-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Differentialdrucksteuerventil
gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1, insbesondere zweckmäßig zur Verwendung als eine
Druckreduziervorrichtung in einem Kühlkreis einer Klimaanlage eines
Automobils.
-
In
einem bekannten Kühlkreis
eines Klimaanlagensystems eines Automobils wird beispielsweise durch
einen Kompressor komprimiertes gasförmiges Kältemittel mit hoher Temperatur
und hohem Druck durch einen Kondensator oder einen Gaskühler kondensiert
oder gekühlt.
Das kondensierte oder gekühlte
Kältemittel
wird durch eine druckreduzierende Vorrichtung in Kältemitteln
mit niedriger Temperatur und niedrigem Druck gewandelt. Das Kältemittel mit
der niedrigen Temperatur wird durch einen Verdampfer verdampft und
nachfolgend durch einen Akkumulator in Gas und Flüssigkeit
separiert. Das gasförmige
Kältemittel
wird dem Kompressor zurückgeführt. Häufig wird
als die druckreduzierende Vorrichtung ein Differentialdrucksteuerventil
verwendet. Wenn als das Kältemittel
Kohlensäuregas
verwendet wird, sind die zu steuernden Drücke im Vergleich mit einem
alternativen Kältemittel
auf Fluorkohlenwasserstoffbasis extrem hoch. Der hohe Druck erfordert einen
großen
und schweren Magneten, wenn der Ventilhub direkt gesteuert wird.
Aus diesem Grund ist es bekannt, ein Differentialdrucksteuerventil
zu verwenden, das eine Ausbildung ähnlich einem durch ein Pilotventil
gesteuerten Stromregelventil hat. Die schwache Betätigungskraft
des Pilotventils ermöglicht
es, einen kleineren und leichteren Magneten zu verwenden.
-
EP-A-1 069 359 und
JP-A-2001-27355 offenbaren
pilotdruckgesteuerte Differentialdrucksteuerventile jeweils mit
einem Hauptventil zwischen Einlass- und Auslassräumen. In Ausrichtung mit dem Hauptventilelement
ist ein Kolben axial beweglich angeordnet. Ein Pilotventil steuert
den Druck in einer Kolbenkammer an der Seite des Kolbens abgewandt von
dem Hauptventilelement. Von dem Einlassraum wird durch das Pilotventil
Kältemittel
mit hohem Druck in die Kolbenkammer eingeführt, das dann durch eine Drossel
in dem Kolben ausgebildete Drosselöffnung zu dem Auslassraum durchleckt.
Der Kolben gleitet axial in einer Zylinderbohrung in Übereinstimmung
mit einer Differenz zwischen den Drücken in der Kolbenkammer und
dem Auslassraum. Der Kolben überträgt die Bewegung
in Ventilöffnungsrichtung über einen
Schaft auf das Hauptventilele ment. Der Kolben besitzt einen umfänglichen
Kolbenring, um Leckage von der Kolbenkammer zu dem Auslassraum zu
unterdrücken.
Jedoch weist der Kolbenring eine Unterbrechung auf, und kann deshalb
allgemeine Leckagen nicht vollständig
vermeiden. Kältemittel leckt
unvermeidlich an dem Kolbenring vorbei und erfordert es, den Durchmesser
der anderen Drosselöffnung
zu vergrößern, durch
welche dann Kältemittel
in substantiellem Ausmaß von
der Kolbenkammer zu dem Auslassanschluss durchleckt. Zusätzlich tendiert
ein Kolbenring aus einem Material, das die Eigenschaft hat, nach
Absorption von Kältemittel
anzuschwellen, dazu, die Größe der Umfangsunterbrechung
zu variieren, was zu Variationen im Ausmaß der Leckage führt. Demzufolge
entsteht das Problem, dass die Differentialdruck-Strömungsratencharakteristik
sehr zufällig
variieren kann.
-
Es
ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, ein Differentialdrucksteuerventil
anzugeben, das in der Lage ist, ohne Leckage entlang der Peripherie
des Hauptventilkolbens zuverlässig
zu arbeiten.
-
Dieser
Gegenstand wird durch ein Ventil mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 erzielt.
-
Die
um die äußere Peripherie
des Hauptventilkolbens angeordnete Membrane ermöglicht es sowohl dem Hauptventilkolben
als auch dem Hauptventilelement, in axialer Richtung bewegt zu werden,
wobei die äußere Peripherie
des Hauptventilkolbens, und insbesondere, der für Leckage anfällige Gleitbereich
versiegelt bleiben. Die Strömungsraten-Charakteristika
des Differentialdrucksteuerventils werden dadurch stabilisiert,
da Leckagen zwischen der Kolbenkammer und dem hohen Druck enthaltenden
Einlassraum vermieden werden. Das Hauptventilelement ist in dem
Einlassraum angeordnet und mit dem Hauptventilkolben integral ausgebildet.
-
Eine
Ausführungsform
der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben,
wobei hier die Erfindung in Form eines Beispiels auf eine druckreduzierende
Vorrichtung angewandt ist, in welcher der Differentialdruck zwischen
Einlass- und Auslassseiten durch ein externes Signal frei eingestellt
werden kann, beispielsweise in einer Klimaanlage eines Automobils.
-
1 ist
ein Längsschnitt
einer Ausführungsform
entsprechend der Erfindung eines Differentialdrucksteuerventils,
-
2 ist
ein vergrößerter Schnitt
und zeigt einen Teil A von 1 in vergrößertem Maßstab,
-
3 ist
ein Schnitt einer Ausführungsform, die
nicht zu der Erfindung gehört.
-
Das
Differentialdrucksteuerventil in den 1, 2 besitzt
einen an einer Seitenfläche
eines Körpers 1 ausgebildeten
Einlassanschluss 2 zum Aufnehmen von Kältemittel unter hohem Einlassdruck
P1. In dem Einlassanschluss 2 ist ein Sieb 3 angeordnet.
An der anderen Seite des Körpers 1, abgewandt
von dem Einlassanschluss 2, ist ein Auslassanschluss 4 ausgebildet.
Zwischen den Einlass- und Auslassanschlüssen 2, 4 ist
ein mit dem Körper 1 integraler
Hauptventilsitz 5 angeordnet. Dem Hauptventilsitz 5 liegt
von der Stromaufseite ein Hauptventilselement 6 gegenüber, das,
in Kooperation mit dem Hauptventilsitz 5, ein Hauptventil 5, 6 konstituiert.
Das Hauptventil 6 ist mit einem Hauptventilkolben 7 integral
ausgebildet, welcher das Hauptventilelement 6 in Öffnungs- und Schließrichtungen
betätigt.
In dem Körper
ist zwischen dem Hauptventilkolben 7 und dem Hauptventilsitz 5 ein Einführraum 2' für Kältemittel
definiert.
-
Der
Hauptventilkolben 7 besitzt einen oberen kleindurchmessrigen
Teil und einen unteren großdurchmessrigen
Teil, mit einer dazwischen angeordneten Schulter. Ein innerer peripherer
Randbereich einer ringförmigen
Membrane 8 ist an der Schulter platziert. Um den kleindurchmessrigen
Teil des Hauptkolbens 7 ist von oberhalb der Membrane ein Fixierring 9 eng
aufgepasst, der den inneren peripheren Bereich der Membrane 8 an
dem Hauptventilkolben 7 fixiert. Ein äußerer Randbereich der Membrane 8 ist
mit einem zylindrischen Hülsenglied 10 an
dem Körper 1 fixiert,
welches Glied 10 in den Körper 1 durch Einpressen
eingepasst ist. Das zylindrische Glied 10 nimmt in einem
innenliegenden Zylinder den Hauptventilkolben 7 verschiebbar
auf. Die Membrane 8 isoliert oder versiegelt den Gleitbereich
des Hauptventilkolbens 7 in dem Zylinder. Eine Leckage
von Kältemittel
entlang des Gleitbereiches des Hauptventilkolbens 7 wird
in beiden Strömungsrichtungen
vollständig
verhindert. Die Membrane 8 kann aus einem Polyimidfilm
hergestellt sein und hohe Zugfestigkeit haben. Es können jedoch
auch andere Materialien hierfür
verwendet werden, solange das jeweilige Material für Kältemittel
undurchlässig
und gegen Kältemittel
resistent ist und eine bestimmte Elastizität erbringt.
-
Der
Hauptventilkolben 7 enthält eine axiale Kältemittelpassage 11,
die durch eine Öffnung 12 mit dem
Einführraum 2' für das Kältemittel
kommuniziert und das Hauptventilelement 6 in Querrichtung
durchdringt. Die Öffnung 12 dient
zum Reduzieren des Einlassdrucks P1 aus der Einführkammer 2' für das Kältemittel
und konstituiert, in Zusammenwirkung mit der Kältemittelpassage 11,
eine gedrosselte Strömungspassage,
die zu einer Kolbenkammer 13 führt, die unterhalb des Hauptventilkolbens 7 definiert
ist. Der Strömungsquerschnitt
der Öffnung 12 ist
fixiert, um stabile Strömungsratencharakteristika
zu erzielen.
-
Die
Kolbenkammer 13 wird durch eine Einstellschraube 14 verschlossen.
Zwischen dem Hauptventilkolben 7 und der Einstellschraube 14 ist eine
Feder 15 angeordnet, um den Hauptventilkolben 7 in
Schließrichtung
des Hauptventils zu beaufschlagen. Die Einstellschraube 14 ist
so in den Körper 1 eingeschraubt,
dass die Federlast einstellbar sein kann.
-
Die
Kolbenkammer 13 kommuniziert über eine Pilotpassage 16 in
dem Körper 1 mit
einer Stromabseite des Hauptventils, d.h., mit einem Raum 4', der mit dem
Auslassanschluss 4 verbunden ist. Ein offenes Ende der
Pilotpassage 16 in dem Raum 4' dient als ein Pilotventilsitz 17.
Dem Pilotventilsitz 17 liegt von der Stromabseite ein kugelförmiges Pilotventilelement 18 axial
beweglich gegenüber,
das, in Zusammenwirken mit dem Pilotventilsitz 17, ein
Pilotventil 17, 18 konstituiert. Das Pilotventilelement 18 wird
durch einen Schaft 19 gehalten.
-
In
Ausrichtung mit dem Pilotventil 18 ist in einem Körperzylinder 1' ein Pilotkolben 20 (2)
axial beweglich angeordnet, der von unten durch eine Feder 21 beaufschlagt
ist. Der Körperzylinder 1' kommuniziert
mit der Einführkammer 2' für das Kältemittel.
Der Einlassdruck P1 wirkt auf den Pilotkolben 20 in Öffnungsrichtung
des Pilotventils 17, 18.
-
Der
Körperzylinder 1' besitzt einen
Innendurchmesser gleich dem des Pilotventilsitzes 17, so dass
das Pilotventil 18 und der Pilotpisten 20 gleich große druckaufnehmende
Flächen
haben können. Somit
erhalten das Pilotventilelement 18 und der Pilotpisten 20 in
entgegengesetzten Richtungen denselben mittleren Druck P2, der in
der Kolbenkammer 13 herrscht. Der Mitteldruck P2 hat auf
Bewegungen des Pilotventils 17, 18 keinen Einfluss.
Das Pilotventil 17, 18 spricht exklusiv auf einen
Differentialdruck zwischen den Einlass- und Auslassdrücken an.
-
An
dem Körper 1 ist
ein das Pilotventil 17, 18 steuernder Magnet angeordnet,
der eine mit dem Pilotventil 17, 18 ausgerichtete
Hülse 22 aufweist.
Ein unteres Ende der Hülse 22 wird
gegen eine ringförmige
Packung 23 angepresst, um den Verbindungsbereich mit dem
Körper 1 von
außen
abzudichten.
-
In
der Hülse 22 ist
ein Plunger 24 axial beweglich angeordnet. An einem oberen
Endabschnitt der Hülse 22 ist
ein die Hülse
verschließender
Kern 25 festgelegt. Der Kern 25 ist ein hohles
Glied und hat innen ein Lager 26 eingeschraubt. Das Lager 26 kooperiert
mit einem Lager 27, das in einen unteren Teil der Hülse 22 eingeschraubt
ist, um beide Enden eines Schafts 28 an zwei Stellen abzustützen, der den
Plunger 24 so stützt,
dass der Umfang des Plungers 24 die innere Wand der Hülse 22 nicht
kontaktiert, um den Gleitwiderstand zu reduzieren. Zwischen dem
Plunger 24 und dem Lager 26 ist eine Feder 29 angeordnet,
die den Plunger 24 zu dem Pilotventil 17, 18 hin
vorspannt. Die Last der Feder 29 wird durch Variieren des
Abstandes eingestellt, über welchen
das Lager 26 eingeschraubt ist. Der Plunger 24 besitzt
eine untere Endfläche,
die durch einen E-Ring 30 gehalten wird, der auf dem Schaft 28 festgelegt
ist. Die Kraft der Feder 29 wird auf den Schaft 28 und
in der Folge in Ventilschließrichtung
auf das Pilotventil 17, 18 übertragen.
-
Ein
oberes offenes Ende des Kerns 25 ist mit einem Anschlagstopfen 31 und
einer Verriegelungsschraube 32 verschlossen. Die Hülse 22 und
der Kern 25 sind von einer elektromagnetischen Spule 33 umgeben,
die von einem Gehäuse 34 umfasst
wird, das als ein Joch dient. Das Gehäuse 34 ist auf einen oberen
Teil des Körpers 1 aufgeschraubt.
-
Wenn
der elektromagnetischen Spule kein Strom zugeführt wird, und in den Einlassanschluss 2 kein
Kältemittel
eingeführt
wird, dann ist das Hauptventilelement 6 durch die Feder 15 auf
den Hauptventilsitz 5 aufgesetzt. Das Hauptventil befindet
sich in einem geschlossenen Zustand. Das Pilotventil 18 ist
auf dem Pilotventilsitz 17 durch die Feder 29 aufgesetzt,
die eine höhere
Federkraft hat als die Feder 21. Das Pilotventil 17, 18 befindet
sich in einem geschlossenen Zustand. Wenn in den Einlassanschluss 2 Kältemittel
mit hohem Einlassdruck P1 eingeführt wird,
dann strömt
das Kältemittel
in die Einführkammer 2' für das Kältemittel,
die den oberen Teil des Hauptventilkolbens 7 umgibt.
-
Der
Pilotkolben 20 wird vom Einlassdruck P1 auf seiner unteren
Endfläche
beaufschlagt. Da jedoch die druckaufnehmende Fläche klein ist, kann der Pilotkolben 20 das
Pilotventilelement 18 nicht anheben, sogar falls er durch
den Einlassdruck P1 unterstützt
wird. Das Pilotventil 17, 18 bleibt voll geschlossen.
Das Kältemittel
strömt
allmählich
von der Einführkammer 2' für das Kältemittel
durch die Öffnung 12 in
die Kolbenkammer 13. Der Mitteldruck P2 in der Kolbenkammer 13 steigt
graduell an und wird durch die Pilotpassage 16 in das Pilotventil
eingeführt.
Der Mitteldruck P2 übt
keinen Einfluss auf das Pilotventil aus.
-
Nachfolgend
wird der elektromagnetischen Spule 33 ein vorbestimmter
Steuerstrom zugeführt. Der
Plunger 24 wird von dem Kern 25 angezogen. Die
Kraft der Feder 29 wird vermindert und der Pilotkolben 20 hebt
mit Hilfe des Einlassdrucks P1 das Pilotventil 18 an und
stellt einen vorbestimmten Pilotventilhub ein. Kältemittel strömt aus der
Kolbenkammer 13 durch das Pilotventil 17, 18 in
den Auslassanschluss 4. Der Mitteldruck P2 wird verringert.
Der Hauptventilkolben 7 bewegt sich gegen die Kraft der Feder 15 nach
unten. Das Hauptventil 5, 6 öffnet und das Kältemittel
strömt
von dem Einlassanschluss 2 zum Auslassanschluss 4.
In diesem Zustand operieren der Pilotkolben 20 und das
Pilotventilelement 18 des Pilotventils unter Ansprechen
auf einen Differentialdruck zwischen den Einlass- und Auslassdrücken P1
und P3. Falls der Einlassdruck P1 ansteigt, dann bewegt der Pilotkolben 20 das
Pilotventil in der Ventilöffnungsrichtung,
um den Mitteldruck P2 in der Kolbenkammer 13 zu vermindern.
Demzufolge bewegt sich der Hauptventilkolben 7 nach unten,
um das Hauptventil weiter zu öffnen,
wodurch der Einlassdruck P1 verringert wird. Umgekehrt, falls der
Einlassdruck P1 absinkt, dann bewegt der Pilotkolben 20 das
Pilotventil in Ventilschließrichtung,
um den Mitteldruck P2 in der Kolbenkammer 13 anzuheben,
und bewegt sich demzufolge der Hauptventilkolben 7 nach
oben, um das Hauptventil weiter zu schließen und den Einlassdruck P1
zu erhöhen.
Der Differentialdruck zwischen den Einlass- und Auslassdrücken P1
und P3 wird konstant gehalten. Darüber hinaus erhält der Pilotkolben 20 des
Pilotventils den Einlassdruck P1 direkt und derart, dass jegliche
Druckvariationen in dem Einlassanschluss 2 in Echtzeit
zu dem Pilotventil 17, 18 übertragen werden. Demzufolge spricht
das Pilotventil 17, 18 mit hoher Empfindlichkeit
auf Einlassdruckvariationen an und operiert das Hauptventil 5, 6 ebenfalls
unter Ansprechen auf die Bewegung des Pilotventils 17, 18.
Da auch das Hauptventil somit auf Variationen des Einlassdrucks P1
beinahe in Echtzeit anspricht, kann ein Hunting des Ventils unterdrückt werden.
-
In
dem Differentialdrucksteuerventil der Ausführungsform in 3,
welche nicht zu der Erfindung gehört, wird Druck durch das Pilotventil 17, 18 in
die Kolbenkammer 13 eingeführt und aus der Kolbenkammer 13 durch
eine Öffnung 35 abgegeben,
die in dem Hauptventilkolben 7 ausgebildet ist.
-
Ein
Stopfen 36 definiert eine Einführkammer 2' für das Kältemittel,
die mit dem Einlassanschluss 2 kommuniziert. Der Stopfen 36 enthält eine
den Hauptventilsitz 5 definierende axiale Ventilöffnung. Das
Hauptventilelement 6 liegt dem Hauptventilsitz 5 von
der Stromaufseite gegenüber.
Das Hauptventilelement 6 wird durch die Feder 15 in
Ventilschließrichtung
vorgespannt. Der Hauptventilkolben 7 besitzt eine größere druckaufnehmende
Fläche
als das Hauptventilelement 6. Der Kolben 7 ist
an der Stromabseite des Hauptventils 5, 6 axial
beweglich angeordnet. Der Hauptventilkolben 7 ist durch
einen Schaft 37 mit dem Hauptventilelement 6 gekoppelt, welcher
Schaft sich durch die Ventilöffnung
des Hauptventilsitzes 5 erstreckt. Ein Raum 4' zwischen dem
Stopfen 36 und dem Hauptventilkolben 7 kommuniziert
mit dem Auslassanschluss 4.
-
Der
Hauptventilkolben 7 ist ein hohler Topfkolben, der am dem
Stopfen 36 abgewandten Ende offen ist. Die hohle Kavität konstituiert
die Kolbenkammer 13. In der Kolbenkammer 13 ist
eine Feder 38 angeordnet, die den Hauptventilkolben 7 in Öffnungsrichtung
des Hauptventils 5, 6 beaufschlagt. Eine Öffnung 35 verbindet
jeweils die Kolbenkammer 13 mit dem Auslassanschluss 4 oder
dem Raum 4'.
-
Der
Gleitbereich des Hauptventilkolbens 7 wird durch die Membrane 8 abgedichtet.
Ein innerer Randbereich der Membrane 8 ist zwischen dem Hauptventilkolben 7 und
dem fixierenden Ring 9 eingeklemmt, und ein äußerer Randbereich
ist zwischen dem Körper 1 und
dem zylindrischen Glied 10 eingeklemmt. Die Membrane 8 lässt eine
axiale Bewegung des Hauptventilkolbens 7 zu und verhindert
jegliche Leckage durch den Gleitbereich des Hauptventilkolbens 7.
-
Der
Körper 1 enthält eine
Pilotpassage 39, die die Einführkammer 2' für das Kältemittel über das Pilotventil 17, 18 mit
der Kolbenkammer 13 verbindet. Ein offenes Ende der Pilotpassage 39 in
einem mit der Kolbenkammer 13 kommunizierenden Raum definiert
den Pilotventilsitz 17 für das Pilotventilelement 18.
Das Pilotventilelement 18 erhält eine vom Magneten ausgeübte Kraft
durch den Pilotkolben 20, dessen äußerer Durchmesser gleich dem
inneren Durchmesser des Pilotventilsitzes 17 ist. Der Pilotkolben 20 wird durch
einen Halter 40 geführt,
der in den Körper 1 fest
eingepasst ist. Eine zum Magneten weisende Endfläche des Pilotkolbens 20 ist
dem Druck in einem Raum ausgesetzt, der durch eine Körperpassage 41 mit
dem Auslassanschluss 4 kommuniziert. Das Pilotventilelement 18 und
der Pilotkolben 20 werden von den Einlass- und Auslassdrücken P1
und P3 beaufschlagt und bewegen sich unter Ansprechen auf einen
Differentialdruck zwischen diesen Drücken.
-
Wenn
der elektromagnetischen Spule 33 kein Strom zugeführt und
auch kein Kältemittel
eingeführt
wird, sind sowohl das Hauptventil 5, 6 als auch das
Pilotventil 17, 18 voll geschlossen. Sogar dann, falls
Kältemittel
mit hohem Einlassdruck P1 im Einlassanschluss 2 ansteht,
verbleibt das Hauptventil 5, 6 geschlossen, da
auch das Pilotventil 17, 18 geschlossen ist.
-
Wenn
der Spule 33 ein vorbestimmter Steuerstrom zugeführt wird,
dann wird der Plunger 24 zu dem Kern 25 gezogen.
Das Pilotventilelement 18 und der Pilotkolben 20 werden
durch den Einlassdruck P1 aufwärts
verschoben, so dass das Pilotventil 17, 18 einen
vorbestimmten Ventilhub ausführt.
Der Einlassdruck P1 wird durch das Pilotventil 17, 18 in
die Kolbenkammer 13 eingeführt, und ein sich daraus ergebender
Anstieg des Mitteldrucks P2 bewirkt, dass der Hauptventilkolben 7 das
Hauptventil über
den Schaft 37 öffnet.
Das Kältemittel
strömt
zum Auslassanschluss 4.
-
Der
Pilotkolben 20 und das Pilotventilelement 18 sprechen
auf einen Differentialdruck zwischen den Einlass- und Auslassdrücken P1
und P3 an. Das unter Ansprechen auf die Steuerung durch das Pilotventil 17, 18 arbeitende
Hauptventil steuert derart, dass der Differentialdruck zwischen
den Einlass- und Auslassdrücken
P1 und P3 konstant bleibt.