DE102023117367A1

DE102023117367A1 - Ventileinrichtung für den Betrieb mit einem Kältemittel

Info

Publication number: DE102023117367A1
Application number: DE102023117367.7A
Authority: DE
Inventors: Carsten Ohrem; Daniel Zens; Michael Schlattmann; Andreas Capelle; Deny Laforge
Original assignee: Hanon Systems Corp
Current assignee: Hanon Systems Corp
Priority date: 2022-07-14
Filing date: 2023-06-30
Publication date: 2024-01-25
Also published as: WO2024014799A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ventileinrichtung für den Betrieb mit einem Kältemittel, insbesondere für den Betrieb mit einem Kältemittel in einem KraftfahrzeugWärmepumpensystem, aufweisend eine Ventilkörperbuchse (1) mit einem zum Einstecken in ein Ventilblock (2) vorgesehenen ersten axialen Abschnitt (1.1), in welchem eine Ventilkörperkammer (3) mit einer axial darin geführten Ventilnadel (4) ausgebildet ist, ein Spindelantrieb mit einer magnetisierten Rotorwelle (5), welche von einem Wälzlager (6) gelagert derart mit der Ventilnadel (4) gekoppelt ist, dass eine Rotation der Rotorwelle (5) eine axiale Bewegung der Ventilnadel (4) in der Ventilkörperbuchse (1) bewirkt, und ein einseitig geöffnetes Kapselelement (7), in welchem der Spindelantrieb und ein zweiter axialer Abschnitt (1.2) der Ventilkörperbuchse (1) aufgenommen sind, wobei das Kapselelement (7) mit einem es aufnehmenden Aktuator (8) zum Antrieb der Rotorwelle (5) so an dem Ventilblock (2) befestigbar ist, dass der erste axiale Abschnitt (1.1) fluiddicht in dem Ventilblock (2) aufgenommen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ventileinrichtung für den Betrieb mit einem Kältemittel, insbesondere für den Betrieb in einem Wärmepumpensystem einer Kraftfahrzeug-Klimaanlange, in welcher Kohlenstoffdioxid, CO₂ (R744) oder 2,3,3,3-Tetrafluorpropen (R1234yf) als Kältemittel zum Einsatz kommt.
Im Gegensatz zu Fahrzeugen mit klassischem Verbrennungsmotor steht in Elektrofahrzeugen keine vergleichbare kontinuierliche Wärmequelle zur Fahrzeugklimatisierung zur Verfügung. Zur Temperierung von rein elektrisch betriebenen Fahrzeugen muss daher auf die zur Verfügung stehende elektrische Energie zurückgegriffen werden, was bei batterieelektrisch betriebenen Fahrzeugen mit einer erheblichen Verringerung der Fahrzeugreichweite einhergeht, insbesondere, wenn große Temperaturdifferenzen überwunden werden müssen. Im Vergleich zu klassischen elektrischen Heizungen tragen Wärmepumpensysteme mit Kältemittelkreislauf zu einer verbesserten Ausnutzung der zur Verfügung stehenden elektrischen Energie bei. Dabei ermöglicht ein bidirektionaler Betrieb solcher Systeme eine Beheizung im Winter und ein Kühlen im Sommer. Besonders bevorzugt sind Wärmepumpensysteme, welche mit Kohlenstoffdioxid (R744) als Kältemittel betrieben werden können, da R744 ein sehr geringes Treibhauspotential aufweist. Allerdings ist der Betrieb von Wärmepumpensystemen mit R744 als Kältemittel mit erhöhten konstruktiven Anforderungen verbunden, da aufgrund höherer Betriebsdrücke größere beziehungsweise robustere Baueinheiten erforderlich sind. So erfordern hohe Drücke an Stellgliedern, insbesondere bidirektionalen Ventilen, entsprechend hohe Bewegungskräfte, welche nur durch Aktuatoren mit größerer Leistung bewältigt werden können.
Eine Maßnahme zur Verringerung hoher Bewegungskräfte an Ventileinrichtungen beruht auf der Ausnutzung von Gegendruckeinrichtungen. Aus DE 10 2016 013 492 A1 ist ein bidirektional betreibbares Ventil bekannt, bei welchem ein Systemgegendruck unterstützend ausgenutzt wird, um einen geringeren Kraftaufwand zum Bewegen des Stellgliedes zu ermöglichen. Bei dem aus DE 10 2016 013 492 A1 bekannten Ventil handelt es sich um ein kombiniertes Expansions-Absperrventil, welches in einem geschlossenen Zustand einen Druck-Bypass zu einer Ventilkammer aufweist, in welcher die Ventilnadel geführt ist. Der Druck-Bypass verursacht eine Druck-Balance, welche die zur Ventilnadelverstellung erforderlichen Druckkräfte verringert. Es können vergleichsweise große Strömungsdurchmesser zwischen den Medienzugängen des Ventils in zwei Strömungsrichtungen gewährleistet werden. Das Ventil ermöglicht vorteilhaft eine bidirektionale Kältemittelströmung sowie die Funktion eines Expansionsventils in jeweils entgegengesetzte Richtungen.
Im Kraftfahrzeugbereich werden kompakte Lösungen bevorzugt, was dazu führt, dass üblicherweise mehrere Ventile zur Beeinflussung von Strömungswegen auf engen Raum angeordnet in einem gemeinsamen Ventilblock oder Ventilmodul untergebracht sind. Beispielsweise können bis zu acht Ventile eines Wärmepumpensystems in einem Ventilblock montiert sein. Bislang sind einzelne Ventilkomponenten, insbesondere Dichtungssitze mit Dichtungen, direkt innerhalb des Ventilblocks ausgebildet beziehungsweise im Ventilblock verortet. Diese separat ausgebildeten Ventilkomponenten wirken nur im montierten Zustand mit weiteren Komponenten des Ventils als funktionelle Einheit zusammen. Dies bringt jedoch den Nachteil mit sich, dass im Wartungsfall oder bei einem Austausch eines einzelnen Ventils die gesamte Ventilblockanordnung demontiert werden muss, da eine Wartung einzelner Ventileinheiten aufgrund der kompakten Konstruktion erschwert ist. Weiterhin zeigt sich, dass Ventile der aktuell bekannten Bauart eine vergleichsweise hohe Hysterese in der Durchflusskurve aufweisen, was sich nachteilig auf den Betriebsablauf auswirken kann. Schließlich besteht auch aufgrund des vergleichsweise hohen Leckagepotentials, insbesondere bei der Verwendung von R744-Kältemittel, weiterer Verbesserungsbedarf hinsichtlich der Konstruktion von Ventilen für Wärmepumpensysteme in Kraftfahrzeugen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, eine Ventileinrichtung für den Betrieb mit einem Kältemittel, insbesondere für den Betrieb mit Kohlenstoffdioxid (CO₂ (R744)), in einem Wärmepumpensystem eines Kraftfahrzeugs vorzuschlagen, mit welcher aus dem Stand der Technik bekannte Nachteile verringert oder vermieden werden können.
Nach der Konzeption der Erfindung sind die wesentlichen Komponenten der Ventileinrichtung von einem Kapselelement aufgenommen beziehungsweise in diesem Kapselelement integriert, so dass die Ventileinrichtung als vollständige Funktionseinheit ausgebildet ist, ohne dass separat montierte Ventilkomponenten im Ventilblock erforderlich sind. Die erfindungsgemäße Ventileinrichtung ist vorteilhaft einzeln montierbar beziehungsweise demontierbar, ohne dass ein Austausch des gesamten Ventilblocks beziehungsweise Ventilmoduls erforderlich ist. Als Ventilblock oder Ventilmodul ist im Sinne der Erfindung eine mehrere Ventile beziehungsweise Ventileinrichtungen aufnehmender Körper mit mehreren Anschlüssen und Kanälen zu verstehen, mit welchem Fluidströmungen geregelt werden. Der Einfachheit halber wird nachfolgend einheitlich der Begriff Ventilblock verwendet. Die Ventileinrichtung ist für den Betrieb mit einem Kältemittel, insbesondere für den Betrieb mit einem Kältemittel in einem Kraftfahrzeugwärmepumpensystem, vorgesehen.
Die erfindungsgemäße Ventileinrichtung weist eine Ventilkörperbuchse mit einem zum Einstecken in ein
Ventilblock vorgesehenen ersten axialen Abschnitt auf. Dieser axiale erste Abschnitt der Ventilkörperbuchse wird in dem Ventilblock aufgenommen. Innerhalb der Ventilkörperbuchse ist eine Ventilkörperkammer mit einer axial darin geführten Ventilnadel ausgebildet. Als weitere Ventilkomponente umfasst die erfindungsgemäße Ventileinrichtung einen Spindelantrieb mit einer magnetisierten Rotorwelle, welche von einem Wälzlager gelagert derart mit der Ventilnadel gekoppelt ist, dass eine Rotation der Rotorwelle eine axiale Bewegung der Ventilnadel in der Ventilkörperbuchse bewirkt. Die axiale Bewegung bewirkt ein Öffnen oder ein Schließen der Ventileinrichtung, je nach dem, in welche Richtung die Rotorwelle rotiert. Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Ventileinrichtung ein einseitig geöffnetes Kapselelement, in welchem der Spindelantrieb und ein zweiter axialer Abschnitt der Ventilkörperbuchse aufgenommen sind, wobei das Kapselelement mit einem es aufnehmenden Aktuator zum Antrieb der Rotorwelle so an dem Ventilmodul befestigbar ist, dass der erste axiale Abschnitt fluiddicht in dem Ventilblock aufgenommen ist.
Die Öffnung des Kapselelements kann einen abgesetzten Rand in Form eines radial nach außen weisenden Kragens aufweisen, welcher zur Befestigung des Kapselelements mit einem aufliegenden beziehungsweise sich auf dem Kragen abstützenden Überwurfelement zusammenwirkt. Zur Befestigung des Überwurfelements, welches über das Kapselelement geführt ist, können verschiedene Mittel verwendet werden, beispielsweise Klemmmittel, Schnappmittel oder Schraubenverbindungen. Mit Hilfe des Befestigungsmittels wird die Kragenstirnfläche an die gegenüberliegende Ventilblockoberfläche zur Abdichtung der in dem Kapselelement aufgenommen Ventilkomponenten gepresst.
Nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung, welche insbesondere für die Verwendung mit dem Kältemittel R744 vorgesehen ist, erweist es sich als vorteilhaft, wenn als Überwurfelement ein Gewindering eingesetzt wird. Der Gewindering ist in Form eines Zylinderrings mit einer Öffnung ausgebildet, durch welche das Kapselelement hindurchgeführt und dadurch von dem Gewindering aufgenommen wird. Dabei liegt der Gewindering mit an der dem Ventilblock zugewandten Seite auf dem Kapselelementkragen auf. An der radialen Außenfläche weist der Gewindering ein Außengewinde zum Einschrauben in den Ventilblock auf. Zur Befestigung des Kapselelements ist der Gewindering über das Kapselelement geführt und sich auf dem Kragen des Kapselelements abstützend mit einem in dem Ventilblock ausgebildeten Innengewinde verschraubbar. Dabei ist zwischen der in axialer Richtung ausgebildeten Stirnfläche des Kapselelementkragens und dem Ventilblock beziehungsweise einer Stirnfläche des Ventilblocks, welche der Stirnfläche des Kapselelementkragens zugewandt ist, eine Dichtung, vorzugsweise eine Metallsickendichtung, angeordnet. Weiterhin weist der Gewindering Eingriffmittel für ein Werkzeug auf, um den Gewindering unter Verwendung des Werkzeugs mit dem Ventilblock zu verschrauben. Die Eingriffmittel für das Werkzeug können axial und/oder radial an dem Gewindering ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Gewindering einen Zahnkranz als Eingriffmittel aufweisen. Durch eine Verschraubung mit dem Gewindering in dem Ventilblock kann ein definierter Anpressdruck erzeugt werden, was in Kombination mit der Metallsickendichtung zu einer besonders guten Abdichtung beiträgt. Die Verwendung einer Metallsickendichtung verringert vorteilhaft die Gefahr einer Leckage. Von Vorteil ist dies in Wärmepumpensystemen, welche aufgrund der Verwendung von R744 als Kältemittel mit hohen Betriebsdrücken arbeiten müssen.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung, welche bevorzugt für einen Betrieb mit Kältemittel dem Kältemittel 2,3,3,3-Tetrafluorpropen (R1234yf) oder dem Kältemittel Dichlortrifluorethan (R134a) vorgesehen ist, kann als Überwurfelement eine Befestigungsplatte eingesetzt werden, welche zur Befestigung des Kapselelements über das Kapselelement geführt und sich auf dem Kragen des Kapselelements abstützend an dem Ventilblock befestigbar ist. Die Befestigungsplatte weist somit mindestens eine Öffnung auf, so dass die Befestigungsplatte das Kapselelement in sich aufnehmen kann, wobei der Querschnitt dieser Öffnung derart ausgestaltet ist, dass die Befestigungsplatte auf dem Kragen des Kapselelementes aufliegt. An der dem Ventilblock zugewandten Seite kann die Befestigungsplatte einen Auflagestutzen aufweisen, durch welchen die mindestens eine Öffnung ausgebildet ist. Die Stirnfläche des Auflagestutzens ist zur Anlage an dem Kapselelementkragen ausgebildet. Dabei kann der Auflagestutzen ebenfalls einen radial nach außen gerichteten Kragen aufweisen, dessen Kragenstirnfläche vorzugsweise formschlüssig an dem Kapselelementkragen anliegt. Die Befestigungsplatte kann weiterhin mindestens zwei Schraubendurchführungen aufweisen, durch welche Schrauben hindurch in den Ventilblock eingeschraubt werden können, wobei auf die auf den Kapselelementkragen aufliegende beziehungsweise sich abstützende Befestigungsplatte ein Anpressdruck ausgeübt wird.
Zwischen der Befestigungsplatte und dem Ventilmodul kann ein Korrosionsschutzelement in Form eines O-Rings angeordnet sein. Dieser O-Ring kann am Schaftende des Auflagestutzens der Befestigungsplatte angeordnet sein.
Für den Aktuator dient die Befestigungsplatte vorzugsweise als Begrenzung und als Halterung. Zur gemeinsamen Befestigung des Aktuators und des Kapselelements kann der Aktuator ebenfalls Schraubendurchführungen aufweisen, welche mit den Schraubendurchführungen der Befestigungsplatte korrespondieren, sodass Schrauben durch die Schraubendurchführungen des Aktuators und durch die Schraubendurchführungen der Befestigungsplatte hindurch in den die Ventileinrichtung aufnehmenden Ventilblock einschraubbar sind. Auf diese Weise können das Kapselelement mit den darin angeordneten Ventilkomponenten und der Aktuator gleichzeitig gemeinsam an dem Ventilblock befestigt werden.
Das Wälzlager, welches die Rotorwelle des Spindelantriebs innerhalb der Ventilkörperbuchse aufnimmt und lagert, kann als Kugellager oder als Rollenlager ausgebildet sein. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Wälzlager in der Ventilkörperbuchse im Bereich des zweiten axialen Abschnitts aufgenommen und vorzugsweise durch eine Randbördelung in der Ventilkörperbuchse fixiert. Der Einfachheit halber kann eine Randbördelung des oberen Randes der Ventilkörperbuchse zur Fixierung des Wälzlagers an konkreten Positionen, beispielsweise an zwei, drei oder vier Positionen, ausgebildet sein. Von dem Wälzlager aufgenommen ist die Rotation der Rotorwelle infolge des verringerten Reibungswiderstandes leichtgängiger, sodass insgesamt weniger Antriebskraft aufgewendet werden muss. Der durch das Wälzlager verringerte Reibungswiderstand trägt vorteilhaft zu einer Reduzierung der Durchflusshysterese bei.
Zur weiteren Stabilisierung der Lagerung der Rotorwelle kann in dem Kapselelement zusätzlich ein Gleitlager aufgenommen sein. Das Gleitlager kann vorzugsweise am Kapselelementboden positioniert sein, wobei ein Schaftende beziehungsweise ein Zapfen der Rotorwelle von dem Gleitlager aufgenommen ist. Ferner kann vorgesehen sein, dass das Gleitlager als integraler Bestandteil des Kapselelements ausgebildet ist.
Die Ventilkörperbuchse ist mit dem zweiten Abschnitt axial so weit in das Kapselelement einsteckbar, dass nur der zum Einstecken in das Ventilmodul vorgesehene erste axiale Abschnitt der Ventilkörperbuchse aus dem Kapselelement herausragt. Hierzu kann die Ventilkörperbuchse eine außenumfangseitig ausgebildete Anschlagrippe aufweisen. In das Kapselelement eingesteckt, sorgt die Anschlagrippe für eine korrekte und genaue Positionierung der Ventilkörperbuchse in dem Kapselelement und begrenzt dabei die axiale Einstecktiefe des zweiten Abschnitts der Ventilkörperbuchse. Die Anschlagrippe bildet eine Lippe, welche in die Stirnfläche des Kragens an der Kapselelementöffnung radial übergehen kann. Auf diese Weise ist eine abdichtende Wirkung gegenüber dem Kapselelement gewährleistet. Vorzugsweise entspricht der äußere Durchmesser der Ventilkörperbuchse dem Innendurchmesser des Kapselelements.
Die in der Ventilkörperbuchse geführte und axial hin und her bewegbare Ventilnadel kann mindestens eine außenumfangseitig umlaufende Nut mit einer Dichtung zur internen Abdichtung gegenüber der Ventilkörperbuchse aufweisen.
Diese Dichtung, welche auch als Ventilnadeldichtung bezeichnet werden kann, ist insbesondere für eine Verwendung der Ventileinrichtung mit dem Kältemittel R744 als Kombinationsdichtung mit einem O-Ring und einem auf dem O-Ring angeordneten, nach außen weisenden Polytetrafluorethylen (PTFE)-Ring ausgebildet.
Die Ventilkörperbuchse kann im ersten Abschnitt, vorzugsweise im Bereich des Kopfendes, mindestens eine außenumfangseitig umlaufende Nut mit einer Dichtung zur internen Abdichtung gegenüber dem Ventilblock aufweisen. Diese Dichtung ist vorzugsweise als Dichtungsring beziehungsweise O-Ring ausgebildet. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Ventilkörperbuchse im ersten Abschnitt verschiedene Schaftdurchmesser aufweist, wobei jeder Schaftdurchmesser mindestens eine außenumfangseitig umlaufende Nut mit einer Dichtung zur internen Abdichtung gegenüber dem Ventilblock aufweist. Gemäß einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung, welche insbesondere für den Betrieb mit dem Kältemittel R1234yf oder dem Kältemittel R134a vorgesehen ist, kann die Ventilkörperbuchse im zweiten axialen Abschnitt, welcher in dem Kapselelement eingesteckt ist, mindestens eine außenumfangseitig umlaufende Nut mit einer Dichtung zur internen Abdichtung gegenüber dem Kapselelement aufweisen.
Die Ventilnadel kann bereichsweise eine kreiszylindrische Form aufweisen, wobei die Aufnahme in der Ventilkörperbuchse ebenfalls kreiszylindrisch ausgebildet ist. Zumindest das obere Schaftende der Ventilnadel kann eine Aussparung aufweisen, welche zur Vermeidung einer Rotation mit einer Querschnittsgeometrie der Ventilkörperbuchse korrespondiert. Dabei bildet die Querschnittsgeometrie der Ventilkörperbuchse eine Führung für die Ventilnadel. Alternativ kann die Verwendung einer Führungsscheibe vorgesehen sein, welche in der Ventilkörperbuchse eingepresst ist. Die Führungsscheibe weist einen mit der Querschnittsgeometrie des oberen Schaftendes der Ventilnadel korrespondierenden Öffnungsquerschnitt auf, welcher eine Rotation der Ventilnadel verhindert. Somit kann in der Ventilkörperbuchse eine Führungsscheibe eingepresst sein, wobei die Führungsscheibe einen die Ventilnadel aufnehmenden und die Ventilnadel axial führenden Öffnungsquerschnitt aufweist. Die Verwendung einer Führungsscheibe erweist sich hinsichtlich der Montage der Ventilnadel innerhalb der Ventilkörperbuchse als vorteilhaft, da die Ventilnadel zuerst in der Ventilkörperbuchse positioniert und die Führungsschreibe im Anschluss in die Ventilkörperbuchse eingepresst wird.
Zur weiteren Abdichtung kann zwischen dem Kapselelement und dem Aktuator eine Dichtung in Form eines Dichtungsrings angeordnet sein.
Die Ventilkörperbuchse und die Ventilnadel können derart ausgebildet sein, dass in einem geschlossenen Zustand der Ventileinrichtung ein Druck-Bypass zu der Ventilkörperkammer besteht. Dabei kann insbesondere bei einer Verwendung des Kältemittels R744 der freie Durchmesser für den Druckausgleich im Druck-Bypass vergrößert sein. Die für die Bereitstellung der Druck-Balance erforderliche Dimensionierung der freien Durchmesser des Druck-Bypasses orientiert sich an dem verwendeten Kältemittel und der Dimensionierung der Ventileinrichtung.
Es kann vorgesehen sein, dass der Ventilnadeldurchmesser für eine Verwendung mit dem Kältemittel R744 kleiner dimensioniert ist, als für eine Verwendung mit den Kältemitteln R1234yf oder R134a.
Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung besteht darin, dass sämtliche für den Ventilbetrieb erforderlichen Ventilkomponenten in einer gemeinsamen Bauteilanordnung von dem Kapselelement aufgenommen zusammengeführt sind. Es verbleiben somit keine Ventilkomponenten im Ventilblock. Die erfindungsgemäße Ventileinrichtung kann somit als Funktionseinheit vollständig montiert und demontiert werden. Vorteilhaft ist dies auch für die Wartung, da nicht der gesamte Ventilblock demontiert werden muss. Die zusätzliche Verwirklichung eines Druckausgleichssystems mit Hilfe des Druck-Bypasses verringert die erforderlichen Bewegungskräfte, sodass die Aktuatorkomponente kleiner dimensioniert ausgeführt werden kann. Somit entlastet der Druckausgleich die Ventileinrichtung, was die Robustheit des Systems insgesamt erhöht.
Die Erfindung ist für den Betrieb mit einem Kältemittel, insbesondere für den Betrieb in einem Wärmepumpensystem einer Kraftfahrzeug-Klimaanlange vorgesehen, in welcher Kohlenstoffdioxid (CO₂ (R744)) oder 2,3,3,3-Tetrafluorpropen (R1234yf) als Kältemittel zum Einsatz kommt.
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: eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung,
2: eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Ventilnadel der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung in einer Perspektivansicht,
3a: eine schematische Darstellung einer Perspektivansicht einer Kombination aus Rotorwelle und Ventilkörperbuchse der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung,
3b: eine schematische Darstellung einer Metallsickendichtung,
3c: eine schematische Darstellung einer Führungsscheibe der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung,
4: eine schematische Schnittdarstellung des Zusammenwirkens des Kapselelements der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung mit einem Ventilblock,
5a-5l: Montageschritte für den Zusammenbau der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung,
6a: eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung im montierten Zustand ohne Aktuator,
6b: die in 6a gezeigte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung mit Aktuator,
6c: eine schematische Schnittdarstellung der in 6a gezeigten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung,
7: eine schematische Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung der Komponenten Kapselelement und Ventilkörperbuchse im Wirkzusammenhang mit einem Ventilblock sowie
8a-8n: Montageschritte für den Zusammenbau der in 6a gezeigten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung.

Wiederkehrende Merkmale sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Die 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung für den Betrieb mit dem Kältemittel R744. Die Ventileinrichtung umfasst eine Ventilkörperbuchse 1, in welcher eine Ventilkörperkammer 3 mit einer axial darin geführten Ventilnadel 4 ausgebildet ist. Ein erster axialer Abschnitt 1.1 der Ventilköperbuchse 1 ist zum Einstecken in ein Ventilblock 2 (siehe 4) vorgesehen. Ein zweiter axialer Abschnitt 1.2 der Ventilkörperbuchse 1 ist in einem Kapselelement 7 eingesteckt aufgenommen. Die axiale Einstecktiefe der Ventilkörperbuchse 1 ist durch eine an der Ventilkörperbuchse 1 außenumfangseitig ausgebildeten Anschlagrippe 1.3 begrenzt. Diese Anschlagrippe 1.3 bildet eine gemeinsame Anlagefläche mit einen an dem Kapselelement 7 ausgebildeten abgesetzten Rand in Form eines radial nach außen weisenden Kragens 7.1. In dem Kapselelement 7 ist weiterhin ein Spindelantrieb mit einer magnetisierten Rotorwelle 5 aufgenommen, welche von einem in der Ventilkörperbuchse 1 positionierten Wälzlager 6 in Form eines Kugellagers gelagert ist. Die Rotorwelle 5 weist einen Gewindeschaft 5.1 auf, welcher in ein Innengewinde der Ventilnadel 4 eingeschraubt ist, sodass eine Rotation der Rotorwelle 5 eine axiale Bewegung der in der Ventilkörperbuchse 1 geführten Ventilnadel 4 bewirkt. Die Rotation der Rotorwelle 5 wird mit einem Magnetaktuator (nicht gezeigt) erzeugt, welcher das Kapselelement 7 in sich aufnimmt. Zu diesem Zweck ist die Rotorwelle 5 mit einem Magnet 5.2 umspritzt. Am Kapselelementboden des Kapselelements 7 ist ein Gleitlager 12 angeordnet. Dieses Gleitlager lagert einen Zapfen 5.3 der Rotorwelle 5.
Die Befestigung der Ventileinrichtung an dem Ventilblock 2 (4) erfolgt mit einem Gewindering 14, welche ein Außengewinde 22 aufweist. Zur Befestigung des Kapselelements 7 wird der Gewindering 14 über das Kapselelement 7 geführt, so dass er sich auf dem Kapselelementkragen 7.1 abstützend mit einem in dem Ventilblock 2 ausgebildeten Innengewinde 23 verschraubt werden kann. Zur Abdichtung ist zwischen einer in axialer Richtung des Kapselelements 7 ausgebildeten Stirnfläche des Kapselelementkragens 7.1 und dem Ventilblock 2 eine wie in 3b dargestellte Metallsickendichtung 19 angeordnet.
Die Ventilnadel 4 weist radiale Durchbrechungen 10 auf, welche einen Druck-Bypass zur Ventilkörperkammer 3 bilden. Zur Vermeidung einer Rotation der Ventilnadel 4 innerhalb der Ventilkörperbuchse 1 ist in der Ventilkörperbuchse 1 eine Führungsscheibe 11 eingepresst. Eine mögliche Ausgestaltung der Führungsscheibe 11 ist in der 3c näher erläutert. Weiterhin weist die Ventilnadel 4 eine außenumfangseitig ausgebildete Nut 4.1 mit einer Kombinationsdichtung 9 auf, welche in der 2, in welcher die Ventilnadel 4 gesondert dargestellt ist, näher erläutert ist. Eine weitere Dichtung 13.1 ist am Kopfende der Ventilkörperbuchse 1 in einer dort befindlichen außenumfangseitig ausgebildeten Nut 13 angeordnet. Die Dichtung 13.1 ist als O-Ring ausgebildet. Der erste axiale Abschnitt 1.1 der Ventilkörperbuchse 1 bildet einen Schaft mit verschiedenen Durchmessern, wobei ein sich zur Schaftmitte verjüngender Schaftmittelteil einen geringeren Durchmesser ausweist, als das Kopfende der Ventilkörperbuche 1, welches die Nut 13 mit der Dichtung 13.1 aufweist.
Zur Abdichtung des Kapselelements 7 gegenüber dem des aufnehmenden Aktuators 8 (siehe 5I) ist eine Anordnung eines Dichtrings 15 am äußeren Umfang des Kapselelements 7 vorgesehen. Dieser umschließende Dichtring 15 kann auch als Aktuatordichtung bezeichnet werden.
Die 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Ventilnadel 4 der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung in einer Perspektivansicht. Die in 2 dargestellte Ventilnadel 4 ist insbesondere für eine Verwendung in einer Ventileinrichtung für den Betrieb mit dem Kältemittel R744 vorgesehen. Am äußeren Umfang weist die Ventilnadel 4 eine Nut 4.1 auf, welche eine Kombinationsdichtung 9 aufnimmt. Die Kombinationsdichtung 9 umfasst zwei Komponenten, einen PTFE-Ring 9.1 und einen O-Ring 9.2, wobei der PTFE-Ring als Gleitdichtung innerhalb der Nut 4.1 über dem O-Ring 9.2 angeordnet ist, so dass der PTFE-Ring 9.1 radial nach außen gerichtet ist.
Die 3a zeigt eine schematische Darstellung einer Perspektivansicht einer Kombination aus Rotorwelle 5 und Ventilkörperbuchse 1 der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung. Die Rotorwelle 5 weist einen Magnet 5.2 für den Antrieb der Rotorwelle 5 auf. Am oberen Ende ist ein Zapfen 5.3 zur Aufnahme in das Gleitlager 12 des Kapselelements 7 ausgebildet. Das die Rotorwelle 5 lagernde Kugellager 6 ist in der Ventilkörperbuchse 1 eingepresst, wobei eine Fixierung des Kugellagers 6 innerhalb der Ventilkörperbuchse 1 durch eine Bördelung des oberen Randes der Ventilkörperbuchse 1 an den Pfeilpositionen realisiert ist.
Die 3b zeigt eine Ausgestaltung einer Metallsickendichtung 19, wie sie zur Abdichtung zwischen der Stirnfläche des Kapselelementkragens 7.1 des Kapselelements 7 und der Ventilblockoberfläche zum Einsatz kommt, um eine fluiddichte Abdichtung der Ventileinrichtung gegenüber der Umgebung zu gewährleisten. Im gezeigten Beispiel weist die Metallsickendichtung 19 drei Nasen zur Fixierung auf, wobei mehr oder weniger Fixiernasen denkbar sind. Vorteilhaft können Oberflächenunvollkommenheiten durch den Einsatz der Metallsickendichtung 19 ausgeglichen werden, wodurch eine verbesserte Abdichtung gewährleistet werden kann.
In der 3c ist eine Ausgestaltung der Führungsscheibe 11 gezeigt, welche zur Vermeidung einer Rotation und zur Ermöglichung einer axialen Führung der Ventilnadel 4 innerhalb der Ventilkörperbuchse 1 eingepresst ist. Der Öffnungsquerschnitt der Führungsscheibe 11 korrespondiert mit der geometrischen Ausgestaltung des oberen Schaftes der Ventilnadel 4. Die korrespondierenden Geometrien verhindern eine Rotation der Ventilnadel 4 innerhalb der zylindrisch ausgebildeten Ventilkörperbuchse 1, sodass die Rotation des Gewindeschafts 5.1 der Rotorwelle 5 lediglich eine axiale Bewegung der Ventilnadel 4 innerhalb der Ventilkörperbuchse 1 bewirkt.
Die 4 zeigt eine schematische Schnittdarstellung des Zusammenwirkens des Kapselelements 7 der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung mit einem Ventilblock 2 in einer Ausgestaltung mit einer Schraubverbindung zur Befestigung des Kapselelements 7 an dem Ventilblock 2. Zur besseren Veranschaulichung sind die weiteren Komponenten der Ventileinrichtung in der 4 nicht dargestellt. Zur Befestigung ist ein Gewindering 14 über das Kapselelement 7 geführt, wobei der Gewindering 14 sich an dem Kragen 7.1 des Kapselelements 7 abstützend mit einem in dem Ventilblock 2 ausgebildeten Innengewinde verschraubbar ist. Zur Befestigung der Ventileinrichtung an dem Ventilblock 2 wird der Gewindering 14 mit seinem Außengewinde 22 in ein in dem Ventilblock 2 ausgebildeten Innengewinde 23 eingeschraubt. Eine axiale Stirnfläche des Gewinderings 14 bildet eine Ringfläche, welche zumindest bereichsweise auf dem Kapselelementkragen 7.1 aufliegt. Dabei bildet die in axialer Ausrichtung des Kapselelements 7 ausgebildete Stirnfläche des Kapselelementkragens 7.1 eine Dichtfläche gegenüber der Auflagefläche am Ventilblock 2, wobei zwischen der Dichtfläche des Kapselelementkragens 7.1 und der Auflagefläche des Ventilblocks 2 eine hier nicht weiter dargestellte Metallsickendichtung 19, wie sie in 3b gezeigt ist, angeordnet ist. Die Verschraubung übt einen Anpressdruck des Kapselelementkragens 7.1 auf die Auflagefläche des Ventilblocks 2 aus. Es kann vorgesehen sein, dass der Gewindering 14 mit einem Drehmoment von 100 Nm angezogen wird. Die resultierende Kraft zwischen dem Kapselelement 7 und dem Ventilblock 2 drückt die Metallsickendichtung 19 zusammen, wobei die Metallsickendichtung 19 Oberflächenunvollkommenheiten ausgleicht, um die Ventileinrichtung gegenüber der äußeren Umgebung abzudichten.
Die 5a bis 51 zeigen Montageschritte für den Zusammenbau der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung gemäß Ausgestaltung.
Die 5a zeigt den ersten Schritt der Montage der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung, wobei das Gleitlager 12 in das Kapselelement 7 so eingeführt wird, dass das Gleitlager 12 am Boden des Kapselelements 7 angeordnet ist. Das Gleitlager 12 ist vorzugsweise aus einem Material mit geringer Gleitreibung ausgebildet.
Die 5b zeigt einen zweiten Schritt der Montage der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung, wobei das Kugellager 6 auf der Rotorwelle 5 positioniert wird, so dass die Rotorwelle 5 zusammen mit dem Kugellager 6 als Einheit montiert werden kann.
Die 5c zeigt eine Montage der Kombinationsdichtung 9 an der Ventilnadel 4. Wie dargestellt erfolgt die Montage in Pfeilrichtung so, dass zunächst der O-Ring 9.2 von der unteren Schaftseite in Richtung der Nut 4.1 geschoben und dort positioniert wird. Anschließend wird der PTFE-Ring 9.1 über den zylindrischen Schaft der Ventilnadel 4 geschoben und in der Nut 4.1 über dem O-Ring 9.2 positioniert.
Als nächstes folgt der vierte Schritt der Montage der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung, welcher mit der 5d dargestellt ist. Dieser Schritt umfasst die Positionierung der Ventilnadel 4 in der Ventilkörperbuchse 1. Die Montage der Ventilnadel 4 erfolgt in Pfeilrichtung.
Im fünften Schritt, welcher mit der 5e dargestellt ist, wird die Führungsscheibe 11 in die Ventilkörperbuchse 1 eingepresst. Die Querschnittsöffnung der Führungsscheibe 11 nimmt das Schaftende der Ventilnadel 4 auf, so dass eine Rotation der Ventilnadel 4 in der Ventilkörperbuchse 1 verhindert ist.
Im folgenden sechsten Schritt, welcher in der 5f gezeigt ist, wird die gemäß dem zweiten Schritt (5b) vormontierte Rotorwelle 5 des Spindelantriebs mit der Ventilkörperbuchse 1 vereint, in dem der Gewindeschaft 5.1 in das Innengewinde 23 der Ventilnadel 4 eingeschraubt wird.
Weiter in der 5g ist ein siebenter Schritt der Montage der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung gezeigt, wobei das Kugellager 6 mittels an den Pfeilpositionen markierten Randbördelungen innerhalb der Ventilkörperbuchse 1 fixiert wird.
Im nachfolgenden achten Schritt, welcher in der 5h gezeigt ist, erfolgt die Magnetisierung des an der Rotorwelle 5 angeordneten Magnets 5.2.
In der 5i ist ein neunter Schritt der Montage der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung gezeigt. In diesem neunten Schritt wird die in 5h gezeigte vormontierte Anordnung aus der Ventilkörperbuchse 1 und dem Spindelantrieb in das Kapselelement 7 eingeschoben, wobei die Einschubtiefe von der am äußeren Umfang der Ventilkörperbuchse 1 ausgebildeten Anschlagrippe 1.3 begrenzt wird. Wie die Schnittdarstellung der 5i zeigt, wird ein Teil der Rotorwelle 5, nämlich ein oberer Zapfen 5.3, von dem Gleitlager 12 aufgenommen, sodass die Rotorwelle 5 an zwei Positionen gelagert ist.
Im nachfolgenden zehnten Schritt, welcher in der 5j dargestellt ist, erfolgt die Positionierung der Metallsickendichtung 19 auf die Dichtfläche an der Stirnfläche des Kragens 7.1 des Kapselelements 7, wobei zur Positionierung eine Schutzhülse 20 eingesetzt wird, welche über den ersten axialen Abschnitt 1.1 der Ventilkörperbuchse 1 geführt ist. Die Schutzhülse 20 wird nach der Positionierung der Metallsickendichtung 19 wieder entfernt. Weiterhin erfolgt die Positionierung des Gewinderings 14, welche über das Kapselelement 7 geschoben wird und dabei den Kapselelementkragen 7.1 aufnimmt beziehungsweise sich daran abstützt. Der Gewindering 14 weist Eingriffelemente 24 für ein Werkzeug auf. Die Eingriffelemente 24 sind als radial nach außen weisende Zacken ausgebildet und dienen zur Kraftübertragung eines Drehmoments von einem Werkzeug auf den Gewindering 14 beim Einschrauben des Gewinderings 14 in den Ventilblock 2 (nicht gezeigt).
Die 5k zeigt einen elften Schritt der Montage der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung, wobei eine Dichtung 13.1 in Form eines O-Rings an einer am Kopfende der Ventilkörperbuchse 1 ausgebildeten Nut 13 positioniert wird.
Abschießend erfolgt die Montage des Aktuators 8, wie in der 51 gezeigt, in dem zunächst ein Dichtungsring 15 über das Kapselelement 7 geführt wird. Anschließend wird das Kapselelement 7 in den Aktuator 8 eingeschoben. Die Befestigung des Aktuators 8 an einem Ventilblock 2 (siehe 4) erfolgt mit Schrauben 8.1, welche in den Ventilblock 2 in dort ausgebildete Gewinde geschraubt werden.
Die 6a zeigt eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung für den Betrieb mit dem Kältemittel R1234yf ohne Aktuator 8 und Ventilblock 2. Die Ventileinrichtung umfasst eine Ventilkörperbuchse 1, welche einen ersten axialen Abschnitt 1.1 und einen zweiten axialen Abschnitt 1.2 aufweist, wobei der zweite axiale Abschnitt 1.2 der Ventilkörperbuchse 1 von einem es aufnehmenden Kapselelement 7 verdeckt ist. Der erste axiale Abschnitt 1.1 ist zum Einstecken in ein in der 6a nicht gezeigten Ventilblock 2 vorgesehen. Dieser erste axiale Abschnitt 1.1 umfasst eine außenumfangseitig ausgebildete obere Nut 17 mit einer oberen Dichtung 17.1. Eine weitere Dichtung 13.1 ist in einer außenumfangseitig am Kopfende der Ventilkörperbuchse 1 ausgebildeten weiteren Nut 13 angeordnet. Die Ventilkörperbuchse 1 ist mit einem zweiten axialen Abschnitt 1.2, welcher aufgrund der Aufnahme in dem Kapselelement 7 verdeckt ist, in das Kapselelement 7 eingesteckt. Weiterhin ist in dem Kapselelement 7 ein Spindelantrieb aufgenommen, welcher mit einer in der Ventilkörperbuchse 1 geführten Ventilnadel 4 derart gekoppelt ist, dass eine Rotation einer mit der Ventilnadel 4 gekoppelten Rotorwelle 5 des Spindelantriebs, siehe 6c, eine axiale Bewegung der Ventilnadel 4 innerhalb der Ventilkörperbuchse 1 bewirkt. Zur Befestigung der Ventileinrichtung an einem Ventilblock 2 ist eine Befestigungsplatte 16 vorgesehen, welche sich an dem Kragen 7.1 des Kapselelements 7 abstützt, wobei am äußeren Rand der Befestigungsplatte 16 vier Schraubendurchführungen 16.1 ausgebildet sind. Durch zwei diagonal gegenüberliegende Schraubendurchführungen 16.1 sind Schrauben hindurchführt in den Ventilblock 2 einschraubbar, siehe 6b, um die Befestigungsplatte 16 mit dem es aufnehmenden Kapselelements 7 an dem Ventilblock 2 zu befestigen. Die zwei verbleibenden diagonal gegenüberliegenden Schraubendurchführungen 16.1, welche mit den Schraubendurchführungen des Aktuators 8 korrespondieren, können zur Fixierung des Aktuators 8 an der Befestigungsplatte 16 verwendet werden, indem Klippelemente durch die jeweils korrespondierenden Schraubendurchführungen eingesteckt werden. Mit dem Bezugszeichen 15 ist eine Aktuatordichtung gekennzeichnet, welche als Dichtring über das Kapselelement 7 geführt ist.
Die 6b zeigt die in 6a gezeigte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung aus einer perspektivischen Darstellung in Kombination mit dem Aktuator 8, in welchem das Kapselelement 7 aufgenommen ist. Wie zu erkennen ist, dient die Befestigungsplatte 16 zusätzlich als Halterung beziehungsweise axiales Begrenzungselement für den Aktuator 8. Zur Befestigung des Aktuators 8 weist dieser Schraubendurchführungen auf, welche mit den Schraubendurchführungen 16.1 der Befestigungsplatte 16 korrespondieren. Zwei Schrauben 8.1 können durch diagonal gegenüberliegende Schraubendurchführungen hindurchgeführt in einen Ventilblock 2 eingeschraubt werden, wobei der gewünschte Anpressdruck zur Abdichtung der erfindungsgemäßen Ventilanordnung gegenüber der Umgebung erzielt wird. Es kann vorgesehen sein, dass der Aktuator 8 mit Klippelementen an der Befestigungsplatte 16 positioniert fixiert wird, wobei die Klippelemente durch zwei diagonal gegenüberliegend angeordnete Schraubendurchführungen des Aktuators 8 hindurch in korrespondierende Schraubendurchführungen 16.1 der Befestigungsplatte 16 gesteckt werden. Die Klippelemente fixieren den Aktuator 8 an der Befestigungsplatte 16, so dass der Aktuator 8 und die Befestigungsplatte 16 mit dem darin aufgenommenen Kapselelement 7 bereits vor der Montage mit dem Ventilblock 2 eine Bauteileinheit bilden.
An der dem Ventilblock 2 zugewandten Oberfläche weist die Befestigungsplatte 16 einen Stutzen auf, an welchem ein Korrosionsschutzring 18 positioniert ist.
Die 6c zeigt eine Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung für den Betrieb mit dem Kältemittel R1234yf. Die Ventileinrichtung weist eine Ventilkörperbuchse 1 mit einer darin ausgebildeten Ventilkörperkammer 3 auf, in welcher eine Ventilnadel 4 axial hin und her bewegbar geführt ist. Die Hin- und Her-Bewegung wird mit einem Spindelantrieb ausgeführt, welche eine magnetisierte Rotorwelle 5 umfasst, welche von einem in der Ventilkörperbuchse 1 aufgenommenen Wälzlager 6 gelagert ist. Dabei ist ein Gewindeschaft 5.1 der Rotorwelle 5 in ein Innengewinde der Ventilnadel 4 eingeschraubt, sodass eine Rotation der Rotorwelle 5 eine axiale Bewegung der Ventilnadel 4 in der Ventilkörperbuchse 1 bewirkt, je nach dem, in welche Richtung die Rotorwelle 5 rotiert.
Am Boden des Kapselelements 7 ist ein Gleitlager 12 angeordnet, welche einen Zapfen 5.3 der Rotorwelle 5 lagert. Somit ist die Rotorwelle von dem Kugellager 6 und dem Gleitlager 12 gelagert. Weiterhin weist die Rotorwelle 5 einen Magneten 5.2 auf, mittels welchem die Rotorwelle 5 durch die Aktivität eines hier nicht gezeigten Aktuators 8 von außen in Rotationsbewegung versetzbar ist.
Die Ventilkörperbuchse 1 weist einen ersten axialen Abschnitt 1.1 und einen zweiten axialen Abschnitt 1.2 auf. Im ersten axialen Abschnitt 1.1 ist die Ventilnadel 4 aufgenommen. Der erste axiale Abschnitt 1.1 ist zum Einstecken in einen hier nicht dargestellten Ventilblock 2 vorgesehen, weshalb dieser Teil aus dem Kapselelement 7 herausragt. Der zweite axiale Abschnitt 1.2 der Ventilkörperbuchse 1 ist in das Kapselelement 7 eingesteckt aufgenommen, wobei die axiale Einstecktiefe der Ventilkörperbuchse 1 durch eine an der Ventilkörperbuchse 1 außenumfangseitig ausgebildete Anschlagrippe 1.3 begrenzt wird. Die Ventilnadel 4 weist eine umlaufende Nut 4.1 auf, in welcher die Kombinationsdichtung 9, wie sie in der 2 gezeigt ist, angeordnet ist.
Im ersten axialen Abschnitt 1.1 weist die Ventilkörperbuchse 1 eine außenumfangseitig umlaufende obere Nut 17 mit einer oberen Dichtung 17.1 in Form eines O-Rings auf. Diese obere Dichtung 17 dient zur oberen Abdichtung der Ventilkörperbuchse 1 gegenüber dem Ventilblock 2. Weiterhin ist am Kopfende der Ventilkörperbuchse 1 eine umlaufende Nut 13 ausgebildet, wobei in der Nut 13 ein Dichtungsring 13.1 angeordnet ist. Der Dichtungsring 13.1 dient ebenfalls zur Abdichtung der Ventilkörperbuchse 1 gegenüber dem Ventilblock 2. Das Zusammenwirken der außenumfangseitigen Dichtungsringe 13.1 und 17.1 der Ventilkörperbuche 1 mit dem Ventilblock 2, wenn der erste axiale Abschnitt 1.1 in den Ventilblock 2 eingesteckt ist, kann mit der 7 nachvollzogen werden.
An der dem Ventilblock 2 zugewandten Seite weist die Befestigungsplatte 16 einen Auflagestutzen 16.2 auf, welcher sich aus der das Kapselelement 7 aufnehmenden Öffnung der Befestigungsplatte 16 erstreckt. Die Stirnfläche des Auflagestutzens 16.2 ist zur Anlage an dem Kapselelementkragen 7.1 ausgebildet. Dabei weist der Auflagestutzen 16.2 ebenfalls einen radial nach außen gerichteten Kragen 16.2.1 auf, dessen Kragenstirnfläche formschlüssig an dem Kapselelementkragen 7.1 anliegt.
Der Auflagestutzen 16.2 nimmt ein Korrosionsschutzelement 18 in Form eines Korrosionsschutzrings auf. Auf der dem Ventilblock 2 angewandten Seite der Befestigungsplatte 16 ist ein das Kapselelement 7 umgebender Dichtungsring 15 angeordnet.
Die 7 zeigt eine schematische Schnittdarstellung der Ventileinrichtung mit den Komponenten Kapselelement 7 und Ventilkörperbuchse 1 im Wirkzusammenhang mit einem Ventilblock 2. Bei dieser Darstellung sind die weiteren Komponenten Ventilnadel 4, Spindelantrieb und Befestigungsplatte 16 zur besseren Veranschaulichung nicht dargestellt. Die Ventilkörperbuchse 1 weist in dieser Ausgestaltung im zweiten axialen Abschnitt 1.2 eine zusätzliche außenumfangseitige Nut 21 mit einem Dichtungsring 21.1 auf, welcher zur Abdichtung der Ventilkörperbuchse 1 gegenüber dem des aufnehmenden Kapselelements 7 vorgesehen ist. Das den zweiten axialen Abschnitt 1.2 der Ventilkörperbuchse 1 aufnehmende Kapselelement 7 liegt mit der vom Kragen 7.1 ausgebildeten Stirnfläche auf einer in dem Ventilblock 2 ausgebildeten Senklochoberfläche auf, so dass der erste axiale Abschnitt 1.1 der Ventilkörperbuchse 1 innerhalb einer in dem Ventilblock 2 ausgebildeten Stufenbohrung angeordnet ist. Die axiale Einstecktiefe in das Kapselelement 7 ist durch die am äußeren Umfang der Ventilkörperbuchse 1 ausgebildeten Anschlagrippe 1.3 begrenzt. Somit entspricht die axiale Einstecktiefe der Länge des zweiten axialen Abschnitts 1.2. Die Anschlagrippe 1.3 und die Stirnfläche des Kragens 7.1 bilden gemeinsam eine Anlagefläche zur Anlage an dem Ventilblock 2. Das obere Schaftende der Ventilkörperbuchse 1 weist im ersten axialen Abschnitt 1.1 eine außenumfangseitig umlaufende obere Nut 17 mit einer oberen Dichtung 17.1 in Form eines O-Rings auf. Weiterhin ist am Kopfende der Ventilkörperbuchse 1 eine umlaufende Nut 13 ausgebildet, wobei in der Nut 13 ein Dichtungsring 13.1 angeordnet ist.
Die 8a bis 8n zeigen schematische Darstellungen von Montageschritten zum Zusammenbau der in 7 gezeigten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung.
Im ersten Schritt, welcher in 8a gezeigt ist, wird ein Gleitlager 12 in ein Kapselelement 7 eingeschoben und am Kapselelementboden, wie in der Schnittdarstellung gezeigt, positioniert.
Im zweiten Schritt, welcher in 8b gezeigt ist, erfolgt die Positionierung eines Kugellagers 6 auf der Rotorwelle 5. Die 8c zeigt den dritten Schritt der Montage, wobei eine Kombinationsdichtung, bestehend aus einem O-Ring 9.2 und einem PTFE-Ring 9.1, in einer außenumfangseitig ausgebildeten Nut 4.1 auf der Ventilnadel 4 positioniert wird. Dabei wird zunächst der O-Ring 9.2 in der Nut 4.1 platziert und anschließend der PTFE-Ring 9.1 über dem O-Ring 9.2 in der Nut 4.1 angeordnet, sodass der PTFE-Ring 9.1 radial nach außen gerichtet ist.
Weiter in der 8d ist ein vierter Montageschritt gezeigt, wobei die Ventilnadel 4 in Pfeilrichtung in die Ventilkörperbuchse 1 eingeschoben und im ersten axialen Abschnitt 1.1 der Ventilkörperbuchse 1 positioniert wird. Das Bezugszeichen 1.3 kennzeichnet die Anschlagrippe an der Ventilkörperbuchse 1.
Im Folgenden wird, wie in der 8e gezeigt, eine Führungsscheibe 11 so in die Ventilkörperbuchse 1 eingepresst, so dass der Querschnitt des oberen Schaftes der Ventilnadel 4 vom Öffnungsquerschnitt der Führungsscheibe 11 aufgenommen ist, um eine Rotation der Ventilnadel 4 innerhalb der Ventilkörperbuchse 1 zu vermeiden. Die Anordnung des Presssitzes der Führungsscheibe 11 innerhalb der Ventilkörperbuchse 1 ist in der Schnittdarstellung der Ventilkörperbuchse 1 in der 8e gezeigt. Der nachfolgende sechste Schritt ist in der 8f gezeigt. Dieser Schritt ist vorgesehen, um einen Dichtungsring 21.1 in Form eines O-Rings in einer im zweiten axialen Abschnitt 1.2 ausgebildeten Nut 21 anzuordnen. Die Anordnung folgt aus Richtung des zweiten axialen Abschnitts 1.2 in Pfeilrichtung.
Die 8g zeigt einen siebenten Montageschritt, wobei die in 8b gezeigte vormontierte Rotorwelle 5 mit der Ventilnadel 4 der Ventilkörperbuchse 1 montiert wird. Die Montage erfolgt durch Einschrauben des Gewindeschaftes 5.1 der Rotorwelle 5 in ein Innengewinde der Ventilnadel 4. Bei diesem Vorgang wird das Kugellager 6 auf einem in der Ventilkörperbuchse 1 ausgebildeten Lagersitz positioniert.
Wie in der 8h gezeigt, wird das in der Ventilkörperbuchse 1 positionierte Kugellager 6 an den Pfeilpositionen durch Randbördelung des oberen Randes der Ventilkörperbuchse 1 zur Vermeidung einer Rotation oder Verschiebung fixiert.
Als nächster Schritt, welcher in der 8i gezeigt ist, kann eine Magnetisierung des an der Rotorwelle 5 ausgebildeten Magneten 5.2 vorgesehen sein. Dieser Verfahrensschritt ist an dieser Stelle nicht zwingend erforderlich und kann an anderen Position in der Montagereihenfolge erfolgen.
Die 8j zeigt einen zehnten Verfahrensschritt zur Montage der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung, wobei die aus den Komponenten Spindelantrieb und Ventilkörperbuchse 1 vormontierte Ventilkomponentenanordnung in dem Kapselelement 7 aufgenommen wird. Dabei wird, wie in der Schnittdarstellung gezeigt, das Ende der Rotorwelle 5 von dem Gleitlager 12, welches am Kapselelementboden angeordnet ist, aufgenommen, sodass die Rotorwelle 5 sodann von zwei Lagerpositionen rotierbar gelagert ist. Die Einstecktiefe der Ventilkörperbuchse 1 erfolgt bis zu der umfangseitig ausgebildeten Anschlagrippe 1.3, sodass der erste axiale Abschnitt 1.1 der Ventilkörperbuchse 1 aus dem Kapselelement 7 herausragt.
Die 8k zeigt den elften Montageschritt, wobei die Befestigungsplatte 16 über das Kapselelement 7 geführt wird. Die Befestigungsplatte 16 weist hierzu eine mittig ausgebildete Öffnung auf, welche an der dem Ventilblock 2 zugewandten Seite einen Auflagestutzen 16.2 aufweist, welcher zur Auflage beziehungsweise Abstützung der Befestigungsplatte 16 an dem Kragen 7.1 des Kapselelements 7 vorgesehen ist. Der Auflagestutzen 16.2 dient zusätzlich als Distanzelement und zur Kraftübertragung.
Weiter zeigt die 8I einen zwölften Schritt der Montage der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung, wobei Dichtungen 13.1 und 17.1 in Form von O-Ringen in im ersten axialen Abschnitt 1.1 in die dafür vorgesehenen Nuten 13 und 17 angeordnet werden.
Als nächstes wird wie in 8m gezeigt, eine Dichtungsring 15 in einer das Kapselelement 7 aufnehmenden Ausformung des Aktuators 8 eingesetzt. Abschließend ist in 8n der vierzehnte Verfahrensschritt dargestellt, welcher die Aufnahme des Kapselelements 7 in einer Ausformung des Aktuators 8 zeigt. Dabei wird deutlich, dass die Befestigungsplatte 16 zusätzlich als Anschlagplatte beziehungsweise Halterung für den Aktuator 8 dient. Der Aktuator 8 weist Schraubendurchführungen auf, welche mit den Schraubendurchführungen 16.1 der Befestigungsplatte 16 korrespondieren, sodass Schrauben 8.1 durch die Schraubendurchführungen des Aktuators 8 und die Schraubendurchführungen 16.1 der Befestigungsplatte 16 hindurch in den Ventilblock 2 einschraubbar sind.
Bezugszeichenliste

1: Ventilkörperbuchse
1.1: erster axialer Abschnitt
1.2: zweiter axialer Abschnitt
1.3: Anschlagrippe
2: Ventilblock
3: Ventilkörperkammer
4: Ventilnadel
4.1: Nut
5: Rotorwelle
5.1: Gewindeschaft
5.2: Magnet der Rotorwelle
5.3: Zapfen der Rotorwelle
6: Wälzlager/Kugellager
7: Kapselelement
7.1: Kragen/Kapselelementkragen
8: Aktuator
8.1: Schrauben
9: Kombinationsdichtung
9.1: PTFE-Ring
9.2: O-Ring
10: Radiale Durchbrechung für Druckausgleich
11: Führungsscheibe
12: Gleitlager
13: Nut
13.1: Dichtungsring
14: Gewindering
15: Dichtringsring
16: Befestigungsplatte
16.1: Schraubendurchführungen
16.2: Auflagestutzen
16.2.1: Kragen
17: obere Nut
17.1: obere Dichtung
18: Korrosionsschutzelement / Korrosionsschutzring
19: Metallsickendichtung
20: Schutzhülse
21: Nut
21.1: Dichtungsring
22: Außengewinde
23: Innengewinde
24: Eingriffelemente für ein Werkzeug

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102016013492 A1 [0003]

Claims

Ventileinrichtung für den Betrieb mit einem Kältemittel, insbesondere für den Betrieb mit einem Kältemittel in einem KraftfahrzeugWärmepumpensystem, aufweisend eine Ventilkörperbuchse (1) mit einem zum Einstecken in ein Ventilblock (2) vorgesehenen ersten axialen Abschnitt (1.1), in welchem eine Ventilkörperkammer (3) mit einer axial darin geführten Ventilnadel (4) ausgebildet ist, ein Spindelantrieb mit einer magnetisierten Rotorwelle (5), welche von einem Wälzlager (6) gelagert derart mit der Ventilnadel (4) gekoppelt ist, dass eine Rotation der Rotorwelle (5) eine axiale Bewegung der Ventilnadel (4) in der Ventilkörperbuchse (1) bewirkt, und ein einseitig geöffnetes Kapselelement (7) in welchem der Spindelantrieb und ein zweiter axialer Abschnitt (1.2) der Ventilkörperbuchse (1)aufgenommen sind, wobei das Kapselelement (7), mit einem es aufnehmenden Aktuator (8) zum Antrieb der Rotorwelle (5) so an dem Ventilblock (2) befestigbar ist, dass der erste axiale Abschnitt (1.1) fluiddicht in dem Ventilblock (2) aufgenommen ist.
Ventileinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung des Kapselelements einen abgesetzten Rand in Form eines radial nach außen weisenden Kapselelementkragens (7.1) aufweist, welcher zur Befestigung des Kapselelements (7) mit einem aufliegenden Überwurfelement (14, 16) zusammenwirkt.
Ventileinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Überwurfelement ein Gewindering (14) mit Außengewinde (22) ist, welcher zur Befestigung des Kapselelements (7) über das Kapselelement (7) geführt und sich auf dem Kapselelementkragen (7.1) des Kapselelements (7) abstützend mit einem in dem Ventilblock (2) ausgebildeten Innengewinde (23) verschraubbar ist, wobei zwischen einer axial ausgerichteten Stirnfläche des Kapselelementkragens (7.1) und dem Ventilblock (2) eine Dichtung, vorzugsweise eine Metallsickendichtung (19), angeordnet ist.
Ventileinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Überwurfelement eine Befestigungsplatte (16) mit mindestens zwei Schraubendurchführungen (16.1) einsetzbar ist, welche zur Befestigung des Kapselelements (7) über das Kapselelement (7) geführt und sich auf dem Kragen (7.1) abstützend mit dem Ventilblock (2) verschraubbar ist, wobei zwischen der Befestigungsplatte (16) und dem Ventilblock (2) ein Korrosionsschutzelement (18) vorzugsweise in Form eines O-Rings angeordnet ist.
Ventileinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsplatte (16) als Halterung zur Befestigung des Aktuators (8) dient.
Ventileinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager (6) in der Ventilkörperbuchse (1) aufgenommen und vorzugsweise durch Randbördelung fixiert ist.
Ventileinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kapselelement (7) ein Gleitlager (12) aufweist, welches als zusätzliches Lager für die Rotorwelle (5) dient.
Ventileinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilkörperbuchse (1) eine außenumfangseitig ausgebildete Anschlagrippe (1.3) aufweist, welche die axiale Einstecktiefe in das Kapselelement (7) begrenzt.
Ventileinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilnadel (4) mindestens eine außenumfangseitig ausgebildete Nut (4.1) mit einer Dichtung zur internen Abdichtung gegenüber der Ventilkörperbuchse (1) aufweist.
Ventileinrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Dichtung als Kombinationsdichtung (9) mit einem O-Ring (9.2) und einem auf dem O-Ring (9.2) angeordneten radial nach außen weisenden PTFE-Ring (9.1) ausgebildet ist.
Ventileinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilkörperbuchse (1) im ersten axialen Abschnitt (1.1), vorzugsweise im Bereich des Kopfendes, mindestens eine außenumfangseitig ausgebildete Nut (13, 17) mit einer Dichtung (13.1, 17.1) zur internen Abdichtung gegenüber dem Ventilblock (2) aufweist.
Ventileinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilkörperbuchse (1) im ersten axialen Abschnitt (1.1) verschiedene Schaftdurchmesser aufweist, wobei jeder Schaftdurchmesser mindestens eine außenumfangseitig ausgebildete Nut (13, 17) mit einer Dichtung (13.1, 17.1) zur internen Abdichtung gegenüber dem Ventilblock (2) aufweist.
Ventileinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilkörperbuchse (1) im zweiten axialen Abschnitt (1.2) mindestens eine außenumfangseitig ausgebildete Nut (21) mit einem Dichtungsring (21.1) zur internen Abdichtung gegenüber dem Kapselelement (7) aufweist.
Ventileinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ventilkörperbuchse (1) eine Führungsscheibe (11) eingepresst ist, wobei die Führungsscheibe (11) einen die Ventilnadel (4) aufnehmenden und die Ventilnadel (4) axial Führenden Öffnungsquerschnitt aufweist.
Ventileinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kapselelement (7) und dem Aktuator (8) eine Dichtung in Form eines Dichtungsrings (15) angeordnet ist.
Ventileinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilkörperbuchse (1) und die Ventilnadel (4) derart ausgebildet sind, dass in einem geschlossenen Zustand der Ventileinrichtung ein Druck-Bypass zu der Ventilkörperkammer (3) besteht.
Ventileinrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Verwendung des Kältemittels R744 der freie Durchmesser für den Druckausgleich im Druck-Bypass vergrößert ist.
Ventileinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilnadeldurchmesser für eine Verwendung mit dem Kältemittel R744 kleiner dimensioniert ist als für eine Verwendung mit den Kältemitteln R1234yf / R134a.