DE102020215115A1

DE102020215115A1 - Ventilvorrichtung

Info

Publication number: DE102020215115A1
Application number: DE102020215115.6A
Authority: DE
Inventors: Philipp Eichhorn
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-12-01
Filing date: 2020-12-01
Publication date: 2022-06-02
Also published as: EP4256254A1; WO2022117648A1; CN116783432A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ventilvorrichtung (10), insbesondere Expansionsventil, zum Regeln eines Fluidflusses eines Fluides, insbesondere für einen Kältemittelkreislauf eines Fahrzeuges, aufweisend ein Ventilelementgehäuse (12) mit zumindest drei Öffnungen (22a, 22b, 22c) und ein Ventilelement (14), wobei das Ventilelement (14) einen Regeldurchlass (30) für einen Hauptfluidstrom (32) und zumindest eine Expansionsausnehmung (40) aufweist, wobei die Öffnungen (22a, 22b, 22c) mit einem im Gehäuseinneren angeordneten Innenvolumen (26) fluidisch verbunden sind, wobei das Innenvolumen (26) zwischen dem Ventilelement (14) und dem Ventilelementgehäuse (12) ausgebildet ist, wobei zumindest eine Öffnung (22a, 22b, 22c) als Fluideinlass (23a, 23b, 23c) ausgebildet ist und zumindest eine Öffnung (22a, 22b, 22c) als Fluidauslass (23a, 23b, 23c) ausgebildet ist. Es wird vorgeschlagen, dass das Ventilelement (14) ein Trennelement (42) aufweist, welches dazu ausgebildet ist die Expansionsausnehmung (40) und den Regeldurchlass (30) innerhalb des Ventilelementes (14) fluidisch voneinander zu trennen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ventilvorrichtung und ein Ventilelement für eine Ventilvorrichtung nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.
Stand der Technik
Es sind bereits Ventile zur Regelung eines Fluidstroms bekannt. Insbesondere die DE 10 2017 208 181 A1 offenbart ein Ventil mit einer Ausnehmung an der Oberfläche.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile
Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Ventilvorrichtung, insbesondere ein Expansionsventil, zum Regeln eines Fluidflusses eines Fluides, insbesondere für einen Kältemittelkreislauf eines Fahrzeuges, aufweisend ein Ventilelementgehäuse mit zumindest drei Öffnungen und ein Ventilelement, wobei das Ventilelement einen Regeldurchlass für einen Hauptfluidstrom und zumindest eine Expansionsausnehmung aufweist, wobei die Öffnungen mit einem im Gehäuseinneren angeordneten Innenvolumen fluidisch verbunden sind, wobei das Innenvolumen zwischen dem Ventilelement und dem Ventilelementgehäuse ausgebildet ist, wobei zumindest eine Öffnung als Fluideinlass ausgebildet ist und zumindest eine Öffnung als Fluidauslass ausgebildet ist. Erfindungsgemäß weist das Ventilelement ein Trennelement aufweist, welches dazu ausgebildet ist die Expansionsausnehmung und den Regeldurchlass innerhalb des Ventilelementes fluidisch voneinander zu trennen.
Das erfindungsgemäße Expansionsventil mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches hat den Vorteil, dass in der Hauptdurchströmungsposition des Regeldurchlasses durch das Trennelement Rückströmungen aus dem Regeldurchlass über die Expansionsausnehmung in den Innenraum des Gehäuses verhindert werden können.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter dem Begriff Fluid ein Medium verstanden werden, welches in Abhängigkeit der vorliegenden thermodynamischen Bedingungen sowohl in einer flüssigen Phase als auch in einer gasförmigen Phase vorliegen kann. Bei einem Fluid der hier zur Rede stehenden Art handelt es sich um ein Wärmeträgermedium, welches innerhalb des Fluidkreislaufes zirkuliert. Insbesondere handelt es sich bei dem Fluid um ein natürliches Kältemittel, wie beispielsweise Kohlenwasserstoffe, Kohlendioxid, Ammoniak, Propan, Butan, Propen, Wasser oder ein synthetisches Kältemittel wie beispielsweise Fluorchlorkohlenwasserstoffe oder teilhalogenierte Fluorkohlenwasserstoffe.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann unter einem Trennelement ein Element verstanden werden, welches im Wesentlichen undurchlässig für ein Fluid der hier zur Rede stehenden Art ausgebildet ist. Vorzugsweise ist das Trennelement flüssigkeitsundurchlässig ausgebildet. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Trennelement innerhalb des Ventilelementes darüber hinaus auch gasundurchlässig ausgebildet ist. Dabei kann unter einem gasdurchlässigen Ventilelement ein Trennelement verstanden werden, welches lediglich eine Leckagerate zulässt, welche kleiner als 10^-7 mbar l/s, vorzugsweise kleiner als 10^-8 mbar l/s, besonders vorzugsweise kleiner als 5 * 10^-8 mbar l/s ist. Diese Leckagerate entspricht näherungsweise einem Leckdurchmesser von 0,4µm pro 2mm Wanddicke und einem mittleren Gasverlust von näherungsweise 3cm³ Gas im Jahr, wobei die Leckagerate beispielsweise mit einem Prüfgasleckdetektor quantitativ ermittelt werden kann. Vorzugsweise findet hierbei Helium oder Wasserstoffformiergas als Prüfmedium Anwendung.
Die Trennfunktion des Trennelementes wird innerhalb des Ventilelementes bereitgestellt. Das Trennelement unterbricht dabei die fluidische Verbindung zwischen der Expansionsausnehmung und dem Regeldurchlass. Mit anderen Worten, innerhalb des durch die äußere Mantelfläche des Ventilelementes aufgespannten Innenvolumens des Ventilelementes, trennt das Trennelement im Sinne eines Sperrelementes die Expansionsausnehmung fluidisch vom Regeldurchlassvolumen ab. Zur Prüfung der Trennfunktion des Trennelementes innerhalb des Ventilelementes ist es somit vorteilhaft ein Strömungspfad außerhalb des Innenvolumens des Ventilelementes im Wesentlichen zu unterbinden.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ergeben sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der unabhängigen Merkmale.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Ventilelement um eine Drehachse drehbar ist und wobei das Ventilelement einen rotationssymmetrischen Grundkörper, vorzugsweise einen kugelförmigen oder zylinderförmigen Grundkörper aufweist. Eine solches Ventilelement lässt sich besonders einfach und kostengünstig fertigen. Vorzugsweise weist das Ventilelement einen Eingriff auf, der ein Zusammenwirken mit einem durch den elektrischen Antrieb bewegten Ventilschaft ermöglicht.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann unter einem Ventilelement insbesondere auch ein Ventilmittel oder ein Ventilkörper verstanden werden. Vorzugsweise ist das Ventilelement drehfest auf einem Ventilschaft angeordnet. Das Ventilelement ist beweglich, vorzugsweise drehbar, innerhalb des Ventilelementgehäuses angeordnet. Abhängig von der Position des Ventilelementes, insbesondere der Drehposition innerhalb des Ventilelementgehäuses, ermöglicht das Ventilelement ein Durchströmen der Ventilvorrichtung, wobei der Fluidstrom in Abhängigkeit der Ventilposition und der Durchströmungsrichtung expandiert oder komprimiert werden kann, oder ungehindert die Ventilvorrichtung durchströmen kann.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Regeldurchlass entlang der Strömungsrichtung eine erste Durchlassöffnung und eine zweite Durchlassöffnung aufweist. Es ist ferner vorgesehen, dass die Expansionsausnehmung im Bereich der zweiten Durchlassöffnung des Regeldurchlasses angeordnet ist und wobei das Trennelement zwischen der Expansionsausnehmung und der zweiten Durchlassöffnung des Regeldurchlasses angeordnet ist.
Das Trennelement ist somit im Bereich der Durchlassöffnung angeordnet, welche in einer Hauptdurchströmungsposition der Ventilvorrichtung an einem Fluidauslass anliegt. Ein solches Trennelement kann somit einen Rückstrom eines Teilfluidstromes im Bereich des Fluidauslasses vorteilhaft verhindern. Der Wirkungsgrad der Ventilvorrichtung in der Hauptdurchströmungsrichtung wird vorteilhaft verbessert.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass in einer Hauptdurchströmungsposition die erste Durchlassöffnung weitgehend vollständig mit einem Fluideinlass und die zweite Durchlassöffnung weitgehend vollständig mit einem Fluidauslass fluidtechnisch verbunden ist, wobei das Trennelement dazu ausgebildet ist, in der Hauptdurchströmungsposition die Expansionsausnehmung fluidisch vom Fluidauslass zu trennen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist unter einer Hauptdurchströmungsposition der Ventilvorrichtung eine Anordnung des Ventilelementes relativ zum Ventilelementgehäuse zu verstehen, bei welcher ein Hauptfluidstrom im Wesentlichen unkomprimiert, das heißt ohne signifikante Strömungsquerschnittsreduktion durch das Ventil strömen kann. Vorzugsweise liegt in der Hauptdurchströmungsposition am Fluideinlass der Ventilvorrichtung ein Niederdruck-Gas an, welches mit geringem Druckverlust an einen Fluidauslass weitergeführt wird. Vorzugsweise schließ sich an diesen Fluidauslass ein Kältemittelverdichter an.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist am Fluidauslass Dichtsitz angeordnet ist, wobei in der der Hauptdurchlassposition der Ventilvorrichtung das Trennelement fluidisch dicht am Dichtsitz anliegt. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Fluidauslass im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet. Der Dichtsitz weist vorzugsweise eine im Wesentlichen zylinderförmige Innenfläche auf, welche im Bereich der Öffnung angeordnet ist. Der Strömungswiederstand auf das strömende Fluid ist somit minimiert. Vorzugsweise weist der Dichtsitz eine Dichtsitzkante auf, an welcher gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung das Rennelement kontaktierend anliegt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist es vorgehen, dass die Expansionsausnehmung einen Strömungsquerschnitt aufweist, welcher derart ausgebildet ist, dass er in Richtung der zweiten Durchlassöffnung des Regeldurchlasses, insbesondere in Richtung des Trennelementes zunimmt. Es ist der Durchströmungsquerschnitt in der Expansionsposition in Abhängigkeit von der Drehposition regulierbar.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Trennelement als Trennwand, vorzugsweise als eine sich in Radialrichtung erstreckende Trennwand, besonders vorzugsweise als eine in Umfangsrichtung an die Expansionsausnehmung anschließende Trennwand ausgebildet ist. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Trennelement einstückig beziehungsweise einteilig mit dem Ventilelementgrundkörper ausgebildet ist. Auf diese Weise kann konstruktiv einfach ein separieren des Expansionsvolumens vom Regeldurchlass erreicht werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erstreckt sich das Trennelement über einen Umfangswinkel zwischen 5° und 15°, vorzugsweise zwischen 8° und 12°, besonders bevorzugt im Wesentlichen über 10° des Ventilelementes erstreckt. Eine solche Dimensionierung des Trennelementes ermöglicht zum einem ein effizientes fluiddichtes abtrennen der Expansionsausnehmung, zum anderen wird die Länge der Expansionsausnehmung hinsichtlich der Einstellung der Expansionsquerschnitte optimiert. Das Trennelement ist vorteilhaft dünnwandig ausgebildet. Es ist auch denkbar, dass das Ventilelement insbesondere im Bereich des Trennelementes eine diffusionshemmende Sperrschicht aufweist.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass sich die Expansionsausnehmung in einer Radialebene senkrecht zur Drehachse erstreckt, wobei die Expansionsausnehmung vorzugsweise in einer Symmetrieebene des Ventilelementes angeordnet ist.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die die Expansionsausnehmung als Expansionsnut in einer Mantelfläche des Ventilelementes ausgebildet ist. Vorteilhafterweise ist, dass die Expansionsausnehmung an der Oberfläche des Ventilelementes ausgebildet ist. Eine solche zumindest einseitig offene Ausnehmung ermöglicht in vorteilhafter Weise eine einfache Regelung des Fluidstromes durch das Innenvolumen des Ventilelementgehäuses in der Expansionsposition der Ventilvorrichtung.
Ein besonderes druckverlustarmes Ventil kann insbesondere dadurch bereitgestellt werden, die Öffnungen zumindest eines und zumindest einen Fluidauslasses im Wesentlichen fluchtend ausgebildet sind. In der Hauptdurchströmungsposition kann das Fluid somit das Ventil ausgehend vom Fluideinlass hin zum Fluidauslass durch die gerade Regeldurchlassöffnung ungehindert, unkomprimiert und gerade durchströmen. Druckverluste sind deutlich reduziert. Die Regeldurchlassöffnung erstreckt sich vorzugsweise mittig durch die Mittellinie des Ventilelementes.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Ventilelement genau einen Regeldurchlass aufweist, wobei der Regeldurchlass im Wesentlichen gerade ausgebildet ist. Der Regeldurchlass ist im Wesentlichen krümmungsfrei, insbesondere ohne Vorsprünge und Umlenkungen ausgebildet.
Durch die gerade Ausbildung des Regeldurchlasses können in vorteilhafter Weise Druckverluste beim Durchströmen des Regeldurchlasses verhindert werden. Ein besonders einfacher, strömungsoptimierter Durchlass kann dadurch bereitgestellt werden, dass der Regeldurchlass als Durchgangsbohrung durch das Ventilelement ausgebildet ist.
Ein besonders einfaches, kleines Ventil kann insbesondere dadurch bereitgestellt werden, dass alle drei Öffnungen des Ventilelementgehäuses in einer gemeinsamen Radialebene angeordnet sind. Der Boden des Ventilelementgehäuses, das heißt die dem Aktuator gegenüberliegende Seite des Ventilelementgehäuses ist somit ohne Anschluss ausgebildet. Ein Umlenken des Fluides um 90° kann vorteilhaft verhindert werden. Zulaufrohre oder Zulaufflansche, welche an den Öffnungen montiert werden, liegen somit alle in einer Ebene. Eine solche Ventilvorrichtung kann deutlich baumraumsparender ausgebildet werden. Vorzugsweise treffen sich die Symmetrieachsen der Öffnungen und die Drehachse des Ventilelementes in einen gemeinsamen Mittelpunkt.
Neben der Hauptdurchlassposition weist die Ventilvorrichtung vorteilhaft eine Expansionsposition auf, in welcher die erste Durchlassöffnung weitgehend vollständig mit einem Fluidauslass fluidtechnisch verbunden ist und die Expansionsausnehmung fluidisch mit einem Fluideinlass verbunden ist, wobei das Trennelement in der Expansionsposition beabstandet zu einem ersten, am Fluideinlass angeordneten Dichtsitz angeordnet ist. Auf diese Weise kann das Fluid in der Expansionsposition am Trennelement vorbei durch den Innenraum des Ventilelementgehäuses hin zum Regeldurchlass strömen.
Figurenliste
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Ventilvorrichtung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

1 eine perspektivische Darstellung eines Ventilgehäuseelementes 12,
2a, eine schematische Darstellung einer Draufsicht einer Ventilvorrichtung 12 in einer Hauptdurchströmungsposition 55,
2b, eine schematische Darstellung einer Draufsicht einer Ventilvorrichtung 12 in einer Expansionsposition 57.

Beschreibung
In den verschiedenen Ausführungsvarianten erhalten gleiche Teile die gleichen Bezugszahlen.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung 10 in einer perspektivischen Darstellung. Die Ventilvorrichtung 10 weist ein im Wesentlichen quaderförmiges Gehäuse auf, welches als Ventilelementgehäuse 12 für ein Ventilelement 14 (hier nicht dargestellt) ausgebildet ist. Das Ventilelement 14 ist beweglich, insbesondere gegenüber dem Ventilelementgehäuse 12 drehbar um eine sich im Wesentlichen in Axialrichtung 16 erstreckende Drehachse 18 gelagert.
Das Ventilmittelgehäuse weist im Inneren Hohlraum 20 auf, in welchem im montierten Zustand der Ventilvorrichtung 10 das Ventilelement 14 angeordnet ist. Im montierten Zustand verbleibt somit im Hohlraum 20 ein durchströmbares Innenvolumen 26 zwischen dem Ventilelement 14 und dem Ventilelementgehäuse 12 ausgebildet Das Ventilelementgehäuse 12 weist drei Öffnungen 22a, 22b, 22c auf. Die Öffnungen 22a, 22b, 22c sind als Durchgangsöffnungen durch die Gehäusewand des Ventilelementgehäuses 12 ausgebildet.
Gemäß der in 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung sind die Öffnungen 22a, 22b, 22c als Durchgangsbohrungen ausgebildet. Gemäß der in 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist die Öffnung 22a als Fluideinlass 23a, die Öffnung 22b als Fluidauslass 23b und die Öffnung 22c als Fluidauslass 23c ausgebildet. Wie in 1 deutlich zu erkennen ist, sind die Öffnungen 22a, 22b, 22c in einer Ebene, der Radialebene 24 angeordnet. Der Fluideinlass 22a und der Fluidauslass 22b sind fluchtend angeordnet. Der zweite Fluidauslass 22c ist orthogonal zum Fluideinlass 22a und Fluidauslass 22b ausgebildet.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist zumindest im Bereich einer der Öffnungen 22a, 22b, 22c ein Dichtsitz angeordnet. Der Dichtsitz ist vorzugsweise als Dichtringe ausgebildet, welcher im Öffnungsquerschnitt der zumindest einen Öffnung 22a, 22b, 22c angeordnet ist.
Der Dichtsitz ist dabei vorzugsweise in einem dem Innenvolumen 26 zugewandten Bereich der zumindest einen Öffnung 22a, 22b, 22c angeordnet und umschließen in Umfangsrichtung die Öffnung 22a, 22b, 22c. im Wesentlichen vollständig. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die erste Öffnung 22a einen ersten Dichtsitz 27a und die zweite Öffnung 22b einen zweiten Dichtsitz 27b auf. Es ist auch denkbar, dass sämtliche Öffnungen 22a, 22b, 22c jeweils einen entsprechenden Dichtsitz 27a, 27b, 27c aufweisen.
Wie in 1 zu erkennen ist, weist das Ventilelementgehäuse 12 eine Durchführung 30 für einen Ventilschaft 32 auf, welcher von einem elektrischen Antrieb angetrieben wird. Auf dem Ventilschaft 32 ist das Ventilelement 14 angeordnet. Der Ventilschaft 32 durchgreift die Durchführung 30 des Ventilelementgehäuses 12 und erstreckt sich im Wesentlichen in Axialrichtung 16. Gemäß der in 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist das Ventilelementgehäuse 12 als Ventilmittelblock ausgebildet. Ein solcher Ventilmittelblock ist vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ausgebildet.
2a zeigt die Schnittdarstellung einer Ventilvorrichtung 10 entlang der Radialebene 24 in einer Hauptdurchströmungsposition. Wie in 2a deutlich zu erkennen ist, weist das Ventilelementgehäuse 12 zumindest drei Öffnungen 20a, 20b, 20c auf. Gemäß der in 2a dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist die Öffnung 22a als Fluideinlass 23a, die Öffnung 22b als Fluidauslass 23b und die Öffnung 22c als Fluidauslass 23c ausgebildet. Wie in 2a zu erkennen ist, sind die Fluideinlass- und Fluidauslassöffnungen 22a, 22b, 22c in der Radialebene 24 angeordnet. Fluideinlass 22a und der erste Fluidauslass 22b sind fluchtend zueinander angeordnet. Der zweite Fluidauslass 22c ist orthogonal zum Fluideinlass 22a und ersten Fluidauslass 22b ausgebildet.
Gemäß der in 2a dargestellten Ausführungsform der Erfindung sind sowohl am Fluideinlass 23a als auch an dem, dem Fluideinlass 23a gegenüberliegenden, ersten Fluidauslass 23b jeweils ein Dichtsitz 27a, 27b angeordnet. Die Dichtsitze 27a, 27b sind hier beispielhaft als Dichtringe ausgebildet, welche im Öffnungsquerschnitt der 22a, 22b angeordnet sind. Die Dichtsitze 27a, 27b sind in einem dem Innenvolumen 26 zugewandten Bereich angeordnet und umschließen die entsprechende Öffnung 22a, 22b in Umfangsrichtung. Am Fluideinlass 23a ist ein erster Dichtsitz 27a angeordnet, am ersten Fluidauslass 23b ein zweiter Dichtsitz 27b.
Gemäß der in 2a dargestellten Ausführungsform der Erfindung weist die Ventilvorrichtung 10 ein Ventilelement 14 auf, welches einen im Wesentlichen kugelförmigen Grundkörper 38 aufweist. Das Ventilelement 14 ist beweglich, insbesondere drehbar gegenüber dem Ventilelementgehäuse 12 ausgebildet. Ferner weist das erste Ventilmittelgehäuse 12 ein durchströmbares Innenvolumen 26 auf, welcher von einem Fluid durchströmt wird.
Bei einem Fluid der hier zur Rede stehenden Art handelt es sich vorzugsweise um ein Wärmeträgermedium, welches innerhalb des Fluidkreislaufes zirkuliert. Insbesondere handelt es sich bei dem Fluid um ein natürliches Kältemittel, wie beispielsweise Kohlenwasserstoffe, Kohlendioxid, Ammoniak, Propan, Butan, Propen, Wasser oder ein synthetisches Kältemittel wie beispielsweise Fluorchlorkohlenwasserstoffe oder teilhalogenierte Fluorkohlenwasserstoffe.
Ein Ventilelementgehäuse 12 der hier zur Rede stehenden Art kann insbesondere als Ventilmittelblock ausgebildet sein, welches aufgrund der in einem Expansionsventil vorherrschenden, thermodynamischen Bedingungen im Wesentlichen gasdicht ausgebildet ist. In einem Ventilvorrichtung 10 der hier zur Rede stehenden Art liegt das Fluid im durchströmbaren Innenvolumen 26 des Ventilelementgehäuses 12 zumindest teilweise in einer gasförmigen Phase vor, wobei hohe Drücke im Bereich zwischen 1-30bar und kurzzeitig bis zu 100 bar vorherrschen. Aufgrund dieser thermodynamischen Randbedingungen kann gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung das Ventilelementgehäuse 12 aus einem Metall, vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ausgebildet sein.
Es ist jedoch auch denkbar, dass zumindest ein Gehäuseteil des Ventilelementgehäuses 12 einen Kunststoffkörper mit einer diffusionshemmenden Sperrschicht, welche Metall enthält, aufweist. Ein solches Ventilelementgehäuse 12 kann im Vergleich zu einem Aluminiumblockgehäuse einfach und kostengünstig gefertigt werden. Gleichzeitig kann aufgrund der Gasdichtigkeit Ventilvorrichtung ein Einsatz in Fluidkreisläufen ermöglicht werden, bei welchen das Fluid zumindest teilweise in einer gasförmigen Phase vorliegt.
Wie in 2a zu erkennen ist, weist das Ventilelement 14 einen Regeldurchlass 30 für einen Hauptvolumenstrom 32 eines Fluides durch die Ventilvorrichtung 10 auf. Der Regeldurchlass 30 weist dabei entlang der Strömungsrichtung des Hauptvolumenstomes 32 zwei Durchlassöffnungen 34, 36 auf. Die Durchlassöffnungen 34, 36 sind an der Mantelfläche des Ventilelementes 14 angeordnet, wobei die zweite Durchlassöffnung 36 stromaufwärts der ersten Durchlassöffnung 34 angeordnet ist.
Die Öffnungen 22a, 22b, 22c sind Durchgangsbohrungen durch die Wandung des Ventilelementgehäuses 12 ausgebildet. Vorzugsweise weisen die Öffnungen 22a, 22b, 22c jeweils identische Innendurchmesser auf. Die Symmetrieachsen der Öffnungen 22a, 22b, 22c schneiden sich in einem gemeinsamen Punkt, welcher vorzugsweise zumindest näherungsweise der Mittelpunkt des kugelförmigen Ventilelementes 14 ist.
Der Regeldurchlass 30 ist gemäß der in 2a dargestellten Ausführungsform der Erfindung als Durchgangsöffnung, insbesondere als Durchgangsbohrung ausgebildet. Um Strömungsverluste zu vermeiden, ist der Regeldurchlass 30 im Wesentlichen gerade ausgebildet, vorzugsweise sind erste Durchgangsöffnung 34 und die zweite Durchgangsöffnung 36 diametral fluchtend zueinander angeordnet. Die Innenwandung des Regeldurchlasses 30 ist vorzugsweise krümmungs- beziehungsweise vorsprungsfrei ausgebildet. Neben der Regeldurchlassöffnung 30, weist das Ventilelement 14 keine weiteren Öffnungsquerschnitte für einen Hauptvolumenstrom 32 des Fluides auf.
Das Ventilelement 14 weist vorzugsweise genau einen Regeldurchlass 30 auf, welcher im Wesentlichen gerade ausgebildet ist. In der in 2a dargestellten Schnittdarstellung erstreckt sich die Drehachse 18 senkrecht aus der Bildebene. Alle Öffnungen 22a, 22b, 22c des Ventilelementgehäuses 12 sind in der Radialebene 24 angeordnet.
Neben der Regeldurchlassöffnung 30 weist das Ventilelement 30 eine Expansionsausnehmung 40 auf. Wie in 2a zu erkennen ist, ist die Expansionsausnehmung 40 als Expansionsnut in der Mantelfläche 44 des Ventilelementes 14 ausgebildet. Die Expansionsausnehmung 40 weist die Form einer Oberflächenkerbe auf. Die Expansionsausnehmung 40 erstreckt sich dabei auf einer gedachten Kreislinie auf der Mantelfläche 44 des im Wesentlichen kugelförmigen Ventilelementes 14. Die Expansionsausnehmung 40 erstreckt sich einige wenige Millimeter tief in das Ventilelement 14. Die Expansionsausnehmung 40 kann insbesondere als rinnenförmiges Element ausgebildet sein und einem im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Es sind jedoch auch andere Querschnittsformen denkbar. So ist es beispielsweise auch denkbar, dass die Expansionsausnehmung 40 im Wesentlichen abgerundete Kanten aufweist.
Erfindungsgemäß ist es nunmehr vorgesehen, dass das Ventilelement 14 ein Trennelement 42 aufweist, welches dazu ausgebildet ist die Expansionsausnehmung 40 und den Regeldurchlass 30 innerhalb des Ventilelementes 14 fluidisch voneinander zu trennen. Mit anderen Worten, innerhalb des durch die Mantelfläche 44 aufgespannten Innenvolumens des Ventilelementes 14, trennt das Trennelement 42 im Sinne eines Sperrelementes die Expansionsausnehmung 40 fluidisch vom Regeldurchlassvolumen 30 ab. Wie in 2a deutlich zu erkennen ist, ist das Trennelement 42 als Trennwand, vorzugsweise als eine sich in Radialrichtung erstreckende Trennwand ausgebildet. Aufgrund des Trennelementes 42 führen jegliche Strömungspfade von der Expansionsausnehmung 40 zum Regeldurchlass 30- vice versa- zwingend außerhalb des durch die Mantelfläche 44 aufgespannten Innenvolumens des Ventilelementes 14 entlang.
Wie bereits eingangs erläutert weist das Ventilelement 14 gemäß der in 2a dargestellten Ausführungsform der Erfindung eine im Wesentlichen kugelförmige Form auf. Das Trennelement 42 schließt dabei in Umfangsrichtung entlang einer gedachten an die Expansionsausnehmung 40 anschließende Trennwand ausgebildet ist. Das Trennelement 42 erstreckt sich über einen Umfangswinkel φ zwischen 5° und 15°, vorzugsweise zwischen 8° und 12°, besonders bevorzugt im Wesentlichen über 10° des Ventilelementes 14. Das Expansionsventil erstreckt sich über einen Umfangswinkel γ von 30° bis 50°. Vorzugsweise ist das Ventilelement 14 derart ausgebildet, dass die Summe des Umfangswinkels φ des Trennelementes 42 und des Umfangswinkels γ der Expansionsausnehmung 40 kleiner als 90° insbesondere kleiner als 80° besonders bevorzugt kleiner als 70° ist. Vorzugsweise ist der Umfangswinkels φ des Trennelementes 42 um ein Vielfaches kleiner als der Umfangswinkel γ der Expansionsausnehmung 40.
2a zeigt die Ventilvorrichtung 10 in einer Hauptdurchströmungsposition 50. In der Hauptdurchströmungsposition 55 ist die erste Durchlassöffnung 34 weitgehend vollständig mit dem Fluidauslass 23a und die zweite Durchlassöffnung 36 weitgehend vollständig mit dem gegenüberliegenden Fluidauslass 23b fluidisch verbunden. Dabei liegen vorzugsweise die jeweiligen Durchlassöffnungen 34, 36 innerhalb des Deckungsbereiches des Fluideinlasses 23a, beziehungsweise des Fluidauslasses 23b. Die Durchlassöffnungen 34, 36 liegen fluidisch dichten am Fluidsitz an. Durchlassöffnungen 34, 36 und Fluideinlass 23a und Fluidauslass 23b sind in einer Linie fluchtend zueinander angeordnet. Das, das Ventil durchströmende, Fluid wird im Wesentlichen umlenkungsfrei und somit mit möglichst geringen Strömungsverlusten durch das Ventil geleitet. Wie in 2a deutlich zu erkennen ist, liegt das Trennelement 42 in der Hauptdurchströmungsposition 55 fluidisch dichtend am zweiten Dichtsitz 27b an. Das Trennelement 42 ist somit dazu ausgebildet, in der Hauptdurchströmungsposition 55 die Expansionsausnehmung 40 fluidisch vom Fluidauslass zu trennen. Rückströmungen aus dem Regeldurchlass 30 können in vorteilhafter Weise vermieden werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Expansionsausnehmung 40 einen Strömungsquerschnitt aufweist, welcher derart ausgebildet ist, dass er in Richtung der ersten Durchlassöffnung 36 des Regeldurchlasses 30, insbesondere in Richtung des Trennelementes 42 zunimmt.
2b zeigt die in 2a dargestellte Ventilvorrichtung in einer Expansionsposition 57. Wie in 2b deutlich zu erkennen ist, ist das Ventielement 14 in der Expansionsposition 57 gegenüber der Hauptdurchströmungsposition derart um 90° um die Drehachse 18 rotiert, dass die erste Durchlassöffnung 34 nunmehr im Wesentlichen vollständig am zweiten Fluidauslass 23c anliegt, beziehungsweise die Projektion des zweiten Fluidauslasses 23c die erste Durchlassöffnung im Wesentlichen vollumfänglich überdeckt.
Die zweite Durchlassöffnung 36 liegt im Innenraum 26 des Ventilelementgehäuses 12. Aufgrund des gewählten Umfangswinkels γ der Expansionsausnehmung 40 liegt diese nun am Fluideinlass 23a an. Wie in 2b deutlich zu erkennen ist, überstreicht die Expansionsausnehmung 40 in Umfangsrichtung den ersten Dichtsitz 27a. In der Expansionsposition 57 strömt das Fluid somit vom Fluideinlass 23a, über die Expansionsausnehmung 40, den Innenraum 26, durch die Regeldurchlassöffnung 30, aus dem Fluidauslass 23c.
Das Trennelement 42 ist dem Innenraum 27 zugewandt und liegt nicht am Dichtsitz an. Zwischen dem Dichtsitz 27a und dem Trennelement 42 verbleibt ein Durchströmungsspalt 60. Auf diese Weise kann mit besonders einfachen Mitteln ein Expansionsventil bereitgestellt werde, bei welchem eine Öffnung am Gehäuseboden, das heißt an der dem elektrischen Antrieb abgewandten Seite besonders vorteilhaft vermieden werden kann. Gleichzeitig kann ein konstruktiv einfaches, leichtes Ventilelementgehäuse 12 bereitgestellt werden, welches hinsichtlich Kosten optimiert ist und gleichzeitig geringere Druckverluste durch das Vermeiden von Umlenkungen in Hauptdurchströmungsposition aufweist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017208181 A1 [0002]

Claims

Ventilvorrichtung (10), insbesondere Expansionsventil, zum Regeln eines Fluidflusses eines Fluides, insbesondere für einen Kältemittelkreislauf eines Fahrzeuges, aufweisend ein Ventilelementgehäuse (12) mit zumindest drei Öffnungen (22a, 22b, 22c) und ein Ventilelement (14), wobei das Ventilelement (14) einen Regeldurchlass (30) für einen Hauptfluidstrom (32) und zumindest eine Expansionsausnehmung (40) aufweist, wobei die Öffnungen (22a, 22b, 22c) mit einem im Gehäuseinneren angeordneten Innenvolumen (26) fluidisch verbunden sind, wobei das Innenvolumen (26) zwischen dem Ventilelement (14) und dem Ventilelementgehäuse (12) ausgebildet ist, wobei zumindest eine Öffnung (22a, 22b, 22c) als Fluideinlass (23a, 23b, 23c) ausgebildet ist und zumindest eine Öffnung (22a, 22b, 22c) als Fluidauslass (23a, 23b, 23c) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, wobei das Ventilelement (14) ein Trennelement (42) aufweist, welches dazu ausgebildet ist die Expansionsausnehmung (40) und den Regeldurchlass (30) innerhalb des Ventilelementes (14) fluidisch voneinander zu trennen.
Ventilvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dass das Ventilelement (14) um eine Drehachse (18) drehbar ist und wobei das Ventilelement (14) einen rotationssymmetrischen Grundkörper (38), vorzugsweise einen kugelförmigen oder zylinderförmigen Grundkörper (38) aufweist.
Ventilvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Regeldurchlass (30) entlang der Strömungsrichtung eine erste Durchlassöffnung (34) und eine zweite Durchlassöffnung (36) aufweist, wobei die Expansionsausnehmung (40) im Bereich der zweiten Durchlassöffnung (36) des Regeldurchlasses (30) angeordnet ist und wobei das Trennelement (42) zwischen der Expansionsausnehmung (40) und der zweiten Durchlassöffnung (36) des Regeldurchlasses (30) angeordnet ist.
Ventilvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Hauptdurchströmungsposition (50) die erste Durchlassöffnung (34) weitgehend vollständig mit einem Fluideinlass (23a) und die zweite Durchlassöffnung (36) weitgehend vollständig mit einem Fluidauslass (23b, 23c) fluidtechnisch verbunden ist, wobei das Trennelement dazu ausgebildet ist, in der Hauptdurchströmungsposition die Expansionsausnehmung (40) fluidisch vom Fluidauslass (23b, 23c) zu trennen
Ventilvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Fluidauslass (23b) ein zweiter Dichtsitz (27b) angeordnet ist, wobei in der der Hauptdurchlassposition der Ventilvorrichtung (10) das Trennelement (42) fluidisch dicht am zweiten Dichtsitz (27b) anliegt.
Ventilvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsausnehmung (40) einen Strömungsquerschnitt aufweist, welcher derart ausgebildet ist, dass er in Richtung der zweiten Durchlassöffnung (36) des Regeldurchlasses (30), insbesondere in Richtung des Trennelementes (42) zunimmt.
Ventilvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (42) als Trennwand, vorzugsweise als eine sich in Radialrichtung erstreckende Trennwand, besonders vorzugsweise als eine in Umfangsrichtung an die Expansionsausnehmung (42) anschließende Trennwand ausgebildet ist.
Ventilvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (42) sich über einen Umfangswinkel zwischen 5° und 15°, vorzugsweise zwischen 8° und 12°, besonders bevorzugt im Wesentlichen über 10° des Ventilelementes (14) erstreckt.
Ventilvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Anspruches, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Expansionsausnehmung (40) in einer Radialebene senkrecht zur Drehachse (18) erstreckt, wobei die Expansionsausnehmung (40) vorzugsweise in einer Symmetrieebene des Ventilelementes (14) angeordnet ist.
Ventilvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (14) genau einen Regeldurchlass aufweist, wobei der Regeldurchlass im Wesentlichen gerade, vorzugsweise als Durchgangsbohrung durch das Ventilelement (14) ausgebildet ist.
Ventilvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (22a, 22b, 22c) zumindest eines Fluideinlasses (23a, 23b, 23c) und zumindest einen Fluidauslasses (23a, 23b, 23c) im Wesentlichen fluchtend ausgebildet sind.
Ventilvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsausnehmung (40) als Expansionsnut in einer Mantelfläche (44) des Ventilelementes (14) ausgebildet ist.
Ventilvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest drei Öffnungen (22a, 22b, 22c) des Ventilelementgehäuses (12) in der Radialebene (24) angeordnet sind, wobei sich insbesondere die Symmetrieachsen der Öffnungen (22a, 22b, 22c) und die Drehachse (18) des Ventilelementes (14) einen gemeinsamen Mittelpunkt weitgehend treffen.
Ventilvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Expansionsposition die erste Durchlassöffnung (34) weitgehend vollständig mit einem Fluidauslass (23a, 23b, 23c) fluidtechnisch verbunden ist und die Expansionsausnehmung (40) fluidisch mit einem Fluideinlass (23a, 23b, 23c) verbunden ist, wobei das Trennelement (42) in der Expansionsposition beabstandet zu einem ersten, am Fluideinlass (23a, 23b, 23c) angeordneten Dichtsitz(27a, 27b, 27c), angeordnet ist.
Ventilelement (14) für eine Ventilvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das Ventilelement (14) einen Regeldurchlass (30) für einen Hauptfluidstrom (32) und zumindest eine Expansionsausnehmung (40) aufweist, dadurch gekennzeichnet, wobei das Ventilelement (14) ein Trennelement (42) aufweist, welches dazu ausgebildet ist die Expansionsausnehmung (40) und den Regeldurchlass (30) innerhalb des Ventilelementes (14) fluidisch voneinander zu trennen.