DE112013002046T5

DE112013002046T5 - Axialventil

Info

Publication number: DE112013002046T5
Application number: DE112013002046.7T
Authority: DE
Inventors: Sigurd Larsen; Kurt Harck
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 2012-04-16
Filing date: 2013-04-16
Publication date: 2015-03-05
Also published as: EP2653758A1; US20150069279A1; CN104246326A; IN2014DN08131A; WO2013156144A1; US9334967B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Axialventil, das einen Aktuator (15) und ein Mittelrohr (19) umfasst. Der Aktuator umfasst ein stationäres Element (16) und ein Schließelement (17), und das Mittelrohr (19) ist axial in Bezug auf eine Axialerstreckung des stationären Elements (16) angeordnet. Das Mittelrohr (19) ist einer festen Position relativ zum stationären Element (16) angeordnet. Fluid, etwa ein Kühlmittel, ist für das Hindurchströmen durch das Ventil und das Mittelrohr vorgesehen. Das Mittelrohr (19) umfasst Öffnungen (22) für das Hindurchtreten des Fluids. Das Schließelement (17) ist axial zu einer Axialerstreckung des Mittelrohrs (19) angeordnet und zwischen einer ersten Position, in der das Schließelement die Öffnungen (22) des Mittelrohrs schließt, wodurch das Fluid nicht durch die Öffnungen hindurchtreten kann, und einer zweiten Position, in der die Öffnungen (22) offen sind, wodurch das Fluid durch die Öffnungen hindurchtreten kann, entlang des Mittelrohrs axial bewegbar.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Technik
Diese Erfindung betrifft Axialventile, d. h. Ventile mit sich axial bewegenden Ventilelementen entlang einer Längserstreckung des Ventils, wobei die Längserstreckung entlang einer vorherrschenden Durchflussrichtung von Fluid durch das Ventil hindurch vorliegt. Die Erfindung betrifft insbesondere elektronische Axialventile in Dampfkompressionssystemen wie etwa Kühlungssystemen. Die Erfindung betrifft außerdem ein Dampfkompressionssystem mit einem solchen Ventil.
Stand der Technik
Axialventile sind für die Durchflusssteuerung bekannt. Axialventile weisen einen Durchlass auf, der im Wesentlichen parallel zum Durchflusspfad ist. Axialventile umfassen typischerweise einen Aktuator, und der Aktuator kann ein Schrittmotor mit einem Stator und einem Rotor und einer Stange sein.
Bekannte Axialventile sind im Allgemeinen eher komplex. Die Drehbewegung des Rotors wird auf eine sich linear bewegende Stange übertragen, wobei die Stange an einem Ende einen Kopf aufweist. Wenn die Stange in eine Richtung bewegt wird, wirkt der Kopf mit einem Ventilsitz zusammen, um die Ventilöffnung für das Hindurchtreten von Fluiden zu schließen, und wenn die Stange in die Gegenrichtung bewegt wird, wird der Kopf weg vom Ventilsitz bewegt, um das Ventil für das Hindurchtreten von Fluiden durch die Öffnung zu öffnen. Das Axialventil umfasst viele Teile, die die Zusammensetzung verkomplizieren und eine kritische Prozesssteuerung erfordern, um Ausschussteile zu verringern. Die vielen Teile des Ventils erhöhen das Risiko von Störungen von Teilen des Ventils aufgrund von Herstellungsmängeln oder aufgrund von Fehlfunktionen zwischen den vielen Teilen während des Betriebs des Ventils.
Darüber hinaus können die Kräfte, die aufgrund des Durchströmens des Fluids wirken, wenn das Ventil im Betrieb ist, signifikant sein und die Bewegung der bewegbaren Teile beeinträchtigen. Die Strömungskräfte können daher als Hindernis für das Erreichen hoher Kapazitäten oder hoher Differenzdrücke zwischen dem Einlass und dem Auslass des Ventils fungieren.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein einfaches, kosteneffizientes axiales elektronisches Expansionsventil oder Saugdruckregulierungsventil oder eine sonstige Art von Ventil in einem Druckkompressionskreislauf mit geringer Komplexität und wenigen Teilen bereitzustellen.
Das Axialventil der vorliegenden Erfindung ist ein bidirektionales Ventil, d. h. ein Ventil, in dem Fluid entweder in eine Richtung oder die entgegengesetzte Richtung durch das Ventil hindurchströmen kann, wobei das Ventil einen Aktuator umfasst und der Aktuator wiederum ein stationäres Element und ein Schließelement umfasst, wobei das Schließelement ein Rotor oder ein Kolben sein kann. Das Ventil weist eine im Wesentlichen längliche Erstreckung entlang einer vorherrschenden Durchflussrichtung eines Fluids durch das Ventil hindurch auf, und umfasst ein Mittelrohr, das in Bezug auf eine Axialerstreckung des stationären Elements axial angeordnet ist. Das Mittelrohr ist in einer festen Position relativ zum stationären Element und parallel zur Längserstreckung des Ventils angeordnet, und es ist ein Fluid für das Hindurchströmen durch das Ventil, durch das Mittelrohr, vorgesehen, wobei das Mittelrohr oder das Schließelement eine oder mehrere Öffnungen für das Hindurchtreten von Fluid umfasst, wobei das Schließelement axial zu einer Axialerstreckung des Mittelrohrs angeordnet ist und sich zumindest teilweise entlang einer Seitenwand des Mittelrohrs erstreckt, das Schließelement zwischen einer ersten Position, in der das Schließelement die eine oder mehreren Öffnungen schließt, wodurch das Fluid nicht durch die Öffnungen hindurchtreten kann, und einer zweiten Position, in der die eine oder mehreren Öffnungen offen sind, wodurch das Fluid durch die Öffnungen hindurchtreten kann, entlang des Mittelrohrs axial bewegbar ist.
In der bevorzugten Ausführungsform ist der Aktuator ein Schrittmotor und das stationäre Element ist ein Stator, das Schließelement ist vorzugsweise ein Rotor mit einer Schraubgewindeverbindung, die mit einem weiteren Schraubgewinde zusammenwirkt, um das Schließelement zwischen einer geschlossenen und einer vollständig geöffneten Position zu bewegen.
In einer weiteren Ausführungsform kann das Schließelement ein Kolben sein, der durch einen Rotor bewegt wird, um die Öffnungen zu schließen, und wenn die Öffnungen geöffnet werden, bewegt sich der Rotor zurück und ein Vorspannmittel drückt das Schließelement zurück in eine offene Position oder umgekehrt.
Alternativ dazu kann der Aktuator ein Solenoid sein, das das Schließelement durch elektromagnetische Kräfte ohne ein Gewinde bewegt, dann zum Beispiel, wenn das Solenoid eingeschaltet wird, wird das Schließelement in eine vollständig offene Position bewegt, und wenn das Solenoid durch Vorspannmittel, typischerweise eine Feder, ausgeschaltet wird, drückt es das Schließelement in eine geschlossene Position, oder umgekehrt.
Der Aktuator kann auch jede andere Art von Elektromotor sein, der das Schließelement bewegen kann.
Die Bewegung des Schließelements zum direkten Öffnen und Schließen der Öffnungen ist gemäß dem Stand der Technik nicht bekannt, wo die Drehbewegung eines Rotors auf eine Stange o. ä. übertragen wird. In der vorliegenden Erfindung, wenn der Aktuator ein Schrittmotor ist, wird das Schließelement im Ventil sowohl gedreht als auch linear bewegt, weshalb ein Übertragen der Drehbewegung auf eine Stange nicht erforderlich ist.
Das Schließelement selbst schließt oder öffnet den Fluiddurchlass durch die Öffnungen im Mittelrohr durch Bewegen in eine erste Richtung hin zu einer ersten Position oder durch Bewegen in eine zweite Richtung hin zur zweiten Position. Das Schließelement ist der einzige bewegliche Teil im Ventil. Dadurch ist das Ventil bei geringer Komplexität einfach und kosteneffizient. Das Schließelement wird vorzugsweise magnetisch betätigt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Mittelrohr auf dem stationären Element befestigt und die Axialerstreckung des Mittelrohrs ist mit einer Achse des stationären Elements fluchtend ausgerichtet, und das Mittelrohr wird vom stationären Element gelagert, wodurch das Ventil leicht zusammenzusetzen ist und mit einem geringen Fehlfunktionsrisiko aufgrund von einer falschen Ausrichtung des Mittelrohrs und des stationären Elements in Bezug aufeinander verbunden ist.
Vorzugsweise ist das Schließelement entlang einer Seitenwand des Mittelrohrs angeordnet, wobei das Schließelement durch das Mittelrohr bewegbar geleitet wird, und wobei der Rotor vom Mittelrohr gelagert wird. Das Schließelement ist der einzige bewegliche Teil im Ventil und wird vom Mittelrohr getragen, was das Ventil stabil macht und das Risiko einer Störung reduziert.
Die Öffnungen des Mittelrohrs sind in der bevorzugten Ausführungsform entlang einer Seitenwand des Mittelrohrs angeordnet. Wenn das Schließelement sich nicht in der ersten Position befindet und die Öffnungen nicht geschlossen sind, kann Fluid durch die Öffnungen in der Seitenwand abhängig von der Strömungsrichtung zum Inneren des Mittelrohr oder davon weg strömen. Da die Öffnungen in der Seitenwand des Mittelrohrs angeordnet sind, wirkt der Druckunterschied, der auf das Mittelrohr beaufschlagt wird, senkrecht zur Rotationsachse, wodurch der Druckunterschied ausgeglichen wird, was wiederum den Einfluss der Strömungskräfte auf die Bewegung des Schließelements minimiert. Ein erstes Ende des Mittelrohrs ruht auf einer Endkappe, wenn das Mittelrohr am ersten Ende geöffnet ist. Die Endkappe schließt das erste Ende des Mittelrohrs und dichtet dieses ab, wodurch das Fluid gezwungen ist, durch die Öffnungen in der Seitenwand hindurchzutreten.
In einer alternativen Ausführungsform weist das Mittelrohr keinerlei Öffnungen in der Seitenwand auf. Stattdessen sind die Öffnungen im ersten Ende des Mittelrohrs angeordnet, sodass das erste Ende des Mittelrohrs eine oder mehrere Öffnungen umfasst. In dieser Ausführungsform ruht das Mittelrohr nicht auf einer Endkappe, sondern eine Endkappe blockiert ein direktes axiales Hindurchtreten des Fluids, wodurch das Fluid gezwungen ist, in einer Richtung, die schräg, möglicherweise senkrecht zur Axialachse des Mittelrohrs ist, abhängig von der Durchflussrichtung des Fluids, vom/zum Inneren zum Äußeren des Mittelrohrs zu strömen. Der Druckunterschied, der auf das Ventil wirkt, wirkt schräg, möglicherweise senkrecht zur Axialerstreckung des Mittelrohrs.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Schließelement rohrförmig, eine Axialerstreckung des Schließelements erstreckt sich parallel zur Axialerstreckung des Mittelrohrs, und das Schließelement erstreckt sich entlang einer Seitenwand des Mittelrohrs.
In einer Ausführungsform erstreckt sich das Schließelement entlang einer Außenfläche der Seitenwand des Mittelrohrs, sodass das Schließelement sich außerhalb des Mittelrohrs erstreckt. Dadurch ist das Schließelement zwischen dem stationären Element und dem Mittelrohr angeordnet, weshalb das Schließelement von beiden Seiten des Schließelements gut gelagert wird.
In einer alternativen Ausführungsform erstreckt sich das Schließelement entlang einer Innenfläche der Seitenwand des Mittelrohrs, sodass das Schließelement sich innerhalb des Mittelrohrs erstreckt. In dieser alternativen Ausführungsform sind daher das stationäre Element und das Schließelement durch das Mittelrohr getrennt.
In der Ausführungsform, in der das Mittelrohr mit Öffnungen entlang der Seitenwand des Mittelrohrs bereitgestellt ist, kann eine Dichtung zwischen der Seitenwandfläche des Mittelrohrs und der Seitenwandfläche des Schließelements, die einander gegenüberliegen, bereitgestellt sein. Die Dichtung kann ein Dichtungselement sein, das zwischen dem Schließelement und dem Mittelrohr angeordnet ist. Wenn das Schließelement sich in der ersten Position befindet, sorgt die Dichtung für eine dichte Abdichtung. Da die Öffnungen in der Seitenwand des Mittelrohrs es dem Schließelement ermöglichen, die Öffnungen zu schließen, ist das Ventil einfach und wirksam.
Die Öffnungen, die dem Fluid ermöglichen, durch die Seitenwand hindurchzuströmen, gleichen außerdem das Ventil derart aus, dass jegliche Druckunterschiede, die auf das Ventil wirken, schräg, vorzugsweise senkrecht zur Rotationsachse wirken, vorzugsweise entlang des vollen Umfangs der Seitenwände, wodurch der Druckunterschied ausgeglichen wird. Die Kräfte des Druckunterschieds, die schräg zur Rotationsachse des Ventilkörpers wirken, ermöglichen es, nur eine Zahnradstufe einzusetzen, wenn der Ventilkörper bewegt wird, und der Bedarf an Aktuatorkraft wird selbst bei hohen Druckunterschieden gering gehalten, weshalb die Konstruktion einfach und kostengünstig ist, weil keine zusätzlichen Zahnräder erforderlich sind.
Vorzugsweise sind mehrere Öffnungen auf symmetrische Weise in der Seitenwand des Mittelrohrs angeordnet. Alle Öffnungen können dieselbe Form aufweisen und rechteckig sein, oder verschiedene Formen aufweisen, etwa dreieckig, kreisförmig oder tropfenförmig, oder sonstige geometrische Formen, die eine bessere Durchflusssteuerung ermöglichen. Die jeweilige Größe der Öffnungen kann auch variieren, ebenso wie die Position in der Seitenwand, zum Beispiel der Abstand der Öffnung zum Ende des Mittelrohrs.
Das Ventil gemäß der Erfindung ermöglicht es, eine NO (normal offene) oder NC (normal geschlossene) Funktion umzusetzen. Das Einbauen einer NO (normal offenen) oder NC (normal geschlossenen) Funktion kann erreicht werden, indem ein Vorspannelement wie etwa eine Spiralfeder eingesetzt wird, das das Schließelement mit einem konstanten Drehmoment beaufschlagt. Das Vorspannelement bringt das Schließelement dazu, in seine geschlossene oder offene Position zurückzukehren, wenn eine Antriebskraft des Motors geringer ist als die Kraft des Vorspannelements, etwa wenn der Motor an Leistung verliert. Wenn der Motor das Schließelement antreiben soll, muss er eine konstante Kraft zusätzlich zur Kraft zum Betätigen des Schließelements bereitstellen, um das Drehmoment der Feder auszugleichen.
Das Integrieren kritischer Toleranzen und Geometrie in den Teilen bedingt, dass die Zusammensetzung und Herstellung unabhängig von kritischer Prozesskontrolle erfolgt, wodurch Ausschussteile verringert werden. Das Ventil ist ein axiales bidirektionales Ventil und kann zum Beispiel für kommerzielle Kühlungssysteme im Bereich von 12,5–150 TR (ton of refrigeration).
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Querschnittsansicht eines Ventils in offener Position gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Querschnittsansicht des Ventils in 1 in geschlossener Position.
3A ist eine 3D-Ansicht des Mittelrohrs des Ventils in 1.
3B ist eine Querschnittsansicht des Mittelrohrs in 3A.
4 zeigt den Durchfluss durch das Mittelrohr in offener Position.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
1 zeigt eine Ausführungsform eines Ventils 10 mit einem Gehäuse 11 und Verbindungsrohren 12, 13, die zum Ventil führen. Das Gehäuse umfasst eine Ummantelung 14. Im Gehäuse 11 ist ein elektrischer Schrittmotor 15 bereitgestellt, der Aktuator 15 ist ein Schrittmotor mit einem stationären Element 16, der ein Motorrotor ist, und einem Schließelement 17. Das Schließelement 17 umfasst einen Schließelementkern 17a und einen Magneten 18.
Das Schließelement 17 bildet einen Hohlraum aus, und innerhalb des Hohlraums ist ein Mittelrohr 19 angeordnet. Das Mittelrohr 19 ist durch einen ersten Flansch 20 und einen zweiten Flansch 21 auf dem stationären Element 16 befestigt. Das Mittelrohr 19 umfasst Öffnungen 22 in der Seitenwand des Mittelrohrs, um den Fluiddurchfluss dadurch hindurch zu ermöglichen. Ein Dichtungselement 23 ist bereitgestellt, um die Fluidströmung abzudichten, wenn das Schließelement 17 sich in einer geschlossenen Position befindet (siehe 2). Der erste Flansch 20 umfasst eine Endkappe 24, die ein oberes Ende 29 des Mittelrohrs 19 abdichtet. Eine Verbindung 28 wird zur Verdrahtung (Drähte nicht gezeigt) mit dem Aktuator 15 verwendet, wobei die Öffnung in der Verbindung 28 z. B. durch eine Glasdichtung abgedichtet ist. Das Ventil 10 ist ein bidirektionales Ventil, d. h. dass ein Durchfluss durch das Ventil in beide Richtungen möglich ist.
1 zeigt das Ventil in einem Betriebsmodus, in dem das Schließelement 17 sich in einer Position befindet, in der der Durchfluss eines Fluids, etwa eines Kühlmittels, durch die Öffnungen 22 ermöglicht ist. Das Fluid strömt durch das Mittelrohr 19. Das Schließelement 17 des Schrittmotors 10 ist hohl und weist ein Schraubeninnengewinde 25 auf, das entlang eines Teils eines Innenumfangs des Schließelements bereitgestellt ist. Das Schraubeninnengewinde wirkt mit einem Schraubenaußengewinde 26 auf einem Teil einer Außenfläche des Mittelrohrs 19 zusammen.
Wenn das Schließelement 17 durch Beaufschlagen eines elektrischen Stroms auf das stationäre Element 16 gedreht wird, wird die Drehung des Schließelements 17 durch Zusammenwirken des Schraubeninnengewinde 25 des Schließelements 17 und des Schraubenaußengewindes 26 des Mittelrohrs 19 in eine lineare Bewegung des Schließelements 17 verwandelt. Wenn das Schließelement rückwärts (in 1 nach rechts) bewegt wird, werden die Öffnungen 22 im Mittelrohr 19 zunehmend freigelegt und der Fluiddurchfluss zunehmend erhöht. Wenn das Schließelement 17 vorwärts (in 1 nach links) bewegt wird, werden die Öffnungen 22 vermehrt verschlossen und der Fluiddurchfluss inkrementell verringert.
2 zeigt das Ventil in einer vollständig geschlossenen Position, in der das Schließelement vollständig zu einem ersten Ende 29 des Mittelrohrs 19 (in 1 vollständig nach links) bewegt wurde. In der vollständig geschlossenen Position fungiert das Schließelement 17 als Dichtung, die die Öffnungen verschließt, und wobei ein Teil eines Innenumfangs des Schließelements an die Dichtung 23 anschließt, wodurch das Ventil vollständig geschlossen ist.
3A und 3B zeigen das Mittelrohr 19 mit den Öffnungen 22, dem Schraubenaußengewinde 26 und dem ersten Ende 29. In dieser Ausführungsform ist das erste Ende 29 offen, aber wenn es im Ventil montiert ist (siehe 4), ruht das erste Ende 29 auf der Endkappe 24, und die Endkappe 24 schließt und dichtet die Öffnung im ersten Ende 29 des Mittelrohrs 19 ab, sodass kein Fluid durch das erste Ende des Mittelrohrs 19 treten kann. Fluid kann nur durch die Öffnungen 22 treten.
4 zeigt einen Durchfluss 27 eines Fluids durch die Öffnungen 22. Der Durchfluss ist durch einen Doppelpfeil 27 veranschaulicht, der durch eine der Öffnungen 22 in der Seitenwand des Mittelrohrs 19 verläuft. Natürlich verläuft der Durchfluss gleichzeitig durch alle Öffnungen hindurch. Der Pfeil 27 ist ein Doppelpfeil, wodurch angezeigt wird, dass das Ventil ein bidirektionales Ventil ist. Der Durchfluss 27 durch die Öffnungen 22 hindurch wird teilweise schräg zu und weg von oder hin zur Axialerstreckung des Mittelrohrs 19 erfolgen.
Für Ventile mit niedriger Kapazität oder Ventile, die mit geringen Druckunterschieden zwischen Einlass und Auslass arbeiten könnte ein axial abgedichtetes Ventil interessant sein. Dadurch kann sich die Ausgestaltung weiter vereinfachen, doch das Ventil wäre in diesem Fall nicht ausgeglichen und es wäre, je nach Ventilkapazität, auf einen bestimmten Druckunterschied beschränkt.
Dass das Schließelement 17 in dieser Ausführungsform beim Öffnen und Schließen des Ventils gedreht wird kann ein Verriegeln des Schließelements 17 in einem der Enden bewirken, da das Drehmoment des Motors als Vorspannung des Schließelements 17 zum Mittelrohr 19 hin fungiert. Dies ähnelt dem Drehmoment, das beaufschlagt wird, wenn eine Mutter auf einer Schraubverbindung fester gezogen wird. Nachdem dies ausgeführt worden ist, muss eine gleiche Menge an Drehmoment angewandt werden, um die Mutter wieder zu lockern. Im Fall des Drehventils gemäß der Erfindung ist die Gesamtmenge des Drehmoments, das auf das Schraubgewinde angewandt wird, das Drehmoment des Motors minus Reibung, minus Strömungskräften und minus Kräften des Druckunterschieds. Beim Öffnen der Öffnungen ist das Drehmoment, das auf das Schließelement 17 zu beaufschlagen ist, das anfängliche Drehmoment, das beim Schließen beaufschlagt wird, plus Reibung, plus Durchflusskraft und plus Kräften des Druckunterschieds.
Diese Kräfte sind theoretisch gleich, sodass man das Ventil wieder öffnen können sollte, jedoch ohne jegliche Sicherheit. Um diese Vorspannung der Schraubgewindeverbindung zu minimieren wird eine Anschlagslösung umgesetzt, wodurch gewährleistet ist, dass keine Spannung des Schraubgewindes eintritt.
Bei der Herstellung von Prototypen erwies sich, dass die Ausrichtung des Schließelements 17 in Bezug auf das Mittelrohr 19 einen starken Einfluss dahingehend ausübt, welche Kräfte auf die verschiedenen Teile des Ventils wirken können, wenn das Ventil im Betrieb ist. Wenn das Schließelement 17 und das Mittelrohr 19 nicht stark fluchtend ausgerichtet und gesteuert sind, können Kräfte, die aufgrund von Durchfluss- und Druckkräften und Unterschieden in der Ausrichtung des Schließelements 17 und des Mittelrohrs 19 auftreten, die Teile in Bezug aufeinander verdrehen oder versetzen, wodurch signifikante Reibungskräfte erzeugt werden, die die Leistungsfähigkeit des Ventils einschränken. Dies kann verhindert werden, indem gewährleistet wird, dass die Teile axial zueinander ausgerichtet sind.
Der obere und der untere Flansch 20 und 21 des Aktuators 15 sind normal gestanzte Teile, eventuell mit tiefgezogenen Merkmalen. Die Flansche 20, 21 dienen als Verbindung zwischen dem stationären Element 16 und dem Mittelrohr 19. Diese Verbindung muss innerhalb einiger Hundert Millimeter Toleranz vorliegen, um eine korrekte Funktionsweise und Leistungsfähigkeit des Ventils zu gewährleisten.
Durch Fertigungsgenauigkeit der Flansche 20, 21 kann ein auf Bestellung gefertigter Flansch gestaltet werden, wobei der auf Bestellung gefertigte Flansch unter Nutzung der gemeinsamen Grenzfläche auf das stationäre Element 16 passt und sich an die Geometrie des entsprechenden Ventilteils anpasst, wodurch die erforderliche Feintoleranz bei geringen Kosten und mit wenig Komplexität auf Ventilteile übertragen wird.
Das Schließelement 17 des Aktuators 15 umfasst einen Ringmagneten 18 und einen Schließelementkern 17a. Der Schließelementkern 17a ist typischerweise aus Aluminium hergestellt, um das Trägheitsmoment zu verringern. In einem typischen Schrittmotor, bei dem das Schließelement ein Rotor ist, würde das Schließelement auch eine Rotorwelle aufweisen. Im Ventil der Erfindung dient jedoch das Mittelrohr 19 als Rotorachse. Auch hier ist eine geringe Toleranz erforderlich, um sicherzustellen, dass das Schließelement sich dreht und sich um das Mittelrohr 19 herum dreht und axial entlang dieses bewegt.
Durch Ersetzen des Schließelementkerns 17a mit einem speziell gedrehten Teil in einem Schraubgewinde-kompatiblen Material, und Ineinandergreifen des Magnets 18 mit diesem Teil wird der Schließelementteil des Ventils mit den erforderlichen Toleranzen hergestellt, ohne dass eine weitere Behandlung notwendig wäre.
Das Mittelrohr 19 ist der komplexeste der Nicht-Motorenbestandteile. Es ist der einzelne wirklich komplexe Teil abgesehen vom Motor. Der Teil hat die Funktion einer Welle in einem Standardmotor, doch hier auch als Öffnung, Dichtungsbefestigung usw. Die Wahl der Technologie für diesen Teil ist entscheidend. Bislang kommen drei Hauptlösungen in Betracht.
Eine erste Lösung besteht darin, das Mittelrohr durch Metallspritzblasverfahren herzustellen. Die relativ geringe Größe und die Geometrie des Mittelrohrs bedingen, dass das Mittelrohr 19 für Metallspritzblasen geeignet ist. Metallspritzblasen kann zur Kostenreduzierung beitragen, da die Menge des Metalls, das für die Herstellung des Mittelrohrs verwendet wird, begrenzt ist, und/oder anschließende Verarbeitungsvorgänge minimiert werden, bei denen eine bestimmte Geometrie oder Oberflächenstruktur erforderlich ist.
Eine zweite Lösung besteht darin, ein verarbeitetes Standardrohr zu verwenden, und weil alle Geometrien und Merkmale entlang derselben Achse angeordnet sind, kann der Einsatz eines verarbeiteten Standardrohrs preislich wettbewerbsfähig sein. Ein verarbeitetes Standardrohr verringert auch die Belastung des Mittelrohrs, da Druckunterschiede im Ventil nur radial außerhalb oder innerhalb des Mittelrohrs wirken, wodurch das Mittelrohr 19 teilweise keiner signifikanten Biegebelastung unterliegt.
Eine dritte Lösung besteht darin, das Mittelrohr durch Tiefziehen und Verarbeiten herzustellen. Die Verbindung 28 kann aus Kupfer, rostfreiem Stahl oder Bimetall hergestellt sein. Um die Anzahl und Komplexität der Teile zu reduzieren, ist die Verbindung 28 vorzugsweise im Ventilgehäuse 11 umgesetzt, sodass die Verbindung 28 sowohl als Verbindungsstück als auch als Einkapselung des Ventils dient. Durch Verwenden von Bimetallteilen können die Teile mit dem Ventil lichtstrahlverschweißt werden und weiterhin lötbar sein.
Die Erfindung ist in Bezug auf eine spezifische Ausführungsform gemäß den Zeichnungen beschrieben. Es können weitere Ausführungsformen innerhalb des Schutzumfangs der Ansprüche abgeleitet werden, und die in den Figuren gezeigte Ausführungsform ist nicht als Einschränkung des Schutzumfangs der Ansprüche auszulegen.

Claims

Axialventil, umfassend einen Aktuator, wobei der Aktuator ein stationäres Element und ein Schließelement umfasst, wobei das Ventil eine im Wesentlichen längliche Erstreckung entlang einer vorherrschenden Durchflussrichtung von Fluid durch das Ventil hindurch aufweist, wobei das Ventil ein Mittelrohr umfasst, das in Bezug auf eine axiale Erstreckung des stationären Elements axial angeordnet ist, wobei das Mittelrohr in einer festen Position relativ zum stationären Element und parallel zur länglichen Erstreckung des Ventils angeordnet ist, und wobei Fluid für das Durchfließen durch das Ventil, durch das Mittelrohr, hindurch vorgesehen ist, wobei das Mittelrohr oder das Schließelement eine oder mehrere Öffnungen für das Hindurchtreten des Fluids umfasst, wobei das Schließelement zu einer axialen Erstreckung des Mittelrohrs axial angeordnet ist und sich zumindest teilweise entlang einer Seitenwand des Mittelrohrs erstreckt, wobei das Schließelement zwischen einer ersten Position, in der das Schließelement die eine oder mehreren Öffnungen schließt, wodurch das Fluid nicht durch die Öffnungen hindurchtreten kann, und einer zweiten Position, in der die eine oder mehreren Öffnungen offen sind, wodurch das Fluid durch die Öffnungen hindurchtreten kann, entlang des Mittelrohrs axial bewegbar ist.
Axialventil nach Anspruch 1, wobei der Aktuator ein Schrittmotor und das stationäre Element ein Stator ist.
Axialventil nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Schließelement ein Rotor ist.
Axialventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Mittelrohr auf dem stationären Element befestigt ist und wobei das Mittelrohr vom stationären Element gelagert wird, sodass die Axialerstreckung des Mittelrohrs fluchtend mit einer Achse des stationären Elements ausgerichtet ist.
Axialventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein erstes Ende des Mittelrohrs auf einem ersten Flansch befestigt ist und ein zweites Ende des Mittelrohrs auf einem zweiten Flansch befestigt ist, wobei ein Ende des stationären Elements auf dem ersten Flansch befestigt ist und ein weiteres Ende des stationären Elements auf dem zweiten Flansch befestigt ist, sodass die Axialerstreckung des Mittelrohrs durch sowohl das Mittelrohr als auch das stationäre Element, die jeweils auf demselben ersten Flansch und demselben zweiten Flansch befestigt sind, mit einer Achse des stationären Elements fluchtend ausgerichtet ist.
Axialventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Schließelement entlang einer Seitenwand des Mittelrohrs angeordnet ist und wobei das Schließelement durch das Mittelrohr bewegbar geleitet wird und wobei das Schließelement vom Mittelrohr gelagert wird.
Axialventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die eine oder mehreren Öffnungen des Mittelrohrs entlang einer Seitenwand des Mittelrohrs angeordnet sind, wodurch sie einem Fluid ermöglichen, zum Mittelrohr oder davon weg durch die Seitenwand des Mittelrohrs hindurchzutreten, wenn das Schließelement sich nicht in der ersten Position befindet.
Axialventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die eine oder mehreren Öffnungen des Mittelrohrs in einem ersten Ende des Mittelrohrs angeordnet sind, wodurch sie einem Fluid ermöglichen, zum Mittelrohr oder davon weg durch das erste Ende des Mittelrohrs hindurchzutreten, indem es von außerhalb des Mittelrohrs nach innerhalb des Mittelrohrs tritt, oder von innerhalb des Mittelrohrs nach außerhalb des Mittelrohrs tritt, wenn das Schließelement sich nicht in der ersten Position befindet.
Axialventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Schließelement rohrförmig ist, wobei eine Axialerstreckung des Schließelements sich parallel zur Axialerstreckung des Mittelrohrs erstreckt, und wobei das Schließelement sich entlang einer Seitenwand des Mittelrohrs erstreckt, und wobei das Schließelement entlang der Seitenwand des Mittelrohrs sowohl drehbar als auch axial bewegbar ist.
Axialventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Schließelement rohrförmig ist, wobei eine Axialerstreckung des Schließelements sich parallel zur Axialerstreckung des Mittelrohrs erstreckt, und wobei das Schließelement sich entlang einer Seitenwand des Mittelrohrs erstreckt, und wobei das Schließelement entlang der Seitenwand des Mittelrohrs nur axial bewegbar ist.
Axialventil nach Anspruch 1, wobei das Schließelement sich entlang einer Innenfläche der Seitenwand des Mittelrohrs erstreckt, sodass sich das Schließelement entlang einer Innenfläche des Mittelrohrs erstreckt.
Axialventil nach Anspruch 11, wobei die Innenfläche des Mittelrohrs mit einem Schraubgewinde bereitgestellt ist und die Außenfläche des Schließelements mit einem Schraubgewinde bereitgestellt ist, wobei das Schraubgewinde des Mittelrohrs und das Schraubgewinde des Schließelements miteinander in Eingriff gebracht sind, und wobei eine Drehbewegung des Schließelements auch in eine Axialbewegung des Schließelements in Bezug auf das Mittelrohr verwandelt wird.
Axialventil nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Schließelement sich entlang einer Außenfläche der Seitenwand des Mittelrohrs erstreckt, sodass das Schließelement sich entlang einer Außenfläche des Mittelrohrs erstreckt.
Axialventil nach Anspruch 13, wobei die Außenfläche des Mittelrohrs mit einem Schraubgewinde bereitgestellt ist und die Innenfläche des Schließelements mit einem Schraubgewinde bereitgestellt ist, wobei das Schraubgewinde des Mittelrohrs und das Schraubgewinde des Schließelements miteinander in Eingriff gebracht sind, und wobei eine Drehbewegung des Schließelements auch in eine Axialbewegung des Schließelements in Bezug auf das Mittelrohr verwandelt wird.
Axialventil nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das Mittelrohr mit einer oder mehreren Öffnungen entlang der Seitenwand des Mittelrohrs bereitgestellt ist, und wobei, zumindest wenn das Schließelement sich in der ersten Position befindet, zwischen der Seitenwandfläche des Mittelrohrs und der Seitenwandfläche des Schließelements eine Dichtung bereitgestellt ist, wobei die Seitenwand des Mittelrohrs und die Seitenwand des Schließelements einander gegenüberliegen, zumindest wenn das Schließelement sich in der ersten Position befindet.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei ein Ende des Mittelrohrs vom ersten Flansch, der sich vom Mittelrohr erstreckt, gelagert wird und ein weiteres Ende des Mittelrohrs vom zweiten Flansch, der sich vom Mittelrohr erstreckt, gelagert wird, und wobei das Schließelement zwischen dem ersten Flansch und dem Bodenflansch angeordnet ist, und wobei auch das stationäre Element, wie im Fall vom Mittelrohr, vom ersten Flansch und vom zweiten Flansch gelagert wird.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Schließelement zwischen dem Mittelrohr und dem stationären Element angeordnet ist, wobei das Schließelement von einer äußeren Seitenwand des Mittelrohrs gelagert wird und wobei das stationäre Element entlang eines Außenumfangs des Schließelements angeordnet ist.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Schließelement innerhalb des Mittelrohrs angeordnet ist, wobei das Schließelement entlang einer inneren Seitenwand des Mittelrohrs gelagert wird und wobei das stationäre Element entlang eines Außenumfangs des Mittelrohrs angeordnet ist.
Axialventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Schließelement durch ein Vorspannelement, vorzugsweise eine Feder, mit einer Vorspannkraft, konstant zur ersten Position hin vorgespannt ist, wobei das Vorspannelement das Schließelement in die erste Position bewegen kann, in der das Schließelement die eine oder mehreren Öffnungen des Mittelrohrs verschließt, wodurch dem Fluid nicht ermöglicht wird, durch die Öffnungen hindurchzutreten, falls die Antriebskraft des Schrittmotors auf einen Wert unterhalb der Vorspannkraft sinkt.
Axialventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Schließelement durch ein Vorspannelement, vorzugsweise eine Feder, mit einer Vorspannkraft, konstant zur zweiten Position hin vorgespannt ist, wobei das Vorspannelement das Schließelement in die zweite Position bewegen kann, in der das Schließelement die eine oder mehreren Öffnungen des Mittelrohrs öffnet, wodurch dem Fluid ermöglicht wird, durch die Öffnungen hindurchzutreten, falls die Antriebskraft des Schrittmotors auf einen Wert unterhalb der Vorspannkraft sinkt.
Dampfkompressionszyklussystem, vorzugsweise ein Kühlungssystem, mit zumindest einem Axialventil entlang eines Rohres des Dampfkompressionszyklussystems, wobei das zumindest eine Ventil des Kühlungssystems ein Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 20 ist.