EP1971809A1 - Längsschieberventil, insbesondere für die verwendung von transkritischen co2 (r 744) klimakreisläufe - Google Patents

Längsschieberventil, insbesondere für die verwendung von transkritischen co2 (r 744) klimakreisläufe

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EP1971809A1
EP1971809A1 EP06841182A EP06841182A EP1971809A1 EP 1971809 A1 EP1971809 A1 EP 1971809A1 EP 06841182 A EP06841182 A EP 06841182A EP 06841182 A EP06841182 A EP 06841182A EP 1971809 A1 EP1971809 A1 EP 1971809A1
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EP
European Patent Office
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slide
valve according
slide valve
control
valve
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06841182A
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English (en)
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Inventor
Axel MÜLLER
Rene Schulz
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Thomas Magnete GmbH
Original Assignee
Thomas Magnete GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Thomas Magnete GmbH filed Critical Thomas Magnete GmbH
Publication of EP1971809A1 publication Critical patent/EP1971809A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F16K3/22Gate valves or sliding valves, i.e. cut-off apparatus with closing members having a sliding movement along the seat for opening and closing with sealing faces shaped as surfaces of solids of revolution
    • F16K3/24Gate valves or sliding valves, i.e. cut-off apparatus with closing members having a sliding movement along the seat for opening and closing with sealing faces shaped as surfaces of solids of revolution with cylindrical valve members
    • F16K3/26Gate valves or sliding valves, i.e. cut-off apparatus with closing members having a sliding movement along the seat for opening and closing with sealing faces shaped as surfaces of solids of revolution with cylindrical valve members with fluid passages in the valve member
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    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • Y02B30/70Efficient control or regulation technologies, e.g. for control of refrigerant flow, motor or heating

Definitions

  • the invention relates to a longitudinal slide valve according to the preamble of claim 1.
  • R 744 is the name for a refrigerant based on CO 2 . Apart from short-term effects, the R 744 refrigerant is environmentally neutral, has a very low ozone depletion potential with respect to the Earth's atmosphere and is characterized by a very low global warming potential.
  • Control valves are designed as flat, rotary and longitudinal slide valves, which have a good control behavior. They are able to cope with high pressures and high volume flows in a small volume and with relatively little effort. The disadvantage, however, that they have high leakage currents due to unavoidable gaps between the spool and the guide cylinder of the valve, which must be dissipated. In order to be able to meet the demand for the least leakage, pure seat valves or combined slide seat valves are often projected in a transcritical R 744 air conditioning cycle, since with pure slide valves, demands for minimal internal leakage seem inaccessible for this application.
  • DE 103 05 947 A1 shows a slide valve as an expansion element for controlling the transcritical range of an air conditioning system with the refrigerant R 744, which is unavoidably characterized by internal leakage.
  • DE 34 46 384 C2 describes a flat slide valve as a switching valve, wherein a fluid flow is switched by means of a tilting pipe between two terminals. The tilting tube is actuated by means of a flat slide.
  • DE 40 27 610 C2 discloses a switching valve with a two-part planar valve slide, in which the two parts are elastomerically sealed from each other. The slider is moved between two sealing surfaces.
  • DE 38 20 525 C2 shows an air distributor with a slide designed as a flat slide, which is mounted laterally to its on-flow direction. The foil is passed with considerable play.
  • DE 43 04 440 B4 shows a valve with two housing parts, which has two openings for the supply and discharge of a fluid.
  • a thin foil slide in the form of a plate is moved transversely to the flow direction of the fluid.
  • the valve gate has through openings for the passage or blocking of the fluid transversely to the direction of flow of the fluid.
  • the foil slide is arranged with an additional spacer in a plane with the slider between the two housing parts.
  • DE 44 16 056 C2 shows a slide valve with a movable in the axial direction flat film slide, which is designed as a thin sheet. Depending on the approached slide position, one or more pressurized inflows and outflows are partially or completely released by switching sections on the flat slide.
  • DE 35 34 460 shows a high-pressure valve with a channel in which a lateral inlet opens and which contains a valve slide which can be displaced axially over the inlet.
  • the slider has an integrally molded tubular portion which presses radially against the wall of the channel. The sealing effect is thereby increased pressure-dependent.
  • the invention has for its object to provide a longitudinal slide valve in almost leak-free design, which compared to the known arrangements has improved control behavior and is also suitable for use in the high pressure range and in particular in trans-critical R 744 air conditioning circuits.
  • the object is achieved in conjunction with the preamble by the characterizing features of claim 1.
  • the slide valve according to the invention combines two positive properties: the avoidance of internal leakage in the closed state of the connection openings and at the same time an improved control behavior due to the largely free configurability of flow-stroke characteristics. This requires no additional seat body.
  • an elastically resilient radially yielding spool By means of an elastically resilient radially yielding spool the connections for one or more inlets or outlets are sealed against each other.
  • the radial force component of the pressure difference between inlet pressure and discharge pressure is used, which presses the thin wall of the tubular slide radially against the wall of the valve sleeve and there arranged pressure-loaded connection openings, without pressure difference remains a gap with fluid, the greater than allowed if the leakage requirements are to be met.
  • the slider or the valve housing has a formable opening contour for the flow of the fluid. This allows almost any adjustment of the flow to the stroke characteristic of the actuator.
  • the tubular design does not require a spacer or a seal between planar foils. In principle, any tube shape can be used, but preferably round tubes or those with rounded cross section.
  • the control slide comprises a thin-walled elastic film.
  • a tubular film slide has in the axial direction the necessary rigidity for the adjustment of the slide in this direction, with simultaneous elastic deformability in the radial direction.
  • both openings must be located directly above one another.
  • an annular groove or a securing element is advantageously provided against a rotation of the slide.
  • Such a rotation can be realized both by means of a guide pin in the housing, or by being combined with a plunger of the actuating element or is designed as part of the slide.
  • the conversion of the slider can consist in an advantageous manner exclusively of the film material.
  • the slider is hollow inside.
  • the flow path from the interior of the slide to the radial opening in the slide and from there to the opening in the valve sleeve When the valve position is open, the flow path from the interior of the slide to the radial opening in the slide and from there to the opening in the valve sleeve.
  • the end faces of the slide for this purpose are advantageously stiffened or have inserted stiffening surfaces with axial passage to the interior of the slider so that the pressure can be there.
  • the stiffeners can either take the entire face as a perforated plate or only a partial area in the form of a ring.
  • the design of the above-described embodiments of the slider, in particular its compliance, and the housing is to be subjected to an optimization.
  • the elastic deformation can advantageously act sealingly over the entire length of the slider or only in sections.
  • the friction between slide and sleeve is reduced by design measures and by a suitable choice of the material pairing slide and housing. Frictional effects can be reduced by slits, grooves, surface roughness or other suitable measures both on the slider circumference and on the surface of the wall.
  • the grooves are designed in such a way that with their help corresponding pressure fields are specifically influenced. With the help of a circumferential groove can be z. B. achieve that even with a rotation of the spool, the desired flow is ensured.
  • the arranged on the slide and / or on the wall of the bore grooves, grooves or channels - or the surface itself - store advantageous lubricants. This reduces frictional effects between the sliding components.
  • the lubricant storage in the grooves has the advantage that the lubricant is not completely displaced in the phase of a high pressure difference prevailing at the ends of the slide.
  • the force effect of the pressure difference for leak-free sealing in the closed state is additionally reinforced by spring force.
  • the slider contains additional elastic elements or a resilient mounting or even forms an elastically resilient spring element.
  • the interpretation of such a spring is also carried out according to the calculations of all the effects of force, u. a. the flow, spring and pressure forces in the valve, so that the radial force effect of the tube sheet at the actual pressures acting on the connections, is exactly sufficient.
  • valve sleeve and a surrounding housing can advantageously be made in one piece, as compared to the flat slide on the storage of the slide between two housing parts and optionally other components, such as spacers, can be dispensed with. This saves additional seals on the valve housing or between individual valve housing parts, thus reducing the risk of potential damage. for leaks drastically reduced.
  • the valve housing in space-saving form in cartridge design (Cartridge) can be performed.
  • a further advantageous embodiment of the invention comprises, in particular, an electromagnet as actuating device for the slide whose armature forms the actuating element for the valve slide with an axially extended rod tappet.
  • an electromagnet as actuating device for the slide whose armature forms the actuating element for the valve slide with an axially extended rod tappet.
  • the current flow of the magnet is proportional to the stroke of the armature and thus the applied force to one of the end faces of the slide. The control behavior of the valve is thus directly influenced by the current supply.
  • the valve is particularly suitable for use in transcritical CO 2 (R 744) air conditioning circuits in mobile applications.
  • the refrigerant is compressed to over 100 bar, while the circuit for conventional refrigerant only passes through a pressure difference of about 30 bar.
  • the high pressure difference in the R 744 refrigerant as fluid causes a strong radial elastic deformation of the slide for controlling and sealing the inflow and outflow in the valve sleeve.
  • the valve sleeve has a pressure-tight enclosure.
  • the inventive valve advantageously controls the adjustment of the compressor or overheating or high pressure level of the refrigerant.
  • the figure shows a longitudinal section of an electromagnetically actuated control valve 1 for use in an air conditioning circuit for an air conditioner, which is based on a transcritical R 744 (CO 2 ) air conditioning cycle.
  • the refrigerant is significantly more ker compressed than is required with conventional refrigerants.
  • This requirement profile requires for the valve 1 on the one hand a pressure-resistant design and on the other hand high demands on values of the external and internal leakage and very good control technical properties.
  • the valve 1 is a direct-acting 2/2-way spool valve which is controlled by the magnetic force of an electromagnetic actuator 2 substantially including the right part of the drawing. Shown is the currentless open type, d. H. Connection openings for a respective inflow or outflow 22 are connected to one another in the illustrated position of the control or valve slide 18 of the valve 1. By magnetic force, the slider 18 is moved axially to the left, the flow path between the inlet and the outlet 22 is then locked.
  • the electromagnet 2 has a pot-like housing 3, whose
  • a lid 4 Bottom of a lid 4 is completed, and in which a cylindrical magnetic body is inserted. On the outer lid surface, a connection 5 for the energization of the magnet 2 is arranged. In this way, a cylindrical coil 6 arranged inside the housing 3 is energized.
  • the magnetic field generated by the energization of the solenoid 6 is closed by a magnetic pole 7 with control cone 8, an armature 9, which consists of armature piston 13 and acting as an actuator 11 anchor rod, and the flux-conducting part of the housing 3 with the yoke 10, wherein the actuating rod 11 in the armature counterpart, the magnetic pole 7, is displaceable in the direction of the open housing 3 and projects to the outside as an actuator or control member for the spool valve 18 of the valve 1 to the left.
  • the armature piston 12 is connected to the actuating rod 11.
  • the piston 12 has for this purpose an axial opening.
  • the front part of the Opening serves to support the hollow actuating rod 11, the rear part is used to equalize the pressure in the interior of the valve 1.
  • the yoke 10 between the cover 4 and cylindrical coil 6 is arranged and designed as a disc.
  • the armature piston 12 is arranged axially movable together with the actuating rod 11 within the range of the control cone 8. By energizing the solenoid 6, both components are moved axially to the left.
  • the magnetic pole 7 has a coaxial recess as a stroke limiter with radial edge webs with a contour falling at the end in the direction of the armature stroke, which forms the control cone 8. Due to the design of the control cone 8, the flow force-stroke characteristic of the electromagnet 2 is influenced so that the applied current is proportional to the stroke of the actuating rod 11 and thus directly affects the setting or control variable of the valve spool 18. On the radially extending surface of the stroke limiter, an adhesive disc 13 is attached from non-magnetic material, which dampens the armature stroke to the left and thus prevents bouncing of parts meeting each other.
  • the armature piston 12 is guided in a thin-walled pressure-resistant sleeve 14, which rests with its closed end outwardly against the cover 4 and inside the armature piston 12, the web of the control cone 8 and most of the outer wall of the magnetic pole 7 surrounds.
  • the pressure-resistant sleeve 14 is joined to the armature counterpart, that the joint itself is pressure-resistant and free of external leakage
  • valve 1 which essentially comprises the left area of the drawing, is formed by a valve sleeve 15 surrounding the valve 1. It forms a structural with the magnetic pole 7 Unit which is inserted in the magnetic body. The result is a compact valve 1 with a small size.
  • valve sleeve 15 On the outer peripheral surface of the valve sleeve 15, a radial bore 16 for an inflow and outflow 22 of the refrigerant R 744 is arranged. The corresponding counterpart is arranged on the stroke of the actuating rod 11 opposite end face of the valve sleeve 15.
  • the valve sleeve 15 has an axial bore 17 extending over its entire length. This extends in the axial direction from the right end of the valve sleeve 15, which includes the corresponding counterpart of the inflow or outflow 22, to the radial stroke limitation of the magnetic pole 7.
  • the radial bore 16 of the drain 22 opens in a circumferential groove in the axial bore 17th
  • valve sleeve 15 has an O-ring seal 21. Another seal 19 seals the valve sleeve 15 from the environment.
  • the spool 18 is arranged, which is designed as a tubular film slide, and the peripheral wall 20 is radially elastically deformable.
  • the two end faces 24a and 24b of the spool 18 each have radial stiffeners 25a and 25b.
  • a compression spring 27 is arranged, which is arranged with its one end against a arranged on the end face of the valve sleeve 15, annular spring receptacle 28 and with its other end against the annular Stiffening 25 a of the spool 18 acts.
  • the spring 27 acts as a restoring element against the force acting on the opposite, right end face 24b magnetic force.
  • the peripheral surface of the slide has, in the amount of the inflow and outflow, a control opening 26 which serves as an opening in the peripheral wall 20 is shown.
  • the two connection openings are connected together in this position.
  • stiffener 25b is designed as a plate with axial openings, which serves as a stop surface for the actuating rod 11 of the armature 9. Through the axial openings in the right stiffener 25b, the space to the right of the stiffener 25b to the right end of the armature piston 12 is also pressurized.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Längsschieberventil mit einer Hülse (15) mit mindestens zwei Anschlussöffnungen für jeweils einen Zu- und Abfluss (22) eines druckbeaufschlagten Fluids zu einer axialen Bohrung (17) innerhalb der Hülse (15), wobei innerhalb der Bohrung (17) ein durch ein Betätigungselement (11 ) einer Betätigungseinrichtung (2) bewegter Steuerschieber (18) angeordnet ist mit mindestens einer radialen Steueröffnung (26) durch die bei einer axialen Bewegung des Schiebers (18) eine Schalt- und Stellfunktion für einen Durchflussweg des Fluid hergestellt wird. Die Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerschieber (18) eine rohrförmige Umwandung (20) aufweist, die in radialer Richtung elastisch verformbar ist, und bei einer radialen Druckbeaufschlagung gegen die axiale Bohrung (17) der Hülse (15) gepresst wird, wobei die Anschlussöffnungen gegeneinander abgedichtet sind.

Description

Längsschieberventil, insbesondere für die Verwendung von transkritischen CO2 (R 744) Klimakreisläufe
Die Erfindung betrifft ein Längsschieberventil gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Für bestimmte Anwendungsfälle, wie z. B. bei Klimaanlagen mit dem Kältemittel R 744, werden angesteuerte Regelventile benötigt, die gleichzeitig gute regelungstechnische Eigenschaften und eine sehr gute Abdichtung für bestimmte Betriebspunkte aufweisen. R 744 ist die Bezeichnung für ein Kältemittel auf der Basis von CO2. Das Kältemittel R 744 verhält sich, abgesehen von Kurzzeiteffekten umweltneutral, es weist ein sehr geringes Ozonabbaupotential bezüglich der Erdatmosphäre aus und zeichnet sich durch ein sehr geringes Treibhauspotential aus.
Regelventile werden als Flach-, Dreh- und Längsschieberventile ausgeführt, die ein gutes Regelverhalten aufweisen. Sie sind in der La- ge, hohe Drücke und große Volumenströme bei kleinem Bauvolumen und mit relativ geringem Aufwand zu bewältigen. Nachteilig ist jedoch, dass sie auf Grund von unvermeidbaren Spalten zwischen dem Kolbenschieber und dem Führungszylinder des Ventils hohe Leckageströme aufweisen, die abgeführt werden müssen. Um der Forderung nach ge- ringster Leckage nachkommen zu können, werden in einem transkritischen R 744 Klimakreislauf häufig reine Sitzventile oder kombinierte Schiebersitzventile projektiert, da mit reinen Schieberventilen Forderungen nach geringster interner Leckage für diese Anwendung unerreichbar scheinen. DE 103 05 947 A1 zeigt ein Schieberventil als Expansionsorgan zur Regelung des transkritischen Bereiches einer Klimaanlage mit dem Kältemittel R 744, welches unvermeidbar durch interne Leckage charakterisiert ist. DE 34 46 384 C2 beschreibt ein Flachschieberventil als Schaltventil, wobei ein Fluidstrom mit Hilfe eines kippenden Rohres zwischen zwei Anschlüssen geschaltet wird. Das Kipprohr wird mittels eines Flachschiebers betätigt.
DE 40 27 610 C2 offenbart ein Schaltventil mit einem zweiteiligen ebenen Ventilschieber, bei dem die beiden Teile elastomer gegeneinander abgedichtet sind. Der Schieber wird zwischen zwei Dichtflächen bewegt.
DE 38 20 525 C2 zeigt einen Luftverteiler mit einem als verschiebbare Folie gestalteten Flachschieber, der seitlich zu seiner An- Strömrichtung gelagert ist. Die Folie wird mit erheblichem Spiel geführt.
DE 43 04 440 B4 zeigt ein Ventil mit zwei Gehäuseteilen, das zwei Öffnungen für die Zu- und Ableitungen eines Fluids aufweist. Quer zur Strömungsrichtung des Fluids wird ein dünner Folienschieber in Form einer Platte bewegt. Der Plattenschieber weist quer zur Durch- Strömrichtung des Fluids Durchlassöffnungen für den Durchlass oder die Sperrung des Fluids auf. Der Folienschieber ist mit einem zusätzlichen Distanzstück in einer Ebene mit dem Schieber zwischen den beiden Gehäuseteilen angeordnet.
DE 44 16 056 C2 zeigt ein Schieberventil mit einem in Axialrich- tung beweglichen flachen Folienschieber, der als dünnes Blech ausgeführt ist. Je nach angefahrener Schieberposition werden ein oder mehrere druckbeaufschlagte Zu- bzw. Abflüsse durch Schaltabschnitte auf dem Flachschieber teilweise oder ganz freigegeben. DE 35 34 460 zeigt ein Hochdruckventil mit einem Kanal, in dem ein seitlicher Einlass mündet und der einen axial über den Einlass verschiebbarem Ventilschieber enthält. Zur besseren Abdichtung bei hohem Mediendrücken weist der Schieber einen einstückig angeformten rohrförmigen Abschnitt auf, der radial gegen die Wand des Kanals drückt. Die Dichtwirkung wird dabei druckabhängig vergrößert.
Der Erfindung liegt die Aufgabenstellung zugrunde, ein Längsschieberventil in nahezu leckagefreier Ausführung anzugeben, das gegenüber dem bekannten Anordnungen ein verbessertes Regelverhalten aufweist und auch für den Einsatz im Hochdruckbereich und insbesondere in transkritischen R 744 Klimakreisläufen geeignet ist. Die Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Schieberventil vereint zwei positive Ei- genschaften: Die Vermeidung einer inneren Leckage im geschlossenen Zustand der Anschlussöffnungen und gleichzeitig ein verbessertes Regelverhalten durch die weitgehend freie Gestaltbarkeit von Durchfluss - Hub - Kennlinien. Hierzu bedarf es keines zusätzlichen Sitzkörpers. Mit Hilfe eines elastisch federnd radial nachgebenden Steuerschiebers wer- den Anschlüsse für einen oder mehrere Zu- bzw. Abflüsse gegeneinander abgedichtet. Für die Abdichtung wird zusätzlich zum Spalt geringer Höhe die radiale Kraftkomponente der Druckdifferenz zwischen Zulaufdruck und Ablaufdruck verwendet, welche die dünne Wandung des rohrförmigen Schiebers radial gegen die Wandung der Ventilhülse drückt und dort angeordnete druckbelastete Anschlussöffnungen abdichtet, ohne Druckdifferenz bleibt ein Spalt mit Fluid, der größer als zulässig ist, wenn die Leckageanforderungen erfüllt werden sollen.
Durch die anliegende Druckdifferenz wird ein anliegendes Spaltmaß zwischen Hülse und Schieber verringert. Diese Kraftwirkung dichtet die Anschlussöffnungen gegeneinander ab, indem die elastische Wandung des Schiebers an die Innenwand der Bohrung der Ventilhülse gedrückt wird und dort dicht anliegt. Die notwendige elastische Nachgiebigkeit des Steuerorgans wird durch eine geeignete Abstimmung der Geometrie und der Wahl der Werkstoffe ausgelegt, wobei die Auslegung auch derart erfolgen kann, dass das Ventil nur aufgrund seiner eigenen Elastizität abdichtet. In radialer Richtung erfolgt ein selbständiger Ventilspielausgleich durch die am Ventil anliegende Druckdifferenz. Die Wirkfläche für diese Druckdifferenz ergibt sich aus der Gestaltung der Ventil- hülse.
Der Schieber oder das Ventilgehäuse weist eine gestaltbare Öffnungskontur zum Durchfluss des Fluids auf. Dies ermöglicht eine nahezu beliebige Anpassung des Durchflusses an die Hubkennlinie der Betätigungseinrichtung. Durch die rohrförmige Ausführung ist kein Distanz- stück oder eine Abdichtung zwischen ebenen Folien notwendig. Prinzipiell kann jede Rohrform verwendet werden, vorzugsweise jedoch Rundrohre oder solche mit verundetem Querschnitt.
In einer vorteilhaften Ausführung umfasst der Steuerschieber eine dünnwandige elastische Folie. Ein solcher Rohrfolienschieber weist in Axialrichtung die notwendige Steifigkeit für die Verstellung des Schiebers in dieser Richtung auf, bei gleichzeitiger elastischer Verformbarkeit in radialer Richtung. Damit die Steueröffnung den radialen Zu- oder Ab- fluss freigeben kann, müssen sich beide Öffnungen unmittelbar übereinander befinden. Hierzu ist vorteilhaft eine ringförmige Nut oder ein Si- cherungselement gegen eine Verdrehung des Schiebers vorgesehen. Eine solche Verdrehsicherung kann sowohl mittels eines Führungsstiftes im Gehäuse realisiert werden, oder indem sie mit einem Stößel des Betätigungselementes kombiniert wird oder als Teil des Schiebers ausgeführt ist. Die Umwandung des Schiebers kann in einer vorteilhaften Weise ausschließlich aus dem Folienmaterial bestehen. Der Schieber ist innen hohl ausgeführt. Bei geöffneter Ventilstellung erfolgt der Durchflussweg vom Inneren des Schiebers zu der radialen Öffnung im Schieber und von dort zur Öffnung in der Ventilhülse. Die Stirnseiten des Schiebers hierzu sind vorteilhaft versteift oder weisen eingefügte Versteifungsflächen auf mit axialem Durchgang zum Inneren des Schiebers, damit der Druck dort anstehen kann. Die Versteifungen können entweder als Lochplatte die gesamte Stirnseite einnehmen oder nur eine Teilfläche in Form eines Ringes.
Die Auslegung der oben beschriebenen Ausführungsformen des Schiebers, insbesondere dessen Nachgiebigkeit, und des Gehäuses ist einer Optimierung zu unterziehen. Dies umfasst besonders die Auslegung des elastische Bauelementes und die Wahl des dabei verwende- ten Materials, damit es genau in einem gewünschten Teilbereich der Umfangsfläche des Schiebers zu einer starken Verminderung einer Dichtspalthöhe kommt, gleichzeitig aber in den anderen Bereichen ein ausreichender Spalt erhalten bleibt. Die elastische Verformung kann vorteilhaft auf der gesamten Länge des Schiebers dichtend wirken oder aber nur abschnittsweise.
Die Reibung zwischen Schieber und Hülse wird durch konstruktive Maßnahmen und durch eine geeignete Wahl der Werkstoffpaarung Schieber und Gehäuse reduziert. Reibungseffekte können durch Schlitze, Nuten, Oberflächenrauhigkeiten oder andere geeignete Maßnahmen sowohl auf dem Schieberumfang als auch auf der Oberfläche der Wandung reduziert werden. Die Nuten werden so gestaltet, dass mit ihrer Hilfe entsprechende Druckfelder gezielt beeinflusst werden. Mit Hilfe einer umlaufenden Nut kann man z. B. erreichen, dass selbst bei einer Verdrehung des Steuerschiebers der gewünschte Durchfluss gewährleistet ist.
Die auf dem Schieber und/oder auf der Wandung der Bohrung angeordneten Nuten, Riefen oder Kanäle - oder die Oberfläche selbst - speichern vorteilhaft Schmierstoffe. Damit werden zum einen Reibungseffekte zwischen den gleitenden Bauteilen reduziert. Die Schmierstoff Ia- gerung in den Nuten hat zum anderen den Vorteil, dass in der Phase einer an den Stirnseiten des Schiebers anstehenden hohen Druckdiffe- renz der Schmierstoff nicht vollständig verdrängt wird.
In einer weiteren vorteilhaften Variante wird die Kraftwirkung der Druckdifferenz zur leckagefreien Abdichtung im geschlossenen Zustand zusätzlich durch Federkraft verstärkt. Dazu enthält der Schieber zusätzliche elastische Elemente bzw. eine federnde Lagerung oder bildet selbst ein elastisch nachgiebiges Federelement. Die Auslegung einer solchen Feder erfolgt ebenfalls entsprechend der Berechnungen sämtlicher Kraftwirkungen, u. a. der Strömungs-, Feder- und Druckkräfte im Ventil, so dass die radiale Kraftwirkung der Rohrfolie bei den tatsächlichen Drücken, die auf die Anschlüsse wirken, exakt hinreichend ist. Durch eine axial angeordnete Druckfeder an einem der Stirnseiten des Schiebers wird ein axiales Ventilschieberspiel für eine Schalt- und Steuerfunktion des Ventils festgelegt.
Auf Grund der rohrförmigen Ausführung des Schiebers kann die Ventilhülse und ein umgebendes Gehäuse vorteilhaft einteilig ausgeführt werden, da im Vergleich zum Flachschieber auf die Lagerung des Schiebers zwischen zwei Gehäuseteilen und gegebenenfalls weitere Bauelemente, wie Distanzstücke, verzichtet werden kann. Damit werden zusätzliche Abdichtungen auf dem Ventilgehäuse oder zwischen einzelnen Ventilgehäuseteilen eingespart und so die Gefahr potentielle Ursa- chen für Undichtigkeiten drastisch reduziert. Dabei kann das Ventilgehäuse in Platz sparender Form in Patronenbauweise (Cartridge) ausgeführt werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausführung der Erfindung umfasst ins- besondere einen Elektromagneten als Betätigungseinrichtung für den Schieber, dessen Anker mit einem axial verlängerten Stangenstößel das Betätigungselement für den Ventilschieber bildet. In der Bauweise als Proportionalmagnet ist die Bestromung des Magneten proportional dem Hub des Ankers und damit der angelegten Kraft an eine der Stirnseiten des Schiebers. Das Regelverhalten des Ventils wird damit direkt durch die Bestromung beeinflusst.
Durch die nahezu leckagefreie Ausführung eignet sich das Ventil in ganz besonderer Weise für den Einsatz in transkritischen CO2 (R 744) Klimakreisläufen in mobilen Anwendungen. In einen solchen Kreislauf wird das Kältemittel auf über 100 bar verdichtet, während der Kreislauf für herkömmliche Kältemittel nur eine Druckdifferenz von ca. 30 bar durchläuft. Insbesondere die hohe Druckdifferenz bei dem R 744 Kältemittel als Fluid bewirkt eine starke radiale elastische Verformung des Schiebers zur Regelung und Abdichtung des Zu- und Abflusses in der Ventilhülse. Für die druckdichte Ausführung weist die Ventilhülse eine druckdichte Umhüllung auf. In dem Klimakreislauf steuert das erfinderische Ventil vorteilhaft die Verstellung des Kompressors oder Überhitzung bzw. Hochdruckniveau des Kältemittels.
Anhand der nachfolgenden Beschreibung und Zeichnung wird die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel dargestellt und näher erläutert.
Die Figurendarstellung zeigt im Längsschnitt ein elektromagnetisch betätigtes Regelventil 1 für die Anwendung in einem Klimakreislauf für eine Klimaanlage, der ein transkritischer R 744 (CO2) Klimakreislauf zu Grunde liegt. In solchen Anlagen wird das Kältemittel erheblich stär- ker komprimiert, als dies bei herkömmlichen Kältemitteln erforderlich ist. Dieses Anforderungsprofil bedingt für das Ventil 1 zum einen eine druckfeste Ausführung und zum anderen hohe Anforderungen an Werte der externen und internen Leckage und sehr gute regelungstechnische Ei- genschaften.
Bei dem Ventil 1 handelt es sich um ein direktgesteuerte 2/2 Wege Schieberventil, das durch die Magnetkraft eines elektromagnetischen Aktors 2, der im Wesentlichen den rechten Teil der Zeichnung beinhaltet, gesteuert wird. Dargestellt ist die stromlos offene Ausfüh- rungsart, d. h. Anschlussöffnungen für jeweils einen Zu- bzw. Abfluss 22 sind in der dargestellten Position des Steuer- bzw. Ventilschiebers 18 des Ventils 1 miteinander verbunden. Durch Magnetkraft wird der Schieber 18 axial nach links verschoben, der Durchflussweg zwischen dem Zu- und dem Abfluss 22 ist dann gesperrt. Der Elektromagnet 2 weist ein topfartiges Gehäuse 3 auf, dessen
Boden von einem Deckel 4 abgeschlossen ist, und in dem ein zylinderförmiger Magnetkörper eingesetzt ist. Auf der auswärtigen Deckeloberfläche ist ein Anschluss 5 für die Bestromung des Magneten 2 angeordnet. Damit wird eine innerhalb des Gehäuses 3 angeordnete Zylinder- spule 6 bestromt. Das durch die Bestromung der Zylinderspule 6 erzeugte magnetische Feld wird über einen Magnetpol 7 mit Steuerkonus 8, einen Anker 9, der aus Ankerkolben 13 und einer als Betätigungselement 11 wirkenden Ankerstange besteht, und dem flussführenden Teil des Gehäuses 3 mit dem Joch 10 geschlossen, wobei die Betä- tigungsstange 11 im Ankergegenstück, dem Magnetpol 7, in Richtung des offenen Gehäuses 3 verschieblich ist und nach außen als Stell- oder Steuerglied für den Steuerschieber 18 des Ventils 1 nach links abragt.
Der Ankerkolben 12 ist mit der Betätigungsstange 11 verbunden. Der Kolben 12 weist hierfür eine axiale Öffnung auf. Der vordere Teil der Öffnung dient der Lagerung der hohlen Betätigungsstange 11 , der hintere Teil dient dem Druckausgleich im Inneren des Ventils 1. In der Darstellung der Zeichnung ist das Joch 10 zwischen Deckel 4 und Zylinderspule 6 angeordnet und als Scheibe ausgeführt. Der Ankerkolben 12 ist zusammen mit der Betätigungsstange 11 innerhalb des Bereiches des Steuerkonusses 8 axial beweglich angeordnet. Durch die Bestromung der Zylinderspule 6 werden beide Bauteile axial nach links verschoben. Der Magnetpol 7 weist hierzu eine koaxiale Ausnehmung als Hubbegrenzung mit radialen Randstegen mit am Ende in Richtung des Ankerhubes fallender Kontur auf, welche den Steuerkonus 8 bildet. Durch die Gestaltung des Steuerkonusses 8 wird die Durchfluss Kraft-Hubkennlinie des Elektromagneten 2 so beeinflusst, dass der angelegte Strom proportional dem Hubweg der Betätigungsstange 11 ist und damit direkt die Stell- oder Steuergröße des Ventil- Schiebers 18 beeinflusst. Auf der radial sich erstreckenden Fläche der Hubbegrenzung ist eine Klebescheibe 13 aus unmagnetischem Material befestigt, die den Ankerhub nach links abdämpft und somit eine Prellung aufeinander treffender Teile verhindert. Zur Vermeidung einer Schiefstellung des Ankers 9 ist der Ankerkolben 12 in einer dünnwandigen druck- festen Hülse 14 geführt, die mit ihrem geschlossenen Ende nach außen gegen den Deckel 4 anliegt und Innen den Ankerkolben 12, den Steg des Steuerkonusses 8 und den größten Teil der Aussenwandung des Magnetpols 7 umgibt. Die druckfeste Hülse 14 ist so mit dem Ankergegenstück gefügt, dass auch die Fügstelle selbst druckfest und frei von externer Leckage ist
Der Hydraulikteil des Ventils 1 , der im Wesentlichen den linken Bereich der Zeichnung umfasst, wird durch eine das Ventil 1 umgebende Ventilhülse 15 gebildet. Sie bildet mit dem Magnetpol 7 eine bauliche Einheit, die in den Magnetkörper eingesetzt ist. Das Resultat ist ein kompaktes Ventil 1 mit kleiner Baugröße.
Auf der Außenumfangsfläche der Ventilhülse 15 ist eine radiale Bohrung 16 für einen Zu- bzw. Abfluss 22 des Kältemittels R 744 ange- ordnet. Das entsprechende Gegenstück ist an der dem Hubweg der Betätigungsstange 11 entgegengesetzten Stirnseite der Ventilhülse 15 angeordnet. Die Ventilhülse 15 weist eine sich über deren gesamte Länge erstreckende axiale Bohrung 17 auf. Diese erstreckt sich in axialer Richtung von der rechten Stirnseite der Ventilhülse 15, welches das entspre- chende Gegenstück des Zu- bzw. Abflusses 22 umfasst, bis zur radialen Hubbegrenzung des Magnetpols 7. Die radiale Bohrung 16 des Abflusses 22 mündet in einer umlaufenden Nut in der axialen Bohrung 17.
Zwischen dem Zu- bzw. Abfluss 22 weist die Ventilhülse 15 eine O-Ringabdichtung 21 auf. Eine weitere Abdichtung 19 dichtet die Ven- tilhülse 15 gegenüber der Umgebung ab.
In der axialen Bohrung 17 der Ventilhülse 15 ist der Steuerschieber 18 angeordnet, der als rohrförmiger Folienschieber ausgeführt ist, und dessen Umfangswandung 20 radial elastisch verformbar ist. Die beiden Stirnseiten 24a und 24b des Steuerschiebers 18 weisen jeweils radiale Versteifungen 25a und 25b auf. Zwischen der linken, ringförmig ausgestalte Versteifung 25a und der linken Stirnseite der Ventilhülse 15 ist eine Druckfeder 27 angeordnet, die sich mit ihrem einen Ende gegen eine an der Stirnseite des Ventilhülse 15 angeordneten, ringförmigen Federaufnahme 28 drückt und die mit ihrem anderen Ende gegen die ringförmige Versteifung 25a des Steuerschiebers 18 wirkt. Die Feder 27 wirkt als Rückstellelement gegen die an der gegenüberliegenden, rechten Stirnseite 24b wirkende Magnetkraft.
Die Umfangsfläche des Schiebers weist in Höhe des Zu- bzw. Abflusses eine Steueröffnung 26 auf, die als Öffnung in der Umfangs- wand 20 dargestellt ist. Die beiden Anschlussöffnungen sind in dieser Position miteinander verbunden.
Die an der Schieberstirnseite 24b angeordneten Versteifung 25b ist als Platte mit axialen Öffnungen ausgeführt, die als Anschlagfläche für die Betätigungsstange 11 des Ankers 9 dient. Durch die axialen Öffnungen in der rechten Versteifung 25b ist der Raum rechts von der Versteifung 25b bis zum rechten Ende des Ankerkolbens 12 ebenfalls druckbeaufschlagt.
Bei Bestromung des Magneten 2 wird der Anker 9 mit der Betäti- gungsstange 11 gegen die rechte Versteifung 25b der Stirnseite des Ventilschiebers 18 gedrückt. Durch diese axiale Hubbewegung wird die Steueröffnung 26 aus der Öffnungskontur der radialen Bohrung 16 des Zu- bzw. Abflusses 22 gedrückt. Zu- und Abfluss 22 sind jetzt voneinander getrennt. Für die Abdichtung der Anschlussöffnungen wären ohne die erfinderische Elastizität der Umfangswandung 20 des Steuerschiebers zusätzliche Maßnahmen gegen Leckageverluste erforderlich.
Die radiale Komponente des im Inneren des Steuerschiebers 18 wirkenden Druckes drückt die Umfangswandung 20 des Schiebers 18 gegen die Umfangswandung 23 der Bohrung 17 der Ventilhülse. Damit wird ein Dichtspalt, der im Öffnungszustand der beiden Anschlüsse zwischen Ventilschieber 18 und Bohrung 16 vorhanden war entweder auf der ganzen Schieberlänge oder abschnittsweise geschlossen.

Claims

Patentansprüche
1 ) Längsschieberventil mit einer Hülse (15) mit mindestens zwei An- Schlussöffnungen für jeweils einen Zu- und Abfluss (22) eines druckbeaufschlagten Fluids zu einer axialen Bohrung (17) innerhalb der Hülse (15),
- wobei innerhalb der Bohrung (17) ein durch ein Betätigungselement (11) einer Betätigungseinrichtung (2) bewegter Steuerschie- ber (18) angeordnet ist mit mindestens einer radialen Steueröffnung (26) durch die bei einer axialen Bewegung des Schiebers (18) eine Schalt- und Stellfunktion für einen Durchflussweg des Fluid hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerschieber (18) eine rohrförmige Umwandung (20) aufweist, die in radialer Richtung elastisch verformbar ist, und bei einer radialen Druckbeaufschlagung gegen die axiale Bohrung (17) der Hülse (15) gepresst wird, wodurch die Anschlussöffnungen gegeneinander abgedichtet sind.
2) Schieberventil nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Umwandung (20) eine dünnwandige elastische Folie umfasst.
3) Schieberventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchflussweg des Fluids im Rohrinneren des Schie- bers (18) erfolgt.
4) Schieberventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerschieber (18) in axialer Richtung abschnittsweise abdichtet. 5) Schieberventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerschieber an seiner Um- fangswandung (20) Öffnungen, Bohrungen, Nuten oder Schlitze um- fasst.
6) Schieberventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Bohrung (17) Nuten, Riefen oder Kanäle aufweist.
7) Schieberventil nach Anspruch nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten, Riefen oder Kanäle reibungsmindernde Materialien enthalten.
8) Schieberventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerschieber (18) an seinen Stirnseiten (24a, 24b) radiale Versteifungen (25a, 25b) mit Durchgängen aufweist.
9) Schieberventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerschieber (18) eine Verdrehsicherung aufweist.
10) Schieberventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerschieber (18) durch eine axiale Gegenkraft beaufschlagt wird, die der Betätigungskraft entgegen wirkt. 11 ) Schieberventil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenkraft eine axial eingespannte Druckfeder (27) um- fasst, die zumindest an einer der Stirnseiten (24a, 24b) angreift.
12) Schieberventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungseinrichtung (2) einen Elektromagneten (2) umfasst, insbesondere einen topfartigen Proportionalmagneten, und der Anker (9) des Magneten (2) die Betätigungsstange (11) für den Steuerschieber (18) bildet.
13) Schieberventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid ein Kältemittel für Klimaanlagen umfasst, insbesondere CO2 (R 744) für transkritische Anwendungen.
14) Schieberventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass es nach außen druckdicht ist.
15) Schieberventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil oder Teile davon in Patronenbauweise ausgeführt sind.
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