DE102019134524A1

DE102019134524A1 - Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Expandieren eines Fluids in einem Fluidkreislauf und Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung

Info

Publication number: DE102019134524A1
Application number: DE102019134524.3A
Authority: DE
Inventors: Carsten Ohrem; Daniel Zens; Gregor Dünnwald
Original assignee: Hanon Systems Corp
Current assignee: Hanon Systems Corp
Priority date: 2019-12-16
Filing date: 2019-12-16
Publication date: 2021-06-17
Also published as: WO2021125566A1; US20220403941A1; CN114829854A; KR20220071273A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum Regeln eines Durchflusses und Expandieren eines Fluids in einem Fluidkreislauf. Die Vorrichtung (1) ist mit einem Gehäuse (2) und einem im Inneren des Gehäuses (2) angeordneten Ventilelement (6) ausgebildet. Das in einer Linearbewegung (6a) in Richtung einer Längsachse relativ zum Gehäuse (2) bewegbar angeordnete Ventilelement (6) weist eine Dichtfläche (11a) sowie einen an einer ersten Stirnseite des Ventilelements (6) ausgebildeten und sich in axialer Richtung an die Dichtfläche (11a) angrenzend angeordneten Regelbereich (16) auf. Die Dichtfläche (11a) ist in Form einer Mantelfläche eines geraden Kreiszylinders mit einem konstanten Außendurchmesser ausgebildet. Dabei entspricht ein Außendurchmesser einer Fläche des Regelbereichs (16) dem Außendurchmesser der Dichtfläche (11 a). Der Regelbereich (16) weist zudem Durchlassöffnungen (14) und mindestens eine Regelöffnung (15) auf. Das Ventilelement (6) ist im Regelbereich (16) mit einer im Wesentlichen hohlkreiszylinderförmigen Wandung ausgebildet.Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung (1) zum Regeln eines Durchflusses und Expandieren eines Fluids in einem Fluidkreislauf.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Expandieren eines Fluids in einem Fluidkreislauf, insbesondere eines Kältemittels in einem Kältemittelkreislauf eines Klimatisierungssystems eines Kraftfahrzeugs. Die Vorrichtung weist ein Gehäuse und ein im Inneren des Gehäuses angeordnetes Ventilelement auf. Das Ventilelement ist in einer Linearbewegung in Richtung einer Längsachse relativ zum Gehäuse bewegbar angeordnet. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung.
Die aus der Entdeckung der Zerstörung des Ozons in der Stratosphäre, insbesondere durch chlorhaltige Kältemittel, und dem daraus folgenden Verbot derartiger Kältemittel resultierende Ersatzkältemitteldiskussion zeigte verschiedene Lösungen auch mit dem Einsatz natürlicher Kältemittel auf. Energetische, sicherheitstechnische beziehungsweise thermodynamische Eigenschaften der umweltschonenden Kältemittel, wie Kohlendioxid, Ammoniak, Wasser und Luft, schränken jedoch einen breiten Einsatz der Kältemittel ein. Ausgehend von den genannten natürlichen Kältemitteln scheint Kohlendioxid der einzige sicherheitstechnisch unbedenkliche und thermodynamisch geeignete Eigenschaften aufweisende Arbeitsstoff für den Einsatz in Kältemittelkreisläufen von Kompressionskältemaschinen, insbesondere in Kraftfahrzeugen, zu sein.
Der Arbeitsprozess mit Kohlendioxid als Kältemittel unterscheidet sich von Prozessen mit anderen Kältemitteln thermodynamisch insbesondere in den entsprechenden Druckniveaus und entsprechend beispielsweise einer überkritischen Wärmeabgabe, das heißt einer isobaren, nichtisothermen Zustandsänderung des Kältemittels gegenüber einer isobaren, isothermen Zustandsänderung einer unterkritischen Wärmeabgabe in einem klassischen Kaltdampfprozess, beispielsweise mit R134a oder R290 als Kältemittel. Die Bezeichnung überkritische und unterkritische Wärmeabgabe bezieht sich dabei auf den kritischen Punkt als charakteristischen Zustand des Kältemittels. Mit einer überkritischen Wärmeabgabe wird der Prozess auch als transkritischer Prozess bezeichnet. Der Vorgang der Expansion des Kältemittels innerhalb des Kreisprozesses, welcher bekanntlich auf den Vorgang der Wärmeabgabe folgt, beginnt auf einem wesentlich höheren Druckniveau als bei Prozessen mit herkömmlichen Kältemitteln.
Ein Ventil als eine Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Expandieren eines Kältemittels, insbesondere ein Expansionsventil, erfüllt die Funktionen des Abdichtens, des Regelns eines Massenstroms beziehungsweise Expandierens des Kältemittels gemäß einer Kennlinie sowie ein Durchlassen bei Volllast bei maximal geöffnetem Strömungsquerschnitt. Der Betrieb mit maximal geöffnetem Strömungsquerschnitt des Ventils ermöglicht ein Durchströmen des Kältemittels unter minimalem beziehungsweise ohne nennenswerten Druckverlust.
Das Ventil sollte neben den genannten Funktionen zudem weitere Kriterien erfüllen. Dabei sollte der Übergang zwischen den Funktionen Abdichten und Regeln beziehungsweise Expandieren möglichst kontinuierlich und damit ohne einen Sprung innerhalb der entsprechenden Kennlinie erfolgen. Das Abdichten ist auch in einem unbestromten Zustand eines elektromotorisch angetriebenen Ventils zu gewährleisten, das Ventil sollte folglich selbstdichtend beziehungsweise selbsthemmend ausgebildet sein. Das Ventil ist für ein beidseitig anliegendes Druckgefälle zu konfigurieren. Dabei kann die Druckdifferenz bis zu 100 bar betragen. Das Ventil sollte in einem Temperaturbereich von - 40°C bis + 120°C beziehungsweise + 150°C einzusetzen sein, wobei der Regelbereich des Ventils sehr genau einzustellen ist, da dieser bezogen auf den Absolutdruck von bis zu 100 bar sehr schmal ist.
In der DE 10 2016 013 492 A1 wird ein elektrisch angetriebenes Expansionsventil und Absperrventil für den Betrieb mit dem Kältemittel R744 offenbart. Das Ventil weist einen in einer Ventilkörperkammer angeordneten Ventilkörper sowie einen Dichtungssitz und eine Dichtung, welche entlang einer axialen Bewegungsrichtung des Ventilkörpers innerhalb des Ventils ausgerichtet sind, auf. Das Ventil ist derart ausgebildet, dass in einem geschlossenen Zustand ein Druck-Bypass zur Ventilkörperkammer besteht. Dabei ist der Ventilkörper mit einer sich im Wesentlichen in axialer Richtung erstreckenden Durchgangsöffnung als ein Bestandteil des Druck-Bypasses versehen. Der Druck-Bypass erstreckt sich von einem Anschluss durch den Ventilkörper hindurch zur Ventilkörperkammer.
Aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtungen 1' zum Regeln eines Durchflusses und Expandieren eines Kältemittels mit einem elektrischen Antrieb, wie in den 1a und 1b gezeigt, sind mit einem Gehäuse 2 und einem Elektromotor 3 ausgebildet, welcher eine als ein Stellelement 4 vorgesehene Antriebswelle in eine Rotationsbewegung 4a versetzt. Mit Hilfe einer an der in einer axialen Richtung ausgerichteten Antriebswelle 4 ausgebildeten Übertragungsanordnung 5, insbesondere eines Gewindes, speziell eines sogenannten Bewegungsgewindes, wird die Rotationsbewegung 4a der Antriebswelle 4 um deren Längsachse in eine translatorische Hubbewegung eines vorzugsweise als eine Ventilnadel ausgebildeten Ventilelements 6' übertragen. Die translatorische Hubbewegung entspricht damit einer Linearbewegung 6a des Ventilelements 6' in axialer Richtung, das heißt in Richtung der Längsachse der Antriebswelle 4.
Die Gewindepaarung der Übertragungsanordnung 5 ist zwischen der Antriebswelle 4 und dem Ventilelement 6' vorgesehen. Dabei ist die Antriebswelle 4, welche im Wesentlichen die Form eines Zylinderstabes, insbesondere eines Rundstabes mit Abschnitten unterschiedlicher Durchmesser, aufweist, mit einem freien Ende in eine im Ventilelement 6' ausgebildete Öffnung 6b eingesteckt. Das freie Ende der Antriebswelle 4 ist distal zu einem mit dem Elektromotor 3 verbundenen Ende angeordnet. Die innerhalb des Ventilelements 6' ausgebildete Öffnung 6b ist als eine Durchgangsbohrung konfiguriert. Die Antriebswelle 4 weist somit am freien Ende ein Außengewinde als erstes Element der Gewindepaarung auf, während innerhalb der Öffnung 6b des Ventilelements 6' ein Innengewinde als zweites Element der Gewindepaarung ausgebildet ist.
Das Ventilelement 6' ist in einem Ventilsitzelement 7' angeordnet. Das linear in der axialen Richtung bewegte und sich im Wesentlichen in der axialen Richtung erstreckende Ventilelement 6' wird dabei über eine Gleitdrehsicherungsanordnung 8 gehalten, welche eine Rotationsbewegung des Ventilelements 6' um die axiale Richtung beziehungsweise die Längsachse des Ventilelements 6' verhindert und die Linearbewegung 6a in der axialen Richtung zulässt.
Die Vorrichtung ist zudem mit einem ersten Anschluss 9 und einem zweiten Anschluss 10 ausgebildet. Eine Durchgangsöffnung 9a des ersten Anschlusses ist in radialer Richtung zum Ventilelement 6' ausgerichtet, während eine Durchgangsöffnung 10a des zweiten Anschluss 10 in axialer Richtung des Ventilelements 6' ausgerichtet ist.
Die Durchgangsöffnung 9a des ersten Anschlusses 9 ist mit Kältemittel mit einem ersten Druck p1 beaufschlagt, sodass der Druck p1 im Wesentlichen in radialer Richtung auf das Ventilelement 6' einwirkt. Die Durchgangsöffnung 10a des zweiten Anschlusses 10 ist mit Kältemittel mit einem zweiten Druck p2 beaufschlagt, sodass der Druck p2 im Wesentlichen in axialer Richtung auf das Ventilelement 6' einwirkt. Dabei ist im Bereich der Übertragungsanordnung 5, insbesondere zwischen der Antriebswelle 4 und dem Ventilelement 6', ein freier Querschnitt für den Ausgleich des Druckes p2 ausgebildet. Die die Öffnung 6b des Ventilelements 6' umschließende Wandung und die Wandung des innerhalb der Öffnung 6b angeordneten Bereichs der Antriebswelle 4 liegen nicht vollumfänglich fluiddicht aneinander an, sodass der zwischen der Antriebswelle 4 und dem Ventilelement 6' als Durchströmöffnung für das Fluid ausgebildete freie Querschnitt den Druckausgleich in axialer Richtung bezüglich des zweiten Drucks p2 innerhalb des Ventils 1' gewährleistet.
Sämtliche druckbeaufschlagte Flächen des Ventilelements 6' sind derart ausgelegt, dass das Ventilelement 6' in einem nahezu isostatischen Zustand angeordnet ist. Die auf das Ventilelement 6' wirkenden Druckkräfte befinden sich im Gleichgewicht.
Das Ventilelement 6' ist zudem über zwei Dichtelemente 11', 12', insbesondere ein erstes, dynamisches Dichtelement 11' zum Gehäuse 2 sowie ein zweites, statisches Dichtelement 12' zum Gehäuse 2 sowie zum Ventilsitzelement 7' abgedichtet angeordnet. Das erste Dichtelement 11' ist als eine Gleitdichtung, insbesondere eine Stangendichtung, in Form einer Axialdichtung beziehungsweise einer Ringdichtung ausgebildet, während das zweite Dichtelement 12' als eine Sitzdichtung, insbesondere als eine Ventilsitzdichtung, ausgebildet ist. Das zweite Dichtelement 12' ist folglich zwischen dem Gehäuse 2, dem Ventilelement 6' sowie dem Ventilsitzelement 7' angeordnet.
In 1c ist das Ventilelement 6' als Einzelkomponente des Ventils 1' in einer perspektivischen Ansicht gezeigt, während in 1d eine Detailansicht des Ventilelements 6' aus 1c in einer Seitenansicht dargestellt ist.
Das Ventilelement 6' weist an einem ersten Ende einen Bereich mit Ausformungen 6c als Elemente der Gleitdrehsicherungsanordnung 8 auf. In axialer Richtung zu einem zweiten Ende hin ist, sich an den Bereich mit den Ausformungen 6c anschließend, eine erste Dichtfläche 11a' angeordnet. Die erste Dichtfläche 11a' ist als eine Mantelfläche eines geraden Kreiszylinders und damit mit einem konstanten Durchmesser ausgebildet. Das zweite, als eine Regelfläche 12a' ausgebildete Ende des Ventilelements 6' weist eine Mantelfläche mit sich zur Stirnseite des Ventilelements 6' verjüngendem Durchmesser auf. Dabei ist der maximale Durchmesser der Regelfläche 12a' geringer als der Durchmesser der ersten Dichtfläche 11a'. Die Mantelfläche des Ventilelements 6' ist zwischen der ersten Dichtfläche 11a' und der Regelfläche 12a' mit einem Übergangsbereich 13' mit einer zweiten Dichtfläche 13a' ausgebildet.
In 1d ist zudem eine ringförmige Fläche verdeutlicht, auf welcher auch der Druck p2 wirkt. Bei hohen Druckniveaus, beispielsweise von bis zu 100 bar, bewirken auch vermeintlich kleine Flächen sehr große Kräfte, insbesondere zum Schließen und Abdichten der Vorrichtung 1', welche vom Elektromotor 3 aufzubringen sind.
Aus den 1e und 1f geht jeweils eine Detailansicht der Anordnung des Ventilelements 6' innerhalb des Ventilsitzelements 7' beziehungsweise innerhalb des zweiten Dichtelements 12' hervor.
Im geschlossenen Zustand der Vorrichtung 1', gemäß 1e, liegt das Ventilelement 6' im Übergangsbereich 13' am zweiten Dichtelement 12' an, während das Ventilelement 6' im geöffneten Zustand der Vorrichtung 1', gemäß 1f, in der axialen Richtung bezüglich des zweiten Dichtelements 12' derart verschoben ist, dass zwischen dem Ventilelement 6' und dem zweiten Dichtelement 12' ein vollumfänglicher Spalt ausgebildet ist.
Der Übergangsbereich 13' weist die zweite, am Ventilelement 6' umfänglich umlaufende Dichtfläche 13a' sowie eine am zweiten Dichtelement 12' umfänglich umlaufende Dichtfläche 13b' auf, welche in gleichgesinnter Weise konisch zur Längsachse ausgebildet sind und miteinander korrelieren. Im geschlossenen Zustand der Vorrichtung 1' liegen die zweite Dichtfläche 13a' des Ventilelements 6' und die Dichtfläche 13b' des zweiten Dichtelements 12', welches zudem mit dem Gehäuse 2 sowie dem Ventilsitzelement 7' abdichtend verbunden ist, fluiddicht aneinander an.
Die konisch ausgebildete zweite Dichtfläche 13a' des Ventilelements 6' ist in einem Winkel α im Bereich von 3° bis 6° zur Längsachse ausgerichtet. Infolge der konischen Ausbildung der Dichtflächen 13a', 13b' kann das Ventilelement 6' beim Vorgang des Schließens der Vorrichtung 1' zentriert in das zweite Dichtelement 12' eingeführt werden.
Im geöffneten Zustand der Vorrichtung 1' sind die Dichtflächen 13a', 13b' zueinander beabstandet angeordnet. Nach einem Vorgang des Öffnens der Vorrichtung 1', bei welchem das Ventilelement 6' sich vom zweiten Dichtelement 12' entfernend bewegt wird, ist die Vorrichtung 1' in eine Regelstellung verbracht. Die sich insbesondere in axialer Richtung über einen größeren Bereich als die Dichtfläche 13b' des Übergangsbereichs 13' erstreckende und umfänglich umlaufende Regelfläche 12a' des Ventilelements 6' ist, ebenso wie die Dichtfläche 13b' des Übergangsbereichs 13', konisch ausgebildet und in einem Winkel γ im Bereich von 1° bis 2° zur Längsachse ausgerichtet. Die Regelfläche 12a' erstreckt sich von der Dichtfläche 13b' des Übergangsbereichs 13' bis zur Stirnseite des Ventilelements 6'.
Sämtliche Winkel und Durchmesser der Dichtflächen 11a', 13a' und der Regelfläche 12a' sind nur schwer zu messen und fertigungstechnisch einzustellen.
Die konischen Ausbildungen der Dichtfläche 13b' des Übergangsbereichs 13' und der Regelfläche 12a' des Ventilelements 6' sind gleichgesinnt ausgerichtet. Aufgrund der konischen Ausbildung der Regelfläche 12a' in Richtung der Längsachse des Ventilelements 6' wird der Strömungsquerschnitt für das durch die Vorrichtung 1' hindurchzuleitende Fluid mit der Linearbewegung 6a des Ventilelements 6' in axialer Richtung kontinuierlich verändert bis das Ventilelement 6' vollständig aus dem zweiten Dichtelement 12' entfernt ist oder die Vorrichtung 1' geschlossen ist und das Ventilelement 6' am zweiten Dichtelement 12' fluiddicht anliegt. Mittels der Linearbewegung 6a des Ventilelements 6' in Bezug auf das zweite Dichtelement 12' wird in Kombination mit der Regelfläche 12a' der Massenstrom des Fluids durch die Vorrichtung 1' geregelt.
Aufgrund der Dimensionierung des elektrischen Antriebes steht lediglich eine begrenzte Kraft zum Bewegen des Ventilelements 6', das heißt der Ventilnadel, zur Verfügung. Zudem muss ein dichtes Anliegen des Ventilelements 6' innerhalb des Ventilsitzelements 7' im unbestromten Zustand des Elektromotors 3 sowie bei Temperaturen von - 40°C bis + 120°C beziehungsweise + 150°C sichergestellt werden. Durch das Erzeugen einer auf das Ventilelement 6' wirkenden und damit das Ventilelement 6' in das Ventilsitzelement 7' pressenden Kraft, kann das Ventilelement 6' von der als selbsthemmendes Bewegungsgewinde ausgebildeten Übertragungsanordnung 5 gehalten werden. Allerdings führt eine Kombination der das Ventilelement 6' in das Ventilsitzelement 7' pressenden Kraft mit einer Änderung der Temperatur und damit einhergehenden unterschiedlichen Ausdehnung der Komponenten des Ventils 1' zu einem Verklemmen der Komponenten, sodass das Ventilelement 6' unbeweglich fixiert ist.
Eine weitere Möglichkeit der Ausbildung des Ventils 1' ist das definierte Klemmen des Ventilelements 6' am Ventilsitzelement 7', insbesondere an dem zwischen dem Gehäuse 2, dem Ventilsitzelement 7' und dem Ventilelement 6' angeordneten zweiten Dichtelement 12', welches auch als Ventilsitzdichtung bezeichnet wird. Dabei ist der Winkel des Dichtkegels derart zu wählen, dass im Dichtbereich eine Selbsthemmung erzielt und damit das Bewegungsgewinde entlastet wird. Dafür bedarf es jedoch einer sehr detaillierten und genauen Auslegung der Dichtkontur, da ein zu gering ausgebildeter Winkel des Dichtkegels zu einem Verklemmen des Ventilelements 6' innerhalb des zweiten Dichtelements 12', und ein zu groß ausgebildeter Winkel des Dichtkegels zur Undichtheit zwischen dem Ventilelement 6' und dem zweiten Dichtelement 12' führt. Zudem erfordert ein derartiges Konzept sehr hohe Ansprüche an die Fertigung, speziell bezüglich der Oberflächen und der Geometrietoleranzen. Die sehr hohen erforderlichen Toleranzen des Ventilelements 6' sowie die Summe der Toleranzen zur Montage der Vorrichtung 1' erschweren die Kontrolle der Teilefertigung. Ein solches Fertigen und Messen ist sehr aufwendig und kostenintensiv.
Der Umfang der von der Vorrichtung 1' zu erfüllenden Funktionen, die dazugehörigen Anforderungen an die Vorrichtung 1' sowie die herkömmliche Konstruktion der Vorrichtung 1' erfordern eine außerordentlich hohe Genauigkeit, welche zu nicht oder kaum herstellbaren Geometrien mit Toleranzen führt, welche zudem nach der Fertigung nicht kontrolliert werden können.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung und Verbesserung einer Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Expandieren eines Fluids in einem Fluidkreislauf, insbesondere in einem Kältemittelkreislauf, speziell eines Klimatisierungssystems eines Kraftfahrzeugs, welches die oben genannten Anforderungen erfüllt. Dabei soll insbesondere die Ausbildung der Vorrichtung bezüglich der Dichtungsanordnung und der Regelungsanforderungen verbessert werden. Zudem sollen die Herstellung einfach und damit die Herstellungskosten minimal sein. Die Vorrichtung soll auch in Serie gut zu vermessen und in jedem Anwendungsfall, das heißt in einem großen Temperaturbereich und Druckbereich, zuverlässig 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 Expandieren eines Fluids in einem Fluidkreislauf, insbesondere eines Kältemittels in einem Kältemittelkreislauf, gelöst. Die Vorrichtung weist ein Gehäuse und ein im Inneren des Gehäuses angeordnetes Ventilelement auf. Das Ventilelement ist in einer Linearbewegung in Richtung einer Längsachse relativ zum Gehäuse bewegbar angeordnet.
Nach der Konzeption der Erfindung ist das Ventilelement mit einer Dichtfläche sowie einem an einer ersten Stirnseite des Ventilelements vorgesehenen und sich in axialer Richtung an die Dichtfläche angrenzend angeordneten Regelbereich ausgebildet. Dabei weist die Dichtfläche die Form einer Mantelfläche eines geraden Kreiszylinders mit einem konstanten Außendurchmesser auf. Zudem entspricht ein Außendurchmesser einer Fläche des Regelbereichs dem Außendurchmesser der Dichtfläche, sodass das Ventilelement mit einem über die Dichtfläche und die Fläche des Regelbereichs konstanten Durchmesser ausgebildet ist. Der Regelbereich weist Durchlassöffnungen und mindestens eine Regelöffnung auf, wobei das Ventilelement im Regelbereich mit einer im Wesentlichen hohlkreiszylinderförmigen Wandung ausgebildet ist. Die Wandung des Ventilelements ist durch die Durchlassöffnungen und die mindestens eine Regelöffnung unterbrochen.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weisen die Durchlassöffnungen beziehungsweise die mindestens eine Regelöffnung jeweils die Form eines Einschnitts auf, welcher sich ausgehend von der ersten Stirnseite des Ventilelements in axialer Richtung in die Wandung des Ventilelements hinein erstreckend ausgebildet ist. Die Durchlassöffnungen sowie die mindestens eine Regelöffnung sind vorzugsweise parallel zueinander ausgerichtet und vorteilhaft gleichmäßig beabstandet sowie gleichmäßig über den Umfang verteilt am Ventilelement angeordnet. Dabei können insbesondere jeweils in axialer Richtung und paarweise ausgebildete Seitenwandungen der Einschnitte parallel zueinander ausgerichtet sein. Zudem können die Seitenwandungen der Einschnitte jeweils gleich beabstandet zueinander angeordnet sein.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weisen die Durchlassöffnungen jeweils eine gleiche Ausdehnung in Richtung der Längsachse der Vorrichtung auf, während die mindestens eine Regelöffnung eine größere Ausdehnung in Richtung der Längsachse der Vorrichtung als die Durchlassöffnungen aufweisen kann.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die mindestens eine Regelöffnung in einer Längsausdehnung einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt aufweist. Dabei ist die Regelöffnung im ersten Abschnitt mit vollständig durchbrochener Wandung des Ventilelements und im zweiten Abschnitt mit stetig zunehmender Wandstärke der Wandung des Ventilelements sowie einem Nutgrund und damit mit geschlossener Wandung ausgebildet. Folglich entspricht die Form des ersten Abschnitts der Regelöffnung bevorzugt im Wesentlichen der Form einer Durchlassöffnung. Die Längsausdehnungen, das heißt die Ausdehnungen in Richtung der Längsachse, des ersten Abschnitts und des zweiten Abschnitts der Regelöffnung sind vorzugsweise identisch.
Der zweite Abschnitt der Regelöffnung weist vorteilhaft einen sich in Richtung der Dichtfläche verjüngenden freien Querschnitt auf. Dabei nimmt die Wandstärke der Wandung des Ventilelements von Null, insbesondere an einer Innenfläche des Ventilelements beginnend, bis hin zur maximalen Wandstärke an einem Übergang zur Dichtfläche kontinuierlich zu, sodass der zweite Abschnitt der Regelöffnung in axialer Richtung keilförmig ausgebildet und die Wandung des Ventilelements durch den Nutgrund verschlossen ist.
Unter dem freien Querschnitt der Regelöffnung ist ein in einer senkrecht zur Längsachse ausgerichteten Ebene angeordneter Strömungsquerschnitt für das Fluid innerhalb der Wandung des Ventilelements zu verstehen. Bei einer konstanten Breite der Regelöffnung in Umfangsrichtung des Ventilelements und abhängig von der Position bezüglich der Längsachse wird mit geringer werdendem Abstand zwischen dem Nutgrund und der Außenseite des Ventilelements und damit dem Abstand in radialer Richtung der Querschnitt der Regelöffnung in Richtung der Längsachse, sich von der ersten Stirnseite entfernend geringer.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Ventilelement eine Öffnung auf, welche sich konzentrisch in Richtung der Längsachse erstreckend angeordnet und als eine Durchgangsbohrung ausgebildet ist.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist die Vorrichtung ein Stellelement sowie eine Übertragungsanordnung und eine Gleitdrehsicherungsanordnung zum Übertragen einer Rotationsbewegung des Stellelements in die Linearbewegung des Ventilelements auf. Dabei ist das Stellelement vorteilhaft als eine in axialer Richtung ausgerichtete Antriebswelle ausgebildet, welche vorzugsweise mit einem Elektromotor, insbesondere einem Schrittmotor beziehungsweise einem Stellmotor, verbunden ist, welcher die Antriebswelle in die Rotationsbewegung um die Längsachse versetzen kann. Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Antriebswelle innerhalb des Gehäuses in axialer Richtung fixiert ist.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Übertragungsanordnung als eine Gewindepaarung zwischen der Antriebswelle und dem Ventilelement ausgebildet. Dabei ist die Antriebswelle in die im Ventilelement ausgebildete Öffnung eingesteckt angeordnet.
Zudem sind insbesondere an einer Außenseite der rotationssymmetrischen Antriebswelle ein Außengewinde und innerhalb der Öffnung des Ventilelements ein Innengewinde vorgesehen. Das Außengewinde ist vorzugsweise vollumfänglich ausgebildet.
Die Übertragungsanordnung kann des Weiteren einen freien Querschnitt zwischen der Antriebswelle und dem Ventilelement aufweisen, beispielsweise um einen Druckausgleich um das Ventilelement, speziell in axialer Richtung, sicherzustellen. Dabei ist der freie Querschnitt insbesondere als ein abgeflachter Bereich des ansonsten mit einem kreisrunden Querschnitt ausgebildeten Gewindes der Antriebswelle vorgesehen.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das Ventilelement mit Ausformungen ausgebildet ist. Die Ausformungen sind an einer zweiten, zum Stellelement hin ausgerichteten Stirnseite und paarweise gegenüberliegend in orthogonaler Richtung zur Längsachse vom Ventilelement abragend als erste Komponenten der Gleitdrehsicherungsanordnung angeordnet. Zudem weist das Gehäuse im Bereich der Ausformungen des Ventilelements sich bezüglich der Längsachse des Ventilelements gegenüberliegend angeordnete Ausnehmungen als zweite Komponenten der Gleitdrehsicherungsanordnung auf. Die Ausnehmungen des Gehäuses korrespondieren in der Form jeweils mit einer Ausformung des Ventilelements.
Die Dichtfläche des Ventilelements ist sich insbesondere vom Bereich der Ausformungen in Richtung der distal gegenüberliegend angeordneten ersten Stirnseite bis zum Regelbereich erstreckend angeordnet.
Zudem ist das Ventilelement zum Führen und Haltern vorzugsweise innerhalb eines Ventilsitzelements angeordnet, welches die Linearbewegung des Ventilelements in der axialen Richtung zulässt.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist das Ventilelement über mindestens zwei Dichtelemente zum Gehäuse sowie zum Ventilsitzelement abgedichtet angeordnet. Dabei sind bevorzugt ein erstes Dichtelement beziehungsweise ein zweites Dichtelement als eine Gleitdichtung, das Ventilelement zum Gehäuse hin abdichtend, ausgebildet. Das Ventilsitzelement kann zum Gehäuse hin vorzugsweise zudem mit O-Ring-Dichtungen abgedichtet werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Ventilelement in einem geschlossenen Zustand der Vorrichtung mit der Dichtfläche am ersten Dichtelement sowie am zweiten Dichtelement anliegend angeordnet, während das Ventilelement in einem geöffneten Zustand der Vorrichtung mit der Dichtfläche am ersten Dichtelement sowie mit der Fläche des Regelbereichs am zweiten Dichtelement anliegend angeordnet ist.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist das Gehäuse mit Anschlüssen zum Verbinden mit Fluidleitungen ausgebildet, welche jeweils über eine Durchgangsöffnung mit dem Inneren des Gehäuses verbunden sind. Dabei weisen Symmetrieachsen der Durchgangsöffnungen der Anschlüsse des Gehäuses einen gemeinsamen Schnittpunkt auf, in welchem das Ventilelement angeordnet ist.
Die Durchgangsöffnung des ersten Anschlusses des Gehäuses ist vorzugsweise in einer radialen Richtung zur Längsachse ausgerichtet, während die Durchgangsöffnung des zweiten Anschluss des Gehäuses auf einer gegenüberliegenden Seite des Stellelements zum Ventilelement angeordnet ist. Zudem können die Symmetrieachse der Durchgangsöffnung des zweiten Anschlusses des Gehäuses und die Längsachse beziehungsweise die Rotationsachse des Ventilelements koaxial zueinander ausgerichtet angeordnet sein.
Die Aufgabe wird auch durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer vorgenannten Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Expandieren eines Fluids in einem Fluidkreislauf, insbesondere eines Kältemittels in einem Kältemittelkreislauf, gelöst. Das Verfahren weist folgende Schritte auf:

- Versetzen eines Stellelements in eine Rotationsbewegung um eine Längsachse,
- Übertragen der Rotationsbewegung des Stellelements mittels einer Übertragungsanordnung und einer Gleitdrehsicherungsanordnung in eine Linearbewegung des Ventilelements in Richtung der Längsachse relativ zum Gehäuse, sodass das Ventilelement entlang der Längsachse linear bewegt wird, wobei
- - je nach Drehrichtung des Stellelements die Vorrichtung geöffnet oder geschlossen wird,
- - das Ventilelement stets innerhalb von vorzugsweise ausschließlich zwei Dichtelementen geführt wird, wobei das Ventilelement stets mit einer Dichtfläche an einem ersten Dichtelement anliegt und je nach Stellung mit der Dichtfläche oder einer Fläche eines Regelbereichs an einem zweiten Dichtelement anliegt, und
- - ein Öffnungsgrad der Vorrichtung je nach Anordnung des Regelbereichs des Ventilelements mit sich in Richtung der Längsachse erstreckenden Durchströmöffnungen und mindestens einer Regelöffnung innerhalb des zweiten Dichtelements eingestellt wird.

Unter dem Öffnungsgrad der Vorrichtung ist dabei ein freier Strömungsquerschnitt für das durch die Vorrichtung zu leitende Fluid zu verstehen. Der Öffnungsgrad kann dabei zwischen Null, bei geschlossenem Zustand der Vorrichtung, und 100 % bei vollständig geöffnetem Zustand der Vorrichtung variiert werden.
Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht die Verwendung der Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Expandieren eines Fluids in einem Kältemittelkreislauf eines Klimatisierungssystems eines Kraftfahrzeugs.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Expandieren eines Fluids in einem Fluidkreislauf weisen zusammenfassend weitere diverse Vorteile auf:

- fertigungsoptimiertes Umsetzen der Vorrichtung im Hinblick auf die geforderten Funktionen mit hoher Zuverlässigkeit in Bezug auf Dichten und Vermeiden eines Verklemmens des Ventilelements,
- Einsatz in der Serienfertigung, insbesondere da das Ventilelement der Vorrichtung gut zu vermessen ist,
- zuverlässiger Betrieb in großem Temperaturbereich und Druckbereich auch infolge kräftefreier Anordnung des Ventilelements, insbesondere zum Schließen und Abdichten des Ventils, bezüglich Druck des Fluids und Ausbildung der Dichtfläche, auch im stromfreien Zustand des Elektromotors sowie kein Verklemmen des Ventilelements speziell innerhalb des Gewindes der Übertragungsanordnung durch unterschiedliche thermische Dehnung des Gehäuses, welches vorzugsweise aus Aluminium ausgebildet ist, und anderer Komponenten, welche beispielsweise aus einem Stahl gefertigt sind, und
- einfache Herstellung der Vorrichtung, insbesondere durch Verzicht auf Fertigungsgenauigkeiten und aufwendige Fertigungsverfahren sowie Messverfahren, dadurch minimale Herstellungskosten.

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:

2a bis 2c: eine Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Expandieren eines Fluids in einem Fluidkreislauf, insbesondere einem Kältemittelkreislauf eines Klimatisierungssystems eines Kraftfahrzeugs, mit einem Gehäuse und innerhalb des Gehäuses angeordnetem Ventilelement sowie Stellelement mit einer Übertragungsanordnung in geschlossenem und geöffnetem Zustand sowie in einer Regelstellung jeweils in einer seitlichen Schnittdarstellung,
3a und 3b: eine Anordnung des Ventilelements innerhalb des Gehäuses mit einer Gleitdrehsicherungsanordnung zum Übertragen einer Rotationsbewegung des Stellelements in eine Linearbewegung des Ventilelements entlang der Rotationsachse in einer Schnittdarstellung einer Ebene durch die Rotationsachse sowie einer Schnittdarstellung senkrecht zur Rotationsachse,
4a und 4b: das Ventilelement als Einzelkomponente und in einer Detailansicht einer Stirnseite mit einer Regelöffnung und Durchlassöffnungen jeweils in einer perspektivischen Ansicht sowie
4c: eine Detailansicht der Anordnung des Ventilelements innerhalb des Gehäuses beziehungsweise Ventilsitzelements, insbesondere eines zweiten Dichtelements.

In den 2a bis 2c ist jeweils eine Vorrichtung 1 zum Regeln eines Durchflusses und Expandieren eines Fluids in einem Fluidkreislauf, insbesondere ein Ventil 1, speziell in einem Kältemittelkreislauf eines Klimatisierungssystems eines Kraftfahrzeugs, mit einem Gehäuse 2 und einem innerhalb des Gehäuses 2 angeordneten Ventilelement 6 sowie einem Stellelement 4 mit einer Übertragungsanordnung 5 in einem geschlossenen sowie einem geöffneten Zustand und in einem Regelzustand der Vorrichtung 1 jeweils in einer seitlichen Schnittdarstellung gezeigt. Die Vorrichtung 1, insbesondere ein Ventil, wird über einen Elektromotor 3 angetrieben. Mit dem Elektromotor 3 wird eine als Stellelement 4 ausgebildete Antriebswelle in eine Rotationsbewegung 4a versetzt.
Mittels der an der in axialer Richtung ausgerichteten Antriebswelle 4 insbesondere als ein Gewinde, speziell als ein Bewegungsgewinde, ausgebildeten Übertragungsanordnung 5, wird in Verbindung mit einer Gleitdrehsicherungsanordnung 8 die Rotationsbewegung 4a der Antriebswelle 4 um deren Längsachse in eine translatorische Hubbewegung des vorzugsweise als eine Ventilnadel ausgebildeten Ventilelements 6 und damit eine Linearbewegung 6a in axialer Richtung beziehungsweise in Richtung der Längsachse der Antriebswelle 4 übertragen.
Die Gewindepaarung der Übertragungsanordnung 5 ist zwischen der Antriebswelle 4 und dem Ventilelement 6 vorgesehen. Die Antriebswelle 4, welche im Wesentlichen die Form eines Zylinderstabes, insbesondere eines Rundstabes mit Abschnitten unterschiedlicher Durchmesser, aufweist, ist mit einem freien Ende in eine im Ventilelement 6 ausgebildete Öffnung 6b als eine erste Komponente der Übertragungsanordnung 5 eingesteckt. Das freie Ende der Antriebswelle 4, welches auch als Endabschnitt der Antriebswelle 4 bezeichnet wird und als eine zweite Komponente der Übertragungsanordnung 5 ausgebildet ist, ist distal zu einem mit dem Elektromotor 3 verbundenen Ende der Antriebswelle 4 angeordnet. Die innerhalb des Ventilelements 6 vorgesehene Öffnung 6b ist als eine Durchgangsbohrung ausgebildet, welche sich entlang der Rotationsachse beziehungsweise der Längsachse des Ventilelements 6 erstreckt. Folglich weist die Antriebswelle 4 am freien Ende ein Außengewinde als erstes Element der Gewindepaarung auf, während innerhalb der Öffnung 6b des Ventilelements 6 ein Innengewinde als zweites Element der Gewindepaarung ausgebildet ist.
Das Ventilelement 6 weist im innerhalb des Gehäuses 2 entlanggleitenden Bereich Ausformungen 6c auf, welche an einem zum Elektromotor 3 ausgerichteten Ende des Ventilelements 6 ausgebildet sind und paarweise gegenüberliegend in orthogonaler Richtung zur Längsachse vom Ventilelement 6 abragen, was insbesondere aus den 3a und 3b hervorgeht. In den 3a und 3b ist eine Anordnung des Ventilelements 6 innerhalb des Gehäuses 2 mit der Gleitdrehsicherungsanordnung 8 zum Übertragen der Rotationsbewegung 4a der Antriebswelle 4 in die Linearbewegung 6a des Ventilelements 6 entlang der Rotationsachse in einer Schnittdarstellung einer Ebene durch die Rotationsachse sowie einer Schnittdarstellung senkrecht zur Rotationsachse gezeigt. Gemäß des Schnittes der Ebene durch die Längsachse der Vorrichtung 1 nach 3a weist das Ventilelement 6 im Querschnitt eine T-Form auf.
Das Gehäuse 2 ist im Bereich der Ausformungen 6c des Ventilelements 6 mit sich bezüglich der Längsachse des Ventilelements 6 gegenüberliegend angeordneten kerbförmigen beziehungsweise nutartigen Ausnehmungen 2a ausgebildet, welche in der Form jeweils mit einer Ausformung 6c des Ventilelements 6 korrespondieren. Die Formen der Ausnehmungen 2a des Gehäuses 2 entsprechen dabei jeweils der Außenform der Ausformungen 6c des Ventilelements 6 zuzüglich eines Spiels zum gleitenden Bewegen des Ventilelements 6 innerhalb des Gehäuses 2 in axialer Richtung.
Mit dem Anordnen der Ausformungen 6c des im Querschnitt T-förmigen Ventilelements 6 innerhalb der kerbförmigen beziehungsweise nutartigen Ausnehmungen 2a des Gehäuses 2 wird eine Rotationsbewegung des Ventilelements 6, angetrieben durch das um die Längsachse rotierende Stellelement 4, verhindert. Damit wird das Ventilelement 6 durch die Rotationsbewegung 4a des Stellelements 4 ohne eigene Rotation um die Längsachse in der Linearbewegung 6a bewegt.
Das Ventilelement 6 ist gemäß der 2a bis 2c innerhalb eines Ventilsitzelements 7 angeordnet, welches die Linearbewegung 6a des Ventilelements 6 in der axialen Richtung zulässt.
Die Vorrichtung 1 ist zudem mit einem ersten Anschluss 9 und einem zweiten Anschluss 10 zum Verbinden mit Fluidleitungen ausgebildet. Eine Durchgangsöffnung 9a des ersten Anschlusses 9 ist in radialer Richtung zum Ventilelement 6 ausgerichtet, während eine Durchgangsöffnung 10a des zweiten Anschlusses 10 in axialer Richtung des Ventilelements 6 ausgerichtet ist. Die Durchgangsöffnung 9a des ersten Anschlusses 9 ist mit Kältemittel mit einem ersten Druck p1 beaufschlagt, sodass der Druck p1 im Wesentlichen in radialer Richtung auf das Ventilelement 6 einwirkt. Die Durchgangsöffnung 10a des zweiten Anschlusses 10 ist mit Kältemittel mit einem zweiten Druck p2 beaufschlagt, sodass der Druck p2 im Wesentlichen in axialer Richtung auf das Ventilelement 6 einwirkt. Sämtliche druckbeaufschlagte Flächen des Ventilkörpers 6 sind derart ausgelegt, dass das Ventilelement 6 in einem nahezu isostatischen Zustand angeordnet ist. Die auf das Ventilelement 6 wirkenden Druckkräfte befinden sich im Gleichgewicht.
Dabei ist die Übertragungsanordnung 5 mit einem freien Querschnitt zwischen der Antriebswelle 4 und dem Ventilelement 6 ausgebildet. Die die Öffnung 6b des Ventilelements 6 umschließende Wandung und die Wandung des Endabschnitts der Antriebswelle 4 liegen nicht vollumfänglich fluiddicht aneinander an. Das Einbringen eines als abgeflachten Bereiches innerhalb der Übertragungsanordnung 5 ausgebildeten Abschnitts 5a des ansonsten einen kreisrunden Querschnitt aufweisenden Gewindes des Stellelements 4, nach den 3a und 3b, gewährleistet als Durchströmöffnung in Kombination mit der Öffnung 6b des Ventilelements 6 den Druckausgleich bezüglich des in axialer Richtung wirkenden zweiten Drucks p2 innerhalb des Ventils 1.
Das Ventilelement 6 ist über zwei Dichtelemente 11, 12, insbesondere ein erstes, dynamisches Dichtelement 11 sowie ein zweites, dynamisches Dichtelement 12 zum Gehäuse 2 beziehungsweise zum Ventilsitzelement 7 abgedichtet angeordnet. Die Dichtelemente 11, 12 sind zum Trennen der mit unterschiedlichen Druckniveaus, insbesondere beim Einsatz der Vorrichtung 1 in einem Kältemittelkreislauf einem Hochdruckniveau und einem Niederdruckniveau beziehungsweise Saugdruckniveau, beaufschlagten Bereiche innerhalb der Vorrichtung 1 ausgebildet.
Die jeweils als eine Gleitdichtung, insbesondere eine Stangendichtung, in Form einer Axialdichtung beziehungsweise einer Ringdichtung und zum internen Abdichten der mit unterschiedlichen Druckniveaus beaufschlagten Bereiche, wie einer Hochdruckseite und einer Niederdruckseite eines Kältemittelkreislaufs, innerhalb der Vorrichtung 1 ausgebildeten Dichtelemente 11, 12 sind in axialer Richtung beabstandet zueinander an distalen Enden des Ventilsitzelements 7 angeordnet. Dabei weist das Ventilelement 6 eine Mantelfläche eines geraden Kreiszylinders mit einem konstanten Außendurchmesser auf, welche sich ausgehend vom Bereich der Ausformungen 6c bis zu einer ersten Stirnseite in Richtung der Durchgangsöffnung 10a des zweiten Anschlusses 10 erstreckt.
Sowohl das erste Dichtelement 11 als auch das zweite Dichtelement 12 wirken jeweils in radialer Richtung, sodass zum einen keine Notwendigkeit des Aufbringens einer axialen Dichtkraft, wie bei aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen, besteht. Zum anderen entfallen damit die Anforderungen an das Sicherstellen der Dichtheit im unbestromten Zustand sowie das Verklemmen und mögliche Leckagen.
Im Bereich der in Richtung der Durchgangsöffnung 10a des zweiten Anschlusses 10 ausgerichteten ersten Stirnseite ist das Ventilelement 6 mit Durchlassöffnungen 14 und mindestens einer Regelöffnung 15 ausgebildet. Sowohl die Durchlassöffnungen 14 als auch die mindestens eine Regelöffnung 15 weisen jeweils die Form eines Einschnitts auf, welche sich ausgehend von der Stirnseite des Ventilelements 6 in axialer Richtung in das Ventilelement 6 hinein erstrecken. Die Durchlassöffnungen 14 und die mindestens eine Regelöffnung 15 sind parallel zueinander ausgerichtet.
In den 4a und 4b ist das Ventilelement 6 als Einzelkomponente und in einer Detailansicht der ersten Stirnseite mit den Durchlassöffnungen 14 und einer Regelöffnung 15 jeweils in einer perspektivischen Ansicht gezeigt, während aus 4c eine Detailansicht der Anordnung des Ventilelements 6 innerhalb des zweiten Dichtelements 12 beziehungsweise eine Detailansicht der Vorrichtung 1 in der Regelstellung nach 2c hervorgeht.
Das Ventilelement 6 weist eine Dichtfläche 11a auf, welche in der Form der Mantelfläche eines geraden Kreiszylinders mit einem konstanten Außendurchmesser ausgebildet ist und sich anschließend an den Bereich der Ausformungen 6c der Gleitdrehsicherungsanordnung 8 einer zweiten Stirnseite in Richtung der gegenüberliegenden ersten Stirnseite erstreckend angeordnet ist.
Im Bereich der ersten Stirnseite des Ventilelements 6 ist ein Regelbereich 16 vorgesehen. Der äußere Durchmesser der Fläche des Regelbereichs 16 entspricht dabei dem Außendurchmesser der Dichtfläche 11a, sodass das Ventilelement 6 mit einem über die Dichtfläche 11a und die Fläche des Regelbereichs 16 konstanten Durchmesser ausgebildet ist. Damit lässt sich die Mantelfläche des Ventilelements 1 mit der Dichtfläche 11a und der Fläche des Regelbereichs 16 mit einem minimalen Aufwand und sehr guter Genauigkeit sowie Oberflächenbeschaffenheit fertigen und vermessen.
Die als Einschnitte in der Form von geraden Nuten, Kerben oder Schlitzen ausgebildeten Durchlassöffnungen 14 und die ebenfalls in der Form einer Nut, einer Kerbe oder eines Schlitzes ausgebildete Regelöffnung 15 sind vorzugsweise gleichmäßig beabstandet und gleichmäßig über den Umfang verteilt am Ventilelement 6 vorgesehen. Dabei sind die in axialer Richtung ausgerichteten Seitenwandungen jeder Kerbe zum einen jeweils parallel zueinander sowie jeweils gleich beabstandet voneinander ausgerichtet. Zum anderen weisen die Kerben der Durchlassöffnungen 14 jeweils eine gleiche Ausdehnung in Richtung der Längsachse der Vorrichtung 1 auf und sind damit identisch zueinander ausgebildet. Die Kerbe der mindestens einen Regelöffnung 15 weist dabei eine größere Ausdehnung in Richtung der Längsachse der Vorrichtung 1 als die Durchlassöffnungen 14 auf.
Während der Einschnitt der Regelöffnung 15 im Bereich der Durchlassöffnungen 14, als ein erster Abschnitt der Regelöffnung 15, im Wesentlichen wie die Einschnitte der Durchlassöffnungen 14 ausgebildet ist und sich in radialer Richtung über die gesamte axiale Ausdehnung vollständig durch die Wandung des hohlkreiszylinderförmigen Ventilelements 6 erstreckt, ist die Wandung des Ventilelements 6 in dem sich in axialer Richtung an den ersten Abschnitt anschließenden zweiten Abschnitt in radialer Richtung geschlossen. Allerdings weist die mindestens eine Regelöffnung 15 im zweiten Bereich einen sich in Richtung der Dichtfläche 11a verjüngenden freien Querschnitt auf. Dabei nimmt die Wandstärke der Wandung des hohlkreiszylinderförmigen Ventilelements 6 bei konstanter Breite der Regelöffnung 15 in Umfangsrichtung von Null im Bereich der Einschnittsenden der Durchlassöffnungen 14 bis hin zur maximalen Wandstärke am Übergang zur Dichtfläche 11a kontinuierlich zu. Der Einschnitt der Regelöffnung 15 ist dabei im zweiten Abschnitt in axialer Richtung keilförmig ausgebildet. Die Wandung des Ventilelements 6 ist durch einen Nutgrund 17 verschlossen. Der Innendurchmesser der Wandung des Regelbereichs 16 des Ventilelements 6 ist konstant.
Die Längsausdehnung des ersten Abschnitts der Regelöffnung 15 mit vollständig durchbrochener Wandung des Ventilelements 6 und die Längsausdehnung des zweiten Abschnitts der Regelöffnung 15 mit stetig zunehmender Wandstärke der Wandung des Ventilelements 6 und ausgebildetem Nutgrund 17 sind identisch.
Im Vergleich zu herkömmlichen Vorrichtungen 1', bei welchen der Strömungsquerschnitt insbesondere zum expandierenden Durchströmen des Fluids zwischen dem Ventilelement 6' und dem zweiten Dichtelement 12' nach 1f als ein vollumfänglicher Ringspalt ausgebildet ist, wird der Strömungsquerschnitt der Vorrichtung 1 mittels des freien Querschnitts der Regelöffnung 15 eingestellt und verändert.
Bei der Darstellung nach 4c ist die Vorrichtung 1 in eine Regelstellung verbracht. Das Ventilelement 6 ist mit dem Regelbereich 16 innerhalb des zweiten Dichtelements 12 angeordnet. Die Durchströmöffnungen 14 sind verschlossen. Die Regelöffnung 15 wird lediglich zum Teil vom zweiten Dichtelement 12 bedeckt und ist damit in radialer Richtung einerseits vom Nutgrund 17 und andererseits vom zweiten Dichtelement 12 begrenzt. Dabei ist der Strömungsquerschnitt zum durchströmenden Expandieren des Fluids zwischen dem Ventilelement 6 und dem zweiten Dichtelement 12 im Bereich der Regelöffnung 15 in der Form eines Spalts 18, insbesondere eines Regelspalts, geöffnet.
Der Strömungsquerschnitt des Regelspalts 18 wird mittels der Linearbewegung 6a des Ventilelements 6 relativ zum zweiten Dichtelement 12 kontinuierlich variiert. Mit dem Öffnen der Durchströmöffnungen 14 wird einerseits der gesamte Strömungsquerschnitt für das Fluid schnell vergrößert bis das Ventilelement 6 lediglich im Bereich der ersten Stirnseite am zweiten Dichtelement 12 anliegt. Nach dem Verschließen der Durchströmöffnungen 14 wird andererseits der gesamte Strömungsquerschnitt für das Fluid langsam verringert bis das Ventilelement 6 oder die Vorrichtung 1 geschlossen ist und das Ventilelement 6 mit der Dichtfläche 11a auch am zweiten Dichtelement 12 fluiddicht anliegt. Das Ventilelement 6 liegt unabhängig von der Stellung relativ zum Gehäuse 2 beziehungsweise den Dichtelementen 11, 12 mit der Dichtfläche 11a stets am ersten Dichtelement 11 fluiddicht an.
Die vorgespannten Dichtelemente 11, 12 benötigen eine innere sowie eine äußere Führung. Mittels der im Ventilelement 6 ausgebildeten nutförmigen Durchlassöffnungen 14 und Regelöffnung 15 kann zum einen der maximale Strömungsquerschnitt für das Fluid freigegeben werden, wobei gleichzeitig zum anderen über die als Stege zwischen den Durchlassöffnungen 14 beziehungsweise der Regelöffnung 15 ausgebildete Wandung des Ventilelements 6 das zweite Dichtelement 12 geführt wird.
Der Zustand der Vorrichtung 1, insbesondere geschlossener Zustand, geöffneter Zustand und Regelzustand, wird hauptsächlich durch die Anordnung des Ventilelement 6 innerhalb des zweiten Dichtelements 12 bestimmt.
Während bei herkömmlichen Vorrichtungen 1' schon geringe Linearbewegungen 6a des Ventilelements 6' und damit geringe Änderungen des Unterschieds der sich gegenüberstehend angeordneten Durchmesser von Regelfläche 12a' und Dichtelement 12' einen großen Einfluss auf den freien Strömungsquerschnitt für das Fluid bewirken, so bewirken geringe Linearbewegungen 6a des Ventilelements 6 der Vorrichtung 1 lediglich geringe Änderungen des freien Strömungsquerschnitts durch den Regelspalt 18. Der Massenstrom des Fluids durch die Vorrichtung 1 ist wesentlich feiner einstellbar und dosierbar.
Die Vorrichtung 1 mit dem Ventilelement 6 mit der Regelöffnung 15 ist im Vergleich zur bekannten konischen und kegelförmigen Ausführung des Ventilelements 6' wesentlich einfacher herzustellen und zu vermessen, insbesondere da bei der Ausführung des herkömmlichen Ventilelements 6' die gesamte umlaufende Fläche den Strömungsquerschnitt freigibt und damit die Kegelform eine höchste Genauigkeit in Bezug auf den Winkel aufzuweisen hat. Im Vergleich dazu kann die Regelöffnung 15 über einen axialen Startpunkt und eine in axialer Richtung variierende Nuttiefe an einem axialen Endpunkt sehr gut definiert und vermessen werden. Dabei wirkt sich auch eine Abweichung des Anstiegswinkels des Nutgrunds 17 in axialer Richtung als Toleranz beim Regeln weniger aus als eine Abweichung der Kegelform des bekannten Ventilelements 6', da die Regelöffnung 15 auch über die in Umfangsrichtung des Ventilelements 6 ausgebildete Breite definiert ist. Die Breite der Regelöffnung 15 ist sehr genau zu fertigen und zu messen.
Bezugszeichenliste

1, 1': Vorrichtung, Ventil
2: Gehäuse
2a: Ausnehmung Gehäuse 2
3: Elektromotor
4: Stellelement, Antriebswelle
4a: Rotationsbewegung Stellelement 4
5: Übertragungsanordnung
5a: Abschnitt
6, 6': Ventilelement
6a: Linearbewegung Ventilelement 6, 6'
6b: Öffnung Ventilelement 6, 6'
6c: Ausformung Ventilelement 6, 6'
7, 7': Ventilsitzelement
8: Gleitdrehsicherungsanordnung
9: erster Anschluss
9a: Durchgangsöffnung erster Anschluss 9
10: zweiter Anschluss
10a: Durchgangsöffnung zweiter Anschluss 10
11, 11': erstes Dichtelement
11a, 11a': (erste) Dichtfläche Ventilelement 6, 6'
12, 12': zweites Dichtelement
12a': Regelfläche Ventilelement 6'
13': Übergangsbereich
13a': zweite Dichtfläche Ventilelement 6'
13b': Dichtfläche Übergangsbereich 13'
14: Durchlassöffnung Ventilelement 6
15: Regelöffnung Ventilelement 6
16: Regelbereich
17: Nutgrund
18: Spalt, Regelspalt
p1, p2: Druck
α: Winkel zweite Dichtfläche 13a' Ventilelement 6'
γ: Winkel Regelfläche 12a'

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016013492 A1 [0006]

Claims

Vorrichtung (1) zum Regeln eines Durchflusses und Expandieren eines Fluids in einem Fluidkreislauf, aufweisend ein Gehäuse (2) und ein im Inneren des Gehäuses (2) angeordnetes Ventilelement (6), welches in einer Linearbewegung (6a) in Richtung einer Längsachse relativ zum Gehäuse (2) bewegbar angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (6) eine Dichtfläche (11a) sowie einen an einer ersten Stirnseite des Ventilelements (6) ausgebildeten und sich in axialer Richtung an die Dichtfläche (11a) angrenzend angeordneten Regelbereich (16) aufweist, wobei - die Dichtfläche (11a) die Form einer Mantelfläche eines geraden Kreiszylinders mit einem konstanten Außendurchmesser aufweist und ein Außendurchmesser einer Fläche des Regelbereichs (16) dem Außendurchmesser der Dichtfläche (11a) entspricht und - der Regelbereich (16) Durchlassöffnungen (14) und mindestens eine Regelöffnung (15) aufweist, wobei das Ventilelement (6) im Regelbereich (16) mit einer im Wesentlichen hohlkreiszylinderförmigen Wandung ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchlassöffnungen (14) jeweils die Form eines Einschnitts aufweisen, welcher sich ausgehend von der ersten Stirnseite des Ventilelements (6) in axialer Richtung in die Wandung des Ventilelements (6) hinein erstreckend ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Regelöffnung (15) die Form eines Einschnitts aufweist, welcher sich ausgehend von der ersten Stirnseite des Ventilelements (6) in axialer Richtung in die Wandung des Ventilelements (6) hinein erstreckend ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils in axialer Richtung und paarweise ausgebildete Seitenwandungen der Einschnitte parallel zueinander ausgerichtet sind.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwandungen der Einschnitte jeweils gleich beabstandet zueinander ausgerichtet sind.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchlassöffnungen (14) jeweils eine gleiche Ausdehnung in Richtung der Längsachse der Vorrichtung (1) aufweisen.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Regelöffnung (15) eine größere Ausdehnung in Richtung der Längsachse der Vorrichtung (1) als die Durchlassöffnungen (14) aufweist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Regelöffnung (15) in einer Längsausdehnung einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt aufweist, wobei die Regelöffnung (15) im ersten Abschnitt mit vollständig durchbrochener Wandung des Ventilelements (6) und im zweiten Abschnitt mit stetig zunehmender Wandstärke der Wandung des Ventilelements (6) sowie einem Nutgrund (17) ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Form des ersten Abschnitts der Regelöffnung (15) im Wesentlichen einer Form einer Durchlassöffnung (14) entspricht.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abschnitt der Regelöffnung (15) einen sich in Richtung der Dichtfläche (11a) verjüngenden freien Querschnitt aufweist, wobei die Wandstärke der Wandung des Ventilelements (6) von Null bis hin zur maximalen Wandstärke an einem Übergang zur Dichtfläche (11a) kontinuierlich zunimmt.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (6) eine Öffnung (6b) aufweist, welche sich konzentrisch angeordnet in Richtung der Längsachse erstreckend und als eine Durchgangsbohrung ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stellelement (4) sowie eine Übertragungsanordnung (5) und eine Gleitdrehsicherungsanordnung (8) zum Übertragen einer Rotationsbewegung (4a) des Stellelements (4) in die Linearbewegung (6a) ausgebildet sind.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (4) als eine in axialer Richtung ausgerichtete Antriebswelle (4) ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (4) mit einem Elektromotor (3) verbunden ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsanordnung (5) als eine Gewindepaarung zwischen der Antriebswelle (4) und dem Ventilelement (6) ausgebildet ist, wobei die Antriebswelle (4) in eine Öffnung (6b) des Ventilelements (6) eingesteckt angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Außenseite der Antriebswelle (4) ein Außengewinde und innerhalb der Öffnung (6b) des Ventilelements (6) ein Innengewinde ausgebildet sind.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsanordnung (5) mit einem freien Querschnitt zwischen der Antriebswelle (4) und dem Ventilelement (6) ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (6) Ausformungen (6c) aufweist, welche an einer zweiten, zum Stellelement (4) ausgerichteten Stirnseite und paarweise gegenüberliegend in orthogonaler Richtung zur Längsachse vom Ventilelement (6) abragend als erste Komponenten der Gleitdrehsicherungsanordnung (8) ausgebildet sind.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) im Bereich der Ausformungen (6c) des Ventilelements (6) mit sich bezüglich der Längsachse des Ventilelements (6) gegenüberliegend angeordneten Ausnehmungen (2a) als zweite Komponenten der Gleitdrehsicherungsanordnung (8) ausgebildet ist, welche in der Form jeweils mit einer Ausformung (6c) des Ventilelements (6) korrespondieren.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (6) innerhalb eines Ventilsitzelements (7) angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (6) über mindestens zwei Dichtelemente (11, 12) zum Gehäuse (2) sowie zum Ventilsitzelement (7) abgedichtet angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Dichtelement (11) als eine Gleitdichtung ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Dichtelement (12) als eine Gleitdichtung ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (6) in einem geschlossenen Zustand der Vorrichtung (1) mit der Dichtfläche (11a) am ersten Dichtelement (11) sowie am zweiten Dichtelement (12) anliegend angeordnet ist und dass das Ventilelement (6) in einem geöffneten Zustand der Vorrichtung (1) mit der Dichtfläche (11a) am ersten Dichtelement (11) sowie mit der Fläche des Regelbereichs (16) am zweiten Dichtelement (12) anliegend angeordnet ist.
Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung (1) zum Regeln eines Durchflusses und Expandieren eines Fluids in einem Fluidkreislauf nach einem der Ansprüche 1 bis 24, aufweisend folgende Schritte: - Versetzen eines Stellelements (4) in eine Rotationsbewegung (4a) um eine Längsachse, - Übertragen der Rotationsbewegung (4a) des Stellelements (4) mittels einer Übertragungsanordnung (5) und einer Gleitdrehsicherungsanordnung (8) in eine Linearbewegung (6a) des Ventilelements (6) in Richtung der Längsachse relativ zum Gehäuse (2), sodass das Ventilelement (6) entlang der Längsachse linear bewegt wird, wobei - je nach Drehrichtung des Stellelements (4) die Vorrichtung (1) geöffnet oder geschlossen wird, - das Ventilelement (6) stets innerhalb von zwei Dichtelementen (11, 12) geführt wird, wobei das Ventilelement (6) stets mit einer Dichtfläche (11a) an einem ersten Dichtelement (11) anliegt und je nach Stellung mit der Dichtfläche (11a) oder einer Fläche eines Regelbereichs (16) an einem zweiten Dichtelement (12) anliegt, und - ein Öffnungsgrad der Vorrichtung (1) je nach Anordnung des Regelbereichs (16) des Ventilelements (6) mit sich in Richtung der Längsachse erstreckenden Durchströmöffnungen (14) und mindestens einer Regelöffnung (15) innerhalb des zweiten Dichtelements (12) eingestellt wird.
Verwendung einer Vorrichtung (1) zum Regeln eines Durchflusses und Expandieren eines Fluids nach einem der Ansprüche 1 bis 24 in einem Kältemittelkreislauf eines Klimatisierungssystems eines Kraftfahrzeugs.