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Die Erfindung betrifft ein Kugelventil, welches insbesondere für den Einsatz in Kältemittelsystemen geeignet und ausgebildet ist. In besonderer Weise ist das Kugelventil gestaltet und angepasst für den Einsatz in Kältemittelkreisläufen in Fahrzeugen mit einem oder mehreren Ventilen.
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Gattungsgemäße Ventile können sowohl mit, als auch ohne Expansionsfunktion ausgeführt sein. Bevorzugtes Anwendungsgebiet sind batterieelektrisch angetriebene Fahrzeuge, Hybridfahrzeuge mit einer Klimaanlage und gegebenenfalls einer Wärmepumpenfunktion. Neben 3-2-Wege-Ventilen kann die Erfindung auch bei 2-Wege-Ventilen, die keine gerade Durchströmung des Ventilkörpers haben, zum Einsatz kommen.
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Kugelventile werden auch als Kugelhähne bezeichnet und sind Absperrorgane in Fluidleitungen, mit deren Hilfe ein Fluidstrom geregelt wird. Dabei sind verschiedene Aufgabenstellungen von vollständigem Durchfluss über vollständige Absperrung und dazwischenliegend gedrosselte Fluidströme einstellbar.
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Aus der
DE 10 2017 205772 A1 geht ein Kugelventil nach dem Stand der Technik hervor, welches ein kugelförmiges Schließelement umfasst, das sich zwischen einem ersten Ventil und einem zweiten Ventil hin und her bewegt. Das Schließelement ist in einem Gehäuse aufgenommen und ist mittels eines Betätigungselements betätigbar. Das Betätigungselement ist mit dem kugelförmigen Schließelement starr verbunden, so dass mittels des Betätigungselements sowohl Druckkräfte als auch Zugkräfte auf das kugelförmige Schließelement übertragbar sind.
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Aus der
DE10 2005 061297 B4 geht ein Kugelventil hervor, welches einen in einem Gehäuse angeordneten Kugelkörper aufweist, der um eine Drehachse in zumindest drei vorbestimmte Drehstellungen drehbar ist. Weiterhin sind zwei Verbindungsanschlüsse und mindestens drei Auswahlanschlüsse an dem Gehäuse vorgesehen sowie zwei voneinander getrennte Durchgänge, die zumindest teilweise in dem Zwischenraum zwischen Kugelkörper und Gehäuse und/oder in dem Kugelkörper verlaufen. Dabei ist der erste Verbindungsanschluss durch den ersten Durchgang mit jeweils mindestens einem der Auswahlanschlüsse verbindbar, wobei in jeder der vorbestimmten Drehstellungen ein anderer Auswahlanschluss über den ersten Durchgang mit dem ersten Verbindungsanschluss verbunden ist und wobei der zweite Verbindungsanschluss in den vorbestimmten Drehstellungen durch den zweiten Durchgang mit jeweils anderen Auswahlanschlüssen, die nicht mit dem ersten Durchgang verbunden sind, verbunden ist.
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Aus der
US 005524863 A ist ein drehbarer Durchflussregelventilmechanismus bekannt, der einen Ventilkörper mit einer Ventilkammer und gerade Durchflusskanäle aufweist, welche die Ventilkammer kreuzen. Ein drehbares Ventilelement, das eine gerade, kugelförmige oder konische Konfiguration aufweist, ist zur Drehung innerhalb der Ventilkammer positioniert und wird in Bezug auf den Ventilkörper durch Dichtungselemente abgedichtet, die die Durchflusskanäle umgeben.
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Schließlich ist aus der
US 2018/0209548 A1 ein Ventil für ein Wärmepumpensystem eines Kraftfahrzeuges bekannt, welches mindestens einen Einlass und zwei Auslässe aufweist. Das Ventil besitzt weiterhin ein Ventilelement, welches zumindest einen Durchlass und zumindest eine Expansionsausnehmung aufweist, die mit zumindest einem Auslass in Strömungsverbindung bringbar ist.
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Bei Kugelventilen nach dem Stand der Technik, die keine gerade Durchströmung des Ventilkörpers, der Ventilkugel, aufweisen, treffen die Bohrungen für den Durchlass, fortfolgend auch als Kugeldurchgangskanal bezeichnet, in einem Winkel aufeinander. Hierdurch entstehen Druckverluste, die durch turbulente Strömungen entstehen, und die damit verbundenen Nachteile belasten die Energiebilanz. Dies trifft auf Kugelventile mit und ohne Expansionsfunktion zu.
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Zudem werden bei nicht senkrechten Durchgängen Bohrungen mit zum Teil flachem Winkel zwischen Ein- und Austritt erforderlich, was komplexe Fertigungsverfahren oder große Kugeln beziehungsweise Zylinder als Ventilelemente erfordert.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, den Druckverlust zwischen Ein- und Ausgang des Ventilkörpers zu reduzieren.
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Die Aufgabe wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Die Aufgabe der Erfindung wird insbesondere durch ein Kugelventil mit einem strömungsoptimierten Kugeldurchgangskanal gelöst, welches aus einem Ventilblock mit mindestens zwei in einem Winkel alpha zueinander versetzt angeordneten Anschlüssen besteht. Weiterhin ist eine Ventilkugel mit einem die Anschlüsse verbindenden Kugeldurchgangskanal sowie eine Antriebswelle und ein Aktuator für die Ventilkugel vorgesehen. Die zueinander versetzt angeordneten Anschlüsse liegen nicht in einer Flucht und führen folglich zu einem nicht auf einer geraden Linie liegenden Kugeldurchgangskanal. Dies wird auch als nicht gerade Durchströmung bezeichnet. Der Kugeldurchgangskanal ist als ein Nut und Fluidkanal von einem zum anderen Anschluss mit bogenförmigem Nutgrund und einem U-förmigen Nutquerschnitt ausgebildet. Die Nut erstreckt sich von einem Ende zum anderen Ende des Kugeldurchgangskanals entlang der Oberfläche der Ventilkugel.
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Der bogenförmig ausgeführte Nutgrund führt zu einer strömungsoptimierten Gestaltung des Kugeldurchgangskanals. Die Strömung folgt der Krümmung des Nutgrundes vom Anfang bis zum Ende des Kugeldurchgangskanals. Durch die stetige bogenförmige Umlenkung erfährt die Strömung keine, beziehungsweise wenige Turbulenzen im Unterschied zur unstetigen Umlenkung bei abgewinkelten Kugeldurchgangskanälen, wie dies nach dem Stand der Technik üblich ist.
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Der Nutquerschnitt ist U-förmig ausgeführt, so dass auch dadurch eine Strömungsoptimierung hin zu laminaren Strömungen gegeben ist. Die sich aus dieser Gestaltung ergebenden Nutflanken zur Kugeloberfläche hin sind als parallele Wände ausgeführt.
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Bevorzugt ist im Ventilblock ein dritter Anschluss angeordnet und das Kugelventil ist mit drei Anschlüssen und zwei Strömungswegen als 3-2-Wege-Ventil, jeweils bidirektional durchströmbar, ausgebildet.
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Vorteilhaft aus strömungstechnischer Sicht ist der dritte Anschluss im Ventilblock fluchtend mit einem der anderen beiden Anschlüsse angeordnet.
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Der Winkel alpha zwischen zwei Anschlüssen ist vorteilhaft mit 90° ausgebildet. Weiterhin sind Anordnungen von Anschlüssen, die nicht fluchtend gegenüberliegend angeordnet sind, auch vorteilhaft durch einen bogenförmig gekrümmten Kugeldurchgangskanal im Sinne der Erfindung miteinander verbindbar.
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Nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist in der Ventilkugel eine Expansionsnut, ausgehend vom Kugeldurchgangskanal, ausgebildet. Eine Expansionsnut ist dadurch gekennzeichnet, dass der Nutquerschnitt relativ klein im Verhältnis zum Kugeldurchgangskanal ist und dieser sich vom Kugeldurchgangskanal entfernend sinkt. Der Nutquerschnitt nimmt kontinuierlich ab und läuft in der Schließstellung der Ventilkugel in die Oberfläche hinein aus.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Expansionsnut in Richtung des Kugeldurchgangskanals ausgebildet.
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Alternativ vorteilhaft ist die Expansionsnut quer zur Richtung des Kugeldurchgangskanals ausgebildet.
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Der Kugeldurchgangskanal weist bevorzugt im mittleren Teil steile Nutflanken auf, die insbesondere parallel zueinander in Richtung der Oberfläche der Ventilkugel verlaufen.
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Im Ventilblock sind zwei gegenüberliegenden Anschlüssen jeweils ein Dichtsitz zugeordnet.
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Sofern ein dritter Anschluss im Kugelventil vorgesehen ist, ist der Aktuator oder ein Dichtsitz diesem dritten Anschluss gegenüberliegend angeordnet.
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Fertigungstechnisch bevorzugt wird der Kugeldurchgangskanal gefräst ausgeführt.
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Alternativ ist die Ventilkugel mit Nut als Kugeldurchgangskanal mit additiven Herstellungsverfahren, wie Laser-Sintern oder 3D-Druck beispielsweise, ausgeführt.
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Eine bevorzugte Verwendung des Kugelventils besteht im Einsatz als Kältemittelventil.
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Eine besonders bevorzugte Verwendung eines Kugelventils mit Expansionsnut besteht im Einsatz als Expansionsorgan in Kältemittelkreisläufen, wobei diese besonders bevorzugt in Fahrzeugen eingesetzt werden.
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Die Konzeption der Erfindung besteht darin, dass eine strömungsoptimierte Kontur in der Kugel realisiert wird, die den Druckverlust reduziert. Die strömungsoptimierte Kontur des Kugeldurchgangskanals führt zu einer verlustärmeren Umlenkung des Fluids.
Hierdurch bleibt die Strömung im Bereich der Umlenkung laminarer.
Um die Kontur besser ausarbeiten zu können, wird das Material der Kugel zwischen den beiden Anschlüssen zusätzlich entfernt. Dies stellt neben der Strömungsoptimierung auch eine Reduzierung der Fertigungskomplexität dar.
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Die sich daraus ergebenden Vorteile sind vielfältig.
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Durch die erfindungsgemäße Lösung kann die Strömungsoptimierung durch den abgerundeten Winkel zwischen Ein- und Auslass des Ventils auf deutlich kleinerem Raum untergebracht werden.
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Durch die Reduzierung des Druckverlustes und der Größe des Ventils wird die Leistung des Gesamtsystems verbessert, da weniger Energie für die selbe Leistung der Kälteanlage oder Wärmepumpe aufgebracht werden muss. Zudem wird durch ein vereinfachtes Fertigungsverfahren eine Kostenreduzierung für das Gesamtsystem erzielt.
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Durch den Entfall des Materials zwischen den Löchern an den Enden des Kugeldurchgangskanals kann die Fertigung in einem Arbeitsschritt mit einem Kugelfräskopf beispielsweise erfolgen. Bei Ventilen mit nicht geradem Kugeldurchgangskanal nach dem Stand der Technik waren zwei Arbeitsschritte für die beiden winklig zueinander ausgeführten Bohrungen notwendig.
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Durch diese erfindungsgemäß verringerte Fertigungskomplexität für den Kugeldurchgangskanal können die Herstellungskosten unmittelbar reduziert werden.
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Wie bereits erwähnt wird ein geringerer Druckverlust durch die geführte Strömungsumlenkung erreicht.
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Dies hat einen geringeren Leistungsverlust zur Folge, sodass die aufzuwendende Leistung vom Kältemittelverdichter geringer ist. In Bezug auf Elektrofahrzeuge wird durch den geringeren Stromverbrauch eine größere Reichweite erzielt.
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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:
- 1: Kugelventil nach dem Stand der Technik,
- 2a: Ventilkugel mit abgewinkeltem Kugeldurchgangskanal, perspektivisch,
- 2b: Kugelventil mit abgewinkeltem Kugeldurchgangskanal im Querschnitt,
- 3: 3-2-Wege-Ventil als Kugelventil mit strömungsoptimiertem Kugeldurchgangskanal,
- 4a: Ventilkugel mit strömungsoptimiertem Kugeldurchgangskanal, perspektivisch,
- 4b: Ventilkugel mit strömungsoptimiertem Kugeldurchgangskanal im Längsschnitt,
- 5: Kugelventil mit versetzt angeordnetem Aktuator,
- 6a: Ventilkugel mit fluchtender Expansionsnut, perspektivisch,
- 6b: Ventilkugel mit abgewinkelter Expansionsnut, perspektivisch,
- 7: Kugeldurchgangskanal als 2-Wege-Ventil mit versetzt angeordnetem Aktuator und
- 8: Durchflusskennlinie eines Kugelventils mit Expansionsfunktion und eines Kugelventils ohne Expansionsfunktion.
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In 1 ist ein Kugelventil 1 mit rechtwinklig abgewinkeltem Kugeldurchgangskanal 9 in der Ventilkugel 5 nach dem Stand der Technik dargestellt.
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Das Kugelventil 1 besteht im Wesentlichen aus einem Ventilblock 2 sowie der darin angeordneten Ventilkugel 5 mit der zum Antrieb erforderlichen Antriebswelle 4 und entsprechend dem Aktuator 3.
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Die gattungsgemäßen Kugelventile 1 weisen im Ventilblock 2 Anschlüsse 6, 7 und 8 auf. Zwei Anschlüsse 6, 8 sind fluchtend angeordnet und ein Anschluss 7 ist in einem Winkel α (alpha), hier mit 90 Grad ausgeführt, versetzt zu den Anschlüssen 6, 8 angeordnet. Die Anschlüsse 6, 7 und 8 ermöglichen eine Funktionalität des Kugelventils 1 als 3-2-Wege-Ventil.
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Der Kugeldurchgangskanal 9 in der Ventilkugel 5 ist rechtwinklig mittels zweier Bohrungen, die endseitig miteinander verbunden sind, ausgeführt. Die Ventilkugel 5 wird durch zwei Dichtsitze 11, jeweils zwischen den Anschlüssen 6 und 8, dichtend gehaltert.
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Der Winkel α ist im in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel mit 90 Grad ausgeführt. In diesem Winkel sind die Anschlüsse 6 und 7, beziehungsweise 7 und 8 zueinander versetzt im Ventilblock 2 angeordnet. Korrespondierend dazu sind die Bohrungen des Kugeldurchgangskanals 9 rechtwinklig in der Ventilkugel 5 ausgeführt.
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2a zeigt eine Ventilkugel 5 in perspektivischer Ansicht mit dem Kugeldurchgangskanal 9, welcher durch zwei aufeinandertreffende Bohrungen ausgeführt ist. Die Bohrungen sind im Winkel α von 90 Grad zueinander versetzt angeordnet. Die Bohrachsen schneiden sich im Mittelpunkt der Ventilkugel 5.
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In 2b ist der Verlauf des Kugeldurchgangskanals 9 im Längsschnitt der Ventilkugel 5 gezeigt. Dabei wird ersichtlich, dass die Bohrungen für den Kugeldurchgangskanal 9 im Winkel von 90 Grad zueinander radial in die Kugel eingebracht wurden, was zur entsprechenden Gestaltung der Kontur des Kugeldurchgangskanals 9 führt. Insbesondere ist zu bemerken, dass im Verlauf des Strömungsweges des zu regelnden beziehungsweise zu steuernden Fluids durch den Kugeldurchgangskanal 9 hindurch an verschiedenen Stellen im Kanal unstetig durchströmbare Bereiche durch Kanten und Versackungen in der Kontur des Kugeldurchgangskanals 9 auftreten.
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In 3 ist ein Kugelventil 1 nach der Erfindung als Ausführung eines 3-2-Wege-Ventils schematisch im Längsschnitt gezeigt. Die Grundelemente des Kugelventils 1 sind in gleicher Weise wie in 1 ausgeführt. Die Ventilkugel 5 wird gehaltert und gedichtet zwischen den Dichtsitzen 11 und ist zwischen den Anschlüssen 6, 7, und 8 im Ventilblock 2 angeordnet. Die Anschlüsse 6 und 7 gemäß dargestelltem Ausführungsbeispiel sind gleichfalls im rechten Winkel versetzt zueinander gezeigt. Im Unterschied zum Kugelventil 1 nach 1 ist der Kugeldurchgangskanal 9 in der Ventilkugel 5 strömungsoptimiert ausgeführt.
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Es ergeben sich im Verlauf des Strömungsweges, dargestellt zwischen Anschluss 6 und Anschluss 7, keine Unstetigkeiten durch eine plötzliche Umlenkung der Strömung innerhalb des Kugeldurchgangskanals 9. Die Strömung wird stattdessen im Kugeldurchgangskanal 9 durch die bogenförmige Gestaltung stetig in kleinsten Schritten umgelenkt. In Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit und dem gewählten bogenförmigen Verlauf des Kugeldurchgangskanals 9 kann eine laminare Strömung innerhalb des Kugeldurchgangskanals 9 bei der Strömung vom Anschluss 6 zum Anschluss 7 aufrecht erhalten werden im Vergleich zur Strömung in einem Kugelventil 1 nach dem Stand der Technik gemäß 1.
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In 4a ist eine Ventilkugel 5 mit einem Kugeldurchgangskanal 9 perspektivisch dargestellt, wobei der Kugeldurchgangskanal 9 als Nut in die Ventilkugel 5 eingebracht ist. Die Nut des Kugeldurchgangskanals 9 weist einen Nutgrund 13 auf, welcher bogenförmig als Kurve ausgestaltet ist. Die Nut selbst taucht in die Ventilkugel 5 ein und wieder auf und ist durch einen Bereich der Ventilkugel 5 hindurchgeführt. Die Nut ist dabei nicht mit gleichem Querschnitt über die Nutlänge ausgeführt sondern weist in der Mitte einen Bereich mit ausgeprägten Nutflanken 14 auf, wobei sich zwei Nutflanken der Nut parallel gegenüberliegen.
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Der Verlauf des als Nut ausgeführten Kugeldurchgangskanals 9 wird in der 4b im Längsschnitt durch die Ventilkugel 5 verdeutlicht. Der Nutgrund 13 ist dort als bogenförmige Kontur der unteren Begrenzung der Nut zur Ventilkugel 5 hin als Bogen mit einem mittig angeordneten Viertelkreisradius gezeigt. Angedeutet ist weiterhin die Nutflanke 14 als eine Fläche, die sich in Folge des U-förmigen Nutquerschnitts ergibt. Die Nut des Kugeldurchgangskanals 9 ist in die Ventilkugel 5 eingearbeitet und in der dargestellten Ausgestaltungsform über einen Bereich von 90 Grad der Ventilkugel 5 ausgeführt. Dieser Winkel von 90 Grad entspricht damit dem Winkel α der winkelversetzten Anordnung der zugehörigen Anschlüsse, dargestellt in 3 als Anschlüsse 6 und 7.
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Entsprechend der Gestaltung der Anordnung der Anschlüsse mit versetztem Winkel zueinander im Ventilblock kann der Verlauf der Nut in korrespondierender Weise in Bezug auf die Ventilkugel mit verschiedenen Winkelbereichen daran angepasst ausgestaltet werden.
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In 5 ist ein Kugelventil 1 gezeigt, welches wiederum die Grundelemente von Ventilblock 2, Ventilkugel 5 mit nicht dargestelltem Kugeldurchgangskanal sowie den Anschlüssen 6, 7 und 8 im Ventilblock 2 zeigt. Die Besonderheit bei dieser Ausgestaltungsform gemäß 5 besteht darin, dass der Aktuator 3 keinem der Anschlüsse 6, 7 oder 8 unmittelbar gegenüberliegt. Dadurch wird es erforderlich, dass neben den gegenüberliegenden Dichtsitzen 11 der Anschlüsse 6 und 8 ein zusätzlicher Dichtsitz 12 gegenüberliegend zum Anschluss 7 erforderlich ist.
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In 6a ist eine Ventilkugel 5 gezeigt, welche einen Kugeldurchgangskanal 9 besitzt, der in seiner Anordnung eine Verlängerung durch eine Expansionsnut 10 erfährt. Die Expansionsnut 10 erstreckt sich von einem Ende des Kugeldurchgangskanals 9 und verringert ihren Querschnitt im dargestellten Beispiel stetig, bis sich die Expansionsnut 10 in der Oberfläche der Ventilkugel 5 auflöst.
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In 6b ist eine alternative Ausgestaltung der Ventilkugel 5 mit einer Expansionsnut 10 im Anschluss an den Kugeldurchgangskanal 9 gezeigt. Dabei ist die Expansionsnut 10 mit ihrer Anordnung rechtwinklig abgewinkelt zum Verlauf des Kugeldurchgangskanals 9 angeordnet. Die verschiedenen Anordnungen der Expansionsnut 10 jeweils im Verhältnis zum Kugeldurchgangskanal 9 erfordern unterschiedliche Angriffe des Aktuators 3 und entsprechende Drehachsen der Kugel entlang der Antriebswelle 4, wie in den 3 und 5 dargestellt.
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In 7 ist eine Ausgestaltung des Kugelventils 1 gezeigt, welches im Ventilblock 2 lediglich zwei Anschlüsse 6 und 7 besitzt. Damit ist die Funktionalität dieses Kugelventils 1 auf ein 2-Wege-Ventil beschränkt. Im gezeigten Beispiel ist der Aktuator 3 dem Anschluss 7 des Ventilblocks 2 gegenüberliegend angeordnet, so dass neben dem Dichtsitz 11 für den Anschluss 6 auch ein dem Anschluss 6 gegenüberliegender Dichtsitz 12 angeordnet ist. Kugelventile 1 sind je nach Ausgestaltung der Ventilkugel 5 mit oder ohne Expansionsfunktion ausgeführt.
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In 8 ist ein Diagramm mit einer Durchflusskennlinie zwischen zwei Anschlüssen gezeigt, welches die Unterschiede anhand des Durchflusses in Prozent in Abhängigkeit von der Position der Ventilkugel 5 in den 3, 5 und 7 zeigt. Ausgestaltungen des Kugelventils 1 ohne Expansionsnut 10, beispielsweise gemäß 4a und 4b, führen zu Durchflusskennlinien gemäß der durch Kreuze dargestellten Funktion. Kugelventilen 1, die auch als Kugelhähne bezeichnet werden, immanent ist eine relativ unstetige Durchflusskennlinie in den Übergangsbereichen. Diese Ventile sind insbesondere nicht geeignet, um eine Expansion mit der erforderlichen Sensitivität im Bereich geringer Durchflüsse realisieren zu können. Eine Durchflusskennlinie eines Kugelventils 1 mit Expansionsfunktion ist durch die Funktion mit kreisförmigen Messpunkten gezeigt. Die Durchflusskennlinie ist im Bereich geringen Durchflusses mit einer leichten Steigung durch die Expansionsnut 10 gekennzeichnet, wodurch bei einem Einsatz des Kugelventils 1 in Kältemittelsystemen eine Expansion des Kältemittels realisiert und der Durchfluss gut geregelt werden kann.
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Nach der Durchflusskennlinie für dieses Ausgestaltungsbeispiel geht der Durchfluss nach der Expansionsnut 10 in die Durchflusscharakteristik des Kugelventils 1 ohne Expansionsnut 10 im Bereich der größeren Schaltstellungen über.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kugelventil
- 2
- Ventilblock
- 3
- Aktuator
- 4
- Antriebswelle
- 5
- Ventilkugel
- 6
- Anschluss
- 7
- Anschluss
- 8
- Anschluss
- 9
- Kugeldurchgangskanal
- 10
- Expansionsnut
- 11
- Dichtsitz
- 12
- Dichtsitz
- 13
- Nutgrund
- 14
- Nutflanke
- α
- Alpha
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017205772 A1 [0004]
- DE 102005061297 B4 [0005]
- US 005524863 A [0006]
- US 2018/0209548 A1 [0007]
