EP1722175A2 - Differenzdruckventil - Google Patents

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EP1722175A2
EP1722175A2 EP06008346A EP06008346A EP1722175A2 EP 1722175 A2 EP1722175 A2 EP 1722175A2 EP 06008346 A EP06008346 A EP 06008346A EP 06008346 A EP06008346 A EP 06008346A EP 1722175 A2 EP1722175 A2 EP 1722175A2
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EP
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differential pressure
pressure valve
valve according
channel
material strip
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EP06008346A
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Michael Dipl.-Ing. Sickelmann
Achim Dipl.-Ing. Wiebelt
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Mahle Behr GmbH and Co KG
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Behr GmbH and Co KG
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    • F25B41/33—Expansion valves with the valve member being actuated by the fluid pressure, e.g. by the pressure of the refrigerant
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25B9/002—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant
    • F25B9/008—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant the refrigerant being carbon dioxide

Definitions

  • the invention relates to a differential pressure valve (delta-P valve), in particular for an expansion element of an automotive air conditioning system, according to the preamble of claim 1.
  • delta-P valve differential pressure valve
  • a known differential pressure valve 101 is shown as a schematic diagram.
  • the flow of refrigerant through a throttle point 102 by means of a valve pin 103 is controlled with a conical head 104 in conjunction with a spring 105 schematically indicated in the drawing.
  • the pressures in the spaces or flow channels separated by the restriction 102 are indicated by HD (high pressure side) and SD (suction pressure side), with the normal flow direction from the high pressure side HD to the suction pressure side SD.
  • the head 104 is in this case arranged suction pressure side and the shaft of the valve pin 103 penetrates the throttle opening.
  • the spring 105 is arranged on the high pressure side.
  • a disadvantage of this known differential pressure valve is that there is a nearly linear relationship between the free flow cross-section and the applied pressure difference, which is not desirable in all applications.
  • a differential pressure valve in particular for an expansion element of an automotive air conditioning system, for regulating a flow of a fluid as a function of a pressure difference, which is present between the high pressure side and the suction pressure side of the differential pressure valve, wherein the differential pressure valve has a throttle element which regulates the flow through a throttle point , and wherein the throttle element is formed by at least one strip of material which is arranged in a channel.
  • the strip of material is preferably elastically deformable, wherein it can bend as a function of the pressure difference, so that at no or low pressure difference, the channel is closed by the strip of material, while the channel is increasingly released with increasing pressure difference.
  • the strip of material at least partially made of a metal sheet and / or a bimetal, so that in particular in the latter case, the opening and closing characteristics of the differential pressure valve also has a temperature-dependent component.
  • the term "bimetal" is not limited to a combination of two metallic materials having different thermal expansion coefficients. Rather, the material / materials used may be, for example, plastics or even shape memory materials.
  • the differential pressure valve may be cheaper than conventional differential pressure valves.
  • the strip of material is preferably attached with its one end fixed to a channel wall, while the other, free end protrudes into the channel and at the pressure difference, which causes a complete opening of the Differenz horrvenfiils, ie at maximum fluid flow, is bent in the direction of the channel wall at the if appropriate, the free end or a larger area of the strip of material can also then rest.
  • the channel is preferably formed at least in the region in which the strip of material is arranged with a rectangular cross-section.
  • two strips of material are provided, which are attached to opposite channel walls, wherein they rest in the closed state with their free ends to each other.
  • This embodiment allows a shortening of the space in the Compared to the embodiment with only one strip of material, which, however, may be less expensive to produce.
  • the ends of the two strips of material lie sealingly or substantially sealingly against one another in the quiescent state, but also that in the quiescent state a small residual passage cross section remains between the two ends of the strips of material.
  • the free end is in the closed state of the differential pressure valve preferably under bias on the opposite channel wall or at a corresponding free end of a second strip of material, so that a certain differential pressure must be present to open the differential pressure valve.
  • a slight bias is sufficient to allow a safe closing and thus prevent backflow of fluid under unfavorable pressure conditions.
  • no bias or is also a remaining Rest miclassquerites idle state conceivable.
  • the strip of material is mounted in the channel so that the free end thereof projects in the direction of the suction pressure side, so that the valve closes automatically in the case of a backflow, but the flow resistance is relatively low in the fully or partially opened state.
  • the flexible total strip length of material i. for two strips of material, the sum of the individual strips of material strip, is preferably at least twice as large as the channel width. These length ratios allow a good function and a safe closing of the differential pressure valve.
  • the throttle cross-section is preferably disproportionately greater for large pressure differences than for small pressure differences, so that at maximum power requirement and sufficient fluid can flow through the differential pressure valve.
  • differential pressure valves can be used, for example, as an expansion element in automotive air conditioning systems. Also, a use in heat pumps is possible, which are to be flowed through in one direction, in which case the bimetallic characteristic integrated into the valve function offers particular advantages.
  • a serving as an expansion element in a motor vehicle air conditioning differential pressure valve 1 has to control the refrigerant flow (refrigerant present R744) a throttle point 2 with a throttle element 3, wherein the throttle point 2 through a channel 4 with a rectangular cross-section and two on opposite channel walls with its one end 5a attached sheet metal strip 6 is formed.
  • the metal strip 6 is in the present case, bimetallic sheet metal strips.
  • the metal strips 6 are mounted on the channel wall, that at temperatures of the refrigerant, in which normally the differential pressure valve 1 is closed, biased against the other, free end 5b abut each other and close the channel 4 tight.
  • the sheet metal strips 6 bend elastically, wherein deformation of the sheet metal strips 6 as a result of the bimetallic characteristic occurs in the event of a temperature increase, and the throttle point 2 opens gradually. With further increasing pressure difference and associated increased fluid mass flow, the throttle opening is further released, so that there is a non-linear relationship between the pressure difference and the released flow cross-section, which is related to the flow rate.
  • only one bimetal sheet metal strip 6 is provided, which is attached with its one end 5a to a channel wall and rests with the other, free end 5b in the closed state on the opposite channel wall.
  • the metal strip 6 releases the channel 4 as a function of the temperature and the differential pressure between the high pressure side HD and the suction pressure side SD.
  • the function thus substantially corresponds to that of the first embodiment.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Differenzdruckventil (1), insbesondere für ein Expansionsorgan einer Kraftfahrzeugklimaanlage, zur Regelung eines Durchflusses eines Fluids in Abhängigkeit einer Druckdifferenz, die zwischen der Hochdruckseite (HD) und der Saugdruckseite (SD) des Differenzdruckventils (1) anliegt, wobei das Differenzdruckventil ein Drosselelement (3), das den Durchfluss durch eine Drosselstelle (2) regelt, aufweist, und das Drosselelement (3) durch mindestens einen Blechstreifen (6) gebildet ist, der in einem Kanal (4) angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Differenzdruckventil (Delta-P-Ventil), insbesondere für ein Expansionsorgan einer Kraftfahrzeugklimaanlage, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • In Fig. 5 ist ein bekanntes Differenzdruckventil 101 als Prinzipskizze dargestellt. Hierbei wird der Durchfluss von Kältemittel durch eine Drosselstelle 102 mit Hilfe eines Ventilstifts 103 mit einem konischen Kopf 104 in Verbindung mit einer in der Zeichnung schematisch angedeuteten Feder 105 geregelt. Die Drücke in den durch die Drosselstelle 102 getrennten Räumen oder Strömungskanälen sind durch HD (Hochdruckseite) und SD (Saugdruckseite) bezeichnet, wobei die normale Strömungsrichtung von der Hochdruckseite HD zur Saugdruckseite SD verläuft. Der Kopf 104 ist hierbei saugdruckseitig angeordnet und der Schaft des Ventilstifts 103 durchdringt die Drosselöffnung. Die Feder 105 ist hochdruckseitig angeordnet.
  • Nachteilig bei diesem bekannten Differenzdruckventil ist, dass ein nahezu linearer Zusammenhang zwischen dem freien Strömungsquerschnitt und der anliegenden Druckdifferenz besteht, welcher nicht in allen Anwendungsfällen erwünscht ist.
  • Aus der Patentschrift US 4,375,753 ist ein thermisch strombetätigtes Expansionsorgan bekannt, in welchem eine Ventilnadel mit Hilfe einer thermisch bedingten Verformung von Bimetallscheiben, die elektrisch beheizbar sind, betätigbar ist. Ein derartiges Ventil ist relativ kompliziert aufgebaut und lässt auch in Hinblick auf die Durchflusskennlinie noch Wünsche offen.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Differenzdruckventil zur Verfügung zu stellen.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Differenzdruckventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unter ansprüche.
  • Erfindungsgemäß ist ein Differenzdruckventil vorgesehen, insbesondere für ein Expansionsorgan einer Kraftfahrzeugklimaanlage, zur Regelung eines Durchflusses eines Fluids in Abhängigkeit einer Druckdifferenz, die zwischen der Hochdruckseite und der Saugdruckseite des Differenzdruckventils anliegt, wobei das Differenzdruckventil ein Drosselelement, das den Durchfluss durch eine Drosselstelle regelt, aufweist, und wobei das Drosselelement durch mindestens einen Materialstreifen gebildet ist, der in einem Kanal angeordnet ist. Hierbei ist der Materialstreifen bevorzugt elastisch verformbar, wobei er sich in Abhängigkeit der Druckdifferenz verbiegen kann, so dass bei keiner oder geringer Druckdifferenz der Kanal durch den Materialstreifen verschlossen ist, während der Kanal bei ansteigender Druckdifferenz immer weiter freigegeben wird.
  • Bevorzugt besteht der Materialstreifen zumindest teilweise aus einem Metallblech und/oder einem Bimetall, so dass insbesondere in letzterem Fall die Öffnungs- und Schließcharakteristik des Differenzdruckventils auch eine temperaturabhängige Komponente aufweist. In diesem Zusammenhang ist der Begriff "Bimetall" nicht auf eine Kombination zweier metallischer Materialien mit unterschiedlichem thermischen Ausdehnungskoeffizienten beschränkt. Vielmehr kann es sich bei dem verwendeten Material/den verwendeten Materialien beispielsweise um Kunststoffe oder auch um Formgedächtnismaterialien handeln.
  • Das erfindungsgemäße Differenzdruckventil ermöglicht durch die flexible Gestaltbarkeit der Materialstreifen, insbesondere in Hinblick auf Abmessungen, d.h. insbesondere der freien Länge im Kanal, Biegesteifigkeit und Bimetailcharakteristik, bei hohen Druckdifferenzen auf Grund des überproportional großen Strömungsquerschnitts auch eine größere Kälteleistung, so dass eine Kennlinie möglich ist, die (nahezu) vollständig im Bereich optimaler Betriebspunkte (COP = Coefficient of performance) verläuft. Dabei kann das Differenzdruckventil kostengünstiger sein als herkömmliche Differenzdruckventile.
  • Der Materialstreifen ist bevorzugt mit seinem einen Ende fest an einer Kanalwand angebracht, während das andere, freie Ende in den Kanal ragt und bei der Druckdifferenz, die ein vollständiges Öffnen des Differenzdruckvenfiils bewirkt, also bei maximalem Fluidstrom, in Richtung Kanalwand gebogen wird, an der das freie Ende oder ein größerer Bereich des Materialstreifens gegebenenfalls dann auch anliegen kann.
  • Der Kanal ist vorzugsweise zumindest im Bereich, in welchem der Materialstreifen angeordnet ist, mit einem rechteckförmigen Querschnitt ausgebildet.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind zwei Materialstreifen vorgesehen, die an einander gegenüberliegenden Kanalwänden angebracht sind, wobei sie im geschlossen Zustand mit ihren freien Enden aneinander anliegen. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine Verkürzung des Bauraums im Vergleich zu der Ausführungsform mit nur einem Materialstreifen, die jedoch gegebenenfalls kostengünstiger herstellbar ist. Möglich ist es selbstverständlich nicht nur, dass die Enden der beiden Materialstreifen im Ruhezustand dichtend bzw. im Wesentlichen dichtend aneinander anliegen, sondern auch, dass im Ruhezustand ein geringer Restdurchlassquerschnitt zwischen den beiden Enden der Materialstreifen verbleibt.
  • Das freie Ende liegt im geschlossen Zustand des Differenzdruckventils bevorzugt unter Vorspannung an der gegenüberliegenden Kanalwand oder an einem entsprechenden freien Ende eines zweiten Materialstreifens an, so dass ein gewisser Differenzdruck vorhanden sein muss, um das Differenzdruckventil zu öffnen. Eine leichte Vorspannung reicht jedoch aus, um ein sicheres Schließen zu ermöglichen und damit ein Rückströmen von Fluid bei ungünstigen Druckverhältnissen zu verhindern. Es ist jedoch auch keinerlei Vorspannung denkbar, bzw. ist auch ein verbleibender Restdurchlassquerschnitt im Ruhezustand denkbar.
  • Der Materialstreifen ist so im Kanal angebracht, dass das freie Ende desselben in Richtung Saugdruckseite ragt, so dass bei einer Rückströmung das Ventil automatisch schließt, im ganz oder teilweise geöffneten Zustand jedoch der Strömungswiderstand relativ gering ist.
  • Die flexible gesamte Materialstreifenlänge, d.h. bei zwei Materialstreifen die Summe der einzelnen Materialstreifenlängen, ist bevorzugt mindestens zweimal so groß wie die Kanalbreite. Diese Längenverhältnisse ermöglichen eine gute Funktion und ein sicheres Schließen des Differenzdruckventils.
  • Der Drosselquerschnitt ist bevorzugt bei großen Druckdifferenzen überproportional größer als bei kleinen Druckdifferenzen, so dass bei maximalem Leistungsbedarf auch ausreichend viel Fluid das Differenzdruckventil durchströmen kann.
  • Derartige Differenzdruckventile können beispielsweise als Expansionsorgan bei Kraftfahrzeug-Klimaanlagen verwendet werden. Ebenfalls ist eine Verwendung bei Wärmepumpen möglich, die nur in einer Richtung durchströmt werden sollen, wobei hier die in die Ventilfunktion integrierte Bimetallcharakteristik besondere Vorteile bietet.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand zweier Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigen:
    • Fig. 1
    eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Differenzdruckventils gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in geschlossener Stellung,
    Fig. 2
    das Differenzdruckventil von Fig. 1 in geöffneter Stellung,
    Fig. 3
    eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Differenzdruckventils gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel in geschlossener Stellung,
    Fig. 4
    das Differenzdruckventil von Fig. 3 in geöffneter Stellung, und
    Fig. 5
    eine Prinzipskizze eines herkömmlichen Differenzdruckventüs.
  • Ein als Expansionsorgan in einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage dienendes Differenzdruckventil 1 weist zur Regelung des Kältemitteldurchflusses (Kältemittel vorliegend R744) eine Drosselstelle 2 mit einem Drosselelement 3 auf, wobei die Drosselstelle 2 durch einen Kanal 4 mit rechteckförmigem Querschnitt und zwei an gegenüberliegenden Kanalwänden mit ihrem einen Ende 5a angebrachte Blechstreifen 6 gebildet ist. Bei den Blechstreifen 6 handelt es sich vorliegend um Bimetall-Blechstreifen. Hierbei sind die Blechstreifen 6 derart an der Kanalwand angebracht, dass sie bei Temperaturen des Kältemittels, bei denen normalerweise das Differenzdruckventil 1 geschlossen ist, unter Vorspannung mit dem anderen, freien Ende 5b aneinander anliegen und den Kanal 4 dicht verschließen. Bei höheren Temperaturen, die üblicherweise mit größeren Druckdifferenzen in Folge eines größeren Kältemitteldurchsatzes verbunden sind, nehmen die Blechstreifen 6 in Folge ihrer Bimetallcharakteristik eine Form ein, die zumindest den mittleren Bereich des Kanals 4 freigibt. Unterstützt wird die Öffnungscharakteristik noch durch die anliegende Druckdifferenz zwischen Hochdruckseite HD und Saugdruckseite SD. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Bimetallcharakteristik bei hohen Temperaturen eine verschließende Wirkung aufweist.
  • Steigt bei Betrieb die Druckdifferenz zwischen Saugdruckseite SD und Hochdruckseite HD, so verbiegen sich die Blechstreifen 6 elastisch, wobei bei einem Temperaturanstieg zusätzlich eine Verformung der Blechstreifen 6 in Folge der Bimetallcharakteristik erfolgt, und die Drosselstelle 2 öffnet sich allmählich. Mit weiter steigender Druckdifferenz und damit verbundenem vergrößerten Fluidmassenstrom wird die Drosselöffnung weiter freigegeben, so dass sich ein nicht linearer Zusammenhang zwischen der Druckdifferenz und dem freigegebenen Strömungsquerschnitt, welcher in Zusammenhang mit der Durchflussmenge steht, ergibt.
  • Gemäß dem in Fig. 3 und 4 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel ist nur ein Bimetall-Blechstreifen 6 vorgesehen, welcher mit seinem einen Ende 5a an einer Kanalwand angebracht ist und mit dem anderen, freien Ende 5b im geschlossen Zustand an der gegenüberliegenden Kanalwand anliegt. Irn geöffneten Zustand gibt der Blechstreifen 6 den Kanal 4 in Abhängigkeit der Temperatur und des Differenzdrucks zwischen Hochdruckseite HD und Saugdruckseite SD frei. Die Funktion entspricht somit im Wesentlichen der des ersten Ausführungsbeispiels.
  • Gemäß einer Variante können, wenn auf die Temperaturabhängigkeit verzichtet werden kann, auch Blechstreifen aus anderen Materialien verwendet werden, die keine Bimetallcharakteristik aufweisen. Dies trifft natürlich auch auf das erste Ausführungsbeispiel zu.

Claims (10)

  1. Differenzdruckventil, insbesondere für ein Expansionsorgan einer Kraftfahrzeugklimaanlage, zur Regelung eines Durchflusses eines Fluids in Abhängigkeit einer Druckdifferenz, die zwischen der Hochdruckseite (hiD) und der Saugdruckseite (SD) des Differenzdruckventils (1) anliegt, wobei das Differenzdruckventil (1) ein Drosselelement (3), das den Durchfluss durch eine Drosselstelle (2) regelt, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Drosselelement (3) durch mindestens einen Materialstreifen (6) gebildet ist, der in einem Kanal (4) angeordnet ist.
  2. Differenzdruckventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialstreifen (6) zumindest teilweise aus einem Metallblech und/oder einem Bimetall besteht.
  3. Differenzdruckventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialstreifen (6) mit seinem einen Ende (5a) fest an einer Kanalwand angebracht ist.
  4. Differenzdruckventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (4) zumindest im Bereich, in welchem der Materialstreifen (6) angeordnet ist, einen rechteckförmigen Querschnitt aufweist.
  5. Differenzdruckventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Materialstreifen (6) vorgesehen sind, die an gegenüberliegenden Kanalwänden angebracht sind, wobei sie im geschlossen Zustand mit ihren freien Enden (5b) aneinander anliegen.
  6. Differenzdruckventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das freie Ende (5b) im geschlossen Zustand des Differenzdruckventils (1) unter Vorspannung an der gegenüberliegenden Kanalwand oder an einem entsprechenden freien Ende (5b) eines zweiten Materialstreifens (6) anliegt.
  7. Differenzdruckventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das freie Ende (5b) des Materialstreifens (6) in Richtung Saugdruckseite (SD) ragt.
  8. Differenzdruckventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die flexible gesamte Materialstreifenlänge mindestens zweimal so groß wie die Kanalbreite ist.
  9. Differenzdruckventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der effektive Drosselquerschnitt bei großen Druckdifferenzen überproportional größer als bei kleinen Druckdifferenzen ist.
  10. Verwendung eines Differenzdruckventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Expansionsorgan einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage.
EP06008346A 2005-05-12 2006-04-21 Differenzdruckventil Withdrawn EP1722175A3 (de)

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