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Yentilkonstruktion
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Die vorliegende Erfindllng betrifft eine Ventilkonstruktion und insbesondere
eine Ventilkonstruktion zum Einsatz als thermostatisches Expansionsventil in Kühlanlagen.
Während- das Ventil hier mit Betonung auf dessen Einsatz als Expansionsventil beschrieben
ist, ist für den Fachmann die weiterführende Anwendbarkeit der erfinderischen Prinzipien,
die im folgenden offenbart werden, einzusehen.
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Thermostatische Expansionsventile sind ein bewährtes Mittel zur Steuerung
der Eiihlmittelströmung in einer Kühlanlage. Dabei liegt das thermostatische Steuerventil
innerhalb der Eühlanlage
so, daß es den Systembetrieb durch Modulierten
der durch die Drosselstelle des Ventils strömenden Eühlmittelmenge einstellt. Kühlanlagen
weisen im allgemeinen einen Verdampfer, einen Verdichter und einen Kondensator auf.
Die durch den Verdichter aus dem Verdampfer herausgezogenen Eühlmitteldämpfe werden
in den Kondensator gedrückt, wo der Dampf verflüssigt.
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Das flüssige Kühlmittel strömt dann über ein Expansionsventil in den
Verdampfer zurück. Die Steuerung der Kühlmittel zufuhr zum Verdampfer läßt sich
aufrechterhalten, indem man ein Ventileleient in die Drosselstelle des Expansionsventils
einsetzt und dieses nach Maßgabe eines erfaßten Zustands nachstellt.
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Die Noduliereinrichtung weist üblicherweise eine Temperaturfuhlmembran
auf, d-e das Ventilelement betätigt. Der Fühler ist dabei an einer Seite der Membran
befestigt, während eine Feder zwischen Ventil und Membran auf der zweiten Nembranseite
sitzt.
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Ventile der oben beschriebenen Art werden von einer großen Anzahl
von Herstellern von Kühl- und Klimaanlagen eingesetzt.
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Jede dieser einzelnen einlagen erfordert dabei ein spezielles Ventil
mit einer bestimmten Ventilkapazität. In der Vergangenheit führte diese Systeivielfalt
dazu, daß der Ventilhersteller und dessen Vertriebsorganisation eine Vielfalt von
Ventilmodellen herstellen und vorhalten müßten, was verhältnismäßig hohe Betriebs-
und Gemeinkosten verursachte.
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Weiterhin weisen die Konstruktionen nach dem Stand der Technik
im
allgemeinen einen Ventilsitz auf, der einteilig mit dem Ventilkörper in einem Kanal
desselben ausgebildet ist. Treten nach dem Zusainmenbau des Ventils Undichtigkeiten
entlang des Ventilsitzes auf, geht entweder das Ventil vollständig verloren oder
muß der Sitz des Ventils nachgearbeitet werden, was eine kostenaufwendige Maßnahme
darstellt.
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Die Ventilkonstruktion nach der vorliegenden Erfindung soll diese
Mangel der iusführungen nach dem Stand der Technik überwinden. Diese Ventilkonstruktion
weist einen Ventilkörper mit einem Einlaß und einem Auslaß sowie einem Strömungsmittelkanal
zwischen diesen, einem in dem Strömungsmittelkanal eingefügten Ventilelement, das
die Strömungsmittelströmung in dem Kanal steuern kann, eine temperaturempfindliche
Einrichtung, die auf dem Ventilkörper angeordnet ist, um eine Kraft auf das Ventilelement
auszuüben, und eine in dem Körper angeordnete elastische Einrichtung auf, die auf
das Ventilelement eine der ersterwähnten entgegengesetzte Kraft ausüben kann. Die
Ventilkonstruktion ist dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilelement in einer gäfiganordnung
sitzt, die herausnehmbar am Ventileinlaß angeordnet ist und einen langgestreckten
Körper mit einer axialen Offnung, einer ein Ende der Körperöffnung abschließenden
Wandung sowie einer in dieser Wandung ausgebildeten Öffnung aufweist, wobei die
Wandung einen Ventilsitz um die Öffnung herum ausbildet, das Ventilelement in dem
Körper zwischen einer ersten Stellung, in der es die Körperöffnung schließt, und
einer zweiten Stellung bewegbar gelagert ist,
in der es von der
Körperöffnung entfernt liegt, und eine Vorspanneinrichtung das Ventilelement in
die erste Stellung drückt.
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Weiterhin weist die erfinderische Konstruktion einen Stößel auf, der
betrieblich zwischen der temperaturempfindlichen Einrichtung und dem Ventilelement
sitzt, um das Ventilelement ansprechend auf von der temperaturempfindlichen Einrichtung
ausgeübte Kräfte zu bewegen.
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Aus der Abnehmbarkeit der Käfiganordnung ergeben sich mehrere Vorteile.
Zunächst läßt sich mit der Größe des Ventilelements auch die Ventilkapazität ändern.
Daher kann man einen einzigen Ventilkörper für einen breiten Bereich von Ventilkapazitäten
verwenden, indem man einfach die Käfiganordnung auswechselt. Die Probleme der Herstellung
einer Vielahl von Ventilmodellen und die damit zusammenhängenden Schwierigkeiten
der Lagerhaltung werden dadurch größtenteils eliminiert. Individuelle Ventile lassen
sich nach der Herstellung auf einen speziellen Anwendungsfall hin zusammenbauen,
indem man einfach diejenige gäfiganordnung einsetzt, die der Anwendungsfall erfordert.
Da weiterhin der Ventilsitz in die Käfiganordnung eingeformt ist, kann man die Käfiganordnung
auf Undichtigkeiten des Ventilsitzes prüfen, bevor man sie in den Ventilkörper einsetzt.
Teile der Käfiganordnung, die nicht innerhalb der Sitztoleranz liegen, kann man
wegwerfen. Die vereinfachte Struktur der Käfiganordnung ist im Vergleich zu den
verbleibenden Bauteilen des Ventils verhältnismäßig wenig kostenaufwendig. Schließlich
ist eine Einstelleinrichtung vorgesehen,
mit der sich die Kraft,
die eine temperaturempfindliche Einrichtung ausübt, variieren laßt, wobei der Eemperaturfühler
betrieblich mit dem Ventilelement verbunden ist. Daher läßt der Sollpunkt des Ventils
sich innerhalb eines Bereiches von Ventilkapazitäten variieren, wie er von der Konstruktion
der herausnehmbaren Käfigkonstruktion bestimmt wird.
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Andere Besonderheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben
sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Fig. 1 ist eine teilweise weggebrochene Schnittdarstellung einer beispielbaften
Ausführungsform des Ventils nach der vorliegenden Erfindung; Fig. 2 ist eine vergrößerte
Darstellung einer gäfiganordnung für das Ventil der Fig. 1; und Fig. 3 ist eine
Darstellung unterschiedlicher Ventil stifte für die gäfiganordnung der Fig. 2.
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Die Ventilkonstruktion 1 nach Fig. 1 weist einen Ventilkörper 2 mit
einem Strömungsmiftelkanal 3 auf, der ein Einlaßende 4 des Ventils mit dessen Auslaßende
5 verbindet. Der Kanal 3 ist bei 6 rechtwinklig abgeknickt, so daß das Auslaßende
5 etwa 900 gegenüber dem Einlassende 4 verdreht ist. Der Ventilkörper 2 hat eine
Bußenfläche 7, die, wie bei 8 und 9 gezeigte, am Auslaßende 5 und am Einlaßende
4 mit einer Gewinde versehen
ist.
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Die Gewinde 8, 9 dienen dazu, geeignete Armaturen 12, 13, die in der
Zeichnung gestrichelt angedeutet sind, an das Auslaß-und das Einlaßende 5, 4 des
Ventilkörpers 2 anzuschrauben.
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Die Armatur 13 übt weiterhin eine wichtige Dichtfunktion im Betrieb
des Ventils 1 aus, wie später ausführlicher beschrieben wird.
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Ein erster Stutzen 10 ist axial mit dem Einlaflende 4 des Kanals 3,
ein Stutzen 11 axial mit dem Auslaßende 5 des Kanals 3 ausgerichtet.
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An den Stutzen 10 ist eine ringförmige Lippe 14 außerhalb eines Ansatzes
15 herum angeformt, der einen Durchlaß 17 umgibt. Der Ansatz 15 mit der Lippe 14
ist dabei so bemessen, daß er auf herkömmliche Weise eine temperaturempfindliche
Einrichtung 16 aufnehmen kann. Die baulichen Einzelheiten der tenperaturempfindlichen
Einrichtung 16 der in der Zeichnung gezeigten Art sind bekannt; hierbei handelt
es sich im allgemeinen um eine erste Platte 18 und eine zweite Platte 19, die zwischen
sich eine bewegliche Membran 20 aufweisen, wobei die Platten die Membran entlang
deren Umfang auf herkömmliche Weise festhalten. Die Platten 18, 19 bilden eine Ventilkammer
21, die von der Membran 20 zu einem Kammerteil 22 und einem Kammerteil 23 unterteilt
wird. Der Kammerteil 22 der Ventilkammer 21 ist mit einer temperaturempfindlichen,
Druck erzeugenden
Einrichtung (nicht gezeigt) entlang eines Rohrs
26 verbunden. Die Druck erzeugende Einrichtung ist herkömmlich aufgebaut; im allgemeinen
weist sie ein mit einem temperaturempfindlichen Gas gefülltes verschlossenes Element
auf. Das in dem Element enthaltende Gas übt bei seiner Expansion und Kontraktion
entsprechend der erfühlten Temperatur eine unterschiedliche Kraft auf die Membran
20 aus und moduliert damit die Ventilstellung, wie es unten ausführlicher beschrieben
ist. Eine nicht gezeigte Ausgleichseinrichtung ist mit der dem Eammerteil 23 zugewandten
Seite der Membran 20 verbunden. Diese Ausgleichseinrichtung dient dazu, den Arbeitspunkt
des Ventils einzustellen: sie hat im wesentlichen den Sinn, den Druckabfall in der
Verdampferschlange einer Kühlanlage zu simulieren.
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Auf der dem Kammerteil 23 zugewandten Membranseite ist eine Pufferplatte
30 angebracht und bewegt sich mit der Membran.
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Die Pufferplatte 30 liegt an einer Feder 31 und einem Stößel 32 an.
Die dem Kammerteil 23 zugewandte Seite der Membran, die teilweise von dem Kanal
17 des Stutzens 10 gebildet wird, enthält einen Gewindestutzen 33, der zentral im
Eanaldliegt und einen Fuß 34 mit einer Vielzahl von Zähnen aufweist. Ein Gewindestutzen
35 verläuft vom Fuß 34 aus aufwärts; hierbei handelt es sich vorzugsweise um ein
Rohrelement mit einer axial verlaufenden Öffnung. In der Zentralachse des Kanals
17 verläuft ein Pfosten 25, der so bemessen ist, daß er in die axial öffnung des
Stutzens 35 hineinpaßt und eine Drehung des Stutzens erlaubt. Der Pfosten 25 weist
ebenfalls eine Axialbohrung auf,
in der der Stößel 32 verläuft.
Eine Einstellmutter 36 ist auf den Stutzen 35 geschraubt. Bei der Drehung des Gewindestutzens
33 auf dem Pfosten 25 läuft die Einstellmutter 36 auf dem Gewinde des Gewindestutzens
auf- oder abwärts., wobei "auf- oder abwärts" hier für die Fig. 1 gilt. buf das
wende 38 des Stutzens 33 ist eine Scheibe 37 aufgesetzt, die gemeinsam mit einer
Dichtung 39 den Leckweg entlang des Stößels 33 am Vbergang des Stößels 32 zum Pfosten
25 und Stutzen 33 abschließt.
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Der Stutzen 11 ist mit einem Kanal 40 versehen, der eine Wandung 41
mit einem Gewindeteil 49 aufweist. Der Gewindeteil 49 geht in eine Mutter 43 einer
Einstellschaftanordnung 42 über.
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Die Einstellschaftanordnung 42 weist die Mutter 43 auf, deren Außengewinde
in den Gewindeteil 49 des Stutzens 11 übergeht, sowie einen Schaftteil 44 mit einem
geschlitzten ersten Ende 45 und einem zweiten Ende 46. Auf das Ende 46 ist ein Zahnrad
47 aufgesetzt, das so bemessen und innerhalb des Kanals 40 angeordnet ist, daß es
mit den Zähnen des Gewindestutzens 33 kämmt.
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Im Kanal 40 ist um die Einstellschaftanordnung 42 herum eine geeignete
Packung 48 herumgelegt, die eine Leckströmung durch den Stutzen 11 hindurch verhindert.
Wie in Fig. 1 ersichtlich, bewirkt eine Drehung des geschlitzten Endes 45 der Einstellanordnung
42 - bspw. mit einem Schraubenzieher - eine Drehung des Zahnrads 47 und damit eine
Drehung des Gewindestutzens.
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Infolge der Drehung des Gewindestutzens 33 wird die Einstellmutter
36 abhängig von der Drehrichtung gehoben oder gesenkt.
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Da die Feder 31 zwischen der Pufferplatte 30 und der Einstellmutter
36
Kraft ausübt, wird die Feder durch die Bewegung der Einstellmutter 36 entweder be-
oder entlastet, so daß die von der Feder 31 auf die Membran 20 ausgeübte Kraft zu-
oder abnimmt. Wie in der Zeichnung ersichtlich, wirkt die von der Feder 31 ausgeübte
Kraft der Kraft entgegen, die die Druck erzeugenden Einrichtung, die mit der der
Kammer 21 zugewandten Seite der Membran 20 verbunden ist, ausübt.
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Auf das Einlaßende 4 des Ventilkörpers 2 ist eine Käfiganordnung 50
aufgesetzt. Die Käfiganordnung 50 weist ein rohrförmiges Körperelement 51 mit einer
axialen Öffnung 56 auf. Das Körperelement 51 weist eine Seitenwandung 52 und eine
obere Abschlußwandung 54 auf. Das Körperelement 51 ist an einem Ende 28 mit einer
Aufweitung 53 versehen, während die Wandung 54 ein Ende 55 des Körperelements 51
schließt. Das Körperelement 51 ist so bemessen, daß es vom Kanal 3 und insbesondere
dem Einlaßendteil 4 des Ventils reibschlüssig aufgenommen werden kann.
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Die obere Wandung 54 ist mit einer Zentralöffnung 57 versehen, die
eine Strömungsverbindung zwischen der Öffnung 56 und dem Auslaßende 5 des Kanals
3 herstellt.
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Der Haltering 58 kann in der Öffnung 56 durch eine Sicke oder Verformung
der Seitenwandung 52 festgelegt werden, wie bspw.
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bei 68 gezeigt. Eine Feder 60 ist zwischen dem Haltering 58 und einem
Ventilstift 61 auf der dem Ende 55 zugewandten Seite des Halterings angeordnet.
Der Ventilstift 61 weist eine allgemein rechteckige Basis 62 sowie einen kegelstumpfförmigen
Teil
63 auf, der von einer oberen Fläche der Basis 62 aus aufwärts
vorsteht; ein Pfosten 65 verläuft von der unteren Fläche 66 des Stiftes 61 aus abwärts.
Der Pfosten 65 ist so bemessen, daß er ein Ende der Feder 60 reibschlüssig aufnehmen
kann. Die Feder 60 ist so gespannt, daß sie den Ventilstift 61 und insbesondere
den Teil 63 in die Öffnung 57 des Körperteils 51 drückt. Die Öffnung 57 stellt also
die Durchlaßöffnung für das Ventil 1 dar und stellt einen Strömungsweg über die
Öffnung 56, die Öffnung 59, die Ventileinrichtung 69 und den Kanal 3 zum Auslaßende
5 dar . Wie ersichtlich,ist die Käfiganordnung 50 herausnehmbar. Daraus ergibt sich,
daß der Volumendurchsatz entlang des oben beschriebenen Strömungswegs sich ändern
läßt, indem man die Abmessungen bspw. des Ventilstifts 63 ändert.
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Die Fig. 3 zeigt zwei beispielhafte Ausführungsformen des Ventilstifts
63. Der kegelstumpfförmige Teil 63 eines Ventilstifts 61a und eines Ventilstifts
61b, wie dort gezeigt, ist mit unterschiedlich gestalteter nach oben weisender Bläche
90 ausgestaltet. Je größer der Winkel A, desto größer auch die Strömung durch das
Ventil 1 für eine gegebene, auf die Membran 20 von der temperaturempfindlichen Einrichtung
ausgeübte Kraft.
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Folglich läßt sich eine Vielzahl von Ventilkapazitäten einfach dadurch
erstellen, daß man die Käfiganordnung 50 und insbesondere den Ventilstift 61 entsprechend
ausgestaltet. Außer wo angegeben, ist dann in allen Fällen der übrige Aufbau der
Ventilstifte 61, 61a bzw. 61b gleich.
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Eine Siebanordnung 70 weist eine Mutter 71 mit einer Axialöffnung
72 auf. Die Öffnung 72 verläuft koaxial mit der Öffnung 56 in der Käfiganordnung
50. Die Mutter 71 ist auf ihrer Umfangsfläche mit einem Flansch 73 versehen, der
sich auf die sufweitung 53 des Endes 28 der Käfiganordnung 50 auflegt, so daß die
Aufweitung 53 auf die Stirnfläche 80 des Einlaßendes 4 aufgedrückt wird.
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Die Mutter 71 ist weiterhin mit einer Fassung 74 versehen, die so
bemessen ist, daß sie ein Siebelement 75 aufnehmen kann.
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Das Sieb 75 verläuft in der Öffnung 56 in der Käfiganordnung 50 einwärts.
Das Sieb 75 hat eine Vielzahl von Löchern, die so bemessen sind, daß Strömungsmittel
durch es hindurchfließen kann. Das Sieb 75 fängt Verunreinigungen ab, die im Betrieb
aus der Anlage, in der das Ventil sich befindet, in den Strömungsmittelkrei sl auf
eingedrungen sein können.
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Eine Halte einrichtung 76 ist auf ein Ende 77 des Siebs 75.
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Die Halteeinrichtung 76 ist im Querschnitt U-förmig und hat einen
ersten Schenkel 78, einen zweiten Schenkel 79 und einen Verbindungsteil 81. Der
Verbindungsteil 81 ist am Siebelement 75 auf irgendeine geeignete Weise befestigt.
Bestehen sowohl das Siebelement 75 als auch die Halteeinrichtung 76 aus Metall,
können die beiden Teile bspw. miteinanderverpunktet sein. Das Halteelement 76 ist
Vorzugsweise aus einem verhältnismäßig elastischen Federmaterial hergestellt, so
daß beim Einsatzen der Sieb anordnung 70 in die Offnung 56 die Schenkel 78 und 79
sich auf spreizen, um sich reibschlüssig an die Innenwandung
82
des Körperelements 51 anzulegen. Die Halteeinrichtung 76 gewährleistet, daß die
Siebanordnung 70 aus der Sollage unter der Einwirkung der Schwerkraft oder aus anderen
Ursachen nicht herausfällt, wenn die Armatur 13 abgenommen wird. Die Armatur 13
dient natürlich dazu, die Aufweitung 53 auf das Einlaßende 4 des Ventils 1 auf zudrücken
und damit das Einlaßende 4 gegen einen Durchtritt des Strömungsmittels abzudichten.
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Wie in der Fig. 1 gezeigt, liegt im zusammengebauten Zustand des Ventils
1 eine Fläche 83 des kegelstumpfförmigen Teils 63 des Ventilstifts 61 an einem Ende
84 des Stößels 32 an. Die Zeichnung zeigt das Ventil 1 in der Schließstellung, in
der die Federn 60, 31 die Membran 20 aufwärts gegen die im Kammerteil 22 herrschende
Gegenkraft drücken. Steigt der von der Druck erzeugenden Einrichtung ausgeübte Druck
bspw. infolge einer Erwärmung, steigt auch die auf die Membran ausgeübte Kraft,
so daß der Stößel 32 nach unten geschoben wird und dabei den Ventilstift 61 abwärts
drückt. Dabei hebt der kegelstumpfförmige Teil 63 vom Ventilsitz 67 ab und öffnet
das Ventil.
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Wie bereits ausgeführt, ermöglicht die Verwendung einer herausnehmbaren
Käfiganordnung 50 es, mit einem einzigen Ventilkörper eine Vielzahl von Ventilkapazitäten
darzustellen. Das Auswechseln der fcäfiganordnung 50 erfolgt, indem man die Armatur
13 abschraubt und die Siebanordnung 70 aus dem Käfig 50 herausnimmt. Danach ersetzt
man einfach einen Käfig 50 durch einen anderen der erforderlichen Kapazität, setzt
die Siebanordnung
70 wieder ein und schraubt die Armatur 13 auf.
Da der Käfig 50 an der Einsatzstelle ausgewechselt werden kann, muß es möglich sein,
den Arbeitspunkt des Ventils 1 nachzustellen. Zu diesem Zweck verwendet man die
Einstellschaftanordnung 42. Wie oben beschrieben, lassen die von der Feder 31 ausgeübte
Kraft und damit auch der Arbeitspunkt des Ventils 1 sich verstellen, indem man die
Einstellschaftanordnung 42 und damit deren Eingriff in den Gewindestutzen 33 betätigt.
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Die unabhängige Käfiganordnung 50 hat einen weiteren Vorteil, der
beim Zusammenbau des Ventils ins Spiel kommt. Das Ventil 1 läßt sich vor dem endgültigen
Zusammensetzen prüfen; stellt man dabei eine Leckage am Ventilsitz 67 fest, brauch
man nur eine neue Käfiganordnung in die Einlaß struktur des Ventilkörpers 2 einzusetzen.
Falls erforderlich, kann man die den Yentilsitz 67 auf Undichtigkeit prüfen, ohne
daß man die Eäfiganordnung in einen Ventilkörper einzusetzen braucht.
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Für den Fachmann sind aufgrund der vorliegenden Offenbarung innerhalb
des Umfangs der Patentansprüche zahlreiche Abänderungen ersichtlich. Bspw. kann
in bestimmten busfuhrungsformen der Erfindung die Konstruktionssilhouette des Ventils
1 anders gewählt sein. Weiterhin kann man auch verschiedene Besonderheiten der Erfindung
unabhängig in anderen Ventilen einsetzen.
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Während die temperaturempfindliche Einrichtung hier als eine mit einer
Membran betätigte Anordnung beschrieben ist, lassen sich im Rahmen der Erfindung
allgemein auch andere Temperaturfühler
einsetzen. Bspw. kann man
anstelle oder zusätzlich zu der membranbetätigten Anordnung, die hier gezeigt und
beschrieben ist, einen Wärmemotor der in der US-PS 3.967.781 offenbarten Art einsetzen.
Obgleich verschiedene Werkstoffe als bevorzugt verwendet beschrieben sind, lassen
sich erwünschtenfalls auch andere Materialien verwenden. Die Strömungskapazität
des Käfigs 50 wird, wie erwähnt, durch entsprechende Wahl des Winkels A des kegelstumpfförmigen
Teils 63 eingestellt. Wie ersichtlich, läßt sich die gleiche Änderung der Strömungskapazität
auch erreichen, indem man die Öffnung 57 der einzelnen Käfige 50 unterschiedlich
bemißt. Diese Variationen sind nur beispielhaft.
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