-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Verteilen eines Fluids in einem Fluidkreislauf, insbesondere eines Kältemittels in einem Kältemittelkreislauf. Die Vorrichtung weist ein Gehäuse mit Anschlüssen zum Verbinden mit Fluidleitungen, welche jeweils über eine Durchgangsöffnung mit einem inneren Volumen des Gehäuses verbunden sind, sowie ein im inneren Volumen des Gehäuses angeordnetes Ventilelement mit einem Antriebselement zum Bewegen des Ventilelements relativ zum Gehäuse auf.
-
Bei aus dem Stand der Technik bekannten Kraftfahrzeugen wird einer hohen Anforderung an den Komfort der Fahrgäste im Fahrgastraum durch Klimatisierungssysteme mit unterschiedlichen Kreisläufen für Kältemittel und Kühlmittel jeweils mit verschieden betriebenen Wärmeübertragern begegnet. Herkömmliche Kraftfahrzeuge mit elektromotorischem Antrieb, kurz als Elektrofahrzeuge bezeichnet, oder Kraftfahrzeuge mit einem hybriden Antrieb aus Elektromotor und Verbrennungsmotor, kurz als Hybridfahrzeuge bezeichnet, weisen aufgrund der Ausbildung mit zusätzlichen Komponenten des elektrischen Antriebsstrangs, wie einer Hochvoltbatterie, einem internen Ladegerät, einem Transformer, einem Inverter sowie dem Elektromotor, zudem meist einen höheren Versorgungsbedarf an Kälte beziehungsweise Wärme als Kraftfahrzeuge mit einem reinen verbrennungsmotorischen Antrieb auf. Neben dem Kältemittelkreislauf des eigentlichen Klimatisierungssystems sind bekannte Kraftfahrzeuge mit einem reinen elektrischen Antrieb oder einem elektrischen Hybridantrieb mit einem Kühlmittelkreislauf ausgebildet, in welchem das zum Abführen der von den Antriebskomponenten emittierten Wärme zirkulierende Kühlmittel durch einen Kühlmittel-Kältemittel-Wärmeübertrager geleitet wird, um die Wärme vom Kühlmittel an das im Kältemittelkreislauf zirkulierende Kältemittel zu übertragen.
-
Thermische Systeme elektrisch angetriebener Kraftfahrzeuge weisen aufgrund des erforderlichen Energiebedarfs einen erheblichen Einfluss auf die Reichweite der Kraftfahrzeuge auf. So wird durch eine bedarfsgerechte Verteilung von Wärmeströmen im Kraftfahrzeug mit verschiedenen Untersystemen beispielsweise eine schnellere Konditionierung von Komponenten ermöglicht, welche eine optimale Betriebstemperatur erfordern. In batterieelektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen und Kraftfahrzeugen mit Hybridantrieb, bei welchen neben der Konditionierung des Fahrgastraums beispielsweise auch die Konditionierung der Hochvoltkomponenten des elektrischen Antriebsstrangs von besonderem Interesse sind, ist der Einfluss des Betriebs der thermischen Systeme auf die Reichweite des Kraftfahrzeugs zu minimieren.
-
Aus dem Stand der Technik ist zudem bekannt, Kältemittelkreisläufe von Klimatisierungssystemen sowohl in einem Modus als Wärmepumpe als auch in einem Modus als Kälteanlage betreibbar auszubilden, um thermische Energien innerhalb des Kraftfahrzeugs zu verteilen. Zum Beispiel kann, insbesondere beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs im Wärmepumpenmodus, Wärme aus der Umgebungsluft oder einem Kühlmittelkreislauf aufgenommen werden, welche anschließend an Komponenten des Kraftfahrzeugs mit Wärmebedarf oder an die Zuluft zum Fahrgastraum übertragen werden kann. Beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs im Kälteanlagenmodus kann Wärme aus dem Fahrgastraum beziehungsweise aus der Zuluft zum Fahrgastraum oder anderen Komponenten aufgenommen und beispielsweise an die Umgebung übertragen werden. Dabei sind innerhalb der thermischen Systeme die Wärmeträgerkreisläufe, wie Kältemittelkreisläufe und Kühlmittelkreisläufe, untereinander und mit weiteren Komponenten des Kraftfahrzeugs verbunden. Speziell bei hybridangetriebenen Kraftfahrzeugen bestehen große Herausforderungen, das thermische System zum Konditionieren verschiedener Komponenten im vorhandenen Bauraum anzuordnen.
-
In der
DE 10 2013 206 626 A1 wird ein Kältemittelkreislauf zur Klimatisierung eines Fahrzeugs offenbart. Der Kältemittelkreislauf weist einen Verdichter sowie mehrere als Verdampfer beziehungsweise Kondensatoren betriebene Wärmeübertrager zur Übertragung von Wärme mit dem Kältemittel auf. Dabei ist der Kältemittelkreislauf mit mindestens drei Verdampfern und zwei Kondensatoren ausgebildet, wobei jedem Verdampfer ein Expansionsventil zum Entspannen des Kältemittels vorgeschaltet und jedem Kondensator ein Rückschlagventil zum Vermeiden von Kältemittelverlagerungen innerhalb des Kältemittelkreislaufs nachgeschaltet angeordnet ist. Die Komponenten des Kältemittelkreislaufs, insbesondere die große Anzahl an Ventilen, sind jeweils über Verbindungsleitungen im Kältemittelkreislauf mit einander verbunden.
-
Da jedes Ventil für das Ausführen lediglich einer Funktion ausgebildet ist, sind für das Bereitstellen der diversen Funktionalitäten eine Vielzahl an Ventilen und Verbindungsleitungen erforderlich. Dabei weist jedes Ventil einen Stellantrieb auf und ist mit einer Steuereinheit zu verbinden, was eine hohe Systemkomplexität bewirkt. Neben hohen Kosten wird folglich auch ein hohes Gewicht des Kältemittelkreislaufs verursacht. Zudem bedarf es eines erheblichen Bauraums.
-
Aus dem Stand der Technik ist nicht bekannt, mehrere Ventile eines Fluidkreislaufs, insbesondere eines Kältemittelkreislaufs, intern und damit in einem gemeinsamen Gehäuse miteinander verschaltet sowie mehrere Funktionen erfüllend, auszubilden. Dabei erfüllen herkömmliche 3-2-WegeVentile auch lediglich eine Absperrfunktion.
-
Insbesondere bei einem Kältemittelkreislauf mit Kohlendioxid als Kältemittel ist zum Verstellen des Ventils zwischen den Funktionen bei Differenzdrücken von bis zu 100 bar zudem einer großer Kraftaufwand erforderlich.
-
Aus der
DE 10 2016 013 492 A1 geht ein insbesondere elektrisch angetriebenes Expansions- und Absperrventil für den Betrieb mit Kohlendioxid als Kältemittel mit einem in einer Ventilkörperkammer angeordneten Ventilkörper, einem Dichtungssitz und einer Dichtung, welche entlang einer axialen Bewegungsrichtung des Ventilkörpers im Ventil angeordnet sind, hervor. In einem geschlossenen Zustand des Ventils entsprechen die Durchmesser des als Nadel ausgebildeten Ventilkörpers an Positionen des Dichtungssitzes und der Dichtung den jeweiligen Dichtungsdurchmessern. Zudem ist im geschlossenen Zustand des Ventils zwischen einem Medienanschluss und der Ventilkörperkammer ein Druck-Bypass geöffnet.
-
Das Ventil weist zwei Medienanschlüsse auf, wobei ein Strömungsquerschnitt der Verbindung zueinander geöffnet oder geschlossen werden kann. Dabei kann der Strömungsquerschnitt der Verbindung entweder vollständig oder lediglich teilweise geöffnet sein. Beim Betrieb des Ventils mit teilweise geöffnetem Strömungsquerschnitt wird das Kältemittel beim Durchströmen des Ventils entspannt.
-
In der
GB 1 442 271 A wird ein elektromagnetisch betätigtes Ventil mit einem rohrförmigen Gehäuse und einem im Gehäuse axial verschiebbaren Ventilschließelement beschrieben. Das Gehäuse weist einen Fluideinlass und einen Fluidauslass auf. Das Ventilschließelement wird durch ein Magnetfeld elastisch in eine erste Stellung gedrückt und ist in eine zweite Stellung verschiebbar. Dabei ist in einer der Stellungen der Auslass geschlossen. Zudem sind Mittel vorgesehen, um das Ventilschließelement in der geschlossenen Stellung gegen den Auslass zu drücken und derart die Abdichtung des Auslasses zu unterstützen.
-
In der
EP 2 787 258 B1 ist ein rekonfigurierbares Ventil für ein Flugzeug offenbart. Das Ventil weist ein Gehäuse mit einem inneren Volumen und Öffnungen sowie ein Ventilelement auf, welches in zwei Stellungen im Inneren des Gehäuses angeordnet werden kann. Mit der entsprechenden Stellung des Ventilelements werden Strömungswege durch das Innere des Gehäuses geöffnet beziehungsweise geschlossen. Über eine Steuereinrichtung wird das elektromagnetisch angetriebene Ventilelement selektiv in einer von den Stellungen positioniert.
-
Aus der WO 2015 / 100 752 A1 geht ein Niederdruck-Vierwege-Umschaltventil mit einem Ventilkörper und einem Ventileinsatz hervor. Der Ventilkörper weist ein Hochdruck-Lufteinlassrohr, ein Kondensationsrohr, ein Verdampfungsrohr und ein Niederdruck-Auslassrohr auf. Der Ventileinsatz ist als ein hohles Rohr mit vier Kolben ausgebildet, welche den Ventileinsatz in zwei Hochdruckkammern und eine Niederdruckkammer unterteilen. Mit der Anordnung des Ventileinsatzes in verschiedenen Stellungen werden die Kammern entsprechend mit dem Hochdruck-Lufteinlassrohr, dem Kondensationsrohr, dem Verdampfungsrohr und dem Niederdruck-Auslassrohr verbunden.
-
In der
DE 10 2018 108 013 A1 ist ein Ventil eines Fluidkreislaufs mit einem 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 beschrieben. Das Ventilelement ist um eine Rotationsachse drehbar gelagert und weist mindestens drei als Durchgangsbohrungen ausgebildete Öffnungen auf, welche im Inneren des Ventilelements ein gemeinsames Volumen bilden.
-
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. In der Vorrichtung sollen Funktionalitäten, insbesondere von Ventilen, vereint werden, um derart, neben der Komplexität des Systems, die Kosten, das Gewicht und den Bauraum zu minimieren. Zudem soll die Vorrichtung auch beim Einsatz in Kreisläufen mit Kohlendioxid als zirkulierendes Fluid einfach, insbesondere mit geringem Kraftaufwand, bedienbar 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 mindestens einem Fluidkreislauf, insbesondere eines Kältemittels in einem Kältemittelkreislauf, gelöst. Die Vorrichtung weist ein Gehäuse mit Anschlüssen zum Verbinden mit Fluidleitungen, welche jeweils über eine Durchgangsöffnung mit mindestens einem inneren Volumen des Gehäuses verbunden sind, sowie mindestens ein im inneren Volumen des Gehäuses angeordnetes Ventilelement mit einem Antriebselement zum Bewegen des Ventilelements relativ zum Gehäuse auf.
-
Das mindestens eine Ventilelement weist mindestens eine Durchgangsöffnung auf und ist in axialer Richtung entlang einer Längsachse linear derart verschiebbar gelagert, dass zwischen einem als Einlass ausgebildeten ersten Anschluss und einem als primärer Auslass ausgebildeten zweiten Anschluss oder zwischen dem als Einlass ausgebildeten ersten Anschluss und einem als sekundärer Auslass ausgebildeten dritten Anschluss ein Durchgang für das Fluid geöffnet ist. Das Ventilelement kann auch derart angeordnet sein, dass kein Durchgang zwischen dem Einlass und einem der Auslässe geöffnet ist beziehungsweise die Durchgangsöffnung des Ventilelements geschlossen ist.
-
Zudem weist die Vorrichtung mindestens eine erste Druckkammer sowie eine zweite Druckkammer auf, welche jeweils an einer in der axialen Richtung ausgerichteten Stirnfläche des Ventilelements als Bereich des inneren Volumens des Gehäuses ausgebildet sind. Die Druckkammern dienen bevorzugt einem Druckausgleich zum Reduzieren der Bewegungsenergie beziehungsweise der zum Bewegen des Ventilelements aufzubringenden Kraft.
-
Nach der Konzeption der Erfindung ist das Ventilelement mit der mindestens einen Durchgangsöffnung derart ausgebildet, dass das Fluid je nach Stellung des Ventilelements beim Ausströmen aus der Durchgangsöffnung entspannbar ist. Damit stellt die Vorrichtung vorteilhaft eine Kombination aus zwei Ventilen, insbesondere aus zwei Absperrventilen, jeweils mit einer Expansionsfunktion und folglich eine Kombination aus zwei Absperrventilen und zwei Expansionsventilen dar. Dabei wird das Fluid, speziell das Kältemittel vom Einlass zum primären oder sekundären Auslass geleitet und kann in den geöffneten Strömungspfad expandiert werden.
-
An der Oberfläche des Ventilelements ist, ausgehend von einem Rand der Durchgangsöffnung, erfindungsgemäß mindestens eine Nut ausgebildet, welche sich entlang einer radialen Richtung nach außen erstreckt. Dabei ist sich ein Strömungsquerschnitt der Nut der Durchgangsöffnung in radialer Richtung nach außen verjüngend ausgebildet.
-
Das Ventilelement ist bevorzugt in der Form eines in der axialen Richtung ausgerichteten Zylinders, insbesondere quaderförmig, ausgebildet. Unter einem Quader ist dabei ein Prisma mit einer rechteckigen Grundfläche zu verstehen, wobei das Prisma durch eine Parallelverschiebung der rechteckigen Grundfläche entlang einer aus der Ebene der Grundfläche hervorragenden Geraden entsteht. Die Gerade kann senkrecht zur Ebene der Grundfläche ausgerichtet sein.
-
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind Seitenflächen des Ventilelements und des das innere Volumen ausbildenden Gehäuses jeweils, insbesondere paarweise, parallel zueinander ausgerichtet angeordnet. Dabei ist zwischen den zueinander ausgerichteten Seitenflächen jeweils ein Spalt zum Bewegen des Ventilelements innerhalb des inneren Volumens des Gehäuses relativ zum Gehäuse ausgebildet.
-
Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind die Stirnflächen des Ventilelements und Stirnflächen des das innere Volumen ausbildenden Gehäuses jeweils zueinander weisend, insbesondere parallel zueinander, ausgerichtet angeordnet. Dabei sind zwischen ersten Stirnflächen des Gehäuses und des Ventilelements die erste Druckkammer und zwischen zweiten Stirnflächen des Gehäuses und des Ventilelements die zweite Druckkammer ausgebildet.
-
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind mindestens eine der Druckkammern mit der Durchgangsöffnung des ersten Anschlusses des Gehäuses und die Druckkammern über einen Verbindungskanal strömungstechnisch miteinander verbunden. Dabei ist der Verbindungskanal vorzugsweise innerhalb einer Wandung, insbesondere einer Seitenwandung, des Gehäuses oder innerhalb des Ventilelements ausgebildet. Bei der Ausbildung des Verbindungskanals innerhalb des Ventilelements erstreckt sich der Verbindungskanal zwischen den Stirnflächen des Ventilelements.
-
Die Durchgangsöffnung des Ventilelements und der Verbindungskanal sind vorzugsweise, ein gemeinsames Volumen ausbildend, strömungstechnisch miteinander verbunden.
-
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der erste Anschluss an einer ersten Seitenfläche, insbesondere einer ersten Längsseite, des Gehäuses und der zweite Anschluss sowie der dritte Anschluss an einer zweiten Seitenfläche, insbesondere einer zweiten Längsseite, des Gehäuses ausgebildet sind. Dabei ist die zweite Seitenfläche der ersten Seitenfläche vorzugsweise gegenüberliegend angeordnet.
-
Die Symmetrieachsen der Durchgangsöffnungen der Anschlüsse sind bevorzugt parallel zueinander ausgerichtet. Die Strömungsquerschnitte der Durchgangsöffnungen der Anschlüsse des Gehäuses weisen vorteilhaft eine kreisrunde Form auf. Die Strömungsquerschnitte der Durchgangsöffnungen sind vorzugsweise mit gleichen Durchmessern ausgebildet, welche jeweils über die Länge konstant sein können.
-
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist sich die Durchgangsöffnung des Ventilelements von einer ersten Seitenfläche, insbesondere einer ersten Längsseite, des Ventilelements zu einer zweiten Seitenfläche, insbesondere einer zweiten Längsseite, des Ventilelements durch das Ventilelement hindurch erstreckend ausgebildet. Dabei ist die zweite Seitenfläche der ersten Seitenfläche vorzugsweise gegenüberliegend angeordnet. Die erste Seitenfläche ist vorteilhaft in Richtung des ersten Anschlusses des Gehäuses weisend ausgerichtet, während die zweite Seitenfläche in Richtung des zweiten Anschlusses beziehungsweise des dritten Anschlusses des Gehäuses weisend ausgerichtet ist.
-
Der Strömungsquerschnitt der Durchgangsöffnung des Ventilelements weist insbesondere im Wesentlichen eine kreisrunde Form auf. Der Durchmesser des Strömungsquerschnitts der Durchgangsöffnung kann über die Länge konstant sein und kann jeweils dem Durchmesser der kreisrunden Strömungsquerschnitte der Durchgangsöffnungen der Anschlüsse des Gehäuses entsprechen.
-
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das mindestens eine Ventilelement über ein Verbindungselement mit einem außerhalb des Gehäuses angeordneten Antriebselement verbunden.
-
Das Verbindungselement ist vorzugsweise als eine Welle ausgebildet. Dabei ist das Verbindungselement insbesondere an einem ersten Ende fest mit dem Antriebselement und an einem zum ersten Ende distal ausgebildeten zweiten Ende durch eine Seite in das Gehäuse hineinragend und mit dem Ventilelement verbunden angeordnet.
-
Das Antriebselement kann dabei als ein Linearmotor oder als ein rotatorischer Motor mit einer Übertragungsanordnung, insbesondere einem Gewinde, ausgebildet sein. Die Übertragungsanordnung dient dabei dazu, eine Rotationsbewegung des Verbindungselements um deren Längsachse in eine translatorische Hubbewegung des Ventilelements zu übertragen, wobei die translatorische Hubbewegung einer Linearbewegung entspricht.
-
Ein als rotatorischer Motor vorgesehenes Antriebselement ist bevorzugt als ein elektrischer Stellmotor, insbesondere als ein Schrittmotor oder Servomotor, ausgebildet, welcher vorteilhaft beispielsweise die Kontrolle der Winkelposition erlaubt. Der Motor kann mit einem Sensor zur Positionsbestimmung ausgebildet sein. Die vom Sensor ermittelte Drehposition des Verbindungselements kann kontinuierlich an eine Regelelektronik übermittelt werden, welche die Bewegung des Motors entsprechend einstellbarer Sollwerte, wie etwa von Soll-Winkelpositionen des Verbindungselements, in einem Regelkreis regelt.
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist als eine hochintegrierte Komponente, speziell als ein Kältemittelventil, zum Ausführen mehrerer Funktionen ausgebildet. In der Vorrichtung ist eine Vielzahl von Funktionen von Einzelventilen zusammengefasst.
-
Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht die Verwendung der Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Verteilen eines Fluids in einem Kältemittelkreislauf eines thermischen Systems, insbesondere eines Thermomanagementsystems, eines Kraftfahrzeugs, beispielsweise zum Konditionieren eines einem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstroms beziehungsweise einer Komponente eines Antriebsstrangs. Die Vorrichtung dient dann auch als ein adaptives Mehrwege-Kältemittelventil für die Fahrzeugklimatisierung.
-
Der Kältemittelkreislauf, in welchem eine Vorrichtung verwendet wird, kann mit einem beliebigen Kältemittel, insbesondere R1234yf, R1234a, R134a, R744, R404a, R600 oder R600a, R290, R152a, R32 sowie deren Gemischen, betrieben werden.
-
Die erfindungsgemäße, vorzugsweise als ein 3-2-Wege-Schieberventil mit Expansionsfunktion für das Kältemittel Kohlendioxid ausgebildete, Vorrichtung weist insbesondere als ein hochvariables Kältemittelventil mit einer Mehrzahl von möglichen Durchströmungspfaden für das Kältemittel zusammenfassend diverse Vorteile auf:
- - Vereinen verschiedener Funktionalitäten, insbesondere von Ventilen, speziell mit einer Expansionsfunktion in einem 3-2-Wege Ventil,
- - Reduzieren der Komplexität bei der Montage führt zu einer einfachen Ansteuerung sowie geringerer Fehler- und Ausfallwahrscheinlichkeit, was zu erwartende Gewährleistungskosten reduziert,
- - einfache Bedienbarkeit auch durch Reduzieren der benötigten Stellkraft zum Bewegen des Ventilelements,
- - Minimieren des Gewichts, auch da lediglich ein Aktuator benötigt wird und Verbindungsleitungen entfallen,
- - Minimieren von Leckage von Kältemittel durch Entfallen der Verbindungsleitungen und Dichtstellen, dadurch Reduzieren der Kosten für den Endkunden im Servicefall,
- - minimale Herstellungs-, Wartungs- und Betriebskosten sowie minimaler erforderlicher Bauraum.
-
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
- 1a: eine Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Verteilen eines Fluids in mindestens einem Fluidkreislauf, insbesondere ein Ventil für Kältemittelkreisläufe eines thermischen Systems eines Kraftfahrzeugs, in schematischer Darstellung,
- 1 b bis 1 d: die Vorrichtung aus 1a in unterschiedlichen Betriebsstellungen jeweils in einer Schnittdarstellung,
- 1e: die Vorrichtung aus 1a in der Betriebsstellung nach 1d in einer Draufsicht,
- 2a und 2b: jeweils einen Strömungsquerschnitt einer Durchgangsöffnung eines Ventilelements mit einer Nut sowie
- 3a und 3b: den jeweiligen Strömungsquerschnitt der Durchgangsöffnung des Ventilelements mit Nut aus den 2a und 2b in Verbindung mit einer Durchgangsöffnung eines Anschlusses des Gehäuses, insbesondere eines Auslasses für das Fluid.
-
In 1a ist eine Vorrichtung 1 zum Regeln eines Durchflusses und Verteilen eines Fluids in einem Fluidkreislauf, insbesondere ein Ventil für Kältemittelkreisläufe eines thermischen Systems eines Kraftfahrzeugs, in schematischer Darstellung gezeigt. Aus den 1b bis 1d geht die Vorrichtung 1 aus 1a in unterschiedlichen Betriebsstellungen jeweils in einer Schnittdarstellung hervor.
-
Die Vorrichtung 1 ist als ein hochintegriertes Kältemittelventil zum Ausführen mehrerer Funktionen ausgebildet, um insbesondere mindestens zwei Ventile nach dem Stand der Technik zu ersetzen beziehungsweise die Anzahl von vier Ventilen auf eine Komponente zu reduzieren.
-
Die Vorrichtung 1 weist ein vorzugsweise quaderförmiges Gehäuse 2 mit einem ersten Anschluss 3 als Einlass für das Kältemittel, einem zweiten Anschluss 4 als primärer Auslass für das Kältemittel sowie einem dritten Anschluss 5 als sekundärer Auslass für das Kältemittel auf. Die Anschlüsse 3, 4, 5 für Kältemittelleitungen als Verbindungsleitungen mit anderen Komponenten des Kältemittelkreislaufs sind jeweils über Durchgangsöffnungen mit einem inneren Volumen des Gehäuses 2 verbunden. Innerhalb des Volumens ist ein Ventilelement 6 angeordnet.
-
Der erste Anschluss 3 ist an einer ersten, in einer von den Richtungen x und y aufgespannten Ebene ausgerichteten Seitenfläche beziehungsweise einer ersten Längsseite des Gehäuses 2 angeordnet, während der zweite Anschluss 4 und der dritte Anschluss 5 an einer gemeinsamen zweiten Seitenfläche, ebenfalls in einer von den Richtungen x und y aufgespannten Ebene ausgerichteten beziehungsweise einer zweiten Längsseite des Gehäuses 2 vorgesehen sind, welche der ersten Seitenfläche gegenüberliegend angeordnet ist. Die Symmetrieachsen der Durchgangsöffnungen der Anschlüsse 3, 4, 5 sind parallel zueinander ausgerichtet. Die Durchmesser der Strömungsquerschnitte der Durchgangsöffnungen der Anschlüsse 3, 4, 5 des Gehäuses 2 sind jeweils konstant.
-
Das Gehäuse 2 ist außer in den Bereichen der Anschlüsse 3, 4, 5 geschlossen. Die äußere Form des Gehäuses 2 ist derart ausgebildet, dass die Funktionen, beispielsweise auch eine konkrete Anordnung innerhalb eines Systems, gewährleistet und dass eine kosteneffiziente Serienproduktion bei minimalem Komponentengewicht möglich ist.
-
Das beispielsweise zylinderförmige, insbesondere quaderförmige Ventilelement 6 ist über ein Verbindungselement 9 mit einem außerhalb des Gehäuses 2 angeordneten Antriebselement 8, auch als Aktuator oder Stellelement bezeichnet, verbunden. Die Längsachsen des Ventilelements 6 und des Verbindungselements 9 sind in der Richtung x und koaxial zueinander ausgerichtet. Das beispielsweise als eine Welle beziehungsweise als ein Stellschaft ausgebildete Verbindungselement 9 ist an einem ersten Ende fest mit dem Antriebselement 8 verbunden. Mit dem zum ersten Ende distal ausgebildeten zweiten Ende ist das Verbindungselement 9 durch die Wandung des Gehäuses 2, an einer Stirnfläche in das Gehäuse 2 hineinragend, zum Gehäuse 2 abgedichtet angeordnet. Das Antriebselement 8 ist beispielsweise als ein Stellmotor zum Antreiben des Verbindungselements 9 ausgebildet. Der Stellmotor kann als elektrischer Antrieb einen Stator mit einem Spulenpaket und einen gekapselten Rotor mit mindestens einem Permanentmagneten aufweisen. Das Antriebselement 8 kann folglich als ein gekapselter Motor oder als ein direkt angetriebener Motor beziehungsweise als ein rotatorischer Motor oder als ein Linearmotor ausgebildet sein.
-
Bei der Ausbildung des Antriebselements 8 als ein rotatorischer Motor wird die als Verbindungselement 9 vorgesehene Antriebswelle in eine Rotationsbewegung um die Längsachse versetzt. Mit Hilfe einer an dem in einer axialen Richtung ausgerichteten Verbindungselement 9 ausgebildeten, nicht dargestellten Übertragungsanordnung, insbesondere eines Gewindes, speziell eines sogenannten Bewegungsgewindes, wird die Rotationsbewegung des Verbindungselements 9 um deren Längsachse in eine translatorische Hubbewegung des Ventilelements 6 in Richtung x übertragen. Die translatorische Hubbewegung entspricht damit einer Linearbewegung des Ventilelements 6 in axialer Bewegungsrichtung 10, das heißt in Richtung der Längsachse des Verbindungselements 9 beziehungsweise des Ventilelements 6, welche in Richtung der Längsachse der Vorrichtung 1 durch eine Stirnfläche 2a des Gehäuses 2 und eine Stirnfläche 6a des Ventilelements 6 verläuft.
-
Die Gewindepaarung der Übertragungsanordnung ist zwischen dem Verbindungselement 9 und dem Ventilelement 6 vorgesehen. Dabei ist das Verbindungselement 9, welches im Wesentlichen die Form eines Zylinderstabes, insbesondere eines Rundstabes, aufweist, mit einem freien Ende in eine im Ventilelement 6 ausgebildete Öffnung eingesteckt. Das freie Ende des Verbindungselements 9 ist distal zu einem mit dem Antriebselement 8 verbundenen Ende angeordnet. Das Verbindungselement 9 weist somit am freien Ende ein Außengewinde als erstes Element der Gewindepaarung auf, während innerhalb der Öffnung des Ventilelements 6 ein Innengewinde als zweites Element der Gewindepaarung ausgebildet ist.
-
Mit der äußeren Form des sich im Wesentlichen in der axialen Richtung erstreckenden, quaderförmigen Ventilelements 6, welche mit der Form des inneren Volumen des Gehäuses 2 korrespondiert, wird das linear in der axialen Bewegungsrichtung 10 bewegte Ventilelement 6, eine Rotationsbewegung um die axiale Richtung beziehungsweise die Längsachse des Ventilelements 6 verhindernd, gehalten. Die Linearbewegung in der axialen Richtung wird zugelassen. Das Ventilelement 6 wird durch die Rotationsbewegung des Antriebselements 8 ohne eigene Rotation um die Längsachse in der Linearbewegung in Bewegungsrichtung 10 bewegt.
-
Alternativ könnte die insbesondere als Gewinde ausgebildete Übertragungsanordnung auch innerhalb des Motors vorgesehen sein, sodass das Verbindungselement 9 in Kombination mit dem Ventilelement 6 in der translatorischen Hubbewegung verschoben wird.
-
Durch das lineare Bewegen des Ventilelements 6 mit einer Durchgangsöffnung 7 in einer Bewegungsrichtung 10 wird der erste Anschluss 3 als Einlass für das Kältemittel entweder mit dem zweiten Anschluss 4 als erstem Auslass für das Kältemittel, gemäß 1b, oder dem dritten Anschluss 5 als zweitem Auslass für das Kältemittel, gemäß 1c, verbunden.
-
Die sich jeweils gegenüberliegend angeordneten Seitenflächen und Stirnflächen 6a, 6b des Ventilelements 6 sind parallel zueinander sowie jeweils parallel zu sich ebenfalls jeweils gegenüberliegend angeordneten Seitenflächen und Stirnflächen 2a, 2b des das innere Volumen ausbildenden Gehäuses 2 sowie zu sich ebenso jeweils gegenüberliegend angeordneten äußeren Seitenflächen und Stirnflächen des Gehäuses 2 ausgerichtet. Die Seitenflächen des Ventilelements 6 und des das innere Volumen ausbildenden Gehäuses 2 liegen jeweils einen Spalt zum Bewegen des Ventilelements 6 innerhalb des inneren Volumens des Gehäuses 2 relativ zum Gehäuse 2 belassend, aneinander an. Folglich sind der Querschnitt des inneren Volumens des Gehäuses 2 senkrecht zur Längsachse der Vorrichtung 1, in welchem das Ventilelement 6 angeordnet ist, und der entsprechende Querschnitt des Ventilelements 6 zuzüglich des Spaltes als Spiel zum Bewegen des Ventilelements 6 relativ zum Gehäuse 2 in Form und Dimensionen gleich. Das innere Volumen des Gehäuses 2 und die Form des Ventilelements 6 unterscheiden sich im Wesentlichen in der Ausdehnung in Längsrichtung.
-
Zwischen den zueinander ausgerichteten ersten Stirnflächen 2a, 6a des das innere Volumen ausbildenden Gehäuses 2 sowie des Ventilelements 6 ist eine erste Druckkammer 11a und zwischen den zueinander ausgerichteten zweiten Stirnflächen 2b, 6b des das innere Volumen ausbildenden Gehäuses 2 sowie des Ventilelements 6 ist eine zweite Druckkammer 11b jeweils als ein freies und in der Größe veränderliches Volumen zum Aufnehmen von Kältemittel vorgesehen. Die Druckkammern 11a, 11b werden zudem jeweils von Seitenflächen des das innere Volumen ausbildenden Gehäuses 2 begrenzt. Die Summe der Volumina der Druckkammern 11a, 11b ist konstant. Die Volumina der Druckkammern 11a, 11b werden durch die lineare Bewegung des Ventilelements 6 in der Bewegungsrichtung 10 verändert. Die Druckkammern 11a, 11b sind zum einen mit der Durchgangsöffnung des ersten Anschlusses 3 des Gehäuses 2 sowie zum anderen über einen Verbindungskanal 12 strömungstechnisch miteinander verbunden, sodass das die Druckkammern 11a, 11b beaufschlagende Kältemittel je nach Bewegungsrichtung 10 des Ventilelements 6 zwischen den Druckkammern 11a, 11b überströmt. Der Verbindungskanal 12 kann dabei, gemäß der 1b bis 1d, innerhalb des Ventilelements 6, beispielsweise auch als eine Abflachung oder Fase auf einer Seite des Ventilelements 6, oder innerhalb der Wandung, insbesondere einer Seitenwandung des Gehäuses 2, sich zwischen den Stirnflächen 6a, 6b erstreckend, ausgebildet sein.
-
Die Durchgangsöffnung 7 des Ventilelements 6 erstreckt sich von einer ersten Seitenfläche beziehungsweise einer ersten Längsseite des Ventilelements 6 zu einer zweiten Seitenfläche beziehungsweise einer zweiten Längsseite des Ventilelements 6 durch das Ventilelement 6 hindurch. Der Einlass der Durchgangsöffnung 7 ist auf der Längsseite des Ventilelements 6 vorgesehen, welche an der Seitenfläche der Wandung des Gehäuses 2 mit dem ersten Anschluss 3 anliegt, während der Auslass der Durchgangsöffnung 7 auf der Längsseite des Ventilelements 6 vorgesehen ist, welche an der Seitenfläche der Wandung des Gehäuses 2 mit dem zweiten Anschluss 4 und dem dritten Anschlusses 5 anliegt. Dabei sind der Einlass der Durchgangsöffnung 7 des Ventilelements 6 mit der Durchgangsöffnung des ersten Anschlusses 3 des Gehäuses 2 sowie der Auslass der Durchgangsöffnung 7 des Ventilelements 6 jeweils mit der Durchgangsöffnung des zweiten Anschlusses 4 und des dritten Anschlusses 5 des Gehäuses 2 korrespondierend ausgebildet. Die Durchmesser der kreisrunden Strömungsquerschnitte der miteinander korrespondierenden Durchgangsöffnungen der Anschlüsse 3, 4, 5 und der Durchgangsöffnung 7 des Ventilelements 6 sind gleich groß. Der Durchmesser des Strömungsquerschnitts der Durchgangsöffnung 7 des Ventilelements 6 ist im Wesentlichen konstant.
-
Die Durchgangsöffnung 7 des Ventilelements 6 ist derart ausgerichtet, dass die Durchgangsöffnung 7 je nach Betriebsstellung der Vorrichtung 1 in einer Flucht zu den Durchgangsöffnungen des zweiten Anschlusses 4, gemäß 1b, beziehungsweise des dritten Anschlusses 5, gemäß 1d, angeordnet ist.
-
Die Durchgangsöffnung des ersten Anschlusses 3 ist in der Richtung x mittig zwischen den Durchgangsöffnungen des zweiten Anschlusses 4 sowie des dritten Anschlusses 5 ausgebildet. Die Symmetrieachsen der Durchgangsöffnungen der Anschlüsse 3, 4, 5 sind in einer gemeinsamen durch die Richtungen x und z aufgespannten Ebene angeordnet und verlaufen parallel zueinander.
-
Das Ventilelement 6 ist mit der Durchgangsöffnung 7 innerhalb des Gehäuses 2 mit den Anschlüssen 3, 4, 5 sowie den dazugehörigen Durchgangsöffnungen derart beweglich angeordnet, Durchströmöffnungen für das Kältemittel zu blockieren oder teilweise beziehungsweise vollständig freizugeben. Das Ventilelement 6 ist zudem zum Gehäuse 2 hin fluiddicht abgedichtet, um gezielt Durchgänge für das Kältemittel bereitzustellen. Die Fertigungstoleranzen des Gehäuses 2 und des Ventilelements 6 sind derart gewählt, dass das Kältemittel lediglich durch die Anschlüsse 3, 4, 5 des Gehäuses 2 mit den dazugehörigen Durchgangsöffnungen sowie die Durchgangsöffnung 7 des Ventilelements 6 strömen kann und unerwünschte Bypassströmungen zwischen der Oberfläche des Ventilelements 6 und dem Gehäuse 2 vermieden werden.
-
Die Geometrie der Durchgangsöffnung 7 des Ventilelements 6, insbesondere des Strömungsquerschnitts des zum jeweiligen als Auslass für das Kältemittel ausgebildeten Anschlusses 4, 5 des Gehäuses 2 weisenden Endes, auch als Auslassebene der Durchgangsöffnung 7 bezeichnet, ist von der kreisrunden Form verschiedentlich abweichend ausgebildet, um die Funktionalität des Entspannens des Kältemittels beim Ausströmen des Kältemittels aus dem Gehäuse 2 der Vorrichtung 1 zu gewährleisten.
-
In 1d ist die Vorrichtung 1 aus 1a in einer Betriebsstellung mit der Funktion des Expandierens des durch den Anschluss 3 in die Vorrichtung 1 einströmenden und durch den Anschluss 5 aus der Vorrichtung 1 ausströmenden Kältemittels in einer Schnittdarstellung gezeigt, während in 1e die Vorrichtung 1 aus 1a in der Betriebsstellung nach 1d in einer Draufsicht gezeigt ist. Zum Expandieren des Kältemittels ist lediglich ein Teilbereich des maximal möglichen Strömungsquerschnitts geöffnet. Der Anschluss 4 ist geschlossen.
-
Aus den 2a und 2b geht jeweils ein Strömungsquerschnitt 13a, 13b einer Durchgangsöffnung 7a, 7b des Ventilelements 6 mit einer Nut 14a, 14b, auch als Expansionskerbe oder Steuerkerbe bezeichnet, in der Auslassebene der Durchgangsöffnung 7a, 7b hervor. Die Nut 14a, 14b ist am Rand der Durchgangsöffnung 7a, 7b des Ventilelements 6 angeordnet.
-
Der Strömungsquerschnitt 13a der Nut 14a der Durchgangsöffnung 7a nach 2a ist sich mit zunehmendem Abstand vom Mittelpunkt der Durchgangsöffnung 7a, das heißt in Richtung x, verjüngend ausgebildet und weist folglich die Form eines Dreiecks, insbesondere eines gleichschenkligen, speziell als eines gleichseitigen Dreiecks, auf. Damit weist der Strömungsquerschnitt 13a der Durchgangsöffnung 7a am zum Anschluss 4, 5 des Gehäuses 2 weisenden Ende die Form eines Kreises mit spitzkerbenähnlicher Ausformung beziehungsweise eines Steuertropfens auf.
-
Der Strömungsquerschnitt 13b der Nut 14b der Durchgangsöffnung 7b nach 2b ist in Richtung x mit einer konstanten Breite ausgebildet und weist folglich die Form ähnlich eines Rechtecks auf. Damit weist der Strömungsquerschnitt 13b der Durchgangsöffnung 7b am zum Anschluss 4, 5 des Gehäuses 2 weisenden Ende die Form eines Kreises mit rechteckiger Ausformung auf.
-
In Längsrichtung der Durchgangsöffnung 7a, 7b, welche der Richtung z entspricht, ist der Strömungsquerschnitt 13a, 13b der Durchgangsöffnung 7a, 7b bis in eine vorgegebene Tiefe innerhalb des Ventilelements 6 in Richtung z entweder konstant und die Nuten 14a, 14b weisen jeweils eine konstante Ausdehnung in Richtung x auf oder der Strömungsquerschnitt 13a, 13b der Durchgangsöffnung 7a, 7b nimmt bis in die vorgegebene Tiefe innerhalb des Ventilelements 6 in Richtung z stetig ab und die Nuten 14a, 14b sind sich mit zunehmendem Abstand vom zum Auslass für das Kältemittel ausgebildeten Anschluss 4, 5 des Gehäuses 2 weisenden Ende, das heißt der Auslassebene der Durchgangsöffnung 7a, 7b, von der Symmetrieachse der Durchgangsöffnung 7a, 7b verjüngender Ausdehnung ausgebildet. Damit weist die Nut 14a, 14b in Richtung x entweder eine konstante oder eine sich mit zunehmendem Abstand von der Auslassebene der Durchgangsöffnung 7a, 7b, insbesondere stetig, geringer werdende Ausdehnung auf.
-
Alternativ kann die Nut 14a, 14b auch über der gesamten Länge der Durchgangsöffnung 7 ausgebildet sein, was insbesondere auch aus 1d hervorgeht.
-
Die Funktion des Entspannens des Kältemittels wird mit der Anordnung des Ventilelements 6 innerhalb des Gehäuses 2, insbesondere der relativen Anordnung des Strömungsquerschnitts der Durchgangsöffnung eines als Auslass ausgebildeten Anschlusses 4, 5 und des Strömungsquerschnitts 13a, 13b der Durchgangsöffnung 7a, 7b des Ventilelements 6 eingestellt. Dabei wird das Ventilelement 6 derart bewegt und angeordnet, dass sich der Strömungsquerschnitt 13a, 13b der Durchgangsöffnung 7a, 7b des Ventilelements 6 und der Strömungsquerschnitt einer der Anschlüsse 4, 5 lediglich im Bereich der Nut 14a, 14b überlappen. Mit einer Bewegung des Ventilelements 6 in der Bewegungsrichtung 10 kann der Strömungsquerschnitt für das Kältemittel durch die Vorrichtung 1 vergrößert oder verringert werden, um die Expansionsfunktion zu steuern.
-
In 3a und 3b ist der jeweilige Strömungsquerschnitt 13a, 13b der Durchgangsöffnung 7a, 7b des Ventilelements 6 mit Nut 14a ,14b aus den 2a und 2b in Verbindung mit einer der Durchgangsöffnungen eines Anschlusses 4, 5 des Gehäuses 2, insbesondere eines Auslasses für das Kältemittel, gezeigt. Dabei ist insbesondere in 3a eine Detailansicht der Anordnung der Durchgangsöffnung 7a des Ventilelements 6 und der Durchgangsöffnung des als Auslass ausgebildeten Anschlusses 5 aus 1e dargestellt.
-
Bei vollständig geöffneten Durchgang für das Kältemittel durch die Vorrichtung 1 ist das Ventilelement 6 derart innerhalb des Gehäuses 2 ausgerichtet, dass die Symmetrieachsen der Durchgangsöffnung des ersten Anschlusses 3 des Gehäuses 2, der Durchgangsöffnung 7a, 7b des Ventilelements 6 und die Durchgangsöffnung des zweiten Anschlusses 4, gemäß 1b, oder des dritten Anschlusses 5, gemäß 1c, koaxial zueinander beziehungsweise auf einer gemeinsamen Achse angeordnet sind. Dabei strömt das Kältemittel jeweils durch den als Einlass ausgebildeten ersten Anschluss 3 in die Vorrichtung 1 ein, wird über den Verbindungskanal 12 zur Durchgangsöffnung 7 geleitet und strömt je nach Betriebsstellung des Ventilelements 6 durch einen als Auslass ausgebildeten Anschluss 4, 5 aus der Vorrichtung 1 aus. Das Ventilelement 6 ist folglich derart ausgebildet, dass die Durchgangsöffnung 7, 7a, 7b mit dem Verbindungskanal 12, ein gemeinsames Volumen ausbildend, verbunden ist.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Vorrichtung
- 2
- Gehäuse
- 2a
- erste Stirnfläche
- 2b
- zweite Stirnfläche
- 3
- erster Anschluss, Einlass
- 4
- zweiter Anschluss, erster Auslass
- 5
- dritter Anschluss, zweiter Auslass
- 6
- Ventilelement
- 6a
- erste Stirnfläche
- 6b
- zweite Stirnfläche
- 7, 7a, 7b
- Durchgangsöffnung Ventilelement 6
- 8
- Antriebselement Ventilelement 6
- 9
- Verbindungselement Antriebselement 8
- 10
- Bewegungsrichtung Ventilelement 6
- 11a
- erste Druckkammer
- 11b
- zweite Druckkammer
- 12
- Verbindungskanal Druckkammern 11a, 11b
- 13a, 13b
- Strömungsquerschnitt
- 14a, 14b
- Nut
- x, y, z
- Richtung
