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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Verteilen eines Fluids in einem Fluidkreislauf, insbesondere eines Kältemittels in einem Kältemittelkreislauf. Der Kältemittelkreislauf kann als eine Komponente eines thermischen Systems eines Kraftfahrzeugs zum Konditionieren eines einem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstroms beziehungsweise einer Komponente eines Antriebsstrangs vorgesehen sein. Die Vorrichtung weist ein Gehäuse mit Anschlusselementen zum Verbinden mit Fluidleitungen des Fluidkreislaufs und Durchströmöffnungen sowie ein innerhalb des Gehäuses angeordnetes Ventilelement mit Durchgangsöffnungen und einem Antriebselement zum Bewegen des Ventilelements relativ zum Gehäuse auf. Das Gehäuse und das Ventilelement sind miteinander korrespondierend, ein Volumen umschließend ausgebildet und angeordnet.
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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. So wird bei herkömmlichen Kraftfahrzeugen zur Erwärmung der Zuluft für den Fahrgastraum beispielsweise die Abwärme des Motors genutzt. Die Abwärme wird mittels eines in einem Motorkühlmittelkreislauf umgewälzten Kühlmittels zur Klimaanlage transportiert und dort über einen Heizungswärmeübertrager an die in den Fahrgastraum einströmende Luft übertragen.
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Bekannte Systeme mit Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager, welche die Heizleistung aus dem Kühlmittelkreislauf eines effizienten Verbrennungsmotors des Fahrzeugantriebs beziehen, erreichen bei niedrigen Umgebungstemperaturen nicht mehr das für eine komfortable Aufheizung des Fahrgastraums erforderliche Niveau, um den Gesamtwärmebedarf des Fahrgastraums zu decken. Ähnliches gilt für Systeme in Kraftfahrzeugen mit Hybridantrieb, das heißt Kraftfahrzeugen mit sowohl elektromotorischem als auch verbrennungsmotorischem Antrieb.
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Zudem weisen herkömmliche Kraftfahrzeuge mit Hybridantrieb und Kraftfahrzeuge mit rein elektromotorischem Antrieb, kurz als Elektrofahrzeuge bezeichnet, einerseits aufgrund der Ausbildung mit zusätzlichen Komponenten, insbesondere des elektrischen Antriebsstrangs, meist einen höheren Wärmebedarf beziehungsweise Kältebedarf als Kraftfahrzeuge mit einem reinen verbrennungsmotorischen Antrieb auf. Andererseits reicht bei bekannten Kraftfahrzeugen mit Hybridantrieb sowie Elektrofahrzeugen die Heizleistung aus dem Kühlmittelkreislauf des Antriebsmotors nicht für eine komfortable Aufheizung der Luft des Fahrgastraums aus.
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Aus dem Stand der Technik ist es nunmehr 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. So 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 für den Fahrgastraum übertragen wird. Beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs im Kälteanlagenmodus kann Wärme aus dem Fahrgastraum beziehungsweise aus der Zuluft zum Fahrgastraum oder anderen Komponenten aufgenommen und an die Umgebung übertragen werden. Dabei sind innerhalb der thermischen Systeme 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.
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In der
DE 10 2013 206 626 A1 wird ein Kältemittelkreislauf zur Klimatisierung eines Kraftfahrzeugs offenbart. Der Kältemittelkreislauf weist einen Verdichter sowie mehrere als Verdampfer beziehungsweise Kondensatoren betriebene Wärmeübertrager zur Übertragung von Wärme mit dem Kältemittel auf. Dabei ist der Kältemittelkreislauf mit mindestens drei Verdampfern und zwei Kondensatoren ausgebildet, wobei jedem Verdampfer ein Expansionsventil zum Entspannen des Kältemittels vorgeschaltet und jedem Kondensator ein Rückschlagventil zum Vermeiden von Kältemittelverlagerungen innerhalb des Kältemittelkreislaufs nachgeschaltet angeordnet ist. Die Komponenten des Kältemittelkreislaufs, insbesondere die große Anzahl an Ventilen, sind jeweils über Verbindungsleitungen im Kältemittelkreislauf integriert.
Dabei ist jedes Ventil für das Ausführen lediglich einer Funktion ausgebildet, sodass jeweils eine Vielzahl an Ventilen und Verbindungsleitungen erforderlich ist, was neben hohen Kosten auch ein hohes Gewicht des Kältemittelkreislaufs verursacht und eines erheblichen Bauraums bedarf.
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Aus der
DE 10 2017 101 208 A1 geht ein Ventil für ein Wärmepumpensystem in einem Kraftfahrzeug mit einem Einlass, zwei Auslässen und einem kugelförmigen, um eine Symmetrieachse drehbaren Ventilelement hervor. Das Ventilelement weist einen Durchlass und eine Expansionsausnehmung auf, welche mit einem Auslass des Ventils in Strömungsverbindung gebracht werden kann.
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In der
DE 10 2014 105 097 A1 wird eine Ventilblockanordnung für mehrere Ventile, insbesondere Expansionsventile beziehungsweise Absperrventile, beschrieben. Die Anordnung weist einen Ventilblock mit mehreren Strömungspfaden für Fluide sowie mehrere kugelförmige, jeweils um eine Symmetrieachse drehbare Ventilelemente als Verstelleinheiten mit zugeordneten Antriebseinheiten auf. Der Ventilblock ist zweiteilig aus einem Strömungspfadelement mit den Strömungspfaden und einem Begrenzungselement ausgebildet. Die Ventilblockanordnung weist dabei speziell vier in einem Block zusammengefasste Kältemittelventile auf, beispielsweise um die Anzahl der Verbindungsleitungen im Kältemittelkreislauf zu reduzieren.
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Die sehr komplexe Ausbildung der zweiteiligen Ventilblockanordnung mit jeweils zwei Ventilelementen und Antriebseinheiten fordert zusätzliche Komponenten, wie Dichtungen, Führungen und Verschraubungen, was wiederum hohe Herstellungskosten, einen großen Bauraum, eine hohe Fehleranfälligkeit bei der Montage, hohe Anforderungen an die Dichtheit und Festigkeit sowie ein hohes Gewicht verursacht. Zudem sind kugelförmige Ventilelemente sehr präzise zu fertigen, was die Herstellungskosten ebenfalls erhöht. Des Weiteren treten bei hohen Druckdifferenzen zwischen dem Einlass und dem Auslass hohe Reibungskräfte zwischen dem kugelförmigen Ventilelement und einem kombinierten Dicht-Lager-Element auf.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Verteilen eines Fluids in einem Fluidkreislauf, insbesondere in einem Kältemittelkreislauf eines thermischen Systems eines Kraftfahrzeugs. Dabei sollen mit einer minimalen Anzahl an Komponenten eine maximale Anzahl an Wärmequellen und Wärmesenken des thermischen Systems kältemittelseitig miteinander verbunden werden. Zudem sollen die Herstellungs-, Wartungs- und Betriebskosten sowie der erforderliche Bauraum, das Gewicht und die Montagezeit der Vorrichtung minimal sein. Das thermische System soll mit maximaler Effizienz betreibbar sein.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände mit den Merkmalen der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Verteilen eines Fluids in einem Fluidkreislauf, insbesondere eines Kältemittels in einem Kältemittelkreislauf, gelöst. Die Vorrichtung weist ein Gehäuse mit Anschlusselementen zum Verbinden der Vorrichtung mit Fluidleitungen des Fluidkreislaufs und Durchströmöffnungen sowie ein innerhalb des Gehäuses angeordnetes Ventilelement mit Durchgangsöffnungen und einem Antriebselement zum Bewegen des Ventilelements relativ zum Gehäuse auf. Das Gehäuse und das Ventilelement sind miteinander korrespondierend, ein Volumen umschließend ausgebildet und angeordnet.
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Nach der Konzeption der Erfindung weist das Ventilelement eine Trennwand zum Unterteilen des Volumens in ein erstes Teilvolumen und ein zweites Teilvolumen auf. Mit der Anordnung des Ventilelements mit den Durchgangsöffnungen zum Gehäuse mit den Durchströmöffnungen ist mindestens ein Strömungsquerschnitt eines Strömungspfades durch das Gehäuse mit den Anschlusselementen und durch das Ventilelement steuernd ausgebildet. Dabei sind zwischen den beiden Teilvolumina sowie den Teilvolumina und den Anschlusselementen durch die Durchgangsöffnungen Strömungspfade öffenbar und verschließbar.
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Das Gehäuse ist vorteilhaft hohlzylinderförmig, insbesondere hohlkreiszylinderförmig, mit geschlossenen Stirnseiten und einer Mittelachse ausgebildet. Der Hohlzylinder weist dabei insbesondere die Form eines geraden Zylinders mit parallel zueinander angeordneten Stirnseiten auf.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind mindestens zwei Anschlusselemente an einer Mantelfläche des Gehäuses derart ausgebildet, dass jeweils eine erste Durchströmöffnung und eine zweite Durchströmöffnung des Gehäuses fluidtechnisch miteinander sowie mit einem Stutzen zum Anschließen einer Fluidleitung verbunden sind. Dabei sind die Teilvolumina der Vorrichtung über erste Durchgangsöffnungen und zweite Durchgangsöffnungen des Ventilelements sowie die Durchströmöffnungen des Gehäuses miteinander verbindbar.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass jeweils ein Anschlusselement an einer der geschlossenen Stirnseiten des Gehäuses angeordnet ist. Dabei kann ein an einer ersten Stirnseite des Gehäuses angeordnetes erstes Anschlusselement mit einer Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufs verbunden sein, während ein an einer zweiten Stirnseite des Gehäuses angeordnetes zweites Anschlusselement mit einer Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufs verbunden sein kann.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind in der Mantelfläche des Gehäuses ausgebildete erste Durchströmöffnungen in einer gemeinsamen ersten Ebene und in der Mantelfläche des Gehäuses ausgebildete zweite Durchströmöffnungen in einer gemeinsamen zweiten Ebene angeordnet. Die Ebenen sind jeweils von Richtungen x, y aufgespannt und in einer Längsrichtung z voneinander beabstandet angeordnet. Die Richtungen x, y, z sind jeweils senkrecht zueinander ausgerichtet. Dabei können zwei Durchströmöffnungen einer Ebene jeweils diametral gegenüberliegend am Gehäuse ausgebildet sein.
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Eine erste Durchströmöffnung und eine zweite Durchströmöffnung sind vorzugsweise jeweils in der Längsrichtung z beabstandet zueinander auf einer Mantellinie des Gehäuses angeordnet.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist das Ventilelement hohlzylinderförmig, insbesondere hohlkreiszylinderförmig, ausgebildet. Dabei sind eine Rotationsachse des Ventilelements und die Mittelachse des Gehäuses deckungsgleich zueinander in der Längsrichtung z ausgerichtet und das Ventilelement mit einer Mantelfläche koaxial zum Gehäuse angeordnet. Durch die Rotation des Ventilelements um die Rotationsachse wird die relative Bewegung des Ventilelements zum feststehenden Gehäuse bewirkt.
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Das Ventilelement weist vorzugsweise zwei offene Stirnseiten und die Trennwand auf, welche das von der Mantelfläche in Umfangsrichtung umschlossene Volumen in die zwei Teilvolumina unterteilt. Dabei ist das Ventilelement mit den offenen Stirnseiten jeweils zu einer geschlossenen Stirnseite des Gehäuses hin derart ausgerichtet angeordnet, dass jedes Teilvolumen von der Mantelfläche und der Trennwand des Ventilelements sowie einer geschlossenen Stirnseite des Gehäuses begrenzt ist. Zudem sind die vom Ventilelement und vom Gehäuse umschlossenen Teilvolumina an Kontaktflächen des Ventilelements zum Gehäuse fluiddicht.
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Das Ventilelement ist vorteilhaft als ein gerader Zylinder ausgebildet, bei welchem die Stirnseiten sowie die Trennwand jeweils in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse des Ventilelements angeordnet sind. Die Ebene der Trennwand ist bevorzugt zwischen den zwei beabstandet zueinander angeordneten Ebenen der Durchströmöffnungen des Gehäuses ausgerichtet. Das Ventilelement ist an den Stirnseiten des Gehäuses bevorzugt jeweils über ein Achslager am Gehäuse abgestützt angeordnet.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist das Ventilelement mindestens drei in der Mantelfläche des Ventilelements ausgebildete Durchgangsöffnungen auf. Dabei sind erste Durchgangsöffnungen in einer gemeinsamen ersten Ebene jeweils in das erste Teilvolumen einmündend und zweite Durchgangsöffnungen in einer gemeinsamen zweiten Ebene jeweils in das zweite Teilvolumen einmündend angeordnet. Die Ebenen sind jeweils von den Richtungen x, y aufgespannt und in der Längsrichtung z voneinander beabstandet derart angeordnet, dass die erste Ebene in einer Ebene erster Durchströmöffnungen des Gehäuses und die zweite Ebene in einer Ebene zweiter Durchströmöffnungen des Gehäuses ausgerichtet sind.
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Die Trennwand des Ventilelements ist in der Längsrichtung z zwischen den beabstandet zueinander angeordneten Ebenen der Durchgangsöffnungen des Ventilelements ausgebildet.
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Jeweils in einer Ebene benachbart zueinander angeordnete Durchgangsöffnungen des Ventilelements sind vorteilhaft in einem ganzzahligen Vielfachen eines Winkels von 30° versetzt zueinander ausgerichtet.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Durchströmöffnungen des Gehäuses und die Durchgangsöffnungen des Ventilelements derart miteinander korrespondierend ausgebildet und zueinander anordenbar, dass das Fluid beim Durchströmen des geöffneten Strömungspfades expandiert. Die Durchströmöffnungen des Gehäuses beziehungsweise die vorzugsweise jeweils mit einem im Wesentlichen kreisrunden Strömungsquerschnitt mit konstantem Durchmesser ausgebildeten Durchgangsöffnungen des Ventilelements können an einem umfänglichen Rand Ausformungen, insbesondere Einkerbungen oder Einschnitte, aufweisen, um sehr kleine und gut einstellbare Strömungsquerschnitte einzustellen und derart den Massenstrom des Fluids zu dosieren.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass an der Oberfläche des Ventilelements, ausgehend von einem Rand der Durchgangsöffnung mindestens eine Nut ausgebildet ist, welche sich entlang einer radialen Richtung nach außen erstreckt. Dabei kann sich ein Strömungsquerschnitt der Nut der Durchgangsöffnung in radialer Richtung nach außen verjüngend oder mit einer konstanten Breite ausgebildet sein.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Ventilelement über ein Verbindungselement mit einem Antriebselement verbunden. Das Antriebselement ist dabei vorzugsweise im Bereich einer Stirnseite des Gehäuses außerhalb des Gehäuses angeordnet.
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Das Verbindungselement ist jeweils bevorzugt als eine Welle ausgebildet, wobei eine Rotationsachse des Verbindungselements deckungsgleich zur Mittelachse des Gehäuses angeordnet ist.
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Das Verbindungselement ist vorteilhaft jeweils an einem ersten Ende fest mit dem Antriebselement und an einem zum ersten Ende distal ausgebildeten zweiten Ende durch eine Stirnseite in das Gehäuse hineinragend und mit dem Ventilelement verbunden angeordnet.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das Ventilelement über das Verbindungselement an den Stirnseiten des Gehäuses jeweils über ein Achslager am Gehäuse abgestützt angeordnet ist. Dabei ist das Verbindungselement in einem Bereich einer Durchführung durch die erste Stirnseite des Gehäuses und mit dem zweiten Ende an der zweiten Stirnseite des Gehäuses jeweils über ein Radiallager geführt. Mindestens eines der Lager kann auch als ein Axial-Radial-Lager ausgebildet sein.
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Das Antriebselement ist bevorzugt als ein elektrischer Stellmotor, insbesondere als ein Schrittmotor, ausgebildet.
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Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Verteilen eines Fluids in einem Kältemittelkreislauf eines thermischen Systems, insbesondere eines Thermomanagementsystems, eines Kraftfahrzeugs beispielsweise zum Konditionieren mindestens eines einem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstroms beziehungsweise mindestens einer Komponente eines Antriebsstrangs. Die Vorrichtung dient dann als ein adaptives Mehrwege-Kältemittelventil für die Fahrzeugklimatisierung und kann anstelle verschiedener Kugelventile eingesetzt werden.
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Mit unterschiedlichen Modifikationen der Vorrichtung besteht die Möglichkeit, sämtliche herkömmliche Ventile mit kugelförmigen Ventilelementen, wie Absperrventile, Expansionsventile oder 3/2-Wege-Ventile, insbesondere für Kältemittel, zu ersetzen. Mit der speziell als Mehrwege-Ventil ausgebildeten erfindungsgemäßen Vorrichtung können die unterschiedlichen Anschlüsse je nach Bedarf in verschiedenen Kombinationen miteinander verbunden werden, um eine Vielzahl von Durchströmungspfaden zu gewährleisten.
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Das zylindrische Ventilelement ist einfach herzustellen, was einen hohen Kostenvorteil und Qualitätsvorteil der Vorrichtung bewirkt. Die Auswahlmöglichkeit der für das Ventilelement zu verwendenden Materialien ist groß.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist insbesondere als ein hochvariables Kältemittelventil mit einer Vielzahl von möglichen Durchströmungspfaden zusammenfassend weitere diverse Vorteile auf:
- - mit minimaler Anzahl an Komponenten, wie Antriebselementen, elektrischen Leitungen, Fluidleitungen und rotierenden Elementen, können eine maximale Anzahl an Wärmequellen und Wärmesenken des thermischen Systems kältemittelseitig miteinander verbunden werden,
- - minimaler Verschleiß durch minimale Reibung des Ventilelements, beispielsweise an Dichtelementen oder in Lagern, dadurch minimale Sekundärkosten, insbesondere für das Antriebselement beziehungsweise maximale Drehmomentreserve,
- - durch einfache Konstruktion minimale Herstellungs-, Wartungs- und Betriebskosten bei hoher Qualität der Vorrichtung und hohe fertigbare Stückzahl durch Vereinheitlichung von Ventiltypen, einfaches Anpassen verschiedener Ventiltypen und einfache Adaption an wechselnde Anforderungen sowie
- - maximale Effizienz beim Betrieb des thermischen Systems bei minimalem erforderlichen Bauraum der Vorrichtung.
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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 und 1b: eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Verteilen eines Fluids in einem Fluidkreislauf, insbesondere eines Ventils für Kältemittelkreisläufe eines thermischen Systems eines Kraftfahrzeugs, in einer perspektivischen Seitenansicht sowie einer seitlichen Schnittdarstellung,
- 2a bis 2e: jeweils Stellungen der Vorrichtung aus 1 abhängig vom Betriebsmodus des Kältemittelkreislaufs in einer Draufsicht,
- 3a: eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Verteilen eines Fluids in einem Fluidkreislauf in einer Betriebsstellung in einer perspektivischen Seitenansicht,
- 3b: eine Mantelfläche eines Ventilelements der Vorrichtung aus 3a mit über einen Umfang verteilt angeordneten Durchgangsöffnungen sowie
- 4a bis 4c: jeweils ein Ventilelement mit einer Durchgangsöffnung und den jeweiligen Strömungsquerschnitt der Durchgangsöffnung des Ventilelements in Verbindung mit einer Durchströmöffnung eines Anschlusses des Gehäuses.
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Aus den 1a und 1b geht jeweils eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung 1 zum Regeln eines Durchflusses und Verteilen eines Fluids in einem Fluidkreislauf, insbesondere eines Ventils für Kältemittelkreisläufe eines thermischen Systems eines Kraftfahrzeugs, in einer perspektivischen Seitenansicht gemäß 1a sowie einer seitlichen Schnittdarstellung gemäß 1b hervor.
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Die Vorrichtung 1 weist ein Gehäuse 2 und ein Ventilelement 4 sowie ein Antriebselement 12 zum Bewegen des Ventilelements 4 mit einem Verbindungselement 13 als Verbindung zum Ventilelement 4 auf. Das Antriebselement 12 und das Verbindungselement 13 sind in 1a nicht dargestellt. Das als ein Hohlkreiszylinder mit einer Mittelachse 3 ausgebildete Gehäuse 2 ist an den Stirnseiten 2a, 2b mittels Abschlusselementen verschlossen. Die Mittelachse 3 ist in einer vertikal verlaufenden Längsrichtung z ausgerichtet. Die Stirnseiten 2a, 2b des Gehäuses 2 sind parallel zueinander angeordnet.
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Das als eine Welle beziehungsweise als ein Stellschaft ausgebildete Verbindungselement 13 ist gemäß 1b an einem ersten Ende fest mit dem Antriebselement 12 verbunden. Mit dem zum ersten Ende distal ausgebildeten zweiten Ende ist das Verbindungselement 13 durch das Abschlusselement einer ersten Stirnseite 2a in das Gehäuse 2 hineinragend angeordnet. Die Längsachse des Verbindungselements 13 ist deckungsgleich auf der Mittelachse 3 des Gehäuses 2 angeordnet. Das Antriebselement 12 ist als Stellmotor zum Antreiben des Verbindungselements 13 ausgebildet.
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Das rotationssymmetrisch um die in der Längsrichtung z ausgerichtete Mittelachse 3 ausgebildete hohlkreiszylinderförmige Gehäuse 2 weist eine Vielzahl von als Stutzen ausgebildete Anschlusselemente 2-1, 2-2, 2-3, 2-4, insbesondere vier Anschlusselemente 2-1, 2-2, 2-3, 2-4, zum Verbinden mit Fluidleitungen, speziell Kältemittelleitungen, auf.
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Dabei ist jeweils ein Anschlusselement 2-1, 2-2 an einer der sich gegenüberliegenden, geschlossenen Stirnseite 2a, 2b des Gehäuses 2 angeordnet, während zwei Anschlusselemente 2-3, 2-4 an der Mantelfläche des Gehäuses 2 vorgesehen sind. Die zwei an der Mantelfläche des Gehäuses 2 sich diametral gegenüberliegend angeordneten Anschlusselemente 2-3, 2-4 sind derart ausgebildet, dass jeweils zwei Durchströmöffnungen 5, 6 des Gehäuses 2 fluidtechnisch miteinander sowie mit einem Stutzen zum Anschließen einer Fluidleitung verbunden sind. Dabei ist das Anschlusselement 2-3, 2-4 beispielsweise mit einem T-förmigen Kanal ausgebildet.
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Die in der Mantelfläche des Gehäuses 2 ausgebildeten ersten Durchströmöffnungen 5 sind in einer gemeinsamen ersten, von horizontalen Richtungen x, y aufgespannten Ebene angeordnet, während die in der Mantelfläche des Gehäuses 2 ausgebildeten zweiten Durchströmöffnungen 6 in einer gemeinsamen zweiten, von den horizontalen Richtungen x, y aufgespannten Ebene angeordnet sind. Die erste horizontal ausgerichtete Ebene und die zweite horizontal ausgerichtete Ebene sind in der vertikalen Richtung z voneinander beabstandet.
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Die Durchströmöffnungen 5, 6 einer Ebene sind sich jeweils diametral gegenüberliegend am Gehäuse 2 ausgebildet. Dabei sind jeweils eine erste Durchströmöffnung 5 der ersten Ebene und eine zweite Durchströmöffnung 6 der zweiten Ebene in der Längsrichtung z beabstandet zueinander auf einer Mantellinie des kreiszylindrischen Gehäuses 2 angeordnet. Die jeweils auf einer Mantellinie des Gehäuses 2 vorgesehenen Durchströmöffnungen 5, 6 und die dazugehörigen an der Mantelfläche des Gehäuses 2 ausgebildeten zwei Anschlusselemente 2-3, 2-4 können auch in vom 180°-Winkel abweichenden Winkeln versetzt zueinander ausgerichtet sein, um die Vorrichtung 1 beispielsweise an einen vorhandenen Bauraum anzupassen.
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Zudem können sowohl die Gesamtanzahl der Anschlusselemente des Gehäuses 2 als auch die Anzahl der Durchgangsöffnungen 5, 6 einer Ebene des Gehäuses 2 je nach Bedarf variieren. Die Anzahlen sind dabei jeweils lediglich durch die Geometrie der Anschlusselemente beziehungsweise Durchgangsöffnungen selbst und den Durchmesser des Gehäuses 2 begrenzt.
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Mit dem an der in vertikaler Richtung y ausgerichteten ersten Stirnseite 2a der Vorrichtung 1 angeordneten Antriebselement 12 wird eine Drehbewegung des mit dem Antriebselement 12 verbundenen Verbindungselements 13 um die Längsachse 3 erzeugt, welche an das mit dem Verbindungselement 13 gekoppelte Ventilelement 4 übertragen wird. Mit dem Antriebselement 12 kann das Ventilelement 4 relativ zum Gehäuse 2 um eine Rotationsachse 3 bewegt werden. Die Rotationsachse 3 des Ventilelements 4, die Längsachse 3 des Verbindungselements 13 und die Mittelachse 3 des Gehäuses 2 sind deckungsgleich zueinander in Längsrichtung z ausgerichtet angeordnet. Das Ventilelement 4 ist an der ersten Stirnseite 2a über ein nicht dargestelltes, als eine Achsdurchführung ausgebildetes Achslager sowie an der zweiten Stirnseite 2b über ein nicht dargestelltes Achslager am Gehäuse 2 abgestützt angeordnet. Die Achslager sind insbesondere als Radiallager konfiguriert, wobei das an der zweiten Stirnseite 2b des Gehäuses 2 vorgesehene Lager vorzugsweise auch als ein Axial-Radial-Lager ausgebildet sein kann. Durch die Aufnahme der Kraft senkrecht zur Rotationsachse 3 wirkt keine Kraft auf Dichtungen und die Reibung wird minimiert. Je geringer die Reibung ist, umso geringer ist die Kraft zum Betätigen und Antreiben des Ventilelements 4. Bei minimalem Drehmoment kann ein kleines und kostengünstiges Antriebselement 12 verwendet werden oder die Kraftreserve ist höher. Zudem Gewährleisten die Achslager eine optimal fluchtende Anordnung des Ventilelements 4 innerhalb des Gehäuses 2.
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Das Ventilelement 4 ist hohlzylinderförmig mit einem kreisrunden Querschnitt ausgebildet und weist die Form einer Hülse mit offenen Stirnflächen auf, welche jeweils in Längsrichtung z und damit zu den geschlossenen Stirnseiten 2a, 2b des Gehäuses 2 weisen. Ein vom Ventilelement 4 und vom Gehäuse 2 umschlossenes Volumen 7 wird durch eine innere Mantelfläche des Ventilelements 4 und die Stirnseiten 2a, 2b des Gehäuses 2 begrenzt.
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Eine äußere Mantelfläche des Ventilelements 4 ist mit einem Durchmesser ausgebildet, welcher einem Innendurchmesser einer inneren Mantelfläche des Gehäuses 2 abzüglich eines Spalts zum Bewegen des Ventilelements 4 in Bezug zum Gehäuse 2 entspricht. Das Ventilelement 4 ist fluiddicht zum Gehäuse 2 hin abgedichtet, um lediglich mindestens einen gezielten Einlass und mindestens einen gezielten Auslass des vom Ventilelement 4 und vom Gehäuse 2 umschlossenen Volumens 7 bereitzustellen und unerwünschte Bypassströmungen zu vermeiden.
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Das Ventilelement 4 ist zudem mit einer Trennwand 8 ausgebildet, welche in einer von den horizontalen Richtungen x, y aufgespannten Ebene ausgerichtet ist sowie das vom Ventilelement 4 und dem Gehäuse 2 umschlossene Volumen 7 in zwei Teilvolumina 7-1, 7-2 unterteilt. Die horizontal ausgerichtete Ebene der Trennwand 8 ist zwischen den beabstandet zueinander angeordneten horizontalen Ebenen der Durchströmöffnungen 5, 6 des Gehäuses 2 ausgebildet. Bei einer in Längsrichtung z mittigen Anordnung der Trennwand 8 in Bezug auf die Ausdehnung des Ventilelements 4 in vertikaler Richtung z wird das vom Ventilelement 4 und dem Gehäuse 2 umschlossene Volumen 7 in zwei Teilvolumina 7-1, 7-2 gleicher Abmessungen, unterteilt.
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Das Ventilelement 4 ist mit in der Mantelfläche ausgebildeten Durchgangsöffnungen 9, 10 versehen. Dabei sind erste Durchgangsöffnungen 9 in der ersten, von den horizontalen Richtungen x, y aufgespannten Ebene, in welcher auch die ersten Durchströmöffnungen 5 des Gehäuses 2 ausgebildet sind, in das erste Teilvolumen 7-1 einmündend angeordnet, während zweite Durchgangsöffnungen 10 in der zweiten, von den horizontalen Richtungen x, y aufgespannten Ebene, in welcher auch die zweiten Durchströmöffnungen 6 des Gehäuses 2 ausgebildet sind, in das zweite Teilvolumen 7-2 einmündend angeordnet. Damit sind auch die Durchgangsöffnungen 9, 10 in den zwei in vertikaler Richtung z beabstandet zueinander ausgebildeten Ebenen angeordnet. Mit der Anordnung der Durchgangsöffnungen 9, 10 des Ventilelements 4 zu den Durchströmöffnungen 5, 6 des Gehäuses 2 können Strömungspfade zwischen den vom Ventilelement 4 und dem Gehäuse 2 umschlossenen Teilvolumina 7-1, 7-2 und den Anschlusselementen 2-1, 2-2, 2-3, 2-4 blockiert oder freigegeben werden.
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Mit der Trennwand 8 des Ventilelements 4 sowie der Abdichtung des Ventilelements 4 zum Gehäuse 2 können die Teilvolumina 7-1, 7-2 jeweils gezielt mit mindestens einem Einlass und mindestens einem Auslass für das Fluid ausgebildet werden, sodass ein durch mindestens ein Anschlusselement 2-1, 2-3, 2-4 in das erste Teilvolumen 7-1 einströmendes Fluid durch ein beliebiges, je nach Betriebsmodus der Vorrichtung 1 geöffnetes Anschlusselement 2-1, 2-3, 2-4 wieder ausströmen kann und dass ein durch mindestens ein Anschlusselement 2-2, 2-3, 2-4 in das zweite Teilvolumen 7-2 einströmendes Fluid durch ein beliebiges, je nach Betriebsmodus der Vorrichtung 1 geöffnetes Anschlusselement 2-2, 2-3, 2-4 wieder ausströmen kann.
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Mit einer bestimmten Anzahl an Durchgangsöffnungen 9, 10 in Kombination mit einer gezielten Anordnung der Durchgangsöffnungen 9, 10 des Ventilelements 4 kann festgelegt werden, welche unterschiedlichen Durchströmungen durch die Vorrichtung 1 gewährleistet sein sollen. Die Ausbildung und die Anordnung des Ventilelements 4 innerhalb des Gehäuses 2 ermöglichen, dass bei bestimmten Stellwinkeln des Ventilelements 4 relativ zum Gehäuse 2 bestimmte Durchströmöffnungen 5, 6 des Gehäuses 2 und Durchgangsöffnungen 9, 10 des Ventilelements 4 zueinander derart angeordnet sind, dass bestimmte Strömungspfade durch die Vorrichtung 1 frei oder blockiert sind und das Fluid von einem oder mehreren Anschlusselementen 2-1, 2-2, 2-3, 2-4 zu einem der mehreren anderen Anschlusselementen 2-1, 2-2, 2-3, 2-4 geleitet wird.
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Damit wird eine Vielzahl an unterschiedlichen Schaltszenarien der Vorrichtung 1 bereitgestellt, welche vom jeweiligen Betriebsmodi des thermischen Systems abhängig sind. So kann beispielsweise ein Schaltszenario der Vorrichtung 1, das heißt eine Stellwinkelkombination der Durchströmöffnungen 5, 6 des Gehäuses 2 und der Durchgangsöffnungen 9, 10 des Ventilelements 4 bewirken, dass das Fluid durch ein Einlass-Anschlusselement 2-1, 2-2, 2-3, 2-4 in die Vorrichtung 1 einströmt und durch ein vom Einlass-Anschlusselement 2-1, 2-2, 2-3, 2-4 abweichendes Auslass-Anschlusselement 2-1, 2-2, 2-3, 2-4 aus der Vorrichtung 1 ausströmt, während bei einem anderen Schaltszenario der Vorrichtung 1 das Fluid gemäß 1a in Strömungsrichtung 11 durch ein Einlass-Anschlusselement 2-1, 2-2, 2-3, 2-4 in die Vorrichtung 1 einströmt und durch drei vom Einlass-Anschlusselement 2-1, 2-2, 2-3, 2-4 abweichende Auslass-Anschlusselemente 2-1, 2-2, 2-3, 2-4 aus der Vorrichtung 1 ausströmt.
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In den 2a bis 2e sind jeweils Stellungen der Vorrichtung 1 aus 1 abhängig vom Betriebsmodus des Fluidkreislaufs, insbesondere des Kältemittelkreislaufs, in einer Draufsicht auf eine vertikal ausgerichtete Ebene dargestellt. Die Ebene ist durch die horizontale Richtung x und die vertikale Richtung z aufgespannt.
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Dabei ist beispielsweise das erste Teilvolumen 7-1 der Vorrichtung 1 über ein erstes Anschlusselement 2-1 mit einer Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufs verbunden, während das zweite Teilvolumen 7-2 der Vorrichtung 1 über ein zweites Anschlusselement 2-2 mit einer Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufs verbunden ist.
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Die Vorrichtung 1 ist über das erste Anschlusselement 2-1 mit dem Auslass eines Verdichters verbunden, während das zweite Anschlusselement 2-2 mit der Saugseite des Verdichters verbunden ist. Ein drittes Anschlusselement 2-3 und ein viertes Anschlusselement 2-4 können jeweils mit einem je nach Betriebsmodus als Kondensator oder als Verdampfer für das Kältemittel betriebenen Wärmeübertrager gekoppelt sein.
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Durch ein Verdrehen des Ventilelements 4 um die Rotationsachse 3 und damit eine Änderung der relativen Anordnung des Ventilelements 4 zum Gehäuse 2 werden verschiedene Strömungspfade zwischen den Anschlusselementen 2-1, 2-2, 2-3, 2-4 geöffnet beziehungsweise geschlossen.
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Bei der Stellung des Ventilelements 4 nach 2a wird der Kältemittelkreislauf in einem Kälteanlagenmodus betrieben.
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Das auf Hochdruckniveau aus dem Verdichter austretende Kältemittel strömt durch das geöffnete erste Anschlusselement 2-1 in das erste Teilvolumen 7-1 der Vorrichtung 1 ein, während gleichzeitig das auf Niederdruckniveau, insbesondere von einem als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager ausströmende Kältemittel durch ein geöffnetes viertes Anschlusselement 2-4 in das zweite Teilvolumen 7-2 der Vorrichtung 1 einströmt.
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Das Ventilelement 4 ist derart angeordnet, dass eine erste Durchgangsöffnung 9 einen Strömungspfad vom ersten Teilvolumen 7-1 zu einem dritten Anschlusselement 2-3 freigibt und das Kältemittel auf Hochdruckniveau durch das geöffnete dritte Anschlusselement 2-3, insbesondere zu einem als Kondensator betriebenen Wärmeübertrager, aus der Vorrichtung 1 ausströmt. Zwischen dem ersten Teilvolumen 7-1 und einem vierten Anschlusselement 2-4 ist kein Strömungspfad freigegeben.
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Zudem gibt eine zweite Durchgangsöffnung 10 des Ventilelements 4 einen Strömungspfad vom vierten Anschlusselement 2-4 in das zweite Teilvolumen 7-2 frei, sodass das durch das geöffnete vierte Anschlusselement 2-4 in das zweite Teilvolumen 7-2 der Vorrichtung 1 einströmende Kältemittel durch das geöffnete zweite Anschlusselement 2-2 aus der Vorrichtung 1, insbesondere zur Saugseite des Verdichters, ausströmt. Zwischen dem zweiten Teilvolumen 7-2 und dem dritten Anschlusselement 2-3 ist kein Strömungspfad freigegeben.
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Bei der Stellung des Ventilelements 4 nach 2b wird der Kältemittelkreislauf in einem Wärmepumpenmodus betrieben.
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Das auf Hochdruckniveau aus dem Verdichter austretende Kältemittel strömt wiederum durch das geöffnete erste Anschlusselement 2-1 in das erste Teilvolumen 7-1 der Vorrichtung 1 ein, während gleichzeitig das auf Niederdruckniveau, insbesondere vom als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager ausströmende Kältemittel durch das geöffnete dritte Anschlusselement 2-3 in das zweite Teilvolumen 7-2 der Vorrichtung 1 einströmt. Der im Kälteanlagenmodus nach 2a als Kondensator betriebene Wärmeübertrager wird nunmehr als Verdampfer für das Kältemittel betrieben. Das Ventilelement 4 ist derart angeordnet, dass eine erste Durchgangsöffnung 9 einen Strömungspfad vom ersten Teilvolumen 7-1 zum vierten Anschlusselement 2-4 freigibt und das Kältemittel auf Hochdruckniveau durch das geöffnete vierte Anschlusselement 2-4 aus der Vorrichtung 1 ausströmt. Der mit dem vierten Anschlusselement 2-4 verbundene, im Kälteanlagenmodus nach 2a als Verdampfer betriebene Wärmeübertrager wird nunmehr als Kondensator für das Kältemittel betrieben. Zwischen dem ersten Teilvolumen 7-1 und dem dritten Anschlusselement 2-3 ist kein Strömungspfad freigegeben. Zudem gibt eine zweite Durchgangsöffnung 10 des Ventilelements 4 einen Strömungspfad vom dritten Anschlusselement 2-3 in das zweite Teilvolumen 7-2 frei, sodass das durch das geöffnete dritte Anschlusselement 2-3 in das zweite Teilvolumen 7-2 der Vorrichtung 1 einströmende Kältemittel durch das geöffnete zweite Anschlusselement 2-2 aus der Vorrichtung 1, insbesondere zur Saugseite des Verdichters, ausströmt. Zwischen dem zweiten Teilvolumen 7-2 und dem vierten Anschlusselement 2-4 ist kein Strömungspfad freigegeben.
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Mit der Stellung des Ventilelements 4 nach 2c wird der Kältemittelkreislauf befüllt und evakuiert.
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Das auf Hochdruckniveau aus dem Verdichter austretende Kältemittel strömt wiederum durch das geöffnete erste Anschlusselement 2-1 in das erste Teilvolumen 7-1 der Vorrichtung 1 ein.
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Das Ventilelement 4 ist derart angeordnet, dass jeweils eine erste Durchgangsöffnung 9 einen Strömungspfad vom ersten Teilvolumen 7-1 zum dritten Anschlusselement 2-3 und zum vierten Anschlusselement 2-4 freigibt und das Kältemittel auf Hochdruckniveau durch die geöffneten Anschlusselemente 2-3, 2-4 aus der Vorrichtung 1 ausströmt.
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Zudem sind im Bereich des vierten Anschlusselements 2-4 das erste Teilvolumen 7-1 und das zweite Teilvolumen 7-2 miteinander verbunden, sodass das Kältemittel vom ersten Teilvolumen 7-1 in das zweite Teilvolumen 7-2 überströmt. Dabei ist jeweils zwischen dem ersten Teilvolumen 7-1 und dem zweiten Teilvolumen 7-2 ein Strömungspfad zum vierten Anschlusselement 2-4 freigegeben. Folglich gibt eine zweite Durchgangsöffnung 10 des Ventilelements 4 einen Strömungspfad vom vierten Anschlusselement 2-4 in das zweite Teilvolumen 7-2 frei, sodass das durch das geöffnete vierte Anschlusselement 2-4 in das zweite Teilvolumen 7-2 der Vorrichtung 1 einströmende Kältemittel durch das geöffnete zweite Anschlusselement 2-2 aus der Vorrichtung 1 ausströmt.
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Mit den Stellungen des Ventilelements 4 nach den 2d und 2e wird der Kältemittelkreislauf jeweils gespült.
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Das auf Hochdruckniveau aus dem Verdichter austretende Kältemittel strömt wiederum durch das geöffnete erste Anschlusselement 2-1 in das erste Teilvolumen 7-1 der Vorrichtung 1 ein. Das Ventilelement 4 ist derart angeordnet, dass eine erste Durchgangsöffnung 9 einen Strömungspfad vom ersten Teilvolumen 7-1 zum vierten Anschlusselement 2-4 freigibt und das Kältemittel auf Hochdruckniveau durch das geöffnete vierte Anschlusselement 2-4 aus der Vorrichtung 1 ausströmt. Sowohl zwischen dem ersten Teilvolumen 7-1 und dem dritten Anschlusselement 2-3 als auch zwischen dem zweiten Teilvolumen 7-2 und dem dritten Anschlusselement 2-3 ist kein Strömungspfad freigegeben.
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Beim Betriebsmodus des Kältemittelkreislaufs nach 2d werden das zweite Teilvolumen 7-2 und das zweite Anschlusselement 2-2 nicht mit Kältemittel durchströmt.
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Beim Betriebsmodus des Kältemittelkreislaufs nach 2e ist das Ventilelement 4 derart angeordnet, dass eine erste Durchgangsöffnung 9 einen Strömungspfad vom ersten Teilvolumen 7-1 zum vierten Anschlusselement 2-4 und eine zweite Durchgangsöffnung 10 einen Strömungspfad zwischen dem vierten Anschlusselement 2-4 und dem zweiten Teilvolumen 7-2 freigibt, sodass das erste Teilvolumen 7-1 und das zweite Teilvolumen 7-2 im Bereich des vierten Anschlusselements 2-4 miteinander verbunden sind und das Kältemittel vom ersten Teilvolumen 7-1 in das zweite Teilvolumen 7-2 überströmt. Das durch das geöffnete vierte Anschlusselement 2-4 in das zweite Teilvolumen 7-2 der Vorrichtung 1 einströmende Kältemittel strömt durch das geöffnete zweite Anschlusselement 2-2 aus der Vorrichtung 1 aus.
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Das Ventilelement 4 kann mit einer maximalen Anzahl an Durchgangsöffnungen 9, 10 ausgebildet sein, welche die Bauteilfestigkeit des Ventilelements 4 gewährleisten. Zudem ist die Anzahl der Durchgangsöffnungen 9, 10 geometrisch beschränkt, wobei die Beschränkung vom Durchmesser des Ventilelements 4 und von den Durchmessern der Durchgangsöffnungen 9, 10 abhängt. Die Durchgangsöffnungen 9, 10 weisen vorteilhaft einen Durchmesser auf, welcher dem Innendurchmesser der Anschlusselemente 2-1, 2-2, 2-3, 2-4 entspricht.
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Nach einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform kann eine Vielzahl von Durchgangsöffnungen auch derart angeordnet sein, dass Durchgangsöffnungen zu einem Langloch miteinander verbunden sind beziehungsweise die entsprechende Durchgangsöffnung als ein Langloch ausgebildet ist. Auch eine Kombination der Durchgangsöffnungen aus kreisrunden Öffnungen und Langlöchern ist möglich. Zudem können bestimmte Durchgangsöffnungen jeweils mit einem geringeren Durchmesser als der Innendurchmesser der Anschlusselemente 2-1, 2-2, 2-3, 2-4 ausgebildet sein, um gegebenenfalls eine bestimmte Aufteilung des Fluids zu erzielen. Die Anzahl der Durchgangsöffnungen des Ventilelements 4 liegt bevorzugt im Bereich von drei bis sieben oder drei bis acht.
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In 3a ist eine eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung 1 zum Regeln eines Durchflusses und Verteilen eines Fluids in einem Fluidkreislauf, insbesondere eines Kältemittels in einem Kältemittelkreislauf, in einer Betriebsstellung des Ventilelements 4 gemäß 2c in einer perspektivischen Seitenansicht gezeigt. Beim dargestellten Betriebsmodus wird der Kältemittelkreislauf befüllt und evakuiert. Aus 3b geht die Mantelfläche des Ventilelements 4 der Vorrichtung 1 aus 3a mit über den Umfang verteilt angeordneten Durchgangsöffnungen 9, 10 hervor.
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Nach 3b weist das Ventilelement 4 sechs über den Umfang verteilt angeordnete erste Durchgangsöffnungen 9 und vier über den Umfang verteilt angeordnete zweite Durchgangsöffnungen 10 auf. Die ersten Durchgangsöffnungen 9 zum Verbinden des ersten Teilvolumens 7-1 mit dem dritten Anschlusselement 2-3 beziehungsweise dem vierten Anschlusselement 2-4 sind in den Winkelpositionen 30°, 90°, 240°, 270°, 300° und 330° angeordnet, während die zweiten Durchgangsöffnungen 10 zum Verbinden des zweiten Teilvolumens 7-2 mit dem dritten Anschlusselement 2-3 beziehungsweise dem vierten Anschlusselement 2-4 in den Winkelpositionen 60°, 210°, 270° und 330° angeordnet sind.
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Die jeweils benachbart zueinander angeordneten Durchgangsöffnungen 9, 10 des Ventilelements 4 sind in einem Winkel von 30° oder einem ganzzahligen Vielfachen von 30° versetzt zueinander ausgerichtet. Damit ist das zum Ventilelement 4 zugehörige nicht dargestellte Antriebselement, insbesondere ein Schrittmotor, derart ausgebildet, das Ventilelement 4 in zwölf 30°-Schritten um die Rotationsachse 3 zu drehen, um eine vollständige Umdrehung des Ventilelements 4 um die Rotationsachse 3 zu erreichen. Jedem Schritt ist eine Position des Ventilelements 4 zugeordnet. Durch ein Verdrehen des Ventilelements 4 in 30°-Schritten um die Rotationsachse 3 ist das Durchströmungsmuster der Vorrichtung 1 einfach variierbar.
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Bei der Stellung des Ventilelements 4 nach 3a sind eine bei 90° ausgebildete erste Durchgangsöffnung 9 des Ventilelements 4 einen Strömungspfad zwischen dem ersten Teilvolumen 7-1 und dem dritten Anschlusselement 2-3 durch eine erste Durchströmöffnung 5 des Gehäuses 2, eine bei 270° ausgebildete erste Durchgangsöffnung 9 des Ventilelements 4 einen Strömungspfad zwischen dem ersten Teilvolumen 7-1 und dem vierten Anschlusselement 2-4 durch eine erste Durchströmöffnung 5 des Gehäuses 2 sowie eine ebenfalls bei 270° ausgebildete zweite Durchgangsöffnung 10 des Ventilelements 4 einen Strömungspfad zwischen dem vierten Anschlusselement 2-4 und dem zweiten Teilvolumen 7-2 durch eine zweite Durchströmöffnung 6 des Gehäuses 2 freigebend ausgerichtet.
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Die die Strömungspfade zwischen den Teilvolumina 7-1, 7-2 durch die Durchströmöffnungen 5, 6 des Gehäuses 2 zu den Anschlusselementen 2-3, 2-4 freigebenden Durchgangsöffnungen 9, 10 sind in einem Winkel von 180° beabstandet zueinander angeordnet, was in 3b auch anhand der Pfeile angedeutet ist.
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Aus 3a wird deutlich, dass das auf Hochdruckniveau, insbesondere aus dem Verdichter des Kältemittelkreislaufs austretende Kältemittel als Heißgas in Strömungsrichtung 11 durch das geöffnete erste Anschlusselement 2-1 in das erste Teilvolumen 7-1 der Vorrichtung 1 einströmt und auf die geöffneten Anschlusselemente 2-3, 2-4 in zwei Teilmassenströme aufgeteilt in Strömungsrichtung 11 aus der Vorrichtung 1 ausströmt. Dabei werden ein erster Teilmassenstrom des Kältemittels durch eine erste Durchströmöffnung 5 des Gehäuses 2 und das dritte Anschlusselement 2-3 aus der Vorrichtung 1 abgeleitet und ein zweiter Teilmassenstrom durch eine weitere erste Durchströmöffnung 5 des Gehäuses 2 und das vierte Anschlusselement 2-4 geführt.
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Im Bereich des vierten Anschlusselements 2-4 sind das erste Teilvolumen 7-1 und das zweite Teilvolumen 7-2 durch die Durchströmöffnungen 5, 6 des Gehäuses 2 derart miteinander verbunden, dass der zweite Teilmassenstrom des Kältemittels in weitere zwei Teilmassenströme aufgeteilt wird. Dabei werden ein dritter Teilmassenstrom durch eine zweite Durchströmöffnung 6 des Gehäuses 2 in das zweite Teilvolumen 7-2 der Vorrichtung 1 eingeleitet und der übrige Anteil des zweiten Teilmassenstroms durch das vierte Anschlusselement 2-4 aus der Vorrichtung 1 abgeleitet. Das durch das geöffnete vierte Anschlusselement 2-4 und die zweite Durchströmöffnung 6 in das zweite Teilvolumen 7-2 der Vorrichtung 1 einströmende Kältemittel strömt durch das geöffnete zweite Anschlusselement 2-2 aus der Vorrichtung 1 aus.
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Der durch das geöffnete erste Anschlusselement 2-1 in die Vorrichtung 1 einströmende Massenstrom des Kältemittels wird folglich in drei Teilmassenströme aufgeteilt, wobei jeweils ein Teilmassenstrom in Strömungsrichtung 11 durch eines der vom ersten Anschlusselement 2-1 abweichenden Anschlusselemente 2-2, 2-3, 2-4 aus der Vorrichtung 1 ausströmt.
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Die Fertigungstoleranzen der einzelnen Komponenten der Vorrichtung 1 sind derart gewählt, dass das Fluid, insbesondere das Kältemittel, lediglich durch die Durchgangsöffnungen 9, 10 des Ventilelements 4 sowie die Anschlusselemente 2-1, 2-2, 2-3, 2-4 des Gehäuses 2 strömen kann und unerwünschte Bypassströmungen zwischen den Mantelflächen oder Stirnseiten des Ventilelements 4 und dem Gehäuse 2 vermieden werden. Das Gehäuse 2 und das Ventilelement 4 können mit zusätzlichen Dichtungselementen, wie O-Ringen, zueinander abgedichtet sein, um interne Leckagen auszuschließen.
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Die als ein zylindrisches, insbesondere kreiszylindrisches Mehrwege-Ventil ausgebildete Vorrichtung 1, kann speziell bei der Ausgestaltung zur Anwendung in Kältemittelkreisläufen auch Expansionsfunktionen für das Kältemittel abbilden. Dabei sind die Durchgangsöffnungen 9, 10 des Ventilelements 4 in Kombination mit dem Gehäuse 2 im Bereich der Anschlusselemente 2-1, 2-2, 2-3, 2-4 modifiziert. Die Durchgangsöffnungen 9, 10 beziehungsweise das Gehäuse 2 können beispielsweise zusätzliche Einkerbungen, Einschnitte oder Ausformungen aufweisen, um vorteilhaft die Strömungsquerschnitte für das Kältemittel sehr genau einzustellen und damit den Massenstrom des Kältemittels auch zum Expandieren sehr exakt zu dosieren.
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Das Mehrwege-Ventil kann damit als 3/2-Wegeventil, 4/2-Wegeventil mit Expansionsfunktion, Schaltfunktion beziehungsweise Absperrfunktion in unterschiedlicher Kombination ausgebildet sein. Das Ventilelement 4 kann zudem in einer vollständig geschlossenen Stellung der Vorrichtung 1 angeordnet sein.
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Aus den 4a bis 4c geht jeweils ein Ventilelement 4 mit einer Durchgangsöffnung 9, 10 und der jeweilige Strömungsquerschnitt 14 der Durchgangsöffnung 9, 10 des Ventilelements 4 in Verbindung mit einer Durchströmöffnung 5, 6 des Gehäuses 2, insbesondere eines Auslasses für das Fluid, hervor. Dabei ist jeweils der Strömungsquerschnitt 14 der Durchgangsöffnung 9, 10 mit einer Nut 14a, 14b, 14c, auch als Expansionskerbe oder Steuerkerbe bezeichnet, in der Auslassebene der Durchgangsöffnung 9, 10 gezeigt. Die Nut 14a, 14b, 14c erstreckt sich jeweils vom Rand des ansonsten kreisförmigen Strömungsquerschnitts 14 der Durchgangsöffnung 9, 10 in radialer Richtung der Durchgangsöffnung 9, 10 beziehungsweise in Umfangsrichtung des Ventilelements 4 beiderseits nach außen. Alternativ kann auch jeweils nur eine sich vom Rand des ansonsten kreisförmigen Strömungsquerschnitts 14 der Durchgangsöffnung 9, 10 in Umfangsrichtung des Ventilelements 4 erstreckende Nut ausgebildet sein.
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Der Strömungsquerschnitt der Nuten 14a der Durchgangsöffnung 9, 10 nach 4a ist jeweils in Umfangsrichtung des Ventilelements 4 mit einer konstanten Breite, insbesondere in der Form ähnlich eines Rechtecks, ausgebildet. Damit weist der Strömungsquerschnitt 14 der Durchgangsöffnung 9, 10 am zur Durchströmöffnung 5, 6 des Gehäuses 2 weisenden Ende die Form eines Kreises mit in Umfangsrichtung des Ventilelements 4 beiderseits hervorragenden rechteckigen Ausformungen auf.
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Der Strömungsquerschnitt der Nuten 14b der Durchgangsöffnung 9, 10 nach den 4b und 4c ist sich jeweils mit zunehmendem Abstand vom Mittelpunkt der Durchgangsöffnung 9, 10, das heißt in Umfangsrichtung des Ventilelements 4, verjüngend ausgebildet und weist gemäß der Ausführungsform nach 4b die Form eines Dreiecks, insbesondere eines gleichschenkligen, speziell als eines gleichseitigen Dreiecks, sowie gemäß der Ausführungsform nach 4c die Form sich überlappender Kreise mit stetig geringer werdendem Durchmesser auf. Damit weist der Strömungsquerschnitt 14 der Durchgangsöffnung 9, 10 am zur Durchströmüffnung 5, 6 des Gehäuses 2 weisenden Ende die Form eines Kreises mit in Umfangsrichtung des Ventilelements 4 beiderseits hervorragenden spitzkerbenähnlichen Ausformungen beziehungsweise kerbähnlichen Ausformungen mit wellenförmigem Rand auf.
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In Tiefenrichtung der Durchgangsöffnung 9, 10, welche der Richtung y beziehungsweise einer radialen Richtung des Ventilelements 4 entspricht, ist der Strömungsquerschnitt 14 der Durchgangsöffnung 9, 10 im Bereich der Nuten 14a, 14b, 14c bis in eine vorgegebene Tiefe innerhalb des Ventilelements 4 in Richtung x entweder konstant und die Nuten 14a, 14b, 14c weisen jeweils eine konstante Ausdehnung in Richtung y auf oder der Strömungsquerschnitt 14 der Durchgangsöffnung 9, 10 nimmt im Bereich der Nuten 14a, 14b, 14c bis in die vorgegebene Tiefe innerhalb des Ventilelements 4 in Richtung x nach außen stetig ab, sodass die Nuten 14a, 14b, 14c mit zunehmendem Abstand von der Symmetrieachse der Durchgangsöffnung 9, 10 mit einer sich verjüngenden Ausdehnung ausgebildet sind. Damit weist die Nut 14a, 14b, 14c in Richtung x entweder eine konstante oder eine sich mit zunehmendem Abstand von der Symmetrieachse der Durchgangsöffnung 9, 10, insbesondere stetig, geringer werdende Tiefe auf.
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Die Funktion des Entspannens des Fluids, insbesondere eines Kältemittels, wird mit der Anordnung des Ventilelements 4 innerhalb des Gehäuses 2, insbesondere der relativen Anordnung der Strömungsquerschnitte der Durchströmöffnung 5, 6 eines als Auslass ausgebildeten Anschlusses und der Durchgangsöffnung 9, 10 des Ventilelements 4 eingestellt. Dabei wird das Ventilelement 4 derart bewegt und angeordnet, dass sich die Strömungsquerschnitte der Durchgangsöffnung 9, 10 des Ventilelements 4 und einer der Durchströmöffnungen 5, 6 lediglich im Bereich einer Nut 14a, 14b, 14c überlappen. Mit einer Bewegung des Ventilelements 4 um die Rotationsachse 3 kann der Strömungsquerschnitt für das Fluid durch die Vorrichtung 1 vergrößert oder verringert werden, um die Expansionsfunktion zu steuern. Bei vollständig geöffneten Durchgang für das Fluid ist das Ventilelement 4 derart innerhalb des Gehäuses 2 ausgerichtet, dass die Symmetrieachsen der entsprechenden Durchströmöffnung 5, 6 des Gehäuses 2 und der Durchgangsöffnung 9, 10 des Ventilelements 4 koaxial zueinander beziehungsweise auf einer gemeinsamen Achse angeordnet sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Gehäuse
- 2a
- erste Stirnseite Gehäuse 2
- 2b
- zweite Stirnseite Gehäuse 2
- 2-1 bis 2-4
- Anschlusselement
- 3
- Mittelachse, Rotationsachse, Längsachse
- 4
- Ventilelement
- 5
- erste Durchströmöffnung
- 6
- zweite Durchströmöffnung
- 7
- Volumen
- 7-1
- erstes Teilvolumen
- 7-2
- zweites Teilvolumen
- 8
- Trennwand
- 9
- erste Durchgangsöffnung Ventilelement 4 erstes Teilvolumen 7-1
- 10
- zweite Durchgangsöffnung Ventilelement 4 zweites Teilvolumen 7-2
- 11
- Strömungsrichtung Fluid
- 12
- Antriebselement
- 13
- Verbindungselement
- 14
- Strömungsquerschnitt
- 14a,14b,14c
- Nut
- x, y
- radiale Richtung
- z
- vertikale Richtung, Längsrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013206626 A1 [0006]
- DE 102017101208 A1 [0007]
- DE 102014105097 A1 [0008]
