DE102021132184A1

DE102021132184A1 - Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Expandieren eines Fluids

Info

Publication number: DE102021132184A1
Application number: DE102021132184.0A
Authority: DE
Inventors: Marc Cierco Portillo; Christoph Lippel
Original assignee: Hanon Systems Corp
Current assignee: Hanon Systems Corp
Priority date: 2021-12-07
Filing date: 2021-12-07
Publication date: 2023-06-07

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum Regeln eines Durchflusses und Expandieren eines Fluids, insbesondere ein Ventil, in einem Fluidkreislauf, speziell eines Kältemittels in einem Kältemittelkreislauf. Die Vorrichtung (1) weist ein Gehäuse (2) mit Anschlüssen (3, 4) zum Verbinden mit Fluidleitungen, welche jeweils über eine Durchströmöffnung mit einem inneren Volumen des Gehäuses (2) verbunden sind, sowie ein im inneren Volumen des Gehäuses (2) angeordnetes Ventilelement (5a, 5b) auf. Das kugelförmig oder kreiszylinderförmig ausgebildete Ventilelement (5a, 5b) ist um eine Rotationsachse (6) relativ zum Gehäuse (2) drehbar gelagert und weist eine Durchgangsöffnung (9) mit einem Einströmquerschnitt (9-2) und einem Ausströmquerschnitt (9-1) auf. Die Rotationsachse (6) und eine Mittelachse des kugelförmigen Ventilelements (5a, 5b) oder die Rotationsachse (6) und eine Längsachse des kreiszylinderförmigen Ventilelements sind deckungsgleich angeordnet. An der Oberfläche des Ventilelements (5a, 5b) ist ausgehend von einem Rand des Ausströmquerschnitts (9-1) mindestens eine Nut (10a, 10b) ausgebildet, welche sich entlang des Umfangs erstreckt und einen in Umfangsrichtung des Ventilelements (5a, 5b) veränderlichen Strömungsquerschnitt aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Expandieren eines Fluids in einem Fluidkreislauf, insbesondere eines Kältemittels in einem Kältemittelkreislauf. Die Vorrichtung weist ein Gehäuse mit Anschlüssen zum Verbinden mit Fluidleitungen, welche jeweils über eine Durchströmöffnung mit einem inneren Volumen des Gehäuses verbunden sind, sowie ein im inneren Volumen des Gehäuses angeordnetes Ventilelement auf. Das kugelförmig oder kreiszylinderförmig ausgebildete Ventilelement ist um eine Rotationsachse drehbar gelagert und weist eine Durchgangsöffnung auf.
Bei aus dem Stand der Technik bekannten Kraftfahrzeugen wird einer hohen Anforderung an den Komfort der Fahrgäste im Fahrgastraum durch Klimatisierungssysteme mit unterschiedlichen Kreisläufen für Kältemittel und Kühlmittel begegnet. Herkömmliche Kraftfahrzeuge mit elektromotorischem Antrieb, kurz als Elektrofahrzeuge bezeichnet, oder Kraftfahrzeuge mit einem hybriden Antrieb aus Elektromotor und Verbrennungsmotor, kurz als Hybridfahrzeuge bezeichnet, weisen aufgrund der Ausbildung mit zusätzlichen Komponenten des elektrischen Antriebsstrangs, wie einer Hochvoltbatterie, einem internen Ladegerät, einem Transformer, einem Inverter sowie dem Elektromotor, zudem meist einen höheren Versorgungsbedarf an Kälte beziehungsweise Wärme als Kraftfahrzeuge mit einem reinen verbrennungsmotorischen Antrieb auf.
Thermische Systeme elektrisch angetriebener Kraftfahrzeuge üben aufgrund des erforderlichen Energiebedarfs einen erheblichen Einfluss auf die Reichweite der Kraftfahrzeuge aus. So wird durch eine bedarfsgerechte Verteilung von Wärmeströmen im Kraftfahrzeug mit verschiedenen Untersystemen beispielsweise eine schnellere Konditionierung von Komponenten ermöglicht, welche eine optimale Betriebstemperatur erfordern. In batterieelektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen und Kraftfahrzeugen mit Hybridantrieb, bei welchen neben der Konditionierung des Fahrgastraums beispielsweise auch die Konditionierung der Hochvoltkomponenten des elektrischen Antriebsstrangs von besonderem Interesse sind, ist der Einfluss des Betriebs der thermischen Systeme auf die Reichweite des Kraftfahrzeugs zu minimieren.
Die Kältemittelkreisläufe der thermischen Systeme sind neben den entsprechenden Wärmeübertragern und Verdichtern unter anderem auch mit Expansionsventilen zum geregelten Entspannen des Kältemittels ausgebildet. Aus dem Stand der Technik sind Expansionsventile, insbesondere für den Einsatz in Kältemittelkreisläufen mit Kohlendioxid als Kältemittel, kurz als R744 bezeichnet, bekannt.
Der Arbeitsprozess mit Kohlendioxid als Kältemittel unterscheidet sich von Prozessen mit anderen Kältemitteln thermodynamisch insbesondere in den entsprechenden Druckniveaus und entsprechend beispielsweise einer überkritischen Wärmeabgabe, das heißt einer isobaren, nichtisothermen Zustandsänderung des Kältemittels gegenüber einer isobaren, isothermen Zustandsänderung einer unterkritischen Wärmeabgabe in einem klassischen Kaltdampfprozess, beispielsweise mit R134a oder R290 als Kältemittel. Die Bezeichnung überkritische und unterkritische Wärmeabgabe bezieht sich dabei auf den kritischen Punkt als charakteristischen Zustand des Kältemittels. Mit einer überkritischen Wärmeabgabe wird der Prozess auch als transkritischer Prozess bezeichnet. Der Vorgang der Expansion des Kältemittels innerhalb des Kreisprozesses, welcher bekanntlich auf den Vorgang der Wärmeabgabe folgt, beginnt auf einem wesentlich höheren Druckniveau als bei Prozessen mit herkömmlichen Kältemitteln.
Ein Ventil als eine Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Expandieren eines Kältemittels, insbesondere ein Expansionsventil, erfüllt die Funktionen des Abdichtens im geschlossenen Zustand, des Regelns eines Massenstroms beziehungsweise Expandierens des Kältemittels gemäß einer Kennlinie sowie ein Durchlassen bei Volllast bei maximal geöffnetem Strömungsquerschnitt. Der Betrieb mit maximal geöffnetem Strömungsquerschnitt des Ventils ermöglicht ein Durchströmen des Kältemittels unter minimalem beziehungsweise ohne nennenswerten Druckverlust.
Das Ventil sollte neben den genannten Funktionen zudem weitere Kriterien erfüllen. Dabei sollte der Übergang zwischen den Funktionen Abdichten und Regeln beziehungsweise Expandieren möglichst kontinuierlich und damit ohne einen Sprung innerhalb der entsprechenden Kennlinie erfolgen.
Aus der CN 2017 20584197 U geht ein elektrisch angetriebenes Ventil mit einem Gehäuse und einem innerhalb des Gehäuses angeordneten kugelförmigen Ventilelement hervor. Das Ventilelement weist eine zentrale Durchgangsbohrung mit kreisrundem Strömungsquerschnitt und mindestens zwei Expansionsnuten auf und ist über Dichtsitze zum Gehäuse abgedichtet. Die Expansionsnuten sind jeweils an den beiden gegenüberliegenden Seiten der zentralen Durchgangsbohrung angeordnet.
Herkömmliche Kugelexpansionsventile weisen während des Betriebs im Regelbereich, in welchem das Ventil ausschließlich durch die Expansionsnut durchströmt wird, eine Kennlinie mit einem linearen Verlauf und während des Betriebs im sogenannten Boostbereich mit noch nicht vollständig geöffneten Zuständen des Ventils, in welchem der freie Strömungsquerschnitt durch die Expansionsnut und Anteile der Durchgangsbohrung gebildet wird, einen nicht linearen Verlauf auf, sodass insbesondere der Betrieb im nicht vollständig geöffneten Zustand des Ventils sehr schwer zu regeln ist. Beim Betrieb des Ventils im Boostbereich wird mit dem Drehen des Ventilelements ein erheblich größerer Strömungsquerschnitt pro Winkel freigegeben als beim Betrieb im Regelbereich.
Zudem ist der Strömungsquerschnitt durch das kugelförmige Ventilelement mit einer Expansionsnut ausgebildet. Die Expansionsnut weist im Verhältnis zum Durchmesser des Ventilelements eine sehr große Ausdehnung auf, was sich in Verbindung mit den Dichtsitzen des Ventils ungünstig auswirkt.
Bei aus dem Stand der Technik bekannten Kugelexpansionsventilen lassen sich zudem aufgrund des kreisrunden Strömungsquerschnitts innerhalb des Ventilelements mit der Expansionsnut die Größe des Strömungsquerschnitts und die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids nicht bestimmen. Der Durchfluss durch das Ventil lässt sich nicht präzise genug regeln, um beispielsweise dem genannten Anspruch an den Betrieb eines Kältemittelkreislaufs eines thermischen Systems gerecht zu werden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung und Verbesserung einer Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Expandieren eines Fluids in einem Fluidkreislauf, insbesondere in einem Kältemittelkreislauf, speziell eines thermischen Systems oder eines Klimatisierungssystems eines Kraftfahrzeugs. Dabei soll der Leistungsdurchsatz der Vorrichtung, insbesondere im Regelbereich der Kennlinie aber auch im Boostbereich, an die entsprechenden Anforderungen angepasst werden können. Der Druckverlust beim Betrieb im vollständig geöffneten Zustand des Ventils soll minimal sein. Die Vorrichtung soll eine maximale Lebensdauer aufweisen. Zudem soll die Herstellung einfach und damit die Herstellungskosten minimal sein. Die Vorrichtung soll in jedem Anwendungsfall, das heißt in einem großen Temperaturbereich und Druckbereich, zuverlässig betreibbar sein.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände mit den Merkmalen der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände mit den Merkmalen der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Die Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Expandieren eines Fluids, insbesondere ein Ventil, in einem Fluidkreislauf, speziell eines Kältemittels in einem Kältemittelkreislauf, gelöst. Die Vorrichtung weist ein Gehäuse mit Anschlüssen zum Verbinden mit Fluidleitungen, welche jeweils über eine Durchströmöffnung mit einem inneren Volumen des Gehäuses verbunden sind, sowie ein im inneren Volumen des Gehäuses angeordnetes Ventilelement auf.
Das kugelförmig oder kreiszylinderförmig ausgebildete Ventilelement ist um eine Rotationsachse relativ zum Gehäuse drehbar gelagert und weist eine Durchgangsöffnung mit einem Einströmquerschnitt und einem Ausströmquerschnitt auf. Die Rotationsachse und eine Mittelachse des kugelförmigen Ventilelements oder die Rotationsachse und eine Längsachse des kreiszylinderförmigen Ventilelements sind deckungsgleich angeordnet.
Nach der Konzeption der Erfindung ist an der Oberfläche des Ventilelements, ausgehend von einem Rand des Ausströmquerschnitts mindestens eine Nut ausgebildet. Die Nut erstreckt sich entlang des Umfangs des Ventilelements und weist einen in Umfangsrichtung des Ventilelements veränderlichen Strömungsquerschnitt auf.
Die Mittelachsen der Durchströmöffnungen der Anschlüsse des Gehäuses, die Mittelachse der Durchgangsöffnung des Ventilelements und die Rotationsachse des Ventilelements sind sich vorteilhaft in einem gemeinsamen Schnittpunkt im Zentrum des Ventilelements schneidend angeordnet.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die mindestens eine Nut sich in einer Mittelebene des Ventilelements erstreckend sowie symmetrisch zur Mittelebene des Ventilelements ausgebildet. Die Mittelebene ist orthogonal zur Rotationsachse des Ventilelements ausgerichtet.
Die Durchströmöffnungen der Anschlüsse des Gehäuses und die Durchgangsöffnung des Ventilelements sind vorzugsweise in der Mittelebene des Ventilelements angeordnet.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist auch an der Oberfläche des Ventilelements, ausgehend von einem Rand des Einströmquerschnitts mindestens eine Nut ausgebildet. Die Nut erstreckt sich entlang des Umfangs und der Mittelebene des Ventilelements und ist symmetrisch zur Mittelebene des Ventilelements angeordnet. Zudem weist die Nut einen in Umfangsrichtung des Ventilelements veränderlichen Strömungsquerschnitt auf und ist diametral gegenüberliegend zur am Ausströmquerschnitt ausgebildeten Nut angeordnet. Ein derart ausgebildetes Ventilelement ist bidirektional durchströmbar und kann in beiden Durchströmrichtungen die erforderlichen Funktionen erfüllen.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der Strömungsquerschnitt der Nut in Umfangsrichtung des Ventilelements mit zunehmendem Abstand vom Rand des Ausströmquerschnitts oder des Einströmquerschnitts kleiner werdend ausgebildet ist. Dabei weist die Nut in Umfangsrichtung des Ventilelements eine Länge L, in orthogonaler Richtung zur Länge L eine Breite B sowie in radialer Richtung eine Tiefe auf.
Nach einer ersten alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist der Strömungsquerschnitt der Nut bezüglich der Oberfläche beziehungsweise Mantelfläche des Ventilelements in Bereiche mit jeweils unterschiedlicher Breite B in Form von Stufen unterteilt ausgebildet.
Die Nut des Ventilelements weist dabei vorzugsweise mindestens drei Stufen mit jeweils gleicher Länge L auf.
Die Volumina von in Umfangsrichtung benachbart zueinander angeordneter Stufen der Nut sind vorteilhaft miteinander verbunden. Dabei ist zudem jede Stufe in radialer Richtung in die Durchgangsöffnung einmündend ausgebildet.
Das kugelförmige Ventilelement weist bevorzugt einen Durchmesser von 22 mm auf, während die Stufen der Nut eine Breite im Bereich von 0,1 mm bis 5 mm, insbesondere im Bereich von 0,2 mm bis 0,5 mm, aufweisen.
Die Länge der Nut kann entsprechend einem Winkelbereich zwischen 10° und 69°, insbesondere bis 68,7°, betragen. Dabei kann die Nut mit einer Anzahl von zwei und fünf Stufen ausgebildet sein.
Bei einer mit drei Stufen versehenen Nut weist jede Stufe eine Länge L entsprechend einem Winkelbereich im Bereich von 16° bis 17°, insbesondere von 16,8°, auf. Bei einer ersten Stufe kann eine Breite 0,2 mm, bei einer zweiten Stufe kann eine Breite 0,4 mm und bei einer dritten Stufe kann eine Breite 0,5 mm betragen.
Nach einer zweiten alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist der Strömungsquerschnitt der Nut als eine senkrechte Fläche innerhalb einer durch die Rotationsachse und den Radius des Ventilelements aufgespannten Ebene in Umfangsrichtung des Ventilelements mit zunehmendem Abstand vom Rand des Ausströmquerschnitts oder des Einströmquerschnitts kontinuierlich kleiner werdend ausgebildet. Dabei weist die Nut in Umfangsrichtung des Ventilelements, insbesondere bei konstanter Breite, vorteilhaft eine kontinuierlich kleiner werdende Tiefe auf.
Der maximale Strömungsquerschnitt der Nut beträgt jeweils vorzugsweise 2 mm².
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist die Durchgangsöffnung des Ventilelements einen über die gesamte Länge in Form und Ausdehnung konstanten Strömungsquerschnitt auf. Der Strömungsquerschnitt der Durchgangsöffnung ist vorteilhaft rechteckig, insbesondere quadratisch, mit einer bevorzugten Kantenlänge von 8 mm ausgebildet.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass zwischen dem Ventilelement und dem Gehäuse Dichtelemente, insbesondere Dichtungsringe, angeordnet sind. Die Dichtelemente weisen vorzugsweise einen rechteckigen Innenquerschnitt auf.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Ventilelement über ein Verbindungselement mit einem außerhalb des Gehäuses angeordneten Antriebselement zum Bewegen des Ventilelements verbunden. Das vorzugsweise als eine Welle ausgebildete Verbindungselement, kann an einem ersten Ende fest mit dem Antriebselement und an einem zum ersten Ende distal ausgebildeten zweiten Ende durch eine Seite in das Gehäuse hineinragend und mit dem Ventilelement verbunden sein. Dabei ist das Antriebselement insbesondere als ein Stellmotor ausgebildet.
Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht die Verwendung der Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Expandieren eines Fluids, insbesondere eines Kältemittels, in einem Kältemittelkreislauf eines Klimatisierungssystems oder eines thermischen Systems, speziell eines Thermomanagementsystems, eines Kraftfahrzeugs zum Konditionieren von mindestens einem einem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstrom sowie mindestens einer Komponente eines Antriebsstrangs.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Expandieren eines Fluids weist speziell als ein Expansionsventil für einstufige oder mehrstufige Regelung mit linearer Kennlinie oder gestufter linearer Kennlinie sowohl im Regelbereich als auch im Boostbereich zusammenfassend weitere diverse Vorteile auf:

- gute Bestimmbarkeit des Strömungsquerschnitts und der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids beim Durchströmen des Ventils,
- präzise Regelung des Durchflusses durch das Ventil,
- minimaler Druckverlust beim Betrieb des Ventils im vollständig geöffneten Zustand sowie
- maximale Leistungszahl beim Betrieb des Fluidkreislaufs.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:

1: eine Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses eines Fluids in einem Fluidkreislauf, insbesondere ein Ventil für Kältemittelkreisläufe eines thermischen Systems eines Kraftfahrzeugs in schematischer Darstellung,
2a: ein erstes Ventilelement mit einer Durchgangsöffnung und einer an einem Ausströmquerschnitt ausgebildeten, abgestuften Nut in perspektivischer Ansicht,
2b: das erste Ventilelement aus 2a in einer Detaildarstellung des Ausströmquerschnitts in perspektivischer Ansicht,
2c: das erste Ventilelement aus 2a mit abgeflachter Fläche im Bereich des Übergangs zur Durchgangsöffnung in perspektivischer Ansicht,
2d: das erste Ventilelement aus 2a in Ansicht einer senkrecht zu einer Rotationsachse ausgerichteten Schnittebene im Bereich des maximalen Durchmessers des Ventilelements,
2e: eine vereinfachte schematische Darstellung des Ausströmquerschnitts des ersten Ventilelements nach 2a in einer Draufsicht,
3a: eine Darstellung des hydraulischen Strömungsquerschnitts des Ausströmquerschnitts des ersten Ventilelements nach 2a abhängig vom Stell-Winkel des Ventilelements um eine Rotationsachse in Bezug auf einen Strömungsquerschnitt einer in einem Gehäuse ausgebildeten Durchströmöffnung,
3b: eine Darstellung des Strömungsquerschnitts des Ausströmquerschnitts des ersten Ventilelements nach 2a abhängig von der Ausbildung der Nut, insbesondere der Breite und der Länge der Nut,
3c bis 3e: jeweils den Strömungsquerschnitt der Durchströmöffnung eines Anschlusses des Gehäuses und den Strömungsquerschnitt der Durchgangsöffnung des Ventilelements in verschiedenen Anordnungen zueinander,
4a: ein zweites Ventilelement mit einer Durchgangsöffnung und einer an einem Ausströmquerschnitt ausgebildeten, abgeschrägten Nut mit angepasster Tiefe in perspektivischer Ansicht,
4b: das zweite Ventilelement aus 3a in einer Detaildarstellung des Ausströmquerschnitts in perspektivischer Ansicht.

Aus 1 geht eine Vorrichtung 1 zum Regeln eines Durchflusses eines Fluids in einem Fluidkreislauf, insbesondere ein Ventil für Kältemittelkreisläufe eines thermischen Systems eines Kraftfahrzeugs, in schematischer Darstellung hervor.
Die Vorrichtung 1 weist ein Gehäuse 2 mit einem ersten Anschluss 3 und einem zweiten Anschluss 4 auf, welche über Durchströmöffnungen mit Verbindungsleitungen zu anderen Komponenten des Fluidkreislaufs verbunden sind. Die Durchströmöffnungen der Anschlüsse 3, 4 münden jeweils in ein inneres Volumen des Gehäuses 2. Innerhalb des Volumens ist ein Ventilelement 5 angeordnet. Mittelachsen der Durchströmöffnungen der Anschlüsse 3, 4 und eine Rotationsachse 6 des Ventilelements 5 weisen einen gemeinsamen Schnittpunkt auf, in welchem das Ventilelement 5 angeordnet ist.
Das Gehäuse 2 ist außer in den Bereichen der Anschlüsse 3, 4 geschlossen. Die äußere Form des Gehäuses 2 ist derart ausgebildet, dass die Funktionen, beispielsweise auch eine konkrete Anordnung innerhalb eines Systems, gewährleistet und eine kosteneffiziente Serienproduktion bei minimalem Komponentengewicht möglich sind.
Das kugelförmige Ventilelement 5 ist über ein Verbindungselement 8 mit einem außerhalb des Gehäuses 2 angeordneten Antriebselement 7 verbunden. Das beispielsweise als eine Welle beziehungsweise als ein Stellschaft ausgebildete Verbindungselement 8 ist an einem ersten Ende fest mit dem Antriebselement 7 verbunden. Mit dem zum ersten Ende distal ausgebildeten zweiten Ende ist das Verbindungselement 8 durch die Wandung des Gehäuses 2 in das Gehäuse 2 hineinragend angeordnet. Das Antriebselement 7 ist beispielsweise als ein Stellmotor zum Antreiben des Verbindungselements 8 ausgebildet.
Der erste Anschluss 3 und der zweite Anschluss 4 sind an sich gegenüberliegenden und von der Seite des Verbindungselements 8 abweichenden Seiten ausgebildet. Die Durchströmöffnungen der Anschlüsse 3, 4 sind auf einer gemeinsamen Achse angeordnet. Die Mittelachsen der Durchströmöffnungen der Anschlüsse 3, 4 und die Rotationsachse 6 des Ventilelements 5 sind sich im Mittelpunkt des Ventilelements 5 schneidend angeordnet.
In den 2a bis 2c ist jeweils ein erstes Ventilelement 5a mit einer Durchgangsöffnung 9 und einer an einem Ausströmquerschnitt 9-1 sowie an einem Einströmquerschnitt 9-2 ausgebildeten, abgestuften Nut 10a in perspektivischer Ansicht gezeigt. Dabei ist in 2b das erste Ventilelement 5a in einer Detaildarstellung des Ausströmquerschnitts 9-1 dargestellt, während aus 2c das erste Ventilelement 5a in einer alternativen Ausgestaltung mit abgeflachter Kugelfläche im Bereich des Übergangs zur Durchgangsöffnung 9 hervorgeht.
In 2d ist das erste Ventilelement 5a aus 2a in einer senkrecht zur Rotationsachse 6 ausgerichteten Schnittebene im Bereich des maximalen Durchmessers des Ventilelements 5a dargestellt, während in 2e eine vereinfachte schematische Darstellung des Ausströmquerschnitts 9-1 des ersten Ventilelements 5a nach 2a in einer Draufsicht hervorgeht.
Das kugelförmige Ventilelement 5a ist derart innerhalb des nicht dargestellten Gehäuses 2 ausgerichtet, dass die Durchströmöffnungen der Anschlüsse 3, 4 des Gehäuses 2 und die Durchgangsöffnung 9 des Ventilelements 5a je nach Stellung des Ventilelements 5a einen gemeinsamen Durchgang für das Fluid durch die Vorrichtung 1 bilden. Das Ventilelement 5a wird durch die Durchgangsöffnung 9 in Durchströmrichtung 11 vom Fluid durchströmt. Dabei kann das Ventilelement 5a, insbesondere die Durchgangsöffnung 9 vom Fluid bidirektional beaufschlagt werden. Die Mittelachsen der Durchströmöffnungen der Anschlüsse 3, 4 und der Durchgangsöffnung 9 des Ventilelements 5a sind bei der Anordnung mit einem maximalen Durchgangsquerschnitt koaxial zueinander beziehungsweise auf einer gemeinsamen Achse angeordnet.
Die Durchgangsöffnung 9 weist einen sich vom Ausströmquerschnitt 9-1 bis zu einem Einströmquerschnitt 9-2 erstreckenden, über die gesamte Länge in Form und Ausdehnung konstanten Strömungsquerschnitt auf. Der Strömungsquerschnitt ist vorzugsweise rechteckig, insbesondere quadratisch, ausgebildet.
Eine Mittelachse der Durchgangsöffnung 9, welche durch den Schnittpunkt der Diagonalen des Strömungsquerschnitts verläuft und senkrecht zur Ebene des Strömungsquerschnitts ausgerichtet ist, und die Rotationsachse 6 des Ventilelements 5a weisen einen gemeinsamen Schnittpunkt im Zentrum des Ventilelements 5a auf. Die Mittelachse der Durchgangsöffnung 9 ist orthogonal zur Rotationsachse 6 des Ventilelements 5a ausgerichtet. Die Rotationsachse 6 schneidet die Mittelachse der Durchgangsöffnung 9 in einer Mittelebene des Ventilelements 5a, welche wiederum orthogonal zur Rotationachse 6 ausgerichtet ist.
Das Ventilelement 5a mit der Durchgangsöffnung 9 ist innerhalb des Gehäuses 2 der Vorrichtung 1 mit den Anschlüssen 3, 4 sowie den dazugehörigen Durchströmöffnungen derart beweglich angeordnet, einen Strömungspfad durch das Ventilelement 5a für das Fluid zu blockieren oder freizugeben. Das Ventilelement 5a ist zudem zum Gehäuse 2 hin fluiddicht abgedichtet. Die Fertigungstoleranzen der einzelnen Komponenten der Vorrichtung 1 sind derart gewählt, dass das Fluid, insbesondere das Kältemittel, lediglich durch die am Gehäuse 2 ausgebildeten Anschlüsse 3, 4 mit den Durchströmöffnungen sowie die Durchgangsöffnung 9 des Ventilelements 5a strömen kann und unerwünschte Bypassströmungen zwischen der Oberfläche des Ventilelements 5a und dem Gehäuse 2 vermieden werden. Das Ventilelement 5a ist an Ventildichtflächen zum Gehäuse 2 hin abgedichtet.
Die Durchgangsöffnung 9 weist zumindest an der Oberfläche des Ventilelements 5a die Nut 10a auf, welche sich als eine längliche Vertiefung, ausgehend vom Rand des Ausströmquerschnitts 9-1 am Umfang sowie in der Mittelebene des Ventilelements 5a entlang erstreckt. Die auch als Expansionskerbe für das Fluid ausgebildete oder als Steuerkerbe bezeichnete Nut 10a ist symmetrisch zur Mittelebene des Ventilelements 5a angeordnet.
Die Nut 10a erstreckt sich vom Rand des rechteckförmigen Ausströmquerschnitts 9-1 der Durchgangsöffnung 9 in Umfangsrichtung des Ventilelements 5a nach außen.
Der Strömungsquerschnitt der Nut 10a, insbesondere die Breite der Nut 10a, des Ventilelements 5a nimmt in Umfangsrichtung des Ventilelements 5a mit zunehmendem Abstand vom Rand des rechteckförmigen Ausströmquerschnitts 9-1 ab. Dabei ist der Strömungsquerschnitt der Nut 10a an der Oberfläche des Ventilelements 5a in drei verschiedene, jeweils rechteckige Bereiche gleicher Länge L unterteilt. Die Breiten B der unterschiedlichen Bereiche der Nut 10a werden mit zunehmendem Abstand vom Rand des Ausströmquerschnitts 9-1 geringer.
Aufgrund des an der Oberfläche des Ventilelements 5a jeweils rechteckförmigen Strömungsquerschnitts der unterschiedlichen Bereiche werden die Bereiche auch als Stufen 10a-1, 10a-2, 10a-3 bezeichnet. Dabei weist die erste Stufe 10a-1 die kleinste Breite B1 auf und ist mit dem größten Abstand zum Ausströmquerschnitt 9-1 angeordnet. Die dritte Stufe 10a-3 der Nut 10a ist angrenzend an den Ausströmquerschnitt 9-1 ausgebildet und weist die größte Breite der Stufen 10a-1, 10a-2, 10a-3 auf. Die zweite Stufe 10a-2 der Nut 10a weist eine mittlere Breite der Stufen 10a-1, 10a-2, 10a-3 auf und ist in Umfangsrichtung des Ventilelements 5a zwischen der ersten Stufe 10a-1 und der dritten Stufe 10a-3, die Stufen 10a-1, 10a-3 verbindend angeordnet.
Die einzelnen Stufen 10a-1, 10a-2, 10a-3 münden, gemäß 2d, in radialer Richtung von außen nach innen nacheinander in die Durchgangsöffnung 9 ein. Bei der Ausführungsform des Ventilelements 5a mit der Nut 10a mit drei Stufen 10a-1, 10a-2, 10a-3 nach 2d liegen der Winkel α im Bereich von 10° bis 18°, der Winkelbereich β1 der ersten Stufe 10a-1 im Bereich von 10° bis 49°, der Winkelbereich β2 der zweiten Stufe 10a-2 im Bereich von 20° bis 59° und der Winkelbereich β3 der dritten Stufe 10a-3 im Bereich von 30° bis 69°, insbesondere bis 68,7°.
Bei einer ersten alternativen Ausführungsform des Ventilelements mit einer Nut mit zwei Stufen liegen der Winkelbereich einer ersten Stufe im Bereich von 10° bis 58° und der Winkelbereich einer zweiten Stufe im Bereich von 20° bis 69°, insbesondere bis 68,7°.
Bei einer zweiten alternativen Ausführungsform des Ventilelements mit einer Nut mit einer zusätzlichen Stufe liegt der Winkelbereich der Stufe im Bereich von 10° bis 69°, insbesondere bis 68,7°.
Der Winkel γ des Ausströmquerschnitts 9-1 beträgt jeweils 21°, insbesondere 21,3°. Die Nuten weisen jeweils eine Breite zwischen 0,1 mm bis 5 mm auf.
Jede Stufe 10a-1, 10a-2, 10a-3, insbesondere jedes einer Stufe 10a-1, 10a-2, 10a-3 zugeordnete Volumen, wird einerseits von zwei jeweils parallel zur Mittenebene ausgerichtete und in der Breite B beabstandet zueinander angeordnete ebene Seitenflächen sowie andererseits von der Durchgangsöffnung 9 und Nutflanken 12a-1, 12a-2, 12a-3 begrenzt. Die Nutflanken 12a-1, 12a-2, 12a-3 können jeweils mit einem konstanten Radius konvex zum entsprechenden Volumen der Stufe 10a-1, 10a-2, 10a-3 gebogen oder geradlinig ausgebildet sein.
Das Öffnen des Ausströmquerschnitts 9-1 mit der Nut 10a ist durch eine Rotation des Ventilelements 5a um die Rotationsachse 6 innerhalb des Gehäuses 2 und relativ zum Gehäuse 2 einstellbar. Auch die Funktion des Entspannens des Fluids, insbesondere eines Kältemittels, wird mit der Anordnung des Ventilelements 5a innerhalb des Gehäuses 2, insbesondere der relativen Anordnung des Ausströmquerschnitts 9-1 der Durchgangsöffnung 9 mit der Nut 10a zur Durchströmöffnung eines als Auslass ausgebildeten Anschlusses 3, 4 eingestellt.
Mit dem Verdrehen des Ventilelements 5a mit der Durchgangsöffnung 9 innerhalb des Gehäuses 2 mit den Anschlüssen 3, 4 sowie den dazugehörigen Durchströmöffnungen wird der Strömungspfad für das Fluid, insbesondere das Kältemittel im Kältemittelkreislauf, weiter geöffnet oder geschlossen. Dabei kann das Fluid beim Durchleiten durch die als Expansionskerbe für das Fluid ausgebildeten Nuten 10a auf ein niederes Druckniveau entspannt werden.
Dabei wird das Ventilelement 5a derart um die Rotationsachse 6 gedreht und im Gehäuse 2 angeordnet, dass sich die Strömungsquerschnitte der Durchgangsöffnung 9 des Ventilelements 5a mit der Nut 10a und der Durchströmöffnung des Anschlusses 3, 4 lediglich im Bereich der Nut 10a, insbesondere einer Stufe 10a-1, 10a-2, 10a-3 der Nut 10a, überlappen. Mit einer Bewegung des Ventilelements 5a um die Rotationsachse 6 kann der Strömungsquerschnitt für das Fluid durch die Vorrichtung 1 vergrößert oder verringert werden, um die Expansionsfunktion zu steuern.
Bei vollständig geöffnetem Durchgang für das Fluid ist das Ventilelement 5a derart innerhalb des Gehäuses 2 ausgerichtet, dass die Mittelachsen der entsprechenden Durchströmöffnung des Anschlusses 3, 4 und der Durchgangsöffnung 9 des Ventilelements 5a koaxial zueinander beziehungsweise auf einer gemeinsamen Achse angeordnet sind.
In 3a eine Darstellung des hydraulischen Strömungsquerschnitts des Ausströmquerschnitts 9-1 des ersten Ventilelements 5a nach 2a abhängig vom Stell-Winkel des Ventilelements 5a um die Rotationsachse 6 in Bezug auf den Strömungsquerschnitt der im nicht dargestellten Gehäuse 2 ausgebildeten Durchströmöffnung eines als Auslass ausgebildeten Anschlusses 3, 4 gezeigt. Die Strömungsquerschnitte der Stufen 10a-1, 10a-2, 10a-3 der Nut 10a und der Durchgangsöffnung 9 des Ventilelements 5a, insbesondere des Ausströmquerschnitts 9-1, sind fein abgestimmt, um jeweils einen möglichst linearen Verlauf und einen minimalen hydraulischen Druckabfall zu gewährleisten, wenn die Vorrichtung 1 vollständig geöffnet ist. Aus 3b geht eine Darstellung des Strömungsquerschnitts des Ausströmquerschnitts 9-1 des ersten Ventilelements 5a nach 3a abhängig von der Ausbildung der Nut 10a, insbesondere der Breite B und der Länge L der Nut 10a, hervor.
Die 3c bis 3e zeigen jeweils den Strömungsquerschnitt der Durchströmöffnung eines Anschlusses 3, 4 des Gehäuses 2 und den Strömungsquerschnitt der Durchgangsöffnung 9 des Ventilelements 5a in verschiedenen Anordnungen zueinander.
Der hydraulische Strömungsquerschnitt ist Null, in dem Fall ist der Strömungspfad für das Fluid durch die Vorrichtung 1 vollständig geschlossen, wenn sich die Strömungsquerschnitte der Durchgangsöffnung 9 des Ventilelements 5a mit der Nut 10a und der Durchströmöffnung des Anschlusses 3, 4 nicht überlappen. Das Gehäuse 2 ist den gesamten Strömungsquerschnitt der Durchgangsöffnung 9 mit der Nut 10a verschließend angeordnet.
Mit dem Verdrehen des Ventilelements 5a um die Rotationsachse 6 über einen Winkel von 0° ragt der Strömungsquerschnitt der ersten Stufe 10a-1 der Nut 10a in den Strömungsquerschnitt der Durchströmöffnung des Anschlusses 3, 4 hinein, sodass sich die Strömungsquerschnitte der Durchgangsöffnung 9 des Ventilelements 5a mit der Nut 10a und der Durchströmöffnung des Anschlusses 3, 4 im Bereich der ersten Stufe 10a-1 der Nut 10a überlappen. Der Strömungsquerschnitt der ersten Stufe 10a-1 der Nut 10a kann eine Breite B1 von 0,20 mm bei einer Länge L1 von 3,21 mm aufweisen.
Das Fluid strömt durch den geöffneten Bereich des Strömungsquerschnitts der ersten Stufe 10a-1 der Nut 10a und wird entspannt. Mit einer Bewegung des Ventilelements 5a um die Rotationsachse 6 bis zu einem Winkel von etwa 17°, insbesondere 16,8°, wird der Strömungsquerschnitt für das Fluid durch die Vorrichtung 1 linear zum Winkel sowie stetig vergrößert.
Mit der weiteren Rotation des Ventilelements 5a um die Rotationsachse 6, gemäß 3c, ragt ab einem Winkel von 17°, insbesondere von 16,8°, neben dem Strömungsquerschnitt der ersten Stufe 10a-1 auch der Strömungsquerschnitt der zweiten Stufe 10a-2 der Nut 10a in den Strömungsquerschnitt der Durchströmöffnung des Anschlusses 3, 4 hinein, sodass sich die Strömungsquerschnitte der Durchgangsöffnung 9 des Ventilelements 5a mit der Nut 10a und der Durchströmöffnung des Anschlusses 3, 4 im Bereich der ersten Stufe 10a-1 und der zweiten Stufe 10a-2 der Nut 10a überlappen. Der Strömungsquerschnitt der zweiten Stufe 10a-2 der Nut 10a kann eine Breite B2 von 0,40 mm bei einer Länge L2 von 3,21 mm aufweisen.
Das Fluid strömt nunmehr durch den geöffneten Bereich des Strömungsquerschnitts der ersten Stufe 10a-1 und der zweiten Stufe 10a-2 der Nut 10a und wird entspannt. Mit einer Bewegung des Ventilelements 5a um die Rotationsachse 6 bis zu einem Winkel von etwa 34°, insbesondere 33,6°, wird der Strömungsquerschnitt für das Fluid durch die Vorrichtung 1 wiederum linear zum Winkel und stetig, jedoch mit einem größeren Anstieg gegenüber dem Winkelbereich von 0° bis 17° beziehungsweise 16,8°, vergrößert.
Mit einer fortlaufenden Drehbewegung des Ventilelements 5a um die Rotationsachse 6, gemäß 3d, ragt ab einem Winkel von 34°, insbesondere von 33,6°, neben dem Strömungsquerschnitt der ersten Stufe 10a-1 und der zweiten Stufe 10a-2 auch der Strömungsquerschnitt der dritten Stufe 10a-3 der Nut 10a in den Strömungsquerschnitt der Durchströmöffnung des Anschlusses 3, 4 hinein, sodass sich die Strömungsquerschnitte der Durchgangsöffnung 9 des Ventilelements 5a mit der Nut 10a und der Durchströmöffnung des Anschlusses 3, 4 im Bereich der ersten Stufe 10a-1, der zweiten Stufe 10a-2 und der dritten Stufe 10a-3 der Nut 10a überlappen. Der Strömungsquerschnitt der dritten Stufe 10a-3 der Nut 10a kann eine Breite B3 von 0,50 mm bei einer Länge L3 von 3,21 mm aufweisen.
Das Fluid strömt nunmehr durch den geöffneten Bereich des Strömungsquerschnitts der ersten Stufe 10a-1, der zweiten Stufe 10a-2 und der dritten Stufe 10a-3 der Nut 10a und wird entspannt. Mit einer Bewegung des Ventilelements 5a um die Rotationsachse 6 bis zu einem Winkel im Bereich von etwa 50° bis 51°, insbesondere 50,3°, wird der Strömungsquerschnitt für das Fluid durch die Vorrichtung 1 weiter linear zum Winkel und stetig, jedoch mit einem größeren Anstieg gegenüber dem Winkelbereich von 17° bis 34°, insbesondere von 16,8° bis 33,6°, vergrößert.
Ab einer Rotation des Ventilelements 5a um die Rotationsachse 6, gemäß 3e, ragt ab einem Winkel im Bereich von 50° bis 51°, insbesondere 50,3°, neben dem Strömungsquerschnitt der Nut 10a auch der Ausströmquerschnitt 9-1 der Durchgangsöffnung 9 in den Strömungsquerschnitt der Durchströmöffnung des Anschlusses 3, 4 hinein, sodass sich die Strömungsquerschnitte der Durchgangsöffnung 9 des Ventilelements 5a mit der Nut 10a und der Durchströmöffnung des Anschlusses 3, 4 im Bereich des Ausströmquerschnitts 9-1 und der gesamten Nut 10a überlappen. Der Ausströmquerschnitt 9-1 kann eine Breite B4 von 8,00 mm bei einer Länge L4 von 8,00 mm aufweisen, was einem Winkelbereich von etwa 40° bis 45°, insbesondere 42,8° entspricht.
Das Fluid strömt nunmehr durch den geöffneten Bereich des Strömungsquerschnitts der Nut 10a sowie des Ausströmquerschnitts 9-1 und wird gegebenenfalls entspannt. Mit einer Bewegung des Ventilelements 5a um die Rotationsachse 6 bis zu einem Winkel von etwa 90°, speziell im Winkelbereich von 50,3° bis 90,1°, wird der Strömungsquerschnitt für das Fluid durch die Vorrichtung 1 wiederum linear zum Winkel und stetig, jedoch mit einem größeren Anstieg gegenüber dem Winkelbereich von 34° bis 51°, insbesondere dem Winkelbereich von 33,6° bis 50,3°, bis zur vollständigen Öffnung des Strömungspfads vergrößert.
Die Gesamtlänge der Nut 10a ist dabei vom Außendurchmesser des Ventilelements 5a und der Breite der rechteckigen Durchgangsöffnung 9 beziehungsweise dem Ausströmquerschnitt 9-1 abhängig. Die angegebenen Zahlenwerte der Abmessungen und Winkel sind auf ein Ventilelement 5a mit einem Außendurchmesser von 22 mm bezogen. Abhängig vom Ausströmquerschnitt 9-1 der Durchgangsöffnung 9 können die Breite der Nut insbesondere zwischen 0,1 mm bis 0,5 mm und die Länge der Nut zwischen 18° bis 45° variieren. Die Anzahl der Stufen 10a-1, 10a-2, 10a-3 liegt bevorzugt im Bereich von 1 bis 5.
Die jeweils lineare Abhängigkeit des Strömungsquerschnitts des ersten Ventilelements 5a abhängig vom Stell-Winkel des Ventilelements 5a um die Rotationsachse 6 in Bezug auf den Strömungsquerschnitt der im Gehäuse 2 ausgebildeten Durchströmöffnung eines Anschlusses 3, 4 und damit durch die Vorrichtung 1 ist bei der Ausführungsform des Ventilelements 5a mit rechteckigem Ausströmquerschnitt 9-1 lediglich in einem gewissen Winkelbereich der Rotation des Ventilelements 5a um die Rotationsachse 6 möglich. Wie insbesondere aus den 3d und 3e hervorgeht, überlappen sich ab einem bestimmten Winkel der Rotation des Ventilelements 5a um die Rotationsachse 6 der Strömungsquerschnitt der Nut 10a mit dem Dichtsitz des Gehäuses 2, sodass ein Teil des Strömungsquerschnitts durch den Dichtsitz wieder verschlossen ist. Um den Anteil des sich wieder verschließenden Strömungsquerschnitts zu kompensieren, wird der Ausströmquerschnitt 9-1 in gleichem Maße vergrößert. Der Ausströmquerschnitt 9-1 ist dabei abweichend von der rechteckigen Form, insbesondere im Bereich von 0,1 mm bis 5 mm, aufgeweitet. Die derartige Ausführungsform des Ventilelements wird vom Fluid vorzugsweise unidirektional durchströmt.
Mit der Ausbildung des Ventilelements 5a mit der Durchgangsöffnung 9 und dem Ausströmquerschnitt 9-1 mit der abgestuften Nut 10a mit mehreren, insbesondere den drei Stufen 10a-1, 10a-2, 10a-3 mit jeweils rechteckigem Strömungsquerschnitt kann eine ebenso abgestufte Steigung des Fluiddurchsatzes durch die Vorrichtung 1 im Vergleich zu einer aus dem Stand der Technik bekannten Ausbildung des Ventilelements mit einer Durchgangsöffnung und dem Ausströmquerschnitt mit einer einfach geschlitzten Nut konstanter Breite erzielt werden. Damit lässt sich der Fluiddurchsatz im Regelbereich der Kennlinie der Vorrichtung 1 optimal an die gestellten Anforderungen anpassen.
Mittels der jeweiligen rechteckigen Strömungsquerschnitte der Stufen 10a-1, 10a-2, 10a-3 der Nut 10a und des Ausströmquerschnitts 9-1 der Durchgangsöffnung 9 lassen sich die Fluiddurchsätze jeweils linear verändern. Der Druckverlust bei voll geöffneter Stellung des Ventilelements 5a ist minimal. Die Anzahl, die Abmessungen und die Staffelung der Stufen 10a-1, 10a-2, 10a-3 der Nut 10a und damit auch die Steigung des Strömungsquerschnitts abhängig von der Winkelstellung des Ventilelements 5a innerhalb des Gehäuses 2 sind flexibel einstellbar. Für den Regelbereich wird ein maximaler Strömungsquerschnitt von 2 mm² angestrebt.
Die mehrstufige Ausbildung der Nut 10a mit verschiedenen, entsprechend in der Ausdehnung angepassten Stufen 10a-1, 10a-2, 10a-3 gewährleistet beliebig einstellbare lineare Steigungen der Kennlinie. Die freie Gestaltung der Nut 10a ermöglicht zudem die Ausbildung eines Boostregelbereichs, welcher einen guten Kompromiss zwischen Regelverhalten und Verstärkung gewährleistet.
Speziell bei der Variation des Strömungsquerschnitts des Strömungspfads für das Fluid zur Regelung einer Batteriekühlung werden mit den verschiedenen Leistungsbereichen und linearen Verläufen optimale Regelstrategien ermöglicht.
Zudem kann mit der abgestuften Nut 10a die Breite der Nut 10a im Vergleich zur Ausbildung einer einfach geschlitzten Nut konstanter Breite verringert werden, sodass die Dichtfläche des Ventilelements bei gleichem Durchmesser vergrößert ist und damit die Dichtsitze, insbesondere bei Vorrichtungen mit Ventilelementen mit geringem Durchmesser, weniger belastet und folglich geschont werden.
In 4a ist ein zweites Ventilelement 5b mit einer Durchgangsöffnung 9 und einer an einem Ausströmquerschnitt 9-1 ausgebildeten, abgeschrägten Nut 10b mit angepasster Tiefe in perspektivischer Ansicht gezeigt. In 4b ist das zweite Ventilelement 5b aus 4a in einer Detaildarstellung des Ausströmquerschnitts 9-1 ebenfalls in perspektivischer Ansicht dargestellt.
Auch das kugelförmige Ventilelement 5b ist derart innerhalb des nicht dargestellten Gehäuses 2 ausgerichtet, dass die Durchströmöffnungen der Anschlüsse 3, 4 des Gehäuses 2 und die Durchgangsöffnung 9 des Ventilelements 5b je nach Stellung des Ventilelements 5b einen gemeinsamen Durchgang für das Fluid durch die Vorrichtung 1 bilden. Das Ventilelement 5b wird durch die Durchgangsöffnung 9 in Durchströmrichtung 11 vom Fluid durchströmt. Die Mittelachsen der Durchströmöffnungen der Anschlüsse 3, 4 und der Durchgangsöffnung 9 des Ventilelements 5b sind bei der Anordnung mit einem maximalen Durchgangsquerschnitt koaxial zueinander beziehungsweise auf einer gemeinsamen Achse angeordnet.
Die Durchgangsöffnung 9 des Ventilelements 5b weist einen sich vom Ausströmquerschnitt 9-1 bis zu einem Einströmquerschnitt 9-2 erstreckenden, über die gesamte Länge in Form und Ausdehnung konstanten Strömungsquerschnitt auf. Der Strömungsquerschnitt ist rechteckig, insbesondere quadratisch, ausgebildet.
Die Nut 10b ist sich wiederum als eine längliche Vertiefung ausgehend von der Durchgangsöffnung 9 an der Oberfläche des Ventilelements 5b, insbesondere vom Rand des rechteckförmigen Ausströmquerschnitts 9-1, in Umfangsrichtung des Ventilelements 5b nach außen sowie in der Mittelebene des Ventilelements 5b entlang erstreckend angeordnet. Die Nut 10b ist symmetrisch zur Mittelebene des Ventilelements 5b ausgebildet und weist eine rechteckige Form auf.
Der wesentliche Unterschied der Ventilelemente 5a aus den 2a bis 2c und dem Ventilelement 5b liegt in der Ausbildung und der Anordnung der als Expansionskerbe ausgebildeten Nut 10b beziehungsweise Nuten 10b.
Neben einer am Ausströmquerschnitt 9-1 ausgebildeten ersten Nut 10b, ähnlich der Nut 10a des Ventilelements 5a gemäß der 2a und 2b, kann am ursprünglichen Einströmquerschnitt 9-2 des Ventilelements 5b eine zweite Nut 10b ausgebildet sein, welche der am Ausströmquerschnitt 9-1 ausgebildeten Nut 10b diametral gegenüberliegt. Die Nuten 10b sind in den Abmessungen und der Form identisch ausgebildet.
Das Ventilelement 5b ist vom Fluid bidirektional als Expansionsvorrichtung durchströmbar.
Die Nut 10b weist bei einer in Umfangsrichtung entlang der Mittelebene ausgerichteten Länge L eine konstante Breite B auf, welche in Umfangsrichtung orthogonal zur Länge L ausgerichtet ist. Im Vergleich zur Nut 10a des Ventilelements 5a ist die Nut 10b einstufig ausgebildet.
Die Tiefe, welche jeweils in orthogonaler Richtung zur Länge L und zur Breite B und damit in radialer Richtung ausgerichtet ist, nimmt ausgehend vom Rand des Ausströmquerschnitts 9-1 in Richtung der Länge L stetig und gleichmäßig ab. Die Nut 10b weist am ersten Ende, welches am Rand des Ausströmquerschnitts 9-1 angeordnet ist, eine maximale Tiefe und am zweiten Ende, welches distal zum ersten Ende der Nut 10b ausgebildet ist, eine Tiefe von 0 mm auf. Die Grundfläche der Nut 10b, welche in radialer Richtung nach außen weisend ausgerichtet ist und die Länge L sowie die Breite B aufweist, ist in radialer Richtung abgeschrägt ausgebildet.
Mit einem derart über den Stellwinkel des Ventilelements 5b veränderlichen rechteckigen Strömungsquerschnitt der Nut 10b und des Ausströmquerschnitts 9-1 der Durchgangsöffnung 9 lassen sich die Fluiddurchsätze jeweils wiederum linear verändern. Der Druckverlust bei voll geöffneter Stellung des Ventilelements 5b ist minimal. Die geometrischen Abmessungen Länge, Breite und Tiefe der Nut 10b und damit auch die Steigung des Strömungsquerschnitts abhängig von der Winkelstellung des Ventilelements 5b innerhalb des Gehäuses 2 sind flexibel einstellbar. Für den Regelbereich wird ein maximaler Strömungsquerschnitt der Nut 10b von 2 mm² angestrebt. Der Strömungsquerschnitt für das Fluid durch die Vorrichtung 1 wird linear zum Winkel sowie stetig variiert.
Zum Vergrößern der Dichtfläche des Ventilelements 5b ist die Länge der Nut 10b entsprechend kurz auszubilden. Gleichzeitig ist die Grundfläche der Nut 10b in Umfangsrichtung steiler auszubilden, um am ersten Ende einen Strömungsquerschnitt in die Durchgangsöffnung 9 von 2 mm² zu gewährleisten.
Die Vorrichtungen 1 sind aufgrund der Ausbildung des rechteckigen, insbesondere quadratischen Strömungsquerschnitts der Durchgangsöffnung 9 jeweils mit Dichtelementen, speziell mit Dichtungsringen, mit rechteckigem Innenquerschnitt versehen.
Das Ventilelement 5a, 5b weist an einer in Richtung der Rotationsachse 6 zum nicht dargestellten Verbindungselement 8 eine in die Oberfläche integrierte Aufnahme 13 auf. Die schlitzförmig ausgebildete Aufnahme 13 weist Abmessungen auf, welche mit den Abmessungen einer Stirnseite des vorzugsweise als Welle ausgebildeten Verbindungselements 8 korrespondieren. Das Verbindungselement 8 ist im Bereich des zum ersten Ende distal ausgebildeten zweiten Endes mit dem Ventilelement 5b formschlüssig verbunden.
Der Kältemittelkreislauf in welchem eine jeweilige Vorrichtung 1 verwendet wird, kann mit einem beliebigen Kältemittel, insbesondere R1234yf, R134a und R744 betrieben werden.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Gehäuse
3: erster Anschluss Gehäuse 2
4: zweiter Anschluss Gehäuse 2
5, 5a, 5b: Ventilelement
6: Rotationsachse
7: Antriebselement
8: Verbindungelement
9: Durchgangsöffnung
9-1: Ausströmquerschnitt
9-2: Einströmquerschnitt
10a, 10b: Nut
10a-1: erste Stufe
10a-2: zweite Stufe
10a-3: dritte Stufe
11: Durchströmrichtung
12a-1: Nutflanke erste Stufe 10a-1
12a-2: Nutflanke zweite Stufe 10a-2
12a-3: Nutflanke dritte Stufe 10a-3
13: Aufnahme
L, L1-L4: Länge
B, B1-B4: Breite
α, γ: Winkel
β1, β2, β3: Winkelbereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

CN 201720584197 U [0008]

Claims

Vorrichtung (1) zum Regeln eines Durchflusses und Expandieren eines Fluids in einem Fluidkreislauf, aufweisend ein Gehäuse (2) mit Anschlüssen (3, 4) zum Verbinden mit Fluidleitungen, welche jeweils über eine Durchströmöffnung mit einem inneren Volumen des Gehäuses (2) verbunden sind, sowie ein im inneren Volumen des Gehäuses (2) angeordnetes Ventilelement (5a, 5b), wobei das kugelförmig oder kreiszylinderförmig ausgebildete Ventilelement (5a, 5b) um eine Rotationsachse (6) relativ zum Gehäuse (2) drehbar gelagert ist und eine Durchgangsöffnung (9) mit einem Einströmquerschnitt (9-2) und einem Ausströmquerschnitt (9-1) aufweist, wobei die Rotationsachse (6) und eine Mittelachse des kugelförmigen Ventilelements (5a, 5b) oder die Rotationsachse (6) und eine Längsachse des kreiszylinderförmigen Ventilelements deckungsgleich angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass an der Oberfläche des Ventilelements (5a, 5b), ausgehend von einem Rand des Ausströmquerschnitts (9-1) mindestens eine Nut (10a, 10b) ausgebildet ist, welche sich entlang des Umfangs erstreckt und einen in Umfangsrichtung des Ventilelements (5a, 5b) veränderlichen Strömungsquerschnitt aufweist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die mindestens eine Nut (10a, 10b) in einer Mittelebene des Ventilelements (5a, 5b) erstreckend sowie symmetrisch zur Mittelebene des Ventilelements (5a, 5b) ausgebildet ist, welche orthogonal zur Rotationsachse (6) des Ventilelements (5a, 5b) ausgerichtet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchströmöffnungen der Anschlüsse (3, 4) des Gehäuses (2) und die Durchgangsöffnung (9) des Ventilelements (5a, 5b) in der Mittelebene des Ventilelements (5a, 5b) angeordnet sind.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an der Oberfläche des Ventilelements (5b) ausgehend von einem Rand des Einströmquerschnitts (9-2) mindestens eine Nut (10b) ausgebildet ist, welche sich entlang des Umfangs und der Mittelebene des Ventilelements (5b) erstreckt, symmetrisch zur Mittelebene des Ventilelements (5b) angeordnet ist und einen in Umfangsrichtung des Ventilelements (5b) veränderlichen Strömungsquerschnitt aufweist sowie diametral gegenüberliegend zur am Ausströmquerschnitt (9-1) ausgebildeten Nut (10b) angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsquerschnitt der Nut (10a, 10b) in Umfangsrichtung des Ventilelements (5a, 5b) mit zunehmendem Abstand vom Rand des Ausströmquerschnitts (9-1) oder des Einströmquerschnitts (9-2) kleiner werdend ausgebildet ist, wobei die Nut (10a, 10b) in Umfangsrichtung des Ventilelements (5a, 5b) eine Länge L, in orthogonaler Richtung zur Länge L eine Breite B sowie in radialer Richtung eine Tiefe aufweist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsquerschnitt der Nut (10a) bezüglich der Oberfläche des Ventilelements (5a) in Bereiche mit jeweils unterschiedlicher Breite B in Form von Stufen (10a-1, 10a-2, 10a-3) unterteilt ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (10a) mindestens drei Stufen (10a-1, 10a-2, 10a-3) mit jeweils gleicher Länge L aufweist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumina von in Umfangsrichtung benachbart zueinander angeordneter Stufen (10a-1, 10a-2, 10a-3) der Nut (10a) miteinander verbunden sind und jede Stufe (10a-1, 10a-2, 10a-3) in radialer Richtung in die Durchgangsöffnung (9) einmündend ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (5a) einen Durchmesser von 22 mm aufweist und dass die Stufen (10a-1, 10a-2, 10-3) der Nut (10a) eine Breite zwischen 0,1 mm und 5 mm, insbesondere zwischen 0,2 mm und 0,5 mm, aufweisen.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Nut (10a) entsprechend einem Winkelbereich zwischen 10° und 69°, insbesondere 68,7°, beträgt.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (10a) eine Anzahl an Stufen (10a-1, 10a-2, 10a-3) zwischen zwei und fünf aufweist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (10a) mit drei Stufen (10a-1, 10a-2, 10-3) ausgebildet ist, wobei jede Stufe (10a-1, 10a-2, 10-3) eine Länge L entsprechend einem Winkelbereich im Bereich von 16° bis 17°, insbesondere von 16,8°, aufweist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Stufe (10a-1) eine Breite von 0,2 mm, eine zweite Stufe (10a-2) eine Breite von 0,4 mm und eine dritte Stufe (10a-3) eine Breite von 0,5 mm aufweist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsquerschnitt der Nut (10b) als eine senkrechte Fläche innerhalb einer durch die Rotationsachse (6) und den Radius des Ventilelements (5b) aufgespannten Ebene in Umfangsrichtung des Ventilelements (5b) mit zunehmendem Abstand vom Rand des Ausströmquerschnitts (9-1) oder des Einströmquerschnitts (9-2) kontinuierlich kleiner werdend ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (10b) in Umfangsrichtung des Ventilelements (5b) eine kontinuierlich kleiner werdende Tiefe aufweist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Strömungsquerschnitt der Nut (10a, 10b) 2 mm² beträgt.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsöffnung (9) des Ventilelements (5a, 5b) einen über die gesamte Länge in Form und Ausdehnung konstanten Strömungsquerschnitt aufweist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsquerschnitt der Durchgangsöffnung (9) des Ventilelements (5a, 5b) rechteckig, insbesondere quadratisch, ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsquerschnitt der Durchgangsöffnung (9) des Ventilelements (5a, 5b) eine Kantenlänge von 8 mm aufweist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das zwischen dem Ventilelement (5a, 5b) und dem Gehäuse (2) Dichtelemente angeordnet sind.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtelemente einen rechteckigen Innenquerschnitt aufweisen.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (5a, 5b) über ein Verbindungselement (8) mit einem außerhalb des Gehäuses (2) angeordneten Antriebselement (7) zum Bewegen des Ventilelements (5a, 5b) verbunden ist.
Vorrichtung (1) nach einem Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (8) als eine Welle ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (8) an einem ersten Ende fest mit dem Antriebselement (7) und an einem zum ersten Ende distal ausgebildeten zweiten Ende durch eine Seite in das Gehäuse (2) hineinragend und mit dem Ventilelement (5a, 5b) verbunden angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebselement (7) als ein Stellmotor ausgebildet ist.
Verwendung der Vorrichtung (1) zum Regeln eines Durchflusses und Expandieren eines Fluids nach einem der Ansprüche 1 bis 25 in einem Kältemittelkreislauf eines thermischen Systems, insbesondere eines Thermomanagementsystems, eines Kraftfahrzeugs zum Konditionieren von mindestens einem einem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstrom sowie mindestens einer Komponente eines Antriebsstrangs.