DE69602217T2

DE69602217T2 - Elektrisch gesteuertes Expansionsventil und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE69602217T2
Application number: DE69602217T
Authority: DE
Inventors: Robert J. Torrence
Original assignee: Eaton Corp
Current assignee: Eaton Corp
Priority date: 1995-02-17
Filing date: 1996-02-14
Publication date: 1999-11-25
Anticipated expiration: 2016-02-15
Also published as: ES2132785T3; DE69602217D1; EP0728971A1; US5544857A; EP0728971B1

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektrisch betriebene Ventile der Bauart, die für die Kontrolle bzw. Steuerung der Ausdehnung eines in einem Strömungsmittelflußsystem fließenden Strömungsmittels verwendet wird. In Kühl- oder Klimatisierungssystemen können elektrisch betriebene Expansionsventile zur Steuerung des Flusses eines Kühlmittels zum Verdampfer oder endothermischen Wärmetauscher verwendet werden, um den gewünschten Betrag an Überhitzung des Kühlmittels beizubehalten, das vom Verdampfer ausgestoßen wird. Zu diesem Zweck war es übliches Vorgehen, ein mechanisches, thermisch ansprechendes Expansionsventil zur Regelung des Kühlmittelflusses zum Verdampfer in einem Kühl- oder Klimatisierungssystem zu verwenden. Mechanische, thermostatische Expansionsventile verwenden typischerweise eine hermetisch gedichtete, flüssigkeitsgefüllte Kammer, welche die Temperatur des Kühlmittels abfühlt, das vom Verdampfer abgelassen bzw. ausgestoßen wird; und die Temperaturveränderungen der Flüssigkeit bewirken eine Ausdehnung oder Kontraktion desselben, dessen Kräfte an ein druckansprechendes Diaphragma angelegt werden, um ein Ventilelement zur Steuerung des Flusses in der Leitung zum Verdampfer zu bewegen. Mechanische, thermostatische Expansionsventile haben eine breite Verwendung erfahren, jedoch haben sie den Nachteil, daß sie nur auf eine Temperatur im System reagieren und nicht vorausschauend auf Umgebungszustände. Zudem erleiden mechanische, thermostatische Expansionsventile eine Verschlechterung der hermetischen Dichtung der Kammer bei einer andauernden Verwendung und einen Verlust Flüssigkeit geht aus der Kammer. Es ist daher wünschenswert, eine elektrische Steuerung für das Kühlmittelexpansionsventil in einem Kühl- und Klimatisierungssystem vorzusehen, insbesondere einem Klimatisierungssystem, das in Motorfahrzeugen verwendet wird, wo die Rate des Wechsels von Umgebungszuständen und die thermische Belastung relativ hoch ist.
Demgemäß war es lange wünschenswert, eine einfache Konstruktion für ein elektrisches Ventil vorzusehen, das geeignet für die Steuerung der Ausdeh nung bzw. Expansion und des Flusses eines Kühlmittels ist, und welches verläßlich ist und niedrige Herstellungskosten nach sich zieht, und welches ein mechanisches, thermostatisches Expansionsventil ersetzen kann.
Im Stand der Technik, wie im US-A-4896860 dargestellt, wird ein Ventil offenbart, das einen Anker, Elektromagnetmittel, ein Gleitrohr mit Quer- bzw. Kreuzanschlüssen aufweist, welche aufeinander folgend durch den gleitenden, hülsenförmigen Anker freigelegt werden. Ein Flansch ist zwischen dem Elektromagneten und dem Ventilkörper angeordnet. Die Ankerführungsmittel sind an der Innenwand einer zylindrischen Öffnung innerhalb des Flansches angebracht.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein elektrisch betriebenes, elektromagnetisch betätigtes Expansionsventil vorzusehen, welches einfach im Zusammenbau und zuverlässig ist und eine verhältnismäßig niedrige Leistung für seinen Betrieb erfordert.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein elektromagnetbetriebenes Expansionsventil vorzusehen, das geeignet zur Steuerung eines Kühlmittelflusses ist und welches eine Ventilhülse besitzt, die gleitbar über einer Röhre ist, um abfolgend Queranschlüsse freizulegen, und zwar ansprechend auf einen angesteigenden Pegel der Anregung des Elektromagneten.
Es ist ferner ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein elektromagnetbetätigtes Expansionsventil vorzusehen, welches eine hohle, rohrförmige Ventilhülse besitzt, die über einer rohrförmigen Führung gleitbar ist, wobei die Ventilhülse einen Queranschluß darin besitzt, wobei die Ventilhülse für eine Bewegung durch einen elektromagnetischen Anker verbunden ist.
Es ist ferner ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein elektromagnetbetätigtes elektrisches Expansionsventil vorzusehen, das zur Steuerung eines Kühlmit telflusses geeignet ist und welches eine nichtmagnetische Ankerführung besitzt, die einen Teil der Ventilkammer bildet, wobei ein Polstück am entfernten Ende der Ankerführung angebracht ist, und welches einen erhöhten Fluß bzw. eine erhöhte Strömung mit ansteigender Anregung des Elektromagneten vorsieht.
Die Erfindung ist in Anspruch 1 definiert, der eine elektrisch betriebene Ventilanordnung beschreibt, und in Anspruch 12, der ein Verfahren zur Herstellung des Ventils beschreibt.
Die vorliegende Erfindung sieht ein elektromagnetbetriebenes Expansionsventil mit einer Gleitröhre mit Queranschlüssen vor, wobei das Gleitrohr als ein becherförmiges Glied ausgebildet ist und über dem Ventileinlaß angebracht ist. Eine Ventilhülle bzw. Ventilhülse ist gleitbar über dem Gleitrohr aufgenommen und darauf geführt und mit einem ferromagnetischen Anker zur Bewegung mit demselben verbunden. Die Ventilhülse kann auf dem Anker rutschen, und zwar in eine Richtung quer zur Bewegungsrichtung. Der Anker ist durch eine nichtmagnetische Ankerführung geführt, die dichtend an dem Ventilkörper angebracht ist, wobei ein stationäres Polstück am entfernten Ende der Ankerführung angebracht ist. Ansteigende Pegel der Anregung des Elektromagneten bewirken die Bewegung des Ankers, um fortschreitend die Queranschlüsse in der Führungsröhre für einen erhöhten Fluß freizulegen. Bevorzugterweise ist der externe Polrahmen des Elektromagneten am stationären Polstück gesichert, das an der Ankerführung angebracht ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht eines zusammengebauten Ventils der vorliegenden Erfindung, und zwar entlang der Symmetrieebene.

Detaillierte Beschreibung

Unter Bezugnahme auf die Zeichnung ist die Ventilanordnung im allgemeinen bei 10 bezeichnet und besitzt einen Ventilkörper 12 mit einem Auslaßdurchlaß 14 und einem Einlaßdurchlaß 16. Eine Ventilkammer 18 ist im Körper 12 ausgebildet und mit sowohl dem Einlaßdurchlaß 14 als auch dem Auslaßdurchlaß 16 verbunden. Ein nicht magnetisches Gleitglied 20, bevorzugterweise aus rostfreiem Stahl, mit einer im allgemeinen becherförmigen Konfiguration mit einem ringförmigen, sich radial nach außen erstreckenden Flansch 22, der um sein offenes Ende geformt ist, ist in der Ventilkammer angeordnet und hat den Flansch 22 über dem Durchlaß 14 angebracht und ist darum herum mittels geeigneter Hilfsmittel gesichert, wie beispielsweise einer Metalldeformation, die durch eine gestemmte bzw. genietete Vertiefung 24 angezeigt ist.
Das Gleitrohr 20 besitzt zumindest einen, bevorzugterweise ein Paar von diametral gegenüberliegenden Anschlüssen 26, die darin vorgesehen sind. Die Ventilhülse 28 ist gleitbar über dem Gleitrohr 20 in einer engpassenden Anordnung aufgenommen und die Hülse 28 besitzt einen sich radial nach außen erstreckenden ringförmigen Flansch 30, der darauf ausgebildet ist. In der derzeit bevorzugten Ausführung ist die Ventilhülse 28 aus nichtmagnetischem Edelstahl bzw. rostfreiem Stahl ausgebildet.
Der Ventilhohlraum bzw. die Ventilkammer 18 ist durch ein Ankerführungsrohr 32 abgeschlossen, das aus nichtmagnetischem Material geformt und an seinem oberen Ende abgeschlossen ist, wobei sein gegenüberliegendes oder unteres Ende einen daran ausgebildeten ringförmigen, sich radial nach außen erstreckenden Flansch 34 besitzt, und es ist im flachen Boden 36 einer Gegenbohrung eingepaßt, die im Körper 12 ausgebildet ist, und es wird dagegen durch einen Haltering 38 gehalten, welcher in der darliegenden Ausführung der Erfindung über das Rohr 32 aufgenommen ist, und zwar in einem geschraubten Eingriff mit dem Körper 12 gegen den Flansch 34 gelagert bzw. gedrückt ist. Der Flansch 34 ist an seiner Unterseite durch einen Dichtring 40 gedichtet, der in einer ringförmigen Nut 42 aufgenommen ist, die im Boden 36 der Gegenbohrung ausgebildet ist. Bei der vorliegenden Ausführung der Erfindung wird das Oberende des Führungsrohrs 32 durch ein Magnetpolstück 44 abgeschlossen, welches an dem Führungsrohr 32 gesichert und daran gedichtet ist, bevorzugterweise durch eine Schweißung 46.
Ein Anker 48, der aus Material mit einer hohen magnetischen Permeabilität gebildet ist, ist gleitbar in der Ankerführung 32 aufgenommen; und der Anker besitzt eine Vorspannfeder 50, deren unteres Ende gegen das obere Ende des Ankers 48 eingepaßt ist, und wobei das obere Ende der Feder 50 gegen die Unterseite des Polstücks 44 eingepaßt ist. Die Feder zwingt den Anker in eine Richtung nach unten. Es sei verstanden, daß das Oberende des Ankers 48 einen Luftspalt zwischen dem Polstück 44 definiert; und die nach oben gerichtete Wegstrecke des Ankers 48 ist dadurch eingeschränkt, daß das Oberende des Ankers das Polstück kontaktiert, wodurch der Luftspalt geschlossen wird.
Das untere Ende des Ankers 48 besitzt einen Teil mit reduziertem Durchmesser 52, welcher eine Ausnehmung in der Form einer Blindbohrung 54 darin ausgebildet hat, um einen Freiraum für das obere Ende des Gleitrohrs 20 vorzusehen. Der Ankerteil 52 besitzt eine ringförmige Nut 56, die darum herum ausgebildet ist, welche in ihr eine ringförmige Rippe 58 im Eingriff besitzt, welche um den inneren Umfang eines ringförmigen Bund- bzw. Kragenglieds 60 ausgebildet ist. Der Kragen 60 besitzt einen sich radial nach innen erstreckenden ringförmigen Flansch 62, der darauf ausgebildet ist, welcher gegen die Unterseite des Flansches 30 der Ventilhülse eingepaßt ist und die Hülse in Passung gegen das untere Ende des Ankers 48 hält. Es sei verstanden, daß der äußere Umfang des Flansches 30 auf der Ventilhülse 28 kleiner im Durchmesser ist, als der Innenumfang des Kragens 60, um eine relative radiale Bewegung der Ventilhülse 28 bezüglich des Ankers und des Kragens 60 zu erlauben. Diese Anordnung erlaubt, daß die Ventilhülse 28 eng gegen das Gleitrohr 20 gepaßt und durch dieses geführt wird, und zwar in einer engpassenden Präzisionsanordnung, jedoch daß der Anker relativ dazu in eine Querrichtung bewegbar ist, so wie es nötig ist, um die Passung und die Plazierung des Ankers in der Führung 32 aufzunehmen, und zwar ohne eine enge Toleranzsteuerung der Dimensionen des Ankers oder des Führungsrohrs zu be nötigen. Es sei verstanden, daß diese Anordnung erlaubt, daß die Ventilhülse 28 reibungsmäßig seitlich rutscht, und zwar bezüglich dem Anker, jedoch die Hülse 28 in der Längsrichtung am Anker zur Bewegung mit demselben befestigt ist. Diese Anordnung erlaubt somit eine Präzisionspassung der Ventilhülse 28 über den äußeren Umfang der Seitenwand des Gleitrohrs 20; und der Anker und der Kragen 60 sehen einen Freiraum für das Gleitrohr und die Ventilhülse 28 vor.
Der Kragen 60 besitzt einen sich radial nach außen erstreckenden Flansch 64, der an seinem unteren Ende zur Passung gegen den Körper ausgebildet ist, um eine Bewegung des Ankers 48 nach unten einzuschränken.
Eine Wicklungsspule 66 ist über der Ankerführung aufgenommen und auf ihr ist eine gewünschte Anzahl von Wicklungen von leitendem Draht 68 gewickelt, um eine Elektromagnetspule zu bilden. In der vorliegenden Ausführung der Erfindung sind die Wicklung und die Spule durch ein geeignetes Plastikmaterial eingekapselt, wie durch Bezugszeichen 70 bezeichnet.
Die Ankerführung 56 besitzt eine Polbeilagscheibe 72, die darauf aufgenommen ist und gegen den Körper 12 gepaßt ist und an ihrem äußeren Umfang durch einen Polrahmen 74 kontaktiert wird, welcher sich nach oben und über das obere Ende der Spule erstreckt. Der Rahmen 74 besitzt einen Ausschnitt 76, der darin ausgebildet ist zum Eingriff mit einem Teil mit reduziertem Durchmesser 78 des Polstücks 44, und der Rahmen 74 ist darüber durch ein Befestigungsmittel 80 gehalten, welches vom Typ der Reibungsbefestigungsmittel oder vom Gewindetyp sein kann.
Im Betrieb, wenn der durch den Spulendraht 68 fließende Strom erhöht wird, werden die magnetischen Kräfte der Anziehung zwischen dem Polstück 44 und dem Anker 48 erhöht und überwinden die Vorspannung der Feder 50 und bewegen den Anker nach oben, was bewirkt, daß das Ende der Ventilhülse 28 fortschreitend die Anschlüsse 26 freilegt und eine erhöhte Strömung durch diese zum Auslaßdurchlaß 16 erlaubt. Die Ventilkonstruktion der vorliegenden Erfindung sieht somit eine einfache Konstruktion vor, welche leicht zusammenbaubar ist und welche eine Präzisionspassung der Ventilhülse 28 über das Gleitrohr 20 vorsieht, und zwar für eine genaue Ventilfunktion und für eine minimale Restströmung, wenn die Anschlüsse im nichtangeregten Zustand des Elektromagneten abgedeckt sind.
Obwohl die vorliegende Erfindung bezüglich der dargestellten Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, sei verstanden, daß die Erfindung zugänglich für Modifikationen und Variationen ist und nur durch die folgenden Ansprüche eingeschränkt ist.

Claims

1. Eine elektrisch betätigte Ventilanordnung (10), die folgendes aufweist:

a) Körpermittel (12), die einen Einlaß (16), einen Auslaß (14) und eine Ventilkammer (18) definieren, welche mit dem Einlaß (16) und dem Auslaß (14) in Verbindung steht;

b) Ankerführungsmittel (56) mit einer rohrförmigen Konfiguration und gebildet aus nichtmagnetischem Material mit einem ersten geflanschten Ende, angebracht und gehalten gegen die Körpermittel (12) und daran abgedichtet oder versiegelt zur Bildung eines Teils der Ventilkammer (18);

c) einen aus einem Material hoher magnetischer Permeabilität geformten Anker (48), der gleitbar in den Rohrführungsmitteln (56) angeordnet ist;

d) ein Gleitrohr (20), angebracht mit einem Ende an dem Auslaß (14) und mit einem anderen Ende entfernt gegenüber dem erwähnten einen Ende abgeschlossen und sich in die Ventilkammer (18) erstreckend, wobei das Rohr mindestens einen Queranschluß darinnen ausgebildet besitzt;

e) eine Ventilhülse (28), angebracht an dem Anker (48) zur Bewegung damit und gleitend in Eingriff stehend mit dem Gleitrohr (20) in eng passender Anordnung; und

f) Elektromagnetmittel (68), angeordnet um die Ankerführungsmittel (56) herum und bei elektrischer Erregung in Betrieb zur Bewirkung der Bewegung des Ankers (48), wobei die Ventilhülse (28) mindestens einen Queranschluß in den enterregten Zustand der Elektromagnetmittel (68) abdeckt und die Ventilhülse (28) diesen mindestens einen Queranschluß fortlaufend freilegt, und zwar mit ansteigenden Erregungspegeln der Elektromagnetmittel (68).

2. Ventilanordnung nach Anspruch 1, wobei die rohrförmigen Führungsmittel (56) ein ferromagnetisches Polstück (44) an einem Ende davon aufweisen, und zwar entfernt gelegen von der Anbringung an dem Körper (12).

3. Ventilanordnung nach Anspruch 1, wobei das Gleitrohr (20) das erwähnte andere Ende am Körper (12) durch Materialdeformation befestigt aufweist.

4. Ventilanordnung nach Anspruch 1, wobei das Ankerführungsglied mit seinem geflanschten Ende an dem Körper befestigt ist, und zwar durch einen mit dem Flansch ausgerichteten Haltering.

5. Ventilanordnung nach Anspruch 1, wobei die Ventilhülse am Anker in der Bewegungsrichtung befestigt ist und in einer Richtung quer zu dieser Bewegung schweben oder schwimmen kann.

6. Ventilanordnung nach Anspruch 1, wobei das Gleitrohr ein Paar von diametral entgegengesetzten Queranschlüssen aufweist.

7. Ventilanordnung nach Anspruch 1, wobei das Ankerführungsglied ein ferromagnetisches Polstück, befestigt an einem Ende davon aufweist, und wobei der Elektromagnet einen Magnetpolrahmen ausgerichtet damit besitzt.

8. Ventilanordnung nach Anspruch 1, wobei ferner Vorspannmittel vorgesehen sind, welche die Ankermittel in einer Richtung vorspannen, um die Hülse über den mindestens einen Queranschluß zu schließen.

9. Ventilanordnung nach Anspruch 1, wobei die Hülse auf den Anker durch ein rohrförmiges Glied schnappverriegelt darauf gehalten ist.

10. Ventilanordnung nach Anspruch 1, wobei das Gleitrohr an einem Ende geflanscht ist mit dem Material des Körpers, deformiert gegen den Flansch zum Halten des Gleitrohrs darauf.

11. Ventilanordnung nach Anspruch 1, wobei der Elektromagnet eine Spule und einen Polrahmen aufweist mit einem Ausschnitt darinnen, aufgenommen über einen Teil der Ankerführung und gehalten darauf durch ein Befestigungsmittel.

12. Verfahren zur Herstellung eines elektrisch betätigten Expansionsventils nach Anspruch 1, wobei folgendes vorgesehen ist:

a) Formen eines Körpers (12) mit einem Ventilhohlraum (18), der mit einem Einlaß (16) und einem Auslaß (14) in Verbindung steht;

b) Anordnen eines napfförmigen Gleitrohrglieds (20) mit einer Öffnung in der Seitenwand davon in dem Hohlraum (18) und Befestigung des offenen Endes davon über den Auslaß (14);

c) Anordnen eines Ankers (48) aus Material einer hohen magnetischen Permeabilität mit einer Ventilhülse (28), angebracht daran über dem napfförmigen Gleitrohrglied (20);

d) Schließen des Hohlraums (18) mit einem rohrförmigen Führungsglied und Abdichten eines geflanschten Endes des Führungsglieds an dem Körper (12),

wobei das Führungsglied den Anker für eine Gleitbewegung darinnen führt;

e) Anordnen eines Elektromagneten (68) über dem Führungsglied in einer Art und Weise, daß der Anker (48) und die Hülse (28) elektromagnetisch derart beweglich sind, daß die Anschlußöffnung progressiv geöffnet werden kann.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt des Anordnens eines Elektromagneten den Schritt des Anbringens eines Magnetpolrahmens an dem Ankerführungsglied umfaßt.

14. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt des Schließens des Hohlraums den Schritt des Formens des rohrförmigen Gliedes aus nicht-magnetischen Material umfaßt und das Anbringen eines ferromagnetischen Polstückes daran.

15. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt des Anordnens einer Ventilhülse das Anbringen einer Hülse an dem Anker umfaßt und das Bewegen der Hülse damit und Gestatten einer Querschwimmbewegung davon bezüglich des Ankers.

16. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt des Schließens des Hohlraums der Schritt der Flanschbildung des rohrförmigen Gliedes umfaßt und das Anordnen eines Ringgliedes über den Flansch und die Befestigung des Rings am Körper.

17. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt des Anordnens eines Elektromagneten die Schritte des Anbringens eines ferromagnetischen Polstückes an dem Führungsglied umfaßt und das Befestigen eines Magnetpolrahmens an dem Polstück.

18. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt des Anordnens einer Ventilhülse das Formen eines Flansches an der Hülse umfaßt und das Anordnen eines Halters über dem Flansch und die Befestigung des Halters an dem Anker.