DE10354229A1

DE10354229A1 - Expansionsventil

Info

Publication number: DE10354229A1
Application number: DE10354229A
Authority: DE
Inventors: Peter Horstmann; Peter Satzger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-11-20
Filing date: 2003-11-20
Publication date: 2005-06-23
Also published as: JP2005156146A; FR2862738B1; FR2862738A1

Abstract

Die Erfindung geht von einem Expansionsventil (24) mit einem axial in einer Ventilkammer (50) eines Ventilgehäuses (38) verstellbaren Drosselkörper (52) aus, der den Durchfluss durch das Expansionsventil (24) zwischen einem Zufluss (34) und einem Abfluss (36) drosselt oder sperrt, indem er durch einen Aktuator (66) entgegen der Kraft einer Ventilfeder (56) in Abhängigkeit von Betriebsparametern und Umgebungsparametern verstellt werden kann. Es wird vorgeschlagen, dass der Drosselkörper (52) ein hohlzylindrischer Ventilschieber (52) ist, der an einem Ende mit einer Stirnwand (60) abschließt und an seinem Umfang mindestens eine Steuerbohrung (54) aufweist, die mit mindestens einer Zuflussbohrung (42) im Ventilgehäuse (38) zusammenwirkt, und dass an der offenen Stirnseite des Ventilschiebers (52) ein Ventilteller (64) vorgesehen ist, der über einen Ventilschaft (62) mit dem Ventilschieber (52) verbunden und einem Ventilsitz (46) zugewandt ist, der eine Abflussöffnung (44) im Ventilgehäuse (38) umschließt, wobei die Steuerbohrung (54) axial relativ zum Ventilteller (64) so angeordnet ist, dass die Zuflussbohrung (42) bereits geschlossen ist, bevor der Ventilteller (64) auf den Ventilsitz (46) aufsetzt.

Description

Die Erfindung geht von einem Expansionsventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aus.

Aus der EP 0 945 291 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Heizen und Kühlen eines Nutzraums eines Kraftfahrzeugs bekannt. Das Kältemittel wird im Heizbetrieb von einem Verdichter komprimiert und gelangt über ein 3/2-Wegeventil zu einem Innenraumwärmetauscher, in dem es einen Teil der durch die Kompression erzeugten Wärme an die kältere Fahrzeuginnenraumluft abgibt. Vom Innenraumwärmetauscher strömt das Kältemittel zu einer Expansionseinrichtung, in der es so weit abgekühlt wird, dass es in einem nachfolgend angeordneten Verdampfer Wärme aus der Umgebungsluft aufnehmen kann. Die Expansionseinrichtung umfasst mindestens ein Expansionsventil.

Aus der DE 101 25 789 C1 ist eine Ventilanordnung mit einem Expansionsventil bekannt, dem das Kältemittel auf einer Hochdruckseite zuströmt und aus dem das Kältemittel an einer Nie derdruckseite austritt. Der Durchfluss von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite wird von einem Drosselkörper geregelt, der mit einem gehäusefesten Ventilsitz zusammenarbeitet und durch eine Stellvorrichtung axial verschiebbar ist. Das Expansionsventil mit der Betätigungseinheit ist sehr komplex und aufwändig. Vorteilhaft ist die hohe Dichtheit von Sitzventilen bei vollständig geschlossenem Ventil. Damit ist es prinzipiell auch möglich, bei kleinsten Volumenströmen noch einen definierten Hochdruck einzuregeln. Die Absperrfunktion ist z.B. aus Sicherheitsgründen wünschenswert, um zu vermeiden, dass bei einem Leitungsbruch stromabwärts des Expansionsventils zu viel Kältemittel austritt. Allerdings verursachen Sitzventile häufig störende Geräusche, wenn der Drosselkörper, insbesondere bei Schwingungen, auf den Sitz schlägt.

Bekannt sind außerdem Schieberventile, die einen geräuscharmen Betrieb aufweisen. Allerdings schließen sie in der Regel nicht völlig dicht ab, da insbesondere bei hohen Druckdifferenzen, wie sie in Klimaanlagen vor allem mit dem Kältemittel Kohlendioxid auftreten, Kältemittel über den Bewegungsspalt zwischen dem Ventilschieber und dem Gehäuse abströmt. Dieser Kältemittelvolumenstrom kann für den Betrieb in der Klimaanlage zu groß sein. Ferner kann durch diese Leckage bei niedrigen Drücken kein ausreichender Druck aufgebaut werden, um die Klimaanlage in einem günstigen Betriebsbereich in Bezug auf Wirkungsgrad und Leistung zu betreiben.

Vorteile der Erfindung

Nach der Erfindung ist der Drosselkörper ein hohl zylindrischer Ventilschieber, der an einem Ende mit einer Stirnwand abschließt und an seinem Umfang eine Steuerbohrung aufweist, die mit mindestens einer Zuflussbohrung im Ventilgehäuse zusammenwirkt. An der offenen Stirnseite des Ventilschiebers ist ein Ventilteller vorgesehen, der über einen Ventilschaft mit dem Ventilschieber verbunden ist. Der Ventilteller ist einem Ventilsitz zugewandt, der eine Abflussöffnung im Ventilgehäuse umschließt, wobei die Steuerbohrung axial relativ zum Ventilteller so angeordnet ist, dass die Zuflussbohrung bereits geschlossen ist, bevor der Ventilteller auf den Ventilsitz aufsetzt.

Durch die Kombination eines Schieberventils mit einem Sitzventil ist es möglich, dass das Expansionsventil einerseits dicht geschlossen werden und andererseits durch den Ventilschieber für eine proportionale Öffnung genutzt werden kann, wobei der Ventilteller und der Ventilschieber durch den gleichen Aktuator gleichzeitig betätigt werden. Die Ventilfeder kann den Ventilschieber und damit gleichzeitig den Ventilteller in Öffnungsrichtung oder in Schließrichtung belasten, je nachdem ob das Expansionsventil bei nicht aktiviertem Aktuator geöffnet oder geschlossen sein soll. Wichtig ist, dass die Ventilfeder und der Antrieb so ausgelegt und aufeinander abgestimmt sind, dass sie die Kräfte auf Grund der Druckdifferenz am Ventilteller überwinden können. Ferner soll der Ventilschieber bereits geschlossen sein, bevor der Ventilteller schließt. Hierbei ist auf eine ausreichende große Überlappung des Ventilschiebers an der Zuflussbohrung zu achten. Dadurch können Schwingungen und Geräusche vermieden werden, da durch den fast geschlossenen Ringspalt am Ventilschieber kaum mehr eine Strömung um den Ventilteller vorhanden ist, und somit am Ventilteller keine Geräusche mehr erzeugt werden. Der Ventilteller setzt nahezu geräuschlos auf den Ventilsitz auf.

Als Dichtflächen des Ventilsitzes können Dichttechniken, wie z.B. Rundgummiringe, metallische Dichtungen usw., in verschiedenen Variationen eingesetzt werden. In Bezug auf das Geräuschverhalten ist es vorteilhaft, wenn der Ventilsitz durch ein elastisches Element gebildet ist.

Vorteilhaft ist ferner, dass der Aktuator gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ein Elektromagnet ist, dessen Anker über einen Ankerstößel auf den Ventilschieber bzw. Ventilschaft wirkt. Der Elektromagnet kann vorzugsweise durch ein pulsweitenmoduliertes Signal angesteuert werden, das in einem gewissen Signalbereich den Ventilschieber als Proportionalventil bewegt und in einem anderen Signalbereich für das Schließen des Expansionsventils sorgt. Ab einem gewissen Schließungsgrad werden der Ventilschieber und der Ventilteller durch die Druckdifferenz am Ventilsitz selbsttätig geschlossen.

Durch die axiale Bewegung des Ventilschiebers verändert sich das Volumen, das zwischen dem Ventilgehäuse und der Stirnwand des Kolbenschiebers eingeschlossen ist. Damit sich der Druck zu beiden Seiten der Stirnwand ausgleichen kann, ist in der Stirnwand eine Ausgleichsbohrung vorgesehen.

Im Schließbereich des Ventiltellers wirken auf diesen einerseits der Druck der Hochdruckseite und andererseits der Druck der Niederdruckseite. Um die erforderlichen Stellkräfte des Elektromagneten gering zu halten, ist es zweckmäßig, die Drücke, die auf den Ventilteller und den Ventilschieber wirken, mindestens zu einem Teil auszugleichen. Hierzu ist im Ventilgehäuse auf der dem Aktuator zugewandten Seite eine zweite Ventilkammer vorgesehen, die über eine Verbindungsöff nung mit der ersten Ventilkammer in Verbindung steht. Die Verbindungsöffnung wird gleichzeitig mit der Abflussöffnung durch einen zweiten Ventilteller geschlossen, der im geschlossenen Zustand die gleiche wirksame Fläche aufweist, wie der erste Ventilteller. Eine Verbindungsleitung zwischen der zweiten Ventilkammer und dem Abfluss des Expansionsventils sorgt dafür, dass der Druck der Niederdruckseite, der auf den ersten Ventilteller wirkt, in entgegengesetzter Richtung auf den zweiten Ventilteller wirkt und sich dadurch aufhebt. Ebenfalls heben sich die Drücke, die innerhalb der ersten Ventilkammer auf die Ventilteller wirken, gegenseitig auf, sofern die Ventilteller im geschlossenen Zustand die gleichen wirksamen Flächen aufweisen. Unterscheiden sich die wirksamen Flächen, so ergeben sich dem Unterschied entsprechende, resultierende Kräfte in die eine oder andere Richtung.

Zeichnung
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:
1 eine Klimaanlage mit einem erfindungsgemäßen Expansionsventil in schematischer Darstellung,
2 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Expansionsventil,
3 eine Variante zu 2 und
4 eine weitere Variante zu 2.
5 eine Ventilkennlinie eines erfindungsgemäßen Expansionsventils
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Bei einer Klimaanlage 10 fördert ein Verdichter 12 ein Kältemittel in Richtung der Pfeile 14 und erhöht dabei den Druck und die Temperatur des Kältemittels. Dieses strömt über einen Ölabscheider 32 zu einem Gaskühler 16, in dem das Kältemittel einen Teil der Wärme, die bei der Verdichtung entstanden ist, an die Umgebung abgibt, indem ein Gebläse 20 einen Luftstrom 18 auf der Luftseite durch den Gaskühler 16 fördert. Danach durchströmt das Kältemittel einen inneren Wärmeübertrager 22, in dem Wärme auf das zum Verdichter 12 zurückströmende kühlere Kältemittel übertragen wird. Über einen Zufluss 34 strömt das abgekühlte Kältemittel zu einem Expansionsventil 24, in dem ihm durch Expansion weiter Wärme entzogen wird. Der Abfluss 36 des Expansionsventils 24 ist mit einem Verdampfer 26 verbunden, in dem das Kältemittel Wärme aus der Umgebung aufnimmt. Hierzu fördert ein weiteres Gebläse 28 einen Luftstrom 30 auf der Luftseite durch den Verdampfer 26. Vom Verdampfer 26 gelangt das Kältemittel über den inneren Wärmeübertrager 22 zur Saugseite des Verdichters 12 zurück, wodurch der Kältekreislauf 10 geschlossen ist.
Das Expansionsventil 24 nach 2 besitzt ein Ventilgehäuse 38 mit mindestens einem Zufluss 34 an seinem Umfang und einem Abfluss 36 in einem Deckel 40. Dieser verschließt eine zylindrische Ventilkammer 50 des Ventilgehäuses 38. In der Ventil kammer 50 ist ein hohl zylindrischer Ventilschieber 52 gelagert, der an seinem Umfang mindestens eine Steuerbohrung 54 aufweist, die mit einer Zuflussbohrung 42 im Ventilgehäuse 38 zusammenarbeitet und den Durchfluss durch das Expansionsventil 24 regelt. Der Ventilschieber 52 schließt an einer Stirnseite mit einer Stirnwand 60 ab, in der eine Druckausgleichsbohrung 58 vorgesehen ist. Eine Ventilfeder 56 belastet den Ventilschieber 52 in Öffnungsrichtung, indem sie sich einerseits am Deckel 40 und andererseits an der Stirnwand 60 abstützt. Im geöffneten Zustand des Expansionsventils 24 ist der Zufluss 34 durch eine Zuflussbohrung 42 und die Steuerbohrung 54 voll geöffnet.
An der offenen Stirnseite des Ventilschiebers 52 ist ein Ventilteller 64 vorgesehen, der durch einen Ventilschaft 62 mit dem Ventilschieber 52 verbunden ist. Der Ventilteller 64 ist einer Abflussbohrung 44 im Deckel 40 zugewandt, die zum Abfluss 36 führt. Auf der Seite der Ventilkammer 50 ist im Dekkel 40 eine Ringnut 48 vorgesehen, die die Abflussbohrung 44 umgibt und in die ein Rundgummiring eingelegt ist.
Ein Aktuator 66 in Form eines Elektromagneten verstellt den Ventilschieber 52 und den Ventilteller 64 gleichermaßen. Er besitzt einen Anker 70, der durch das Magnetfeld einer Magnetspule 68 verstellt wird und über einen Ankerstößel 72 auf den Ventilschieber 52 bzw. auf den Ventilschaft 62 wirkt. Dabei kann der Ankerstößel 72 fest mit dem Ventilschieber 52 oder dem Ventilschaft 62 verbunden sein oder lose an diesen Bauteilen anliegen, wobei die Ventilfeder 56 für den Kontakt zwischen diesen Bauteilen sorgt.
Die Magnetspule 68 wird von einer nicht näher dargestellten Steuereinheit zweckmäßigerweise durch ein pulsweitenmoduliertes Signal angesteuert und verstellt den Ventilschieber 52 mit dem Ventilteller 64 entsprechend einer Ventilkennlinie 88 (5). Dabei wird der Zufluss 34 zunächst an der Zuflussbohrung 42 und der Steuerbohrung 54 gedrosselt, bis der Ventilschieber 52 die Zuflussbohrung 42 überdeckt und nur noch ein minimaler Volumenstrom über den Bewegungsspalt zwischen dem Ventilschieber 52 und dem Gehäuse 38 zum Abfluss 36 gelangt. Während dieser Phase wird die Magnetspule 68 so geregelt, dass die Ventilkennlinie 88, die die Abhängigkeit des Ventilhubs h in Abhängigkeit der Signalgröße S in Prozent darstellt, einen Proportionalbereich 84 aufweist, an den sich nach einem Übergangsbereich ein Schließbereich 86 anschließt, in dem der Ventilteller 64 am Ventilsitz 76 anliegt und dort durch die resultierenden Kräfte aus der Ventilfeder 56 dem Aktuator 66 und der Druckdifferenz zwischen dem Zufluss 34 und dem Abfluss 36 gehalten wird. Das Expansionsventil 24 schließt in diesem Zustand dicht ab. Es verursacht beim Aufsetzen des Ventiltellers 64 auf den Ventilsitz 76 keine Geräusche, weil die Durchflussmenge sehr gering ist und somit Schwingungen vermieden werden. Außerdem dämpft der elastische Werkstoff des Rundgummirings 46 die Aufsetzbewegung des Ventiltellers 64. Bei der axialen Bewegung des Ventilschiebers 52 verändert sich das zwischen der Stirnwand 60 und dem Gehäuse 38 eingeschlossene Volumen. Über die Ausgleichsbohrung 58 erfolgt ein entsprechender Mengen- und Druckausgleich.
Die Ausführung nach 2 zeigt ein Expansionsventil, das bei einer stromlosen Magnetspule 68 geöffnet ist. Demgegenüber ist bei der Ausführung nach 4 das Expansionsventil 24 bei einer stromlosen Magnetspule 68 geschlossen, sodass der Aktuator 66 aktiviert werden muss, um den Ventilschieber 52 mit dem Ventilteller 64 entgegen der Kraft der Ventilfeder 56 zu öffnen.
Die Variante nach 3 unterscheidet sich von der Ausführung nach 2 durch eine auf der Aktuatorseite liegende, zweite Ventilkammer 74, die über eine Verbindungsöffnung 80 mit der ersten Ventilkammer 50 verbunden ist. Die Verbindungsöffnung 80 wird aktuatorseitig von einem Ventilsitz 76 umgeben, der wie der Ventilsitz 46 gestaltet sein kann und mit einem Ventilteller 78 zusammenarbeitet. Dieser ist mit dem ersten Ventilteller 64 verbunden und schließt die Verbindungsöffnung 80 gleichzeitig, wenn der erste Ventilteller 64 die Abflussbohrung 44 verschließt. Die wirksamen Flächen der Ventilteller 64 und 78 sind gleich, sodass sich die Druckkräfte, die auf die Ventilteller 64 und 78 wirken, gegenseitig aufheben. Damit sich auch die Druckkräfte aufheben, die von außen auf die Ventilteller 64 und 78 wirken, ist die Niederdruckseite des Abflusses 36 durch eine Verbindungsleitung 82 mit der zweiten Ventilkammer 74 verbunden. Durch den Druckausgleich am Ventilschieber 52 bzw. an den Ventiltellern 64 und 78 ergeben sich nur geringe Stellkräfte, sodass der Elektromagnet 66 klein ausgelegt werden kann.

10: Klimaanlage
12: Verdichter
14: Pfeil
16: Gaskühler
18: Luftstrom
20: Gebläse
22: innerer Wärmeübertrager
24: Expansionsventil
26: Verdampfer
28: Gebläse
30: Luftstrom
32: Ölabscheider
34: Zufluss
36: Abfluss
38: Ventilgehäuse
40: Deckel
42: Zuflussbohrung
44: Abflussbohrung
46: Ventilsitz
48: Ringnut
50: Ventilkammer
52: Ventilschieber
54: Steuerbohrung
56: Ventilfeder
58: Ausgleichsbohrung
60: Stirnwand
62: Ventilschaft
64: Ventilteller
66: Aktuator
68: Magnetspule
70: Anker
72: Ankerstößel
74: Ausgleichsraum
76: Ventilsitz
78: Ventilteller
80: Verbindungsöffnung
82: Verbindungsleitung
84: Proportionalbereich
86: Schließbereich
88: Ventilkennlinie
h: Ventilhub
S: Signalhub

Claims

Expansionsventil (24) mit einem axial in einer Ventilkammer (50) eines Ventilgehäuses (38) verstellbaren Drosselkörper (52), der den Durchfluss durch das Expansionsventil (24) zwischen einem Zufluss (34) und einem Abfluss (36) drosselt oder sperrt, indem er durch einen Aktuator (66) entgegen der Kraft einer Ventilfeder (56) in Abhängigkeit von Betriebsparametern und Umgebungsparametern verstellt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass der Drosselkörper (52) ein hohl zylindrischer Ventilschieber (52) ist, der an einem Ende mit einer Stirnwand (60) abschließt und an seinem Umfang mindestens eine Steuerbohrung (54) aufweist, die mit mindestens einer Zuflussbohrung (42) im Ventilgehäuse (38) zusammenwirkt, und dass an der offenen Stirnseite des Ventilschiebers (52) ein Ventilteller (64) vorgesehen ist, der über einen Ventilschaft (62) mit dem Ventilschieber (52) verbunden und einem Ventilsitz (46) zugewandt ist, der eine Abflussöffnung (44) im Ventilgehäuse (38) umschließt, wobei die Steuerbohrung (54) axial relativ zum Ventilteller (64) so angeordnet ist, dass die Zuflussbohrung (42) bereits geschlossen ist, bevor der Ventilteller (64) auf den Ventilsitz (46) aufsetzt.
Expansionsventil (24) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz (46) durch ein elastisches Ele ment gebildet ist.
Expansionsventil (24) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (66) ein Elektromagnet (68, 70) ist, dessen Anker (70) über einen Ankerstößel (72) auf den Ventilschieber (52) bzw. den Ventilschaft (62) wirkt.
Expansionsventil (24) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Stirnwand (60) des Ventilschiebers (52) eine Ausgleichsbohrung (58) vorgesehen ist.
Expansionsventil (24) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Ventilgehäuse (38) auf der dem Aktuator (66) zugewandten Seite eine zweite Ventilkammer (74) vorgesehen ist, die über eine Verbindungsöffnung (80) mit der ersten Ventilkammer (50) in Verbindung steht, wobei die Verbindungsöffnung (80) gleichzeitig mit der Abflussöffnung (44) durch einen zweiten Ventilteller (78) geschlossen wird, der mit dem ersten Ventilteller (64) verbunden ist und im geschlossenen Zustand die gleiche wirksame Fläche aufweist wie der erste Ventilteller (64). Der Abfluss (36) ist über eine Verbindungsleitung (82) mit der zweiten Ventilkammer (74) verbunden.