DE19909202C1

DE19909202C1 - Expansionsventil

Info

Publication number: DE19909202C1
Application number: DE19909202A
Authority: DE
Inventors: Uwe Hellmuth; Josef Osthues; Hartmut Kober
Original assignee: Honeywell GmbH
Current assignee: Garrett Motion SARL
Priority date: 1999-03-03
Filing date: 1999-03-03
Publication date: 2000-03-02
Anticipated expiration: 2019-03-04
Also published as: WO2000052371A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Expansionsventil für Kältemittel in Kälteanlagen, Klimaanlagen oder Wärmepumpen. DOLLAR A Das erfindungsgemäße Expansionsventil (10) verfügt über eine innerhalb eines Ventilgehäuses (11) axial verschiebbar geführte Ventilstange (12), die von einem Stellmotor (13) betätigbar ist. An einem ersten Ende (16) trägt die Ventilstange (12) einen Schließkörper (18), der einen in einer ersten Ventilkammer (17) angeordneten Ventilsitz (24) in Schließstellung verschließt. An einem zweiten Ende (21) trägt die Ventilstange (12) einen Ausgleichskolben (23). Der Ausgleichskolben (23) und die Ventilöffnung (24) verfügen in etwa über gleiche Querschnittsflächen. Die erste Ventilkammer (17) und ein Motorraum (22) sind über eine Bohrung (27) miteinander verbunden. Das erfindungsgemäße Expansionsventil ist gegenüber Schwankungen im Kondensationsdruck kompensiert. Des weiteren ist das erfindungsgemäße Expansionsventil (10) biflow-fähig (Fig. 1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Expansionsventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein Expansionsventil der eingangs genannten Art ist aus der EP 0 607 953 B1 bekannt. So sind derartige Expansionsventile in einer Kälteanlage eingangsseitig mit einem Kondensator und ausgangsseitig mit einem Verdampfer verbunden. Das Expansionsventil dient in einer Kälteanlage als Stellglied zur Steuerung des in der Regel sollwertabhängig mittels eines Rechners gesteuerten Kältemittelkreislaufs. Im Expansionsventil wird das im Kondensator verflüssigte Kältemittel, welches dem Expansionsventil unter einen Kondensationsdruck bzw. Hochdruck zugeführt wird, auf den Druck des Verdampfers entspannt, der auch als Niederdruck bezeichnet wird. Bei dem in der EP 0 607 953 B1 gezeigten Expansionsventils muß demnach der Stellmotor des Expansionsventils gegen den Hochdruck und gegen eine Federkraft arbeiten, was zur Folge hat, daß das dort gezeigte Expansionsventil von Schwankungen im Hochdruck bzw. Kondensationsdruck abhängig ist. Der Stellmotor des dort gezeigten Expansionsventils muß demnach auf die maximale Federkraft abgestimmt sein, welche sich bei Erhöhung des Hochdrucks bzw. Kondensationsdrucks reduziert. Da jedoch nicht beliebig große Stellmotoren mit beliebig großen Stellkräften eingesetzt werden können, ist das Expansionsventil gemäß EP 0 607 953 B1 zwangsläufig auf kleinere Leistungen beschränkt. Ein weiteres Expansionsventil mit den Merkmalen des Oberbegriffs gemäß Anspruch 1 ist aus EP 0 714 004 A2 bekannt.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein universell einsetzbares Expansionsventil zu schaffen, welches einerseits in Anlagen hoher Kälte- Leistung verwendet und andererseits auch im Biflow-Betrieb eingesetzt werden kann.

Dieses Problem wird durch ein Expansionsventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. In der Beschreibung werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Expansionsventil nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematisiertem Querschnitt, und

Fig. 2 ein erfindungsgemäßes Expansionsventil nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematisiertem Querschnitt.

Das in der Fig. 1 dargestellte Expansionsventil 10 besteht aus einem im wesentlichen zylindrischen Ventilgehäuse 11, einer innerhalb des Ventilgehäuses 11 axial verschiebbar geführten Ventilstange 12 und einem vorzugsweise als Schrittmotor ausgebildeten Stellmotor 13 zur Betätigung der Ventilstange 12. Die vom Stellmotor 13 erzeugten Stellkräfte sind über einen Stößel 14 auf die Ventilstange 12 übertragbar. Der Stellmotor 13 ist in einem entsprechenden Motorgehäuse 15 angeordnet.

Die Ventilstange 12 ragt mit einem ersten Ende 16 in eine erste Ventilkammer 17 des Ventilgehäuses 11 hinein, wobei die Ventilstange 12 an diesem ersten Ende 16 einen Schließkörper 18 trägt, der in Schließstellung gegen einen Ventilsitz 19 innerhalb der ersten Ventilkammer 17 gedrückt ist. In Schließstellung verschließt der Schließkörper 18 den Ventilsitz 19 druckdicht. Gemäß Fig. 1 wird der Schließkörper 18 von einem vorzugsweise innerhalb der ersten Ventilkammer 17 angeordneten Federelement 20 in der Schließstellung gegen den Ventilsitz 19 gedrückt.

Mit einem zweiten Ende 21 ragt die Ventilstange 12 in einen Aufnahmeraum 22, den sogenannten Motorraum, innerhalb des Motorgehäuses 15 hinein. An dem zweiten Ende 21 trägt die Ventilstange 12 einen Ausgleichskörper, der in diesem Ausführungsbeispiel als Ausgleichskolben 23 ausgebildet ist. Der Ausgleichskolben 23 ist dabei derart bemessen, daß er in etwa über eine gleiche Querschnittsfläche verfügt, wie eine durch den Ventilsitz 19 begrenzte Ventilöffnung 24. Aus fertigungstechnischen Notwendigkeiten ist die Querschnittsfläche des Ausgleichskolbens 23 geringfügig kleiner wie die Querschnittsfläche der Ventilöffnung 24, damit bei der Montage des Expansionsventils 10 die Einheit aus Ventilstange 12, Ausgleichskolben 23 sowie Schließkörper 18 durch die Ventilöffnung 24 hindurch eingeschoben werden kann. Der Ausgleichskolben 23 ist in einer Axialbohrung 25 geführt, die sich zwischen dem Aufnahmeraum 22 und einer zweiten Ventilkammer 26 erstreckt, wobei die zweite Ventilkammer 26 zwischen dem Aufnahmeraum 22 und der ersten Ventilkammer 17 angeordnet ist.

Gemäß Fig. 1 sind der Aufnahmeraum 22 und die erste Ventilkammer 17 über eine Bohrung 27 miteinander verbunden. Hierdurch ist gewährleistet, daß im Aufnahmeraum 22 und in der ersten Ventilkammer 17 gleiche Druckverhältnisse herrschen. In Verbindung mit dem konstruktiven Merkmal, das der Ausgleichskolben 23 und die durch den Ventilsitz 19 begrenzte Ventilöffnung 24 in etwa gleiche wirksame Querschnittsflächen aufweisen, folgt dann unmittelbar, daß das erfindungsgemäße Expansionsventil 10 druckkompensiert ist, d. h. die Funktionsweise des Expansionsventils 10 wird durch Schwankungen im Kondensationsdruck bzw. Hochdruck nicht beeinflußt. Zum Öffnen des Expansionsventils 10 muß demnach der Stellmotor 13 lediglich gegen die von dem Federelement 20 bereitgestellte Schließkraft arbeiten. Der Stellmotor 13 kann demnach auch bei Kälteanlagen großer Leistung kleingehalten werden.

Darüber hinaus folgt aus dem oben beschriebenen Konstruktionsprinzip des erfindungsgemäßen Expansionsventils 10, daß dieses auch unter Beibehaltung der Stellkräfte im Biflow-Betrieb eingesetzt werden kann. Das Expansionsventil 10 kann demnach in zwei Richtungen 28 bzw. 29 durchströmt werden, was in Fig. 1 durch entsprechende Pfeile verdeutlicht ist. Mit einer Anlage kann demnach dann im Sommer gekühlt und im Winter geheizt werden.

Letztendlich sei noch darauf hingewiesen, daß durch die Auswahl unterschiedlicher Konuswinkel für den Schließkörper 18 bei gleichem Querschnitt der Ventilöffnung 24 abgestufte Leistungen möglich sind. Durch eine geringe Varianz der Bauteile kann demnach das erfindungsgemäße Expansionsventil 10 auf unterschiedliche Leistungen eingestellt werden.

Fig. 2 zeigt ein Expansionsventil 30 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das im wesentlichen über die gleichen Baugruppen verfügt wie das Expansionsventil 10 der Fig. 1. Für gleiche Baugruppen werden gleiche Bezugsziffern verwendet. Zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen wird für die übereinstimmenden Baugruppen auf die obigen Ausführungen verwiesen.

Das Expansionsventil 30 der Fig. 2 unterscheidet sich vom Expansionsventil 10 der Fig. 1 durch die Ausgestaltung des Ausgleichskörper, der in diesem Ausführungsbeispiel als Schließkörper 31 ausgebildet ist. Der Schließkörper 31 wirkt mit einem der zweiten Ventilkammer 26 zugeordneten Ventilsitz 32 zusammen, der eine Ventilöffnung 33 zwischen zweiten der Ventilkammer 26 und dem Aufnahmeraum 22 begrenzt. Auch hier verfügen die Ventilkörper 18 und 31 bzw. die Ventilöffnungen 24 und 33 über in etwa gleiche wirksame Querschnittsflächen. In Verbindung mit dem Merkmal, daß im Aufnahmeraum 22 und in der ersten Ventilkammer 17 gleiche Druckverhältnisse herrschen, folgt dann unmittelbar, daß auch das erfindungsgemäße Expansionsventil 30 druckkompensiert ist. Auch hier wird die Funktionsweise des Expansionsventils 30 durch Schwankungen im Kondensationsdruck bzw. Hochdruck nicht beeinflußt.

Bei den erfindungsgemäßen Kompensationsventilen 10 und 30 handelt es sich demnach um elektrische Expansionsventile, welche gegen Schwankungen im Kondensationsdruck und damit Hochdruck kompensiert sind sowie im Biflow-Betrieb eingesetzt werden können. Die erfindungsgemäßen Expansionsventile 10 und 30 sind demnach universell einsetzbar.

Bezugszeichenliste

10

Expansionsventil

11

Ventilgehäuse

12

Ventilstange

13

Stellmotor

14

Stößel

15

Motorgehäuse

16

Ende

17

Ventilkammer

18

Schließkörper

19

Ventilsitz

20

Federelement

21

Ende

22

Aufnahmeraum

23

Ausgleichskolben

24

Ventilöffnung

25

Axialbohrung

26

Ventilkammer

27

Bohrung

28

Durchströmungsrichtung

29

Durchströmungsrichtung

30

Expansionsventil

31

Schließkörper

32

Ventilsitz

33

Ventilöffnung

Claims

1. Expansionsventil für Kältemittel in Kälteanlagen, Klimaanlagen oder Wärmepumpen, mit einem Ventilgehäuse (11), mit einer innerhalb des Ventilgehäuses (11) axial verschiebbar geführten Ventilstange (12), und mit einem vorzugsweise als Schrittmotor ausgebildeten Stellmotor (13) zur Betätigung der Ventilstange (12), wobei die Ventilstange (12) mit einem ersten Ende (16) in eine erste Ventilkammer (17) hineinragt und mit einem an dem ersten Ende (16) angeordneten Schließkörper (18) in einer Schließstellung einen Ventilsitz (19) innerhalb der ersten Ventilkammer (17) druckdicht verschließt, und wobei die Ventilstange (12) mit einem zweiten Ende (21) in einen Aufnahmeraum (22) hineinragt, dadurch gekennzeichnet, daß:

a) die Ventilstange (12) einen Ausgleichskörper aufweist,
b) der Ausgleichskörper und eine durch den Ventilsitz (19) begrenzte Ventilöffnung (24) in etwa gleiche wirksame Querschnittsflächen aufweisen,
c) in der ersten Ventilkammer (17) und im Aufnahmeraum (22) im wesentlichen gleiche Druckbedingungen herrschen.

2. Expansionsventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Ventilkammer (17) und der Aufnahmeraum (22) über eine Bohrung (27) miteinander verbunden sind.

3. Expansionsventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der ersten Ventilkammer (17) und dem Aufnahmeraum (22) eine zweite Ventilkammer (26) vorgesehen ist.

4. Expansionsventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Ventilöffnung (24) zwischen der ersten Ventilkammer (17) und der zweiten Ventilkammer (26) erstreckt.

5. Expansionsventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgleichskörper als Ausgleichskolben (23) ausgebildet ist, der dem zweiten Ende (21) der Ventilstange (12) zugeordnet ist.

6. Expansionsventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgleichskolben (23) in einer Axialbohrung (25) geführt ist, die sich zwischen der zweiten Ventilkammer (26) und dem Aufnahmeraum (22) erstreckt.

7. Expansionsventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgleichskörper als Schließkörper (31) ausgebildet ist.

8. Expansionsventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schließkörper (31) mit einem der zweiten Ventilkammer (26) zugeordneten Ventilsitz (32) zusammenwirkt, der eine Ventilöffnung (33) zwischen der zweiten Ventilkammer (26) und dem Aufnahmeraum (22) begrenzt.

9. Expansionsventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der ersten Ventilkammer (17) ein Federelement (20) angeordnet ist, welches in der Schließstellung den Schließkörper (18) gegen den Ventilsitz (19) drückt.