sodass das Abdeckelement schwimmend im Gehäuse gelagert ist.
Das Abdeckelement ist bei einer kugelförmigen Ausgestaltung des Ventilelements insbesondere als ein gleichmäßiger Abschnitt einer Kugelschale oder bei einer kreiszylinderförmigen Ausgestaltung des Ventilelements insbesondere als eine Kreisscheibe jeweils vorzugsweise mit konstanter Wandstärke ausgebildet und innerhalb des Gehäuses in Richtung z zwischen dem Ventilelement und dem Gehäuse angeordnet. Dabei entspricht eine Kontur einer Innenfläche der Kugelschale des Abdeckelements vorzugsweise einer Kontur einer Außenfläche des kugelförmigen Ventilelements. Zudem weist das Gehäuse bevorzugt eine Ausnehmung zur integrierenden Aufnahme des Abdeckelements auf. Die Ausnehmung ist zur vollständigen Adaption des Abdeckelements mit der Kontur einer Außenfläche der Kugelschale korrespondierend ausgebildet.
Die Rotationsachse des Abdeckelements und die Symmetrieachse der Durchgangsöffnung des ersten Anschlusses des Gehäuses sind insbesondere auf einer gemeinsamen Achse angeordnet.
Nach einer Weiterbildung ist das Ventilelement über ein Verbindungselement mit einem außerhalb des Gehäuses angeordneten Stellelement verbunden. Dabei sind die Symmetrieachse der Durchgangsöffnung des ersten Anschlusses des Gehäuses und das Verbindungselement vorzugsweise auf einer gemeinsamen Achse angeordnet.
Das Verbindungselement ist vorteilhaft als eine Welle ausgebildet. Dabei ist das Verbindungselement insbesondere an einem ersten Ende fest mit dem Stellelement und an einem zum ersten Ende distal ausgebildeten zweiten Ende durch eine Seite in das Gehäuse hineinragend und mit dem Ventilelement verbunden angeordnet.
Das Stellelement ist bevorzugt als ein elektrischer Stellmotor, insbesondere als ein Schrittmotor, ausgebildet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist als eine hochintegrierte Komponente, insbesondere als ein Kältemittelventil, speziell als ein Mehrwege-Kugelventil für den Einsatz in Kältekreisläufen, zum Ausführen mehrerer insbesondere Absperr-Funktionen ausgebildet. In der Vorrichtung ist eine Vielzahl von Funktionen von Einzelventilen zusammengefasst. Die Vorrichtung ermöglicht insbesondere, einen Durchfluss an allen drei Anschlüssen des Gehäuses unabhängig voneinander zuzulassen oder zu vermeiden, das heißt auch alle drei Anschlüsse gleichzeitig vollständig zu verschließen.
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,
- 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:

1: eine Verbindungsanordnung aus drei Ventilen als einen Ausschnitt aus einem Fluidkreislauf, insbesondere einem Kältemittelkreislauf eines Klimatisierungssystems eines Kraftfahrzeugs,
2: eine 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,
3a und 3b: eine erste Ausführungsform eines Ventilelements einer Vorrichtung aus 2 in einer perspektivischen Ansicht sowie einer Schnittdarstellung,
4: die Vorrichtung aus 2 mit einem Ventilelement nach den 3a und 3b,
5a: die erste Ausführungsform des Ventilelements aus den 3a und 3b in Kombination mit einer ersten Ausführungsform eines Abdeckelements in einer perspektivischen Ansicht,
5b: das Abdeckelement aus 5a in einer Draufsicht,
6a bis 6e: unterschiedliche Schaltungsvarianten einer Vorrichtung aus 2 mit der ersten Ausführungsform des Ventilelements in Kombination mit der ersten Ausführungsform des Abdeckelements aus 5a,
7a: eine zweite Ausführungsform des Ventilelements einer Vorrichtung aus 2 in Kombination mit einer zweiten Ausführungsform eines Abdeckelements in einer perspektivischen Ansicht,
7b: die zweite Ausführungsform des Ventilelements aus 7a in einer Schnittdarstellung,
8a: das Abdeckelement aus 7a in einer Draufsicht sowie
8b: das Ventilelement aus 7a in einer Seitenansicht und
9a bis 9e: unterschiedliche Schaltungsvarianten einer Vorrichtung aus 2 mit der zweiten Ausführungsform des Ventilelements in Kombination mit der zweiten Ausführungsform des Abdeckelements aus 7a.

In 1 ist eine Verbindungsanordnung 1 aus drei Ventilen 6, 7, 8 als ein Ausschnitt aus einem Fluidkreislauf, insbesondere einem Kältemittelkreislauf eines Klimatisierungssystems eines Kraftfahrzeugs, gezeigt. Der Kältemittelkreislauf kann mit mindestens einem Verdichter und jeweils mehreren als Verdampfer beziehungsweise Kondensator/Gaskühler betreibbaren Wärmeübertragern zur Übertragung von Wärme mit dem Kältemittel ausgebildet sein. Dabei wird jedem Kondensator/Gaskühler ein Ventil, insbesondere ein Absperrventil, beispielsweise ein Magnetventil, zugeordnet sein. Die Komponenten des Kältemittelkreislaufs sind über Verbindungsleitungen fluidtechnisch miteinander verbunden.
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.
Die Verbindungsanordnung 1 weist eine Verbindungsstelle 2 sowie drei Anschlüsse 3, 4, 5 auf. An der Verbindungsstelle 2 sind drei Verbindungsleitungen von unterschiedlichen Strömungspfaden des nicht dargestellten Kältemittelkreislaufs miteinander verbunden. Jeder Anschluss 3, 4, 5 ist mit der Verbindungsstelle 2 gekoppelt. Dabei ist zwischen der Verbindungsstelle 2 und einem ersten Anschluss 3 ein erstes Ventil 6, zwischen der Verbindungsstelle 2 und einem zweiten Anschluss 4 ein zweites Ventil 7 und zwischen der Verbindungsstelle 2 und einem dritten Anschluss 5 ein drittes Ventil 8 vorgesehen. Die Ventile 6, 7, 8 sind vorzugsweise als Absperrventile ausgebildet.
Die Verbindungsanordnung 1 kann an jedem Anschluss 3, 4, 5 mit einem beispielsweise als Verdampfer oder Kondensator/Gaskühler betriebenen Wärmeübertrager, einem Verdichter, einem Fluidspeicher, insbesondere Kältemittelsammler beziehungsweise Akkumulator, oder ähnlichem verbunden werden. Zum Steuern des Kältemittelflusses innerhalb des Kältemittelkreislaufs, kann jeder Strömungspfad der Verbindungsanordnung 1 zumindest geöffnet oder geschlossen werden.
Herkömmlich werden derartige Absperrfunktionen mit dem Einsatz von drei separat ausgebildeten Absperrventilen realisiert. Dabei ist jedem Strömungspfad ein eigenständig zu betreibendes Ventil zugeordnet. Jedes Ventil ist für das Ausführen lediglich einer Funktion ausgebildet, sodass eine Vielzahl an Ventilen und Verbindungsleitungen erforderlich ist. Die Funktionen der einzelnen Ventile werden erfindungsgemäß nunmehr in einer Vorrichtung verknüpft.
Der Kältemittelkreislauf, in welchem eine derartige Vorrichtung verwendet wird, kann mit einem beliebigen Kältemittel, insbesondere R1234yf, R134a, R744, R404a, R600a, R290, R152a, R32 sowie deren Gemischen, betrieben werden.
Aus 2 geht eine Vorrichtung 10 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 10 ist als ein hochintegriertes Kältemittelventil zum Ausführen mehrerer Funktionen ausgebildet, um insbesondere mindestens drei Ventile, speziell Absperrventile, nach dem Stand der Technik zu ersetzen und die Anzahl der Komponenten des Fluidkreislaufs zu reduzieren.
Die Vorrichtung 10 weist ein vorzugsweise quaderförmiges Gehäuse 11 mit einem ersten Anschluss 13, einem zweiten Anschluss 14 sowie einem dritten Anschluss 15 auf, welche je nach Funktion und Betriebsweise als Einlass beziehungsweise als Auslass des Kältemittels dienen. Die Anschlüsse 13, 14, 15 für Kältemittelleitungen als Verbindungsleitungen mit anderen Komponenten des Kältemittelkreislaufs sind jeweils über Durchgangsöffnungen mit einem inneren Volumen des Gehäuses 11 verbunden. Innerhalb des Volumens ist ein Ventilelement 12 angeordnet. Symmetrieachsen der Durchgangsöffnungen der Anschlüsse 13, 14, 15 und eine Rotationsachse des Ventilelements 12 weisen einen gemeinsamen Schnittpunkt auf, in welchem das Ventilelement 12 angeordnet ist.
Das in der Form eines Ventilblocks ausgebildete Gehäuse 11 ist außer in den Bereichen der Anschlüsse 13, 14, 15 geschlossen. Die äußere Form des Gehäuses 11 ist derart ausgebildet, dass die Funktionen, beispielsweise auch eine konkrete Anordnung innerhalb eines Systems, gewährleistet und eine kosteneffiziente Serienproduktion bei minimalem Komponentengewicht möglich sind.
Das kugelförmige Ventilelement 12 ist über ein auf der Rotationsachse des Ventilelements 12 angeordneten Verbindungselement 17 mit einem außerhalb des Gehäuses 11 vorgesehenen Stellelement 16 verbunden. Das beispielsweise als eine Welle beziehungsweise als ein Stellschaft ausgebildete Verbindungselement 17 ist an einem ersten Ende fest mit dem Stellelement 16 verbunden. Mit dem zum ersten Ende distal ausgebildeten zweiten Ende ist das Verbindungselement 17 durch die Wandung des Gehäuses 11 in das Gehäuse 11 hineinragend angeordnet. Das Stellelement 16, auch als Antriebselement bezeichnet, ist beispielsweise als ein Stellmotor zum Antreiben des Verbindungselements 17 ausgebildet.
Der erste Anschluss 13 ist auf der gegenüberliegenden Seite des Antriebselements 16 am Gehäuses 11 angeordnet, während der zweite Anschluss 14 und der dritte Anschluss 15 an sich gegenüberliegenden und von der Seite des ersten Anschlusses 13 abweichenden Seiten ausgebildet sind. Die Durchgangsöffnungen des zweiten Anschlusses 14 und des dritten Anschlusses 15 sind auf einer gemeinsamen, in Richtung y ausgerichteten Achse angeordnet, sodass sich zwischen den beiden Anschlüssen 14, 15 eine geradlinig ausgebildete Durchführung erstreckt. Auch die Durchgangsöffnung des ersten Anschlusses 13 und das Verbindungselement 17 sind auf einer gemeinsamen in Richtung z ausgerichteten Achse angeordnet. Die Durchgangsöffnungen der Anschlüsse 13, 14, 15 sind in einer durch die Richtungen y, z aufgespannten Ebene T-förmig zueinander ausgebildet, wobei sich die Symmetrieachsen der Durchgangsöffnungen im Mittelpunkt des Ventilelements 12 schneiden. Die Richtung x ist jeweils orthogonal zu den Richtungen y, z ausgerichtet.
Aus den 3a und 3b geht eine erste Ausführungsform eines Ventilelements 12-1 einer Vorrichtung 10 aus 2 in einer perspektivischen Ansicht sowie einer Schnittdarstellung durch eine Großkreisebene hervor. Das Ventilelement 12-1 weist vier als Durchgangsbohrungen ausgebildete kreiszylindrische Öffnungen 18, 19, 20, 21 auf, dessen Strömungsquerschnitte mit über die Länge der Öffnungen 18, 19, 20, 21 konstanten Durchmessern ausgebildet sind. Der Durchmesser einer ersten Öffnung 18 ist dabei geringer als die Durchmesser der drei weiteren Öffnungen 19, 20, 21, wobei deren Durchmesser vorzugsweise gleiche Werte aufweisen.
Die Symmetrieachsen einer zweiten Öffnung 19, einer dritten Öffnung 20 sowie einer vierten Öffnung 21, welche innerhalb einer durch die Richtungen x, y aufgespannten Mittelebene und damit jeweils orthogonal zur Rotationsachse 22 des Ventilelements 12-1 angeordnet sind, und die Rotationsachse 22 des Ventilelements 12-1 weisen einen gemeinsamen Schnittpunkt im Zentrum des Ventilelements 12-1 auf. Dabei sind die zweite Öffnung 19 und die vierte Öffnung 21 in einem Winkel von 0° beziehungsweise von 180° zueinander angeordnet, sodass sich zwischen den beiden Öffnungen 19, 21 eine geradlinig ausgebildete Durchführung erstreckt. Die dritte, ebenfalls in der Mittelebene vorgesehene Öffnung 20 ist orthogonal zur zwischen der zweiten Öffnung 19 und der vierten Öffnung 21 ausgebildeten Durchführung ausgerichtet. Damit beträgt der zwischen der zweiten Öffnung 19 und der dritten Öffnung 20 sowie zwischen der dritten Öffnung 20 und der vierten Öffnung 21 eingeschlossene Winkel jeweils 90°.
Die Symmetrieachse der ersten Öffnung 18 ist parallel zur in Richtung z verlaufenden Rotationsachse 22 des Ventilelements 12-1 und exzentrisch zum Ventilelement 12-1 ausgerichtet. Dabei sind die Symmetrieachse der ersten Öffnung 18 und die Rotationsachse 22 des Ventilelements 12-1 derart beabstandet zueinander angeordnet, dass die Symmetrieachse der ersten Öffnung 18 die zwischen der zweiten Öffnung 19 und der vierten Öffnung 21 ausgebildete Durchführung in einer Großkreisschnittebene schneidet. Die Symmetrieachse der orthogonal zur zwischen der zweiten Öffnung 19 und der vierten Öffnung 21 ausgebildeten Durchführung ausgerichteten ersten Öffnung 18 ist bezogen auf den Mittelpunkt des Ventilelements 12-1 in Richtung der vierten Öffnung 21 versetzt. Die jeweils zwischen der ersten Öffnung 18 und der zweiten Öffnung 19 sowie der vierten Öffnung 21 eingeschlossenen Winkel betragen jeweils 90°.
Die erste Öffnung 18 des Ventilelements 12-1 ist auf einer Seite ausgebildet, welche der Seite mit der Verbindung des Ventilelements 12-1 mit dem nicht dargestellten Verbindungselement 17 des Antriebselements 16 gegenüberliegt.
Das kugelförmige Ventilelement 12, 12-1, 12-2 ist gemäß 4, welche die Vorrichtung 10 aus 2 beispielsweise mit einem Ventilelement 12-1 nach den 3a und 3b zeigt, derart innerhalb des Gehäuses 11 ausgerichtet, dass die Durchgangsbohrung der ersten Öffnung 18 des Ventilelements 12-1 und die Durchgangsöffnung des ersten Anschlusses 13 des Gehäuses 11 eine gemeinsame Durchströmöffnung bilden können. Die Symmetrieachsen der ersten Öffnung 18 des Ventilelements 12-1 und der Durchgangsöffnung des ersten Anschlusses 13 des Gehäuses 11 sind parallel und versetzt zueinander angeordnet.
Das Ventilelement 12-1 mit den Öffnungen 18, 19, 20, 21 ist innerhalb des Gehäuses 11 mit den Anschlüssen 13, 14, 15 sowie den dazugehörigen Durchgangsöffnungen derart beweglich angeordnet, Durchströmöffnungen für das Kältemittel zu blockieren oder freizugeben. Dabei sind die zweite Öffnung 19, die dritte Öffnung 20 und die vierte Öffnung 21 des Ventilelements 12, 12-1 in einer Ebene mit dem zweiten Anschluss 14 und dem dritten Anschluss 15 des Gehäuses 11 derart ausgerichtet, dass die Öffnungen 19, 20, 21 je nach Bedarf und Stellung des Ventilelements 12, 12-1 innerhalb des Gehäuses 11 mit den Anschlüssen 14, 15 kommunizieren können.
Die Durchmesser der Durchgangsöffnungen der Anschlüsse 13, 14, 15 des Gehäuses 11 weisen bevorzugt gleiche Werte auf und sind jeweils größer oder gleich den Durchmessern der Durchgangsbohrungen der zweiten bis vierten Öffnungen 19, 20, 21 sowie größer als der Durchmesser der Durchgangsbohrung der ersten Öffnung 18 des Ventilelements 12, 12-1.
Das Ventilelement 12-1 ist zudem zum Gehäuse 11 hin fluiddicht abgedichtet, um gezielt Einlässe und Auslässe für das Kältemittel bereitzustellen. Die Fertigungstoleranzen der einzelnen Komponenten der Vorrichtung 10 sind derart gewählt, dass das Fluid, insbesondere das Kältemittel, lediglich durch die Anschlüsse 13, 14, 15 mit den Durchgangsöffnungen sowie die Öffnungen 18, 19, 20, 21 des Ventilelements 12, 12-1 strömen kann und unerwünschte Bypassströmungen zwischen der Oberfläche des Ventilelements 12, 12-1 und dem Gehäuse 11 vermieden werden.
In 5a ist die erste Ausführungsform des Ventilelements 12-1 aus den 3a und 3b in Kombination mit einer ersten Ausführungsform eines Abdeckelements 23-1 in einer perspektivischen Ansicht gezeigt. In 5b ist das Abdeckelement 23-1 aus 5a in einer Draufsicht dargestellt.
Das als gleichmäßiger Abschnitt einer Kugelschale mit konstanter Wandstärke ausgebildete Abdeckelement 23-1, auch als Blende bezeichnet, ist innerhalb des nicht dargestellten Ventilblocks beziehungsweise Gehäuses 11 in Richtung z unterhalb des Ventilelements 12-1 und damit zwischen dem Ventilelement 12-1 und dem Gehäuse 11 angeordnet. Dabei entspricht die Kontur einer Innenfläche der Kugelschale der Kontur einer Außenfläche des kugelförmigen Ventilelements 12-1. Zudem weist das Gehäuse 11 eine zur integrierenden Aufnahme des Abdeckelements 23-1 vorgesehene Ausnehmung auf, welche zur vollständigen Adaption des Abdeckelements 23-1 mit der Kontur einer Außenfläche der Kugelschale korrespondiert. So ist die Ausnehmung mit dem Radius der Außenfläche der Kugelschale ausgebildet, während das vom Gehäuse 11 umschlossene Volumen zur Aufnahme des Ventilelements 12-1 mit dem Radius einer Innenfläche der Kugelschale ausgebildet ist. Dabei entspricht auch die Kontur einer Innenfläche des Gehäuses 11 der Kontur der Außenfläche des kugelförmigen Ventilelements 12-1.
Nach dem Anordnen des Abdeckelements 23-1 innerhalb der Ausnehmung des Gehäuses 11 ist das vom Gehäuse 11 mit dem integrierten Abdeckelement 23-1 umschlossene Volumen zur Aufnahme des Ventilelements 12-1 kugelförmig ausgebildet und korrespondiert vollflächig mit dem Ventilelement 12-1. Dabei wird das Ventilelement 12-1 vollflächig vom Gehäuse 11 mit dem Abdeckelement 23-1 umschlossen. Das Ventilelement 12-1 liegt vollflächig am Gehäuse 11 mit dem Abdeckelement 23-1 an.
Die Rotationsachse des Abdeckelements 23-1 und die Symmetrieachse der Durchgangsöffnung des ersten Anschlusses 13 des Gehäuses 11 sind koaxial zueinander beziehungsweise auf einer gemeinsamen Achse angeordnet, welche in Richtung z ausgerichtet ist. Dabei ist das im Gehäuse 11 fixierte und damit relativ zum Gehäuse 11 unbewegliche beziehungsweise beispielsweise über ein zwischen dem Abdeckelement 23-1 und dem Gehäuse 11 angeordnetes Dichtelement, insbesondere in der Form eines O-Rings, schwimmend gelagerte Abdeckelement 23-1 die im Gehäuse 11 ausgebildete Durchgangsöffnung des ersten Anschlusses 13 zumindest teilweise verschließend ausgebildet. Das Ventilelement 12-1 wird bei einer Rotation um die Rotationsachse 22 relativ zum Abdeckelement 23-1 sowie zum Gehäuse 11 bewegt.
Das Abdeckelement 23-1 weist drei kreisrunde Durchlassöffnungen 24, 25, 26 auf, welche jeweils mit einem gleichen Durchmesser ausgebildet und mit den Mittelpunkten auf einem gemeinsamen Teilkreisdurchmesser bezogen auf den projizierten Mittelpunkt der Kugelschale angeordnet sind. Die Durchmesser der Durchlassöffnungen 24, 25, 26 sind dabei größer oder gleich dem Durchmesser der Durchgangsbohrung der ersten Öffnung 18 des Ventilelements 12-1. Der Teilkreisdurchmesser, auf welchem die Mittelpunkte der Durchlassöffnungen 24, 25, 26 angeordnet sind, entspricht dem Teilkreisdurchmesser, auf welchem die Durchgangsbohrung der ersten Öffnung 18 des Ventilelements 12-1 bezogen auf die Rotationsachse 22 angeordnet ist.
Eine erste Durchlassöffnung 24 weist jeweils zu einer benachbart angeordneten zweiten Durchlassöffnung 25 sowie dritten Durchlassöffnung 26 einen eingeschlossenen Winkel von 90° bezogen auf den projizierten Mittelpunkt der Kugelschale auf. Dabei sind die zweite Durchlassöffnung 25 und die dritte Durchlassöffnung 26 in einem Winkel von 0° beziehungsweise von 180° sowie in Richtung x beabstandet zueinander angeordnet.
Die Symmetrieachsen der Durchlassöffnungen 24, 25, 26 weisen jeweils eine gleiche Neigung bezogen auf den projizierten Mittelpunkt der Kugelschale auf, sodass sich die Symmetrieachsen der Durchlassöffnungen 24, 25, 26 entweder gemäß eines rotatorischen Musters des Abdeckelements 23-1 in einem gemeinsamen Punkt auf der Symmetrieachse der Kugelschale schneiden oder die Symmetrieachsen der Durchlassöffnungen 24, 25, 26 parallel zueinander und zur Symmetrieachse der Kugelschale angeordnet sind.
Aus den 6a bis 6e gehen unterschiedliche Schaltungsvarianten einer Vorrichtung 10 aus 2 mit der ersten Ausführungsform des Ventilelements 12-1 in Kombination mit der ersten Ausführungsform des Abdeckelements 23-1 aus 5a hervor, welche durch eine Rotation des Ventilelements 12-1 um die Rotationsachse 22 innerhalb des Gehäuses 11 und relativ zum Gehäuse 11 einstellbar sind. Mit dem Verdrehen des Ventilelements 12-1 mit den Öffnungen 18, 19, 20, 21 innerhalb des Gehäuses 11 mit den Anschlüssen 13, 14, 15 sowie den dazugehörigen Durchgangsöffnungen in Drehrichtung 27 werden vorbestimmte Durchströmöffnungen und damit Strömungspfade für das Kältemittel durch den Kältemittelkreislauf geöffnet oder geschlossen.
In 6a ist eine Stellung des Ventilelements 12-1 in einer Ausgangsposition mit einem Drehwinkel von 0° bei einer Schaltung der Vorrichtung 10 mit jeweils offenen Anschlüssen 13, 14, 15 des Gehäuses 11 gezeigt. Die Symmetrieachsen der Durchgangsöffnung des zweiten Anschlusses 14 und der vierten Öffnung 21 des Ventilelements 12-1 sowie die Symmetrieachsen der Durchgangsöffnung des dritten Anschlusses 15 und der zweiten Öffnung 19 des Ventilelements 12-1 sind jeweils koaxial zueinander ausgerichtet. Auch der erste Anschluss 13 des Gehäuses 11 ist geöffnet, da das Ventilelement 12-1 in Bezug auf das Abdeckelement 23-1 derart angeordnet ist, dass die erste Durchlassöffnung 24 des Abdeckelements 23-1 und die erste Öffnung 18 des Ventilelements 12-1 koaxial zueinander beziehungsweise miteinander korrespondierend ausgerichtet sind. Damit wird jeweils eine Durchströmöffnung durch den ersten Auslass 13 und die erste Öffnung 18, durch den zweiten Auslass 14 und die vierte Öffnung 21 sowie durch den dritten Auslass 15 und die zweite Öffnung 19 bereitgestellt, wobei alle Auslässe 13, 14, 15 des Gehäuses 11 fluidtechnisch miteinander verbunden sind.
6b zeigt eine Stellung des Ventilelements 12-1 nach einer Drehung in Drehrichtung 27 um 90° um die Rotationsachse 22, ausgehend von der Stellung nach 6a, bei einer Schaltung der Vorrichtung 10 mit geöffnetem ersten Anschluss 13 und zweiten Anschluss 14 sowie einem geschlossenen dritten Anschluss 15. Die Symmetrieachsen der Durchgangsöffnung des zweiten Anschlusses 14 und der dritten Öffnung 20 des Ventilelements 12-1 sind koaxial zueinander ausgerichtet. Der erste Anschluss 13 des Gehäuses 11 ist geöffnet, da das Ventilelement 12-1 in Bezug auf das Abdeckelement 23-1 derart angeordnet ist, dass die dritte Durchlassöffnung 26 des Abdeckelements 23-1 und die erste Öffnung 18 des Ventilelements 12-1 koaxial zueinander beziehungsweise miteinander korrespondierend ausgerichtet sind. Damit wird jeweils eine Durchströmöffnung durch den ersten Auslass 13 und die erste Öffnung 18 sowie durch den zweiten Auslass 14 und die dritte Öffnung 20 bereitgestellt, wobei der erste Auslass 13 und der zweite Auslass 14 des Gehäuses 11 fluidtechnisch miteinander verbunden sind.
In 6c ist eine Stellung des Ventilelements 12-1 nach einer weiteren Drehung in Drehrichtung 27 um 90° um die Rotationsachse 22, ausgehend von der Stellung nach 6b, bei einer Schaltung der Vorrichtung 10 mit einem geschlossenen ersten Anschluss 13 sowie einem geöffneten zweiten Anschluss 14 und einem geöffneten dritten Anschluss 15 dargestellt. Die Symmetrieachsen der Durchgangsöffnung des zweiten Anschlusses 14 und der zweiten Öffnung 19 des Ventilelements 12-1 sowie die Symmetrieachsen der Durchgangsöffnung des dritten Anschlusses 15 und der vierten Öffnung 21 des Ventilelements 12-1 sind jeweils koaxial zueinander ausgerichtet. Der erste Anschluss 13 des Gehäuses 11 ist geschlossen, da das Ventilelement 12-1 in Bezug auf das Abdeckelement 23-1 derart angeordnet ist, dass die erste Öffnung 18 des Ventilelements 12-1 vom Abdeckelement 23-1 vollständig bedeckt ist. Damit wird jeweils eine Durchströmöffnung durch den zweiten Auslass 14 und die zweite Öffnung 19 sowie durch den dritten Auslass 15 und die vierte Öffnung 21 bereitgestellt, wobei der zweite Auslass 14 und der dritte Auslass 15 des Gehäuses 11 fluidtechnisch miteinander verbunden sind.
Aus 6d geht eine Stellung des Ventilelements 12-1 nach einer weiteren Drehung in Drehrichtung 27 um 90° um die Rotationsachse 22, ausgehend von der Stellung nach 6c, bei einer Schaltung der Vorrichtung 10 mit geöffnetem ersten Anschluss 13 und dritten Anschluss 15 sowie einem geschlossenen zweiten Anschluss 14 hervor. Die Symmetrieachsen der Durchgangsöffnung des dritten Anschlusses 15 und der dritten Öffnung 20 des Ventilelements 12-1 sind koaxial zueinander ausgerichtet. Der erste Anschluss 13 des Gehäuses 11 ist geöffnet, da das Ventilelement 12-1 in Bezug auf das Abdeckelement 23-1 derart angeordnet ist, dass die zweite Durchlassöffnung 25 des Abdeckelements 23-1 und die erste Öffnung 18 des Ventilelements 12-1 koaxial zueinander beziehungsweise miteinander korrespondierend ausgerichtet sind. Damit wird jeweils eine Durchströmöffnung durch den ersten Auslass 13 und die erste Öffnung 18 sowie durch den dritten Auslass 15 und die dritte Öffnung 20 bereitgestellt, wobei der erste Auslass 13 und der dritte Auslass 15 des Gehäuses 11 fluidtechnisch miteinander verbunden sind.
6e zeigt eine Zwischenstellung des Ventilelements 12-1 zwischen den Stellungen gemäß der 6b und 6c nach einer Drehung in Drehrichtung 27 um einen Winkel kleiner als 90°, insbesondere in einem Bereich von 40° bis 60°, um die Rotationsachse 22, ausgehend von der Stellung nach 6b, bei einer Schaltung der Vorrichtung 10 mit jeweils geschlossenen Anschlüssen 13, 14, 15 des Gehäuses 11. Die Symmetrieachsen der Durchgangsöffnungen der Anschlüsse 14, 15 des Gehäuses 11 und der Öffnungen 19, 20, 21 des Ventilelements 12-1 sind jeweils nicht koaxial zueinander ausgerichtet. Zudem ist der erste Anschluss 13 des Gehäuses 11 geschlossen, da das Ventilelement 12-1 in Bezug auf das Abdeckelement 23-1 derart angeordnet ist, dass die erste Öffnung 18 des Ventilelements 12-1 vom Abdeckelement 23-1 vollständig bedeckt ist. Keine der Durchlassöffnungen 24, 25, 26 des Abdeckelements 23-1 ist koaxial zur ersten Öffnung 18 des Ventilelements 12-1 beziehungsweise mit der ersten Öffnung 18 des Ventilelements 12-1 korrespondierend ausgerichtet. Da keiner Durchgangsöffnung der Anschlüsse 14, 15 des Gehäuses 11 eine Durchgangsbohrung einer Öffnung 19, 20, 21 des Ventilelements 12-1 zugeordnet ist und sich die Strömungsquerschnitte der Durchgangsöffnungen der Anschlüsse 14, 15 sowie der Durchgangsbohrungen der Öffnungen 19, 20, 21 nicht überlappen, ist keine Durchströmöffnung ausgebildet. Zudem sind die Strömungsquerschnitte des ersten Anschlusses 13 des Gehäuses 11 sowie der Durchlassöffnungen 24, 25, 26 sich nicht überlappend und damit eine Durchströmöffnung ausbildend angeordnet.
In den 7a und 7b ist eine zweite Ausführungsform des Ventilelements 12-2 einer Vorrichtung 10 aus 2 beziehungsweise 4 gemäß 7a in Kombination mit einer zweiten Ausführungsform des Abdeckelements 23-2 in einer perspektivischen Ansicht sowie gemäß 7b in einer Schnittdarstellung durch eine Großkreisebene dargestellt. In 8a ist das Abdeckelement 23-2 aus 7a in einer Draufsicht von oben gezeigt, während das Ventilelement 12-2 aus 8b in einer Draufsicht von unten hervorgeht.
Das Ventilelement 12-2 weist fünf als Durchgangsbohrungen ausgebildete kreiszylindrische Öffnungen 18a, 18b, 19, 20, 21 auf, dessen Strömungsquerschnitte mit über die Länge der Öffnungen 18a, 18b, 19, 20, 21 konstanten Durchmessern ausgebildet sind. Der wesentliche Unterschied zwischen der ersten Ausführungsform des Ventilelements 12-1 aus den 3a und 3b sowie der zweiten Ausführungsform des Ventilelements 12-2 liegt in der Ausbildung einer zusätzlichen Durchgangsbohrung der ersten Öffnung 18, sodass das Ventilelement 12-2 eine erste Durchgangsbohrung 18a und eine zweite Durchgangsbohrung 18b der ersten Öffnung 18 aufweist.
Die Durchmesser der Durchgangsbohrungen 18a, 18b der ersten Öffnung 18 sind gleich und jeweils geringer als die Durchmesser der drei weiteren Öffnungen 19, 20, 21, wobei deren Durchmesser vorzugsweise gleiche Werte aufweisen.
Die Symmetrieachsen der Durchgangsbohrungen 18a, 18b der ersten Öffnung 18 sind auf einem gemeinsamen Teilkreisdurchmesser bezogen auf die in Richtung z verlaufende Rotationsachse 22 des Ventilelements 12-2 in einem Winkel von 90° versetzt zueinander angeordnet und parallel zueinander sowie zur Rotationsachse 22 sowie exzentrisch zum Ventilelement 12-2 ausgerichtet. Dabei sind die Symmetrieachsen der Durchgangsbohrungen 18a, 18b der ersten Öffnung 18 und die Rotationsachse 22 des Ventilelements 12-2 jeweils derart beabstandet zueinander angeordnet, dass die Symmetrieachse der ersten Durchgangsbohrung 18a der ersten Öffnung 18 die Symmetrieachse der zwischen der zweiten Öffnung 19 und der vierten Öffnung 21 ausgebildeten Durchführung in einer Großkreisschnittebene schneidet und dass die Symmetrieachse der zweiten Durchgangsbohrung 18b der ersten Öffnung 18 die Symmetrieachse der Durchgangsbohrung der dritten Öffnung 20 in einer Großkreisschnittebene schneidet. Während die orthogonal zur zwischen der zweiten Öffnung 19 und der vierten Öffnung 21 ausgebildeten Durchführung ausgerichtete erste Durchgangsbohrung 18a der ersten Öffnung 18 bezogen auf den Mittelpunkt des Ventilelements 12-2 in Richtung der vierten Öffnung 21 versetzt ist, ist die Symmetrieachse der zweiten Durchgangsbohrung 18b der ersten Öffnung 18 bezogen auf den Mittelpunkt des Ventilelements 12-2 in Richtung der dritten Öffnung 20 versetzt.
Die Durchgangsbohrungen 18a, 18b der ersten Öffnung 18 des Ventilelements 12-2 sind auf der dem nicht dargestellten Verbindungselement 17 des Antriebselements 16 gegenüberliegenden Seite des Ventilelements 12-2 vorgesehen. Das kugelförmige Ventilelement 12-2 ist derart innerhalb des nicht dargestellten Gehäuses 11 ausgerichtet, dass die Durchgangsbohrungen 18a, 18b der ersten Öffnung 18 des Ventilelements 12-2 und die Durchgangsöffnung des ersten Anschlusses 13 des Gehäuses 11 jeweils eine gemeinsame Durchströmöffnung bilden können. Die Symmetrieachsen der Durchgangsbohrungen 18a, 18b der ersten Öffnung 18 des Ventilelements 12-2 und der Durchgangsöffnung des ersten Anschlusses 13 des Gehäuses 11 sind jeweils parallel und versetzt zueinander angeordnet.
Die als gleichmäßiger Abschnitt einer Kugelschale mit konstanter Wandstärke ausgebildete zweite Ausführungsform des Abdeckelements 23-2 ist innerhalb des nicht dargestellten Ventilblocks beziehungsweise Gehäuses 11 in Richtung z unterhalb des Ventilelements 12-2 und damit zwischen dem Ventilelement 12-2 und dem Gehäuse 11 angeordnet. Der wesentliche Unterschied zwischen der ersten Ausführungsform des Abdeckelements 23-1 aus den 5a und 5b sowie der zweiten Ausführungsform des Abdeckelements 23-2 liegt in der Ausbildung der Durchlassöffnungen 24, 25. Die zweite Ausführungsform des Abdeckelements 23-2 ist ohne die dritte Durchlassöffnung 26 ausgebildet. Dabei sind sowohl die erste Durchlassöffnung 24 als auch die zweite Durchlassöffnung 25 identisch zur ersten Ausführungsform des Abdeckelements 23-1 angeordnet. Damit weist die erste Durchlassöffnung 24 zur zweiten Durchlassöffnung 25 einen eingeschlossenen Winkel von 90° bezogen auf den projizierten Mittelpunkt der Kugelschale auf.
In einer Stellung des Ventilelements 12-2 in einer Ausgangsposition mit einem Drehwinkel des Ventilelements 12-2 innerhalb des Gehäuses 11 von 0° sind sich die Durchgangsbohrungen 18a, 18b der ersten Öffnung 18 des Ventilelements 12-2 mit den Durchlassöffnungen 24, 25 des Abdeckelements 23-2 vollständig überlappend angeordnet. Dabei fallen die erste Durchgangsbohrung 18a der ersten Öffnung 18 mit der ersten Durchlassöffnung 24 und die zweite Durchgangsbohrung 18b der ersten Öffnung 18 mit der zweiten Durchlassöffnung 25 zusammen.
Aus den 9a bis 9e gehen unterschiedliche Schaltungsvarianten einer Vorrichtung 10 aus 2 mit der zweiten Ausführungsform des Ventilelements 12-2 in Kombination mit der zweiten Ausführungsform des Abdeckelements 23-2 aus 7a hervor, welche durch eine Rotation des Ventilelements 12-2 um die Rotationsachse 22 innerhalb des Gehäuses 11 und relativ zum Gehäuse 11 einstellbar sind. Mit dem Verdrehen des Ventilelements 12-2 mit den Öffnungen 18, 19, 20, 21, speziell auch mit den Durchgangsbohrungen 18a, 18b der ersten Öffnung 18, innerhalb des Gehäuses 11 mit den Anschlüssen 13, 14, 15 sowie den dazugehörigen Durchgangsöffnungen in Drehrichtung 27, ähnlich dem Ventilelement 12-1 in Kombination mit dem Abdeckelement 23-1, werden vorbestimmte Durchströmöffnungen und damit Strömungspfade für das Kältemittel durch den Kältemittelkreislauf geöffnet oder geschlossen.
In 9a ist eine Stellung des Ventilelements 12-2 in einer Ausgangsposition mit einem Drehwinkel von 0° bei einer Schaltung der Vorrichtung 10 mit jeweils offenen Anschlüssen 13, 14, 15 des Gehäuses 11 gezeigt. Die Symmetrieachsen der Durchgangsöffnung des zweiten Anschlusses 14 und der vierten Öffnung 21 des Ventilelements 12-2 sowie die Symmetrieachsen der Durchgangsöffnung des dritten Anschlusses 15 und der zweiten Öffnung 19 des Ventilelements 12-2 sind jeweils koaxial zueinander ausgerichtet. Auch der erste Anschluss 13 des Gehäuses 11 ist geöffnet, da das Ventilelement 12-2 in Bezug auf das Abdeckelement 23-2 derart angeordnet ist, dass die erste Durchlassöffnung 24 des Abdeckelements 23-2 und die erste Durchgangsbohrung 18a der ersten Öffnung 18 des Ventilelements 12-2 sowie die zweite Durchlassöffnung 25 des Abdeckelements 23-2 und die zweite Durchgangsbohrung 18b der ersten Öffnung 18 des Ventilelements 12-2 koaxial zueinander beziehungsweise miteinander korrespondierend ausgerichtet sind. Damit wird jeweils eine Durchströmöffnung durch den ersten Auslass 13 und die Durchgangsbohrungen 18a, 18b der ersten Öffnung 18, durch den zweiten Auslass 14 und die vierte Öffnung 21 sowie durch den dritten Auslass 15 und die zweite Öffnung 19 bereitgestellt, wobei alle Auslässe 13, 14, 15 des Gehäuses 11 fluidtechnisch miteinander verbunden sind.
9b zeigt eine Stellung des Ventilelements 12-2 nach einer Drehung in Drehrichtung 27 um 90° um die Rotationsachse 22, ausgehend von der Stellung nach 9a, bei einer Schaltung der Vorrichtung 10 mit geöffnetem ersten Anschluss 13 und zweiten Anschluss 14 sowie einem geschlossenen dritten Anschluss 15. Die Symmetrieachsen der Durchgangsöffnung des zweiten Anschlusses 14 und der dritten Öffnung 20 des Ventilelements 12-2 sind koaxial zueinander ausgerichtet. Der erste Anschluss 13 des Gehäuses 11 ist geöffnet, da das Ventilelement 12-2 in Bezug auf das Abdeckelement 23-2 derart angeordnet ist, dass die ersten Durchlassöffnung 24 des Abdeckelements 23-2 und die zweite Durchgangsbohrung 18b der ersten Öffnung 18 des Ventilelements 12-2 koaxial zueinander beziehungsweise miteinander korrespondierend ausgerichtet sind. Damit wird jeweils eine Durchströmöffnung durch den ersten Auslass 13 und die zweite Durchgangsbohrung 18b der ersten Öffnung 18 sowie durch den zweiten Auslass 14 und die dritte Öffnung 20 bereitgestellt, wobei der erste Auslass 13 und der zweite Auslass 14 des Gehäuses 11 fluidtechnisch miteinander verbunden sind.
In 9c ist eine Stellung des Ventilelements 12-2 nach einer weiteren Drehung in Drehrichtung 27 um 90° um die Rotationsachse 22, ausgehend von der Stellung nach 9b, bei einer Schaltung der Vorrichtung 10 mit einem geschlossenen ersten Anschluss 13 sowie einem geöffneten zweiten Anschluss 14 und einem geöffneten dritten Anschluss 15 dargestellt. Die Symmetrieachsen der Durchgangsöffnung des zweiten Anschlusses 14 und der zweiten Öffnung 19 des Ventilelements 12-2 sowie die Symmetrieachsen der Durchgangsöffnung des dritten Anschlusses 15 und der vierten Öffnung 21 des Ventilelements 12-2 sind jeweils koaxial zueinander ausgerichtet. Der erste Anschluss 13 des Gehäuses 11 ist geschlossen, da das Ventilelement 12-2 in Bezug auf das Abdeckelement 23-2 derart angeordnet ist, dass die Durchgangsbohrungen 18a, 18b der ersten Öffnung 18 des Ventilelements 12-2 vom Abdeckelement 23-2 jeweils vollständig bedeckt sind. Damit wird jeweils eine Durchströmöffnung durch den zweiten Auslass 14 und die zweite Öffnung 19 sowie durch den dritten Auslass 15 und die vierte Öffnung 21 bereitgestellt, wobei der zweite Auslass 14 und der dritte Auslass 15 des Gehäuses 11 fluidtechnisch miteinander verbunden sind.
Aus 9d geht eine Stellung des Ventilelements 12-2 nach einer weiteren Drehung in Drehrichtung 27 um 90° um die Rotationsachse 22, ausgehend von der Stellung nach 9c, bei einer Schaltung der Vorrichtung 10 mit geöffnetem ersten Anschluss 13 und dritten Anschluss 15 sowie einem geschlossenen zweiten Anschluss 14 hervor. Die Symmetrieachsen der Durchgangsöffnung des dritten Anschlusses 15 und der dritten Öffnung 20 des Ventilelements 12-2 sind koaxial zueinander ausgerichtet. Der erste Anschluss 13 des Gehäuses 11 ist geöffnet, da das Ventilelement 12-2 in Bezug auf das Abdeckelement 23-2 derart angeordnet ist, dass die zweite Durchlassöffnung 25 des Abdeckelements 23-2 und die erste Durchgangsbohrung 18a der ersten Öffnung 18 des Ventilelements 12-2 koaxial zueinander beziehungsweise miteinander korrespondierend ausgerichtet sind. Damit wird jeweils eine Durchströmöffnung durch den ersten Auslass 13 und die erste Durchgangsbohrung 18a der ersten Öffnung 18 sowie durch den dritten Auslass 15 und die dritte Öffnung 20 bereitgestellt, wobei der erste Auslass 13 und der dritte Auslass 15 des Gehäuses 11 fluidtechnisch miteinander verbunden sind.
9e zeigt eine Zwischenstellung des Ventilelements 12-2 zwischen den Stellungen gemäß der 6c und 6d nach einer Drehung in Drehrichtung 27 um einen Winkel kleiner als 90°, insbesondere in einem Bereich von 35° bis 55°, speziell um 45°, um die Rotationsachse 22, ausgehend von der Stellung nach 6c, bei einer Schaltung der Vorrichtung 10 mit einem zumindest teilgeöffneten ersten Anschluss 13 sowie einem geschlossenen zweiten Anschluss 14 und einem geschlossenen dritten Anschluss 15. Die Symmetrieachsen der Durchgangsöffnungen der Anschlüsse 14, 15 des Gehäuses 11 und der Öffnungen 19, 20, 21 des Ventilelements 12-2 sind jeweils nicht koaxial zueinander ausgerichtet. Zudem überlappen sich die jeweiligen Strömungsquerschnitte der Durchgangsöffnungen der Anschlüsse 14, 15 sowie der Durchgangsbohrungen der Öffnungen 19, 20, 21 nicht. Lediglich der erste Anschluss 13 des Gehäuses 11 ist geöffnet, da das Ventilelement 12-2 in Bezug auf das Abdeckelement 23-2 derart angeordnet ist, dass sich die Strömungsquerschnitte der Durchgangsbohrung der ersten Öffnung 18a des Ventilelements 12-2 und der zweiten Durchlassöffnung 25 des Abdeckelements 23-2 zumindest teilweise überlappend angeordnet sind. Da jedoch zumindest zwei von drei Durchgangsöffnungen der Anschlüsse 13, 14, 15 des Gehäuses 11 keiner Durchgangsbohrung einer Öffnung 18, 19, 20, 21 des Ventilelements 12-2 zugeordnet ist und sich die Strömungsquerschnitte der Durchgangsöffnungen der Anschlüsse 14, 15 sowie der Durchgangsbohrungen der Öffnungen 19, 20, 21 nicht überlappen, ist keine Durchströmöffnung ausgebildet.
Nach einer alternativen nicht dargestellten Ausführungsform ist das Ventilelement zylinderförmig ausgebildet. Dabei korrespondieren die in der durch die Richtungen x, y aufgespannten Ebene angeordneten zweiter und dritter Anschluss des Gehäuses mit der an der Mantelfläche des Zylinders angeordneten zweiten, dritten und vierten Öffnung des Ventilelements, während die mit dem in Richtung z ausgerichteten ersten Anschluss des Gehäuses korrespondierende mindestens eine erste Öffnung des Ventilelements an einer Stirnseite des Zylinders vorgesehen sind. Das Antriebselement der Vorrichtung ist auf der zum ersten Anschluss in Verbindung mit der mindestens einen ersten Öffnung des Ventilelements gegenüberliegenden Seite am Gehäuses sowie an der gegenüberliegenden Stirnseite des zylinderförmigen Ventilelements angeordnet. Das zylinderförmige Ventilelement kann den gleichen Durchmesser wie das kugelförmige Ventilelement aufweisen.
Das zum Ventilelement zugehörige Abdeckelement ist zum Korrespondieren mit der ebenen Stirnfläche des Zylinders als Scheibe mit einer ebenen Oberfläche ausgebildet und ist an der Stirnseite des Zylinders anliegend, im Gehäuse integriert angeordnet.
Bezugszeichenliste

1: Verbindungsanordnung Fluidkreislauf
2: Verbindungsstelle
3: erster Anschluss
4: zweiter Anschluss
5: dritter Anschluss
6: erstes Ventil
7: zweites Ventil
8: drittes Ventil
10: Vorrichtung
11: Gehäuse
12, 12-1, 12-2: Ventilelement
13: erster Anschluss Gehäuse 11
14: zweiter Anschluss Gehäuse 11
15: dritter Anschluss Gehäuse 11
16: Stellelement, Antriebselement Ventilelement 12
17: Verbindungselement Antriebselement 16
18: erste Öffnung Ventilelement 12-1
18a: erste Durchgangsbohrung erste Öffnung Ventilelement 12-2
18b: zweite Durchgangsbohrung erste Öffnung Ventilelement 12-2
19: zweite Öffnung Ventilelement 12-1
20: dritte Öffnung Ventilelement 12-1
21: vierte Öffnung Ventilelement 12-1
22: Rotationsachse Ventilelement 12
23-1, 23-2: Abdeckelement
24: erste Durchlassöffnung Abdeckelement 23-1, 23-2
25: zweite Durchlassöffnung Abdeckelement 23-1, 23-2
26: dritte Durchlassöffnung Abdeckelement 23-1
27: Drehrichtung Ventilelement
x, y, z: Richtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013206626 A1 [0005]
DE 102014105097 A1 [0006]
DE 202013005960 U1 [0008]

Claims

Vorrichtung (10) zum Regeln eines Durchflusses und Verteilen eines Fluids in einem Fluidkreislauf, aufweisend ein Gehäuse (11) mit Anschlüssen (13, 14, 15) zum Verbinden mit Fluidleitungen, welche jeweils über eine Durchgangsöffnung mit einem inneren Volumen des Gehäuses (11) verbunden sind, sowie ein im inneren Volumen des Gehäuses (11) angeordnetes Ventilelement (12, 12-1, 12-2) mit einem Stellelement (16) zum Bewegen des Ventilelements (12, 12-1, 12-2) relativ zum Gehäuse (11), dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (12, 12-1, 12-2) um eine Rotationsachse (22) drehbar gelagert ist und als Durchgangsbohrungen ausgebildete Öffnungen (18, 19, 20, 21) aufweist, welche im Inneren des Ventilelements (12, 12-1, 12-2) ein gemeinsames Volumen bilden, wobei - eine Symmetrieachse einer mindestens einen Durchgangsbohrung (18a, 18b) einer ersten Öffnung (18) und die Rotationsachse (22) des Ventilelements (12, 12-1, 12-2) sowie eine Symmetrieachse einer Durchgangsöffnung eines ersten Anschlusses (13) des Gehäuses (11) in einer Richtung z und - Symmetrieachsen von Durchgangsbohrungen von mindestens drei Öffnungen (19, 20, 21) des Ventilelements (12, 12-1, 12-2) und von Durchgangsöffnungen zweier Anschlüsse (14, 15) des Gehäuses (11) in einer durch zwei Richtungen x, y aufgespannten Ebene angeordnet sind, wobei die Richtungen x, y, z jeweils senkrecht zueinander ausgerichtet sind.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Symmetrieachsen der Durchgangsöffnungen der Anschlüsse (13, 14, 15) des Gehäuses (11) und die Rotationsachse (22) des Ventilelements (12, 12-1, 12-2) einen gemeinsamen Schnittpunkt aufweisen, in welchem das Ventilelement (12, 12-1, 12-2) mit einem Mittelpunkt angeordnet ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Anschluss (13) des Gehäuses (11) auf einer gegenüberliegenden Seite des Stellelements (16) zum Ventilelement (12, 12-1, 12-2) angeordnet ist, und dass ein zweiter Anschluss (14) und ein dritter Anschluss (15) an sich gegenüberliegenden und von der Seite des ersten Anschlusses (13) abweichenden Seiten des Gehäuses (11) ausgebildet sind.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Symmetrieachsen der Durchgangsöffnungen eines zweiten Anschlusses (14) und eines dritten Anschlusses (15) des Gehäuses (11) auf einer gemeinsamen, in Richtung y ausgerichteten Achse angeordnet sind.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Symmetrieachsen der Durchgangsöffnungen des ersten Anschlusses (13), eines zweiten Anschlusses (14) sowie eines dritten Anschlusses (15) des Gehäuses (11) in einer durch die Richtungen y, z aufgespannten Ebene T-förmig zueinander ausgebildet sind.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Symmetrieachse der Durchgangsöffnung des ersten Anschlusses (13) des Gehäuses (11) und die Rotationsachse (22) des Ventilelements (12, 12-1, 12-2) koaxial zueinander ausgerichtet angeordnet sind.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (12, 12-1, 12-2) kugelförmig oder kreiszylindrisch ausgebildet ist.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Symmetrieachsen der mindestens drei in der durch zwei Richtungen x, y aufgespannten Ebene angeordneten Öffnungen (19, 20, 21) des Ventilelements (12, 12-1, 12-2) einen gemeinsamen Schnittpunkt im Zentrum des Ventilelements (12, 12-1, 12-2) aufweisen.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsachse (22) des Ventilelements (12, 12-1, 12-2) durch das Zentrum des Ventilelements (12, 12-1, 12-2) verlaufend angeordnet ist.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Symmetrieachse der mindestens einen Durchgangsbohrung (18a, 18b) der ersten Öffnung (18) beabstandet zur Rotationsachse (22) des Ventilelements (12, 12-1, 12-2) ausgerichtet angeordnet ist.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Symmetrieachsen drei der in der durch zwei Richtungen x, y aufgespannten Ebene angeordneten Öffnungen (19, 20, 21) des Ventilelements (12, 12-1, 12-2) T-förmig zueinander ausgebildet sind, wobei die Symmetrieachsen einer zweiten Öffnung (19) und einer dritten Öffnung (20) sowie der dritten Öffnung (20) und einer vierten Öffnung (21) jeweils orthogonal zueinander ausgerichtet sind, wobei die Symmetrieachsen der zweiten Öffnung (19) und der vierten Öffnung (21) koaxial zueinander ausgerichtet angeordnet sind.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Symmetrieachsen einer Durchgangsbohrung (18a) der ersten Öffnung (18) und der zweiten Öffnung (19) des Ventilelements (12, 12-1, 12-2) schneidend ausgerichtet sind, wobei die Symmetrieachse der ersten Durchgangsbohrung (18a) der ersten Öffnung (18) aus dem Zentrum des Ventilelements (12, 12-1, 12-2) in Richtung der vierten Öffnung (21) versetzt angeordnet ist.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Öffnung (18) des Ventilelements (12, 12-2) mit einer ersten Durchgangsbohrung (18a) und einer zweiten Durchgangsbohrung (18b) aus mindestens zwei Durchgangsbohrungen (18a, 18b) ausgebildet ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Symmetrieachsen der Durchgangsbohrungen (18a, 18b) der ersten Öffnung (18) auf einem gemeinsamen Teilkreisdurchmesser bezogen auf die Rotationsachse (22) des Ventilelements (12, 12-2) angeordnet sind.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Symmetrieachsen der Durchgangsbohrungen (18a, 18b) der ersten Öffnung (18) in einem Winkel von 90° um die Rotationsachse (22) des Ventilelements (12) versetzt sowie parallel zueinander ausgerichtet angeordnet sind.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Symmetrieachsen der zweiten Durchgangsbohrung (18b) der ersten Öffnung (18) und der dritten Öffnung (20) des Ventilelements (12, 12-2) schneidend ausgerichtet sind, wobei die Symmetrieachse der zweiten Durchgangsbohrung (18b) der ersten Öffnung (18) aus dem Zentrum des Ventilelements (12, 12-2) in Richtung der dritten Öffnung (20) versetzt angeordnet ist.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Durchgangsbohrung (18a, 18b) der ersten Öffnung (18) des Ventilelements (12, 12-1, 12-2) auf einer Seite ausgebildet ist, welche einer zum Stellelement (16) ausgerichteten Seite gegenüberliegt.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsbohrungen der mindestens drei in der durch die Richtungen x, y aufgespannten Ebene angeordneten Öffnungen (19, 20, 21) des Ventilelements (12, 12-1, 12-2) gleiche und über die Länge konstante Durchmesser aufweisen.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Durchgangsbohrung (18a, 18b) der ersten Öffnung (18) des Ventilelements (12, 12-1 ,12-2) einen über die Länge konstanten Durchmesser aufweist, wobei der Durchmesser der Durchgangsbohrung (18a, 18b) der ersten Öffnung (18) gleich oder geringer ist als der Durchmesser der in der durch die Richtungen x, y aufgespannten Ebene angeordneten Öffnungen (19, 20, 21) des Ventilelements (12, 12-1, 12-2).
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsöffnungen der Anschlüsse (13, 14, 15) des Gehäuses (11) im Wesentlichen gleiche sowie über die Länge konstante Durchmesser aufweisen, wobei die Durchmesser größer sind als der Durchmesser der mindestens einen Durchgangsbohrung (18a, 18b) der ersten Öffnung (18) des Ventilelements (12, 12-1, 12-2).
Vorrichtung (10) nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strömungsquerschnitt der Durchgangsöffnung des ersten Anschlusses (13) des Gehäuses (11) im Bereich der Anlage des Ventilelements (12, 12-1, 12-2) am Gehäuse (11) derart abgedeckt ist, dass mindestens zwei Durchlassöffnungen (24, 25, 26) ausgebildet sind, wobei der gesamte Strömungsquerschnitt der Durchlassöffnungen (24, 25, 26) geringer ist als der Strömungsquerschnitt der Durchgangsöffnung des ersten Anschlusses (13) des Gehäuses (11).
Vorrichtung (10) nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchlassöffnungen (24, 25, 26) jeweils einen kreisrunden Strömungsquerschnitt aufweisen und mit den Mittelpunkten auf einem gemeinsamen Teilkreisdurchmesser bezogen auf einen projizierten Mittelpunkt einer Kugelschale oder auf einen Mittelpunkt einer kreisrunden Stirnfläche eines Zylinders angeordnet sind.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchmesser der Durchlassöffnungen (24, 25, 26) jeweils größer oder gleich dem Durchmesser einer Durchgangsbohrung (18a, 18b) der ersten Öffnung (18) des Ventilelements (12, 12-1, 12-2) sind.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teilkreisdurchmesser, auf welchem die Mittelpunkte der Durchlassöffnungen (24, 25, 26) angeordnet sind, einem Teilkreisdurchmessser, auf welchem die Durchgangsbohrungen (18a, 18b) der ersten Öffnung (18) des Ventilelements (12, 12-1, 12-2) angeordnet sind, entspricht.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Durchlassöffnung (24) und eine zur ersten Durchlassöffnung (24) benachbart angeordnete zweite Durchlassöffnung (25) in einem Winkel von 90° bezogen auf den projizierten Mittelpunkt der Kugelschale oder auf den Mittelpunkt der Stirnfläche des Zylinders ausgebildet sind.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Anlage des Ventilelements (12, 12-1, 12-2) am Gehäuse (11) drei Durchlassöffnungen (24, 25, 26) ausgebildet sind, wobei die erste Durchlassöffnung (24) und eine zur ersten Durchlassöffnung (24) benachbart angeordnete dritte Durchlassöffnung (26) in einem Winkel von 90° bezogen auf den projizierten Mittelpunkt der Kugelschale oder auf den Mittelpunkt der Stirnfläche des Zylinders ausgebildet sind.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 22 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass Symmetrieachsen der Durchlassöffnungen (24, 25, 26) jeweils eine gleiche Neigung bezogen auf den projizierten Mittelpunkt der Kugelschale aufweisen.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 21 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abdecken des Strömungsquerschnitts der Durchgangsöffnung des ersten Anschlusses (13) des Gehäuses (11) im Bereich der Anlage des Ventilelements (12, 12-1, 12-2) am Gehäuse (11) ein Abdeckelement (23-1, 23-2) mit mindestens zwei Durchlassöffnungen (24, 25, 26) ausgebildet ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass das Abdeckelement (23-1, 23-2) als ein gleichmäßiger Abschnitt einer Kugelschale oder als eine Kreisscheibe ausgebildet und innerhalb des Gehäuses (11) in Richtung z zwischen dem Ventilelement (12, 12-1, 12-2) und dem Gehäuse (11) angeordnet ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Abdeckelement (23-1, 23-2) mit einer konstanten Wandstärke ausgebildet ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kontur einer Innenfläche der Kugelschale des Abdeckelements (23-1, 23-2) einer Kontur einer Außenfläche des kugelförmigen Ventilelements (12, 12-1, 12-2) entspricht und dass das Gehäuse (11) eine Ausnehmung zur integrierenden Aufnahme des Abdeckelements (23-1, 23-2) aufweist, wobei die Ausnehmung zur vollständigen Adaption des Abdeckelements (23-1, 23-2) mit der Kontur einer Außenfläche der Kugelschale korrespondierend ausgebildet ist.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 28 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsachse des Abdeckelements (23-1, 23-2) und die Symmetrieachse der Durchgangsöffnung des ersten Anschlusses (13) des Gehäuses (11) auf einer gemeinsamen Achse angeordnet sind.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (12, 12-1, 12-2) über ein Verbindungselement (17) mit dem außerhalb des Gehäuses (11) angeordneten Stellelement (16) verbunden ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Symmetrieachse der Durchgangsöffnung des ersten Anschlusses (13) des Gehäuses (11) und das Verbindungselements (17) auf einer gemeinsamen Achse angeordnet sind.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 33 oder 34, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (17) als eine Welle ausgebildet ist.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 33 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (17) an einem ersten Ende fest mit dem Stellelement (16) und an einem zum ersten Ende distal ausgebildeten zweiten Ende durch eine Seite in das Gehäuse (11) hineinragend und mit dem Ventilelement (12, 12-1, 12-2) verbunden angeordnet ist.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (16) als ein Stellmotor ausgebildet ist.
Verwendung einer Vorrichtung (10) zum Regeln eines Durchflusses und Verteilen eines Fluids nach einem der Ansprüche 1 bis 37 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.