EP4256254A1 - Ventilvorrichtung - Google Patents

Ventilvorrichtung

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Publication number
EP4256254A1
EP4256254A1 EP21835595.6A EP21835595A EP4256254A1 EP 4256254 A1 EP4256254 A1 EP 4256254A1 EP 21835595 A EP21835595 A EP 21835595A EP 4256254 A1 EP4256254 A1 EP 4256254A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
valve element
valve
expansion
valve device
fluid
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP21835595.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Philipp Eichhorn
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP4256254A1 publication Critical patent/EP4256254A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B41/00—Fluid-circulation arrangements
    • F25B41/30—Expansion means; Dispositions thereof
    • F25B41/31—Expansion valves
    • F25B41/34—Expansion valves with the valve member being actuated by electric means, e.g. by piezoelectric actuators
    • F25B41/35—Expansion valves with the valve member being actuated by electric means, e.g. by piezoelectric actuators by rotary motors, e.g. by stepping motors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K11/00—Multiple-way valves, e.g. mixing valves; Pipe fittings incorporating such valves
    • F16K11/02—Multiple-way valves, e.g. mixing valves; Pipe fittings incorporating such valves with all movable sealing faces moving as one unit
    • F16K11/08—Multiple-way valves, e.g. mixing valves; Pipe fittings incorporating such valves with all movable sealing faces moving as one unit comprising only taps or cocks
    • F16K11/087—Multiple-way valves, e.g. mixing valves; Pipe fittings incorporating such valves with all movable sealing faces moving as one unit comprising only taps or cocks with spherical plug
    • F16K11/0873—Multiple-way valves, e.g. mixing valves; Pipe fittings incorporating such valves with all movable sealing faces moving as one unit comprising only taps or cocks with spherical plug the plug being only rotatable around one spindle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2500/00—Problems to be solved
    • F25B2500/18—Optimization, e.g. high integration of refrigeration components
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B30/00—Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]
    • Y02B30/70—Efficient control or regulation technologies, e.g. for control of refrigerant flow, motor or heating

Definitions

  • the invention relates to a valve device and a valve element for a valve device according to the species of the independent claims.
  • Valves for controlling a fluid flow are already known.
  • DE 10 2017 208 181 A1 discloses a valve with a recess on the surface.
  • the present invention describes a valve device, in particular an expansion valve, for controlling a fluid flow of a fluid, in particular for a refrigerant circuit of a vehicle, having a valve element housing with at least three openings and a valve element, the valve element having a control passage for a main fluid flow and at least one expansion recess, wherein the openings are fluidically connected to an interior volume arranged in the interior of the housing, wherein the interior volume is formed between the valve element and the valve element housing, at least one opening being formed as a fluid inlet and at least one opening being formed as a fluid outlet.
  • the valve element has a separating element has, which is designed to fluidly separate the expansion recess and the control passage within the valve element from each other.
  • the expansion valve according to the invention with the features of the independent claim has the advantage that in the main flow position of the control passage, backflow from the control passage via the expansion recess into the interior of the housing can be prevented by the separating element.
  • the term fluid is understood to mean a medium which, depending on the prevailing thermodynamic conditions, can be present both in a liquid phase and in a gaseous phase.
  • a fluid of the type in question is a heat transfer medium which circulates within the fluid circuit.
  • the fluid is a natural refrigerant such as hydrocarbons, carbon dioxide, ammonia, propane, butane, propene, water or a synthetic refrigerant such as chlorofluorocarbons or hydrofluorocarbons.
  • a separating element can be understood to mean an element which is designed to be essentially impermeable to a fluid of the type in question here.
  • the separating element is preferably designed to be liquid-impermeable.
  • a particularly preferred embodiment of the invention provides that the separating element inside the valve element is also designed to be gas-impermeable.
  • a gas-permeable valve element can be understood to mean a separating element which only allows a leakage rate which is less than 10 -7 mbar Z/s, preferably less than 10 -8 mbar Z/s. particularly preferably less than 5*10 -8 mbarZ/s.
  • This leakage rate corresponds approximately to a leak diameter of 0.4 pm per 2 mm wall thickness and an average gas loss of approximately 3 cm 3 of gas per year, with the leakage rate being able to be determined quantitatively using a test gas leak detector, for example.
  • Helium or hydrogen forming gas is preferably used as the test medium.
  • the separating function of the separating element is provided within the valve element.
  • the separating element interrupts the fluidic connection between the expansion recess and the control passage.
  • the separating element fluidly separates the expansion recess from the control passage volume in the sense of a blocking element. In order to test the separating function of the separating element within the valve element, it is therefore advantageous to essentially prevent a flow path outside the inner volume of the valve element.
  • valve element can be rotated about an axis of rotation and the valve element has a rotationally symmetrical base body, preferably a spherical or cylindrical base body.
  • a valve element can be manufactured particularly easily and inexpensively.
  • the valve element preferably has an engagement which enables interaction with a valve stem moved by the electric drive.
  • a valve element can in particular also be understood to mean a valve means or a valve body.
  • the valve member is rotatably mounted on a valve stem.
  • the valve element is movably, preferably rotatably, arranged within the valve element housing.
  • valve element Depending on the position of the valve element, in particular the rotational position within the valve element housing, the valve element allows flow through the valve device, wherein the fluid flow can be expanded or compressed depending on the valve position and the flow direction, or can flow through the valve device unhindered.
  • control passage has a first passage opening and a second passage opening along the direction of flow. It is further provided that the expansion recess is arranged in the area of the second passage opening of the control passage and the separating element is arranged between the expansion recess and the second passage opening of the control passage.
  • the separating element is thus arranged in the area of the through-opening, which is in contact with a fluid outlet in a main flow position of the valve device.
  • Such a separating element can thus advantageously prevent a partial fluid flow from flowing back in the region of the fluid outlet.
  • the efficiency of the valve device in the main flow direction is advantageously improved.
  • a main flow position of the valve device means an arrangement of the valve element relative to the valve element housing in which a main fluid stream can flow through the valve essentially uncompressed, ie without a significant flow cross-section reduction.
  • a low-pressure gas is preferably present at the fluid inlet of the valve device, and this gas is passed on to a fluid outlet with little pressure loss.
  • a refrigerant compressor is preferably connected to this fluid outlet.
  • a sealing seat is arranged at the fluid outlet, with the separating element lying fluidically tight against the sealing seat in the main passage position of the valve device.
  • the fluid outlet is essentially cylindrical.
  • the sealing seat preferably has an essentially cylindrical inner surface, which is arranged in the area of the opening. The flow resistance to the flowing fluid is thus minimized.
  • the sealing seat preferably has a sealing seat edge against which, according to a preferred embodiment of the invention, the racing element bears in contact.
  • the expansion recess has a flow cross section which is designed such that it increases in the direction of the second passage opening of the control passage, in particular in the direction of the separating element.
  • the flow cross section in the expansion position can be regulated as a function of the rotational position.
  • the separating element is designed as a separating wall, preferably as a separating wall extending in the radial direction, particularly preferably as a separating wall adjoining the expansion recess in the circumferential direction.
  • the separating element is designed in one piece or in one piece with the valve element base body. In this way, the expansion volume can be separated from the control passage in a structurally simple manner.
  • the separating element extends over a circumferential angle of between 5° and 15°, preferably between 8° and 12°, particularly preferably essentially over 10° of the valve element.
  • a dimensioning of the separating element on the one hand enables an efficient, fluid-tight separation of the expansion recess, and on the other hand the length of the expansion recess is optimized with regard to the setting of the expansion cross sections.
  • the separating element is advantageously designed with thin walls. It is also conceivable that the valve element has a diffusion-inhibiting barrier layer, particularly in the area of the separating element.
  • expansion recess extends in a radial plane perpendicular to the axis of rotation, the expansion recess preferably being arranged in a plane of symmetry of the valve element.
  • the expansion recess is designed as an expansion groove in a lateral surface of the valve element. It is advantageous that the expansion recess is formed on the surface of the valve element is. Such a recess, which is open at least on one side, advantageously enables simple regulation of the fluid flow through the inner volume of the valve element housing in the expansion position of the valve device.
  • a special low-pressure-loss valve can be provided in particular in that the openings of at least one fluid outlet and at least one fluid outlet are essentially aligned. In the main flow position, the fluid can thus flow through the valve, starting from the fluid inlet to the fluid outlet, through the straight control passage opening unhindered, uncompressed and straight. Pressure losses are significantly reduced.
  • the control orifice preferably extends centrally through the centerline of the valve element.
  • the valve element has exactly one control passage, the control passage being essentially straight.
  • the control passage is essentially free of curvature, in particular without projections and deflections.
  • control passage Due to the straight design of the control passage, pressure losses when flowing through the control passage can be prevented in an advantageous manner.
  • a particularly simple, flow-optimized passage can be provided in that the control passage is designed as a through hole through the valve element.
  • a particularly simple, small valve can be provided in particular by arranging all three openings of the valve element housing in a common radial plane.
  • the bottom of the valve element housing i.e. the side opposite the actuator of the valve element housing is thus designed without a connection.
  • a deflection of the fluid by 90° can advantageously be prevented.
  • Inlet pipes or inlet flanges, which are mounted on the openings, are therefore all in one plane.
  • Such a valve device can be designed to be significantly more space-saving.
  • the axes of symmetry of the openings and the axis of rotation of the valve element preferably meet at a common center point.
  • the valve device advantageously has an expansion position in which the first passage opening is largely completely fluidically connected to a fluid outlet and the expansion recess is fluidically connected to a fluid inlet, the separating element in the expansion position being arranged at a distance from a first sealing seat arranged on the fluid inlet is. In this way, in the expansion position, the fluid can flow past the separating element through the interior of the valve element housing to the control passage.
  • FIG. 1 is a perspective view of a valve housing element 12,
  • FIG. 2a a schematic representation of a plan view of a valve device 12 in a main flow position 55
  • Figure 2b a schematic representation of a plan view of a valve device 12 in an expansion position 57. description
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a valve device 10 according to the invention in a perspective view.
  • the valve device 10 has an essentially cuboid housing, which is designed as a valve element housing 12 for a valve element 14 (not shown here).
  • the valve element 14 is movably mounted, in particular rotatably relative to the valve element housing 12 about an axis of rotation 18 extending essentially in the axial direction 16 .
  • the valve means housing has an interior cavity 20 in which the valve element 14 is arranged when the valve device 10 is in the assembled state. In the mounted state, an internal volume 26 through which a flow can flow remains in the cavity 20 between the valve element 14 and the valve element housing 12.
  • the valve element housing 12 has three openings 22a, 22b, 22c. The openings 22a, 22b, 22c are designed as through openings through the housing wall of the valve element housing 12.
  • the openings 22a, 22b, 22c are designed as through holes.
  • the opening 22a is designed as a fluid inlet 23a, the opening 22b as a fluid outlet 23b and the opening 22c as a fluid outlet 23c.
  • the openings 22a, 22b, 22c are arranged in one plane, the radial plane 24.
  • the fluid inlet 22a and the fluid outlet 22b are arranged in alignment.
  • Of the second fluid outlet 22c is orthogonal to fluid inlet 22a and fluid outlet 22b.
  • a sealing seat is arranged at least in the area of one of the openings 22a, 22b, 22c.
  • the sealing seat is preferably designed as a sealing ring, which is arranged in the opening cross section of the at least one opening 22a, 22b, 22c.
  • the sealing seat is preferably arranged in a region of the at least one opening 22a, 22b, 22c that faces the inner volume 26 and encloses the opening 22a, 22b, 22c in the circumferential direction. essentially complete.
  • the first opening 22a has a first sealing seat 27a and the second opening 22b has a second sealing seat 27b. It is also conceivable that all openings 22a, 22b, 22c each have a corresponding sealing seat 27a, 27b, 27c.
  • the valve element housing 12 has a passage 30 for a valve stem 32, which is driven by an electric drive.
  • the valve element 14 is arranged on the valve stem 32 .
  • the valve stem 32 passes through the passage 30 of the valve element housing 12 and extends essentially in the axial direction 16.
  • the valve element housing 12 is designed as a valve center block.
  • Such a valve center block is preferably made of aluminum or an aluminum alloy.
  • FIG. 2a shows the sectional representation of a valve device 10 along the radial plane 24 in a main flow position.
  • the valve element housing 12 has at least three openings 20a, 20b, 20c.
  • the opening 22a is designed as a fluid inlet 23a, the opening 22b as a fluid outlet 23b and the opening 22c as a fluid outlet 23c.
  • the fluid inlet and fluid outlet openings 22a, 22b, 22c are arranged in the radial plane 24. Fluid inlet 22a and the first fluid outlet 22b are arranged in alignment with one another.
  • the second fluid outlet 22c is orthogonal to the fluid inlet 22a and the first fluid outlet 22b.
  • a sealing seat 27a, 27b is arranged both on the fluid inlet 23a and on the first fluid outlet 23b, which is opposite the fluid inlet 23a.
  • the sealing seats 27a, 27b are designed here, for example, as sealing rings, which are arranged in the opening cross section of 22a, 22b.
  • the sealing seats 27a, 27b are arranged in a region facing the inner volume 26 and enclose the corresponding opening 22a, 22b in the circumferential direction.
  • a first sealing seat 27a is arranged at the fluid inlet 23a, and a second sealing seat 27b at the first fluid outlet 23b.
  • the valve device 10 has a valve element 14, which has an essentially spherical base body 38.
  • the valve element 14 is designed to be movable, in particular rotatable relative to the valve element housing 12 .
  • the first valve means housing 12 has an internal volume 26 through which a fluid can flow.
  • a fluid of the type in question is preferably a heat transfer medium which circulates within the fluid circuit.
  • the fluid is a natural refrigerant, such as hydrocarbons, carbon dioxide, ammonia, propane, butane, Propene, water or a synthetic refrigerant such as chlorofluorocarbons or hydrofluorocarbons.
  • a valve element housing 12 of the type in question can be designed in particular as a valve center block which is designed to be essentially gas-tight due to the thermodynamic conditions prevailing in an expansion valve.
  • the fluid in the flowable inner volume 26 of the valve element housing 12 is at least partially in a gaseous phase, with high pressures in the range between 1-30 bar and briefly up to 100 bar prevailing. Due to these thermodynamic boundary conditions, according to an advantageous embodiment of the invention, the valve element housing 12 can be made of a metal, preferably aluminum or an aluminum alloy.
  • valve element housing 12 has a plastic body with a diffusion-inhibiting barrier layer containing metal.
  • a valve element housing 12 can be manufactured simply and inexpensively in comparison to an aluminum block housing.
  • due to the gas-tightness of the valve device it can be used in fluid circuits in which the fluid is at least partially in a gaseous phase.
  • the valve element 14 has a control passage 30 for a main volume flow 32 of a fluid through the valve device 10.
  • the control passage 30 has two passage openings 34 , 36 along the flow direction of the main volume flow 32 .
  • the passage openings 34, 36 are on the lateral surface of the Valve element 14 is arranged, wherein the second passage opening 36 is arranged upstream of the first passage opening 34 .
  • the openings 22a, 22b, 22c are through bores formed through the wall of the valve element housing 12.
  • the openings 22a, 22b, 22c preferably each have identical inside diameters.
  • the axes of symmetry of the openings 22a, 22b, 22c intersect at a common point, which is preferably at least approximately the center point of the spherical valve element 14.
  • the control passage 30 is designed as a through opening, in particular as a through bore.
  • the control passage 30 is essentially straight, preferably the first passage opening 34 and the second passage opening 36 are arranged diametrically aligned with one another.
  • the inner wall of the control passage 30 is preferably designed without any curvature or projections.
  • the valve element 14 has no further opening cross sections for a main volume flow 32 of the fluid.
  • the valve element 14 preferably has exactly one control passage 30 which is essentially straight.
  • the axis of rotation 18 extends perpendicularly out of the plane of the image. All openings 22a, 22b, 22c of the valve element housing 12 are arranged in the radial plane 24.
  • the valve element 30 has an expansion recess 40 .
  • the expansion recess 40 is an expansion groove in the lateral surface 44 of the Valve element 14 formed.
  • the expansion recess 40 is in the form of a surface notch.
  • the expansion recess 40 extends on an imaginary circular line on the lateral surface 44 of the essentially spherical valve element 14.
  • the expansion recess 40 extends a few millimeters deep into the valve element 14.
  • the expansion recess 40 can in particular be designed as a channel-shaped element and an essentially rectangular one have cross section. However, other cross-sectional shapes are also conceivable. It is also conceivable, for example, for the expansion recess 40 to have essentially rounded edges.
  • the valve element 14 has a separating element 42 which is designed to fluidly separate the expansion recess 40 and the control passage 30 within the valve element 14 from one another.
  • the separating element 42 fluidly separates the expansion recess 40 from the control passage volume 30 in the sense of a blocking element.
  • the separating element 42 is designed as a separating wall, preferably as a separating wall extending in the radial direction. Due to the separating element 42 , any flow paths from the expansion recess 40 to the control passage 30 - vice versa - necessarily lead along outside of the inner volume of the valve element 14 spanned by the lateral surface 44 .
  • the valve element 14 according to the embodiment of the invention shown in FIG. 2a has an essentially spherical shape.
  • the separating element 42 closes in the circumferential direction along an imaginary separating wall adjoining the expansion recess 40 .
  • the separator 42 extends over a circumferential angle cp of between 5° and 15°, preferably between 8° and 12°, particularly preferably essentially over 10° of the valve element 14.
  • the expansion valve extends over a circumferential angle y of 30° to 50°.
  • the valve element 14 is preferably designed such that the sum of the circumferential angle cp of the separating element 42 and the circumferential angle y of the expansion recess 40 is less than 90°, in particular less than 80°, particularly preferably less than 70°.
  • the circumferential angle cp of the separating element 42 is preferably many times smaller than the circumferential angle y of the expansion recess 40.
  • FIG. 2a shows the valve device 10 in a main flow position 50.
  • the first passage opening 34 is largely completely fluidly connected to the fluid outlet 23a and the second passage opening 36 is largely completely fluidly connected to the opposite fluid outlet 23b.
  • the respective passage openings 34, 36 are preferably within the coverage area of the fluid inlet 23a or the fluid outlet 23b.
  • the passage openings 34, 36 are fluidically tight against the fluid seat. Passage openings 34, 36 and fluid inlet 23a and fluid outlet 23b are arranged in a line aligned with one another. The fluid flowing through the valve is guided through the valve essentially without deflections and thus with the lowest possible flow losses. As can be clearly seen in FIG.
  • the separating element 42 rests against the second sealing seat 27b in a fluidically sealing manner in the main flow position 55.
  • the separating element 42 is thus designed to fluidly separate the expansion recess 40 from the fluid outlet in the main flow position 55 .
  • Backflows from the control passage 30 can be avoided in an advantageous manner.
  • the expansion recess 40 has a flow cross section which is designed in such a way that it increases in the direction of the first passage opening 36 of the control passage 30 , in particular in the direction of the separating element 42 .
  • Figure 2b shows the valve device shown in Figure 2a in an expansion position 57.
  • the valve element 14 in the expansion position 57 is rotated by 90° about the axis of rotation 18 compared to the main flow position in such a way that the first passage opening 34 is now substantially completely rests against the second fluid outlet 23c, or the projection of the second fluid outlet 23c covers the first through-opening substantially over its entirety.
  • the second through-opening 36 is located in the interior 26 of the valve element housing 12. Due to the selected circumferential angle y of the expansion recess 40, the latter is now in contact with the fluid inlet 23a. As can be clearly seen in FIG. 2b, the expansion recess 40 sweeps over the first sealing seat 27a in the circumferential direction. In the expansion position 57, the fluid thus flows from the fluid inlet 23a, via the expansion recess 40, the interior space 26, through the control passage opening 30, and out of the fluid outlet 23c.
  • the separating element 42 faces the interior space 27 and is not in contact with the sealing seat.
  • a flow gap 60 remains between the sealing seat 27a and the separating element 42.
  • an expansion valve can be provided with particularly simple means, in which an opening on the housing base, ie on the side facing away from the electric drive, can be particularly advantageously avoided.
  • a constructive simple, light valve element housing 12 are provided, which is optimized in terms of costs and at the same time has lower pressure losses by avoiding deflections in the main flow position.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ventilvorrichtung (10), insbesondere Expansionsventil, zum Regeln eines Fluidflusses eines Fluides, insbesondere für einen Kältemittelkreislauf eines Fahrzeuges, aufweisend ein Ventilelementgehäuse (12) mit zumindest drei Öffnungen (22a, 22b, 22c) und ein Ventilelement (14), wobei das Ventilelement (14) einen Regeldurchlass (30) für einen Hauptfluidstrom (32) und zumindest eine Expansionsausnehmung (40) aufweist, wobei die Öffnungen (22a, 22b, 22c) mit einem im Gehäuseinneren angeordneten Innenvolumen (26) fluidisch verbunden sind, wobei das Innenvolumen (26) zwischen dem Ventilelement (14) und dem Ventilelementgehäuse (12) ausgebildet ist, wobei zumindest eine Öffnung (22a, 22b, 22c ) als Fluideinlass (23a, 23b, 23c) ausgebildet ist und zumindest eine Öffnung (22a, 22b, 22c) als Fluidauslass (23a, 23b, 23c) ausgebildet ist. Es wird vorgeschlagen, dass das Ventilelement (14) ein Trennelement (42) aufweist, welches dazu ausgebildet ist die Expansionsausnehmung (40) und den Regeldurchlass (30) innerhalb des Ventilelementes (14) fluidisch voneinander zu trennen.

Description

Beschreibung
Titel
Ventilvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Ventilvorrichtung und ein Ventilelement für eine Ventilvorrichtung nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.
Stand der Technik
Es sind bereits Ventile zur Regelung eines Fluidstroms bekannt. Insbesondere die DE 10 2017 208 181 Al offenbart ein Ventil mit einer Ausnehmung an der Oberfläche.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile
Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Ventilvorrichtung, insbesondere ein Expansionsventil, zum Regeln eines Fluidflusses eines Fluides, insbesondere für einen Kältemittelkreislauf eines Fahrzeuges, aufweisend ein Ventilelementgehäuse mit zumindest drei Öffnungen und ein Ventilelement, wobei das Ventilelement einen Regeldurchlass für einen Hauptfluidstrom und zumindest eine Expansionsausnehmung aufweist, wobei die Öffnungen mit einem im Gehäuseinneren angeordneten Innenvolumen fluidisch verbunden sind, wobei das Innenvolumen zwischen dem Ventilelement und dem Ventilelementgehäuse ausgebildet ist, wobei zumindest eine Öffnung als Fluideinlass ausgebildet ist und zumindest eine Öffnung als Fluidauslass ausgebildet ist. Erfindungsgemäß weist das Ventilelement ein Trennelement aufweist, welches dazu ausgebildet ist die Expansionsausnehmung und den Regeldurchlass innerhalb des Ventilelementes fluidisch voneinander zu trennen.
Das erfindungsgemäße Expansionsventil mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches hat den Vorteil, dass in der Hauptdurchströmungsposition des Regeldurchlasses durch das Trennelement Rückströmungen aus dem Regeldurchlass über die Expansionsausnehmung in den Innenraum des Gehäuses verhindert werden können.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter dem Begriff Fluid ein Medium verstanden werden, welches in Abhängigkeit der vorliegenden thermodynamischen Bedingungen sowohl in einer flüssigen Phase als auch in einer gasförmigen Phase vorliegen kann. Bei einem Fluid der hier zur Rede stehenden Art handelt es sich um ein Wärmeträgermedium, welches innerhalb des Fluidkreislaufes zirkuliert. Insbesondere handelt es sich bei dem Fluid um ein natürliches Kältemittel, wie beispielsweise Kohlenwasserstoffe, Kohlendioxid, Ammoniak, Propan, Butan, Propen, Wasser oder ein synthetisches Kältemittel wie beispielsweise Fluorchlorkohlenwasserstoffe oder teilhalogenierte Fluorkohlenwasserstoffe.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann unter einem Trennelement ein Element verstanden werden, welches im Wesentlichen undurchlässig für ein Fluid der hier zur Rede stehenden Art ausgebildet ist. Vorzugsweise ist das Trennelement flüssigkeitsundurchlässig ausgebildet. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Trennelement innerhalb des Ventilelementes darüber hinaus auch gasundurchlässig ausgebildet ist. Dabei kann unter einem gasdurchlässigen Ventilelement ein Trennelement verstanden werden, welches lediglich eine Leckagerate zulässt, welche kleiner als 10-7 mbar Z/s, vorzugsweise kleiner als 10-8 mbarZ/s, besonders vorzugsweise kleiner als 5 * 10-8 mbarZ/s ist. Diese Leckagerate entspricht näherungsweise einem Leckdurchmesser von 0,4pm pro 2mm Wanddicke und einem mittleren Gasverlust von näherungsweise 3cm3 Gas im Jahr, wobei die Leckagerate beispielsweise mit einem Prüfgasleckdetektor quantitativ ermittelt werden kann. Vorzugsweise findet hierbei Helium oder Wasserstoffformiergas als Prüfmedium Anwendung.
Die Trennfunktion des Trennelementes wird innerhalb des Ventilelementes bereitgestellt. Das Trennelement unterbricht dabei die fluidische Verbindung zwischen der Expansionsausnehmung und dem Regeldurchlass. Mit anderen Worten, innerhalb des durch die äußere Mantelfläche des Ventilelementes aufgespannten Innenvolumens des Ventilelementes, trennt das Trennelement im Sinne eines Sperrelementes die Expansionsausnehmung fluidisch vom Regeldurchlassvolumen ab. Zur Prüfung der Trennfunktion des Trennelementes innerhalb des Ventilelementes ist es somit vorteilhaft ein Strömungspfad außerhalb des Innenvolumens des Ventilelementes im Wesentlichen zu unterbinden.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ergeben sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der unabhängigen Merkmale.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Ventilelement um eine Drehachse drehbar ist und wobei das Ventilelement einen rotationssymmetrischen Grundkörper, vorzugsweise einen kugelförmigen oder zylinderförmigen Grundkörper aufweist. Eine solches Ventilelement lässt sich besonders einfach und kostengünstig fertigen. Vorzugsweise weist das Ventilelement einen Eingriff auf, der ein Zusammenwirken mit einem durch den elektrischen Antrieb bewegten Ventilschaft ermöglicht. lm Rahmen der vorliegenden Erfindung kann unter einem Ventilelement insbesondere auch ein Ventilmittel oder ein Ventilkörper verstanden werden. Vorzugsweise ist das Ventilelement drehtest auf einem Ventilschaft angeordnet. Das Ventilelement ist beweglich, vorzugsweise drehbar, innerhalb des Ventilelementgehäuses angeordnet. Abhängig von der Position des Ventilelementes, insbesondere der Drehposition innerhalb des Ventilelementgehäuses, ermöglicht das Ventilelement ein Durchströmen der Ventilvorrichtung, wobei der Fluidstrom in Abhängigkeit der Ventilposition und der Durchströmungsrichtung expandiert oder komprimiert werden kann, oder ungehindert die Ventilvorrichtung durchströmen kann.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Regeldurchlass entlang der Strömungsrichtung eine erste Durchlassöffnung und eine zweite Durchlassöffnung aufweist. Es ist ferner vorgesehen, dass die Expansionsausnehmung im Bereich der zweiten Durchlassöffnung des Regeldurchlasses angeordnet ist und wobei das Trennelement zwischen der Expansionsausnehmung und der zweiten Durchlassöffnung des Regeldurchlasses angeordnet ist.
Das Trennelement ist somit im Bereich der Durchlassöffnung angeordnet, welche in einer Hauptdurchströmungsposition der Ventilvorrichtung an einem Fluidauslass anliegt. Ein solches Trennelement kann somit einen Rückstrom eines Teilfluidstromes im Bereich des Fluidauslasses vorteilhaft verhindern. Der Wirkungsgrad der Ventilvorrichtung in der Hauptdurchströmungsrichtung wird vorteilhaft verbessert.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass in einer Hauptdurchströmungsposition die erste Durchlassöffnung weitgehend vollständig mit einem Fluideinlass und die zweite Durchlassöffnung weitgehend vollständig mit einem Fluidauslass fluidtechnisch verbunden ist, wobei das Trennelement dazu ausgebildet ist, in der Hauptdurchströmungsposition die Expansionsausnehmung fluidisch vom Fluidauslass zu trennen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist unter einer Hauptdurchströmungsposition der Ventilvorrichtung eine Anordnung des Ventilelementes relativ zum Ventilelementgehäuse zu verstehen, bei welcher ein Hauptfluidstrom im Wesentlichen unkomprimiert, das heißt ohne signifikante Strömungsquerschnittsreduktion durch das Ventil strömen kann. Vorzugsweise liegt in der Hauptdurchströmungsposition am Fluideinlass der Ventilvorrichtung ein Niederdruck-Gas an, welches mit geringem Druckverlust an einen Fluidauslass weitergeführt wird. Vorzugsweise schließ sich an diesen Fluidauslass ein Kältemittelverdichter an.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist am Fluidauslass Dichtsitz angeordnet ist, wobei in der der Hauptdurchlassposition der Ventilvorrichtung das Trennelement fluidisch dicht am Dichtsitz anliegt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Fluidauslass im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet. Der Dichtsitz weist vorzugsweise eine im Wesentlichen zylinderförmige Innenfläche auf, welche im Bereich der Öffnung angeordnet ist. Der Strömungswiederstand auf das strömende Fluid ist somit minimiert. Vorzugsweise weist der Dichtsitz eine Dichtsitzkante auf, an welcher gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung das Rennelement kontaktierend anliegt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist es vorgehen, dass die Expansionsausnehmung einen Strömungsquerschnitt aufweist, welcher derart ausgebildet ist, dass er in Richtung der zweiten Durchlassöffnung des Regeldurchlasses, insbesondere in Richtung des Trennelementes zunimmt. Es ist der Durchströmungsquerschnitt in der Expansionsposition in Abhängigkeit von der Drehposition regulierbar. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Trennelement als Trennwand, vorzugsweise als eine sich in Radialrichtung erstreckende Trennwand, besonders vorzugsweise als eine in Umfangsrichtung an die Expansionsausnehmung anschließende Trennwand ausgebildet ist.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Trennelement einstückig beziehungsweise einteilig mit dem Ventilelementgrundkörper ausgebildet ist. Auf diese Weise kann konstruktiv einfach ein separieren des Expansionsvolumens vom Regeldurchlass erreicht werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erstreckt sich das Trennelement über einen Umfangswinkel zwischen 5° und 15°, vorzugsweise zwischen 8° und 12°, besonders bevorzugt im Wesentlichen über 10° des Ventilelementes erstreckt. Eine solche Dimensionierung des Trennelementes ermöglicht zum einem ein effizientes fluiddichtes abtrennen der Expansionsausnehmung, zum anderen wird die Länge der Expansionsausnehmung hinsichtlich der Einstellung der Expansionsquerschnitte optimiert. Das Trennelement ist vorteilhaft dünnwandig ausgebildet. Es ist auch denkbar, dass das Ventilelement insbesondere im Bereich des Trennelementes eine diffusionshemmende Sperrschicht aufweist.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass sich die Expansionsausnehmung in einer Radialebene senkrecht zur Drehachse erstreckt, wobei die Expansionsausnehmung vorzugsweise in einer Symmetrieebene des Ventilelementes angeordnet ist.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die die Expansionsausnehmung als Expansionsnut in einer Mantelfläche des Ventilelementes ausgebildet ist. Vorteilhafterweise ist, dass die Expansionsausnehmung an der Oberfläche des Ventilelementes ausgebildet ist. Eine solche zumindest einseitig offene Ausnehmung ermöglicht in vorteilhafter Weise eine einfache Regelung des Fluidstromes durch das Innenvolumen des Ventilelementgehäuses in der Expansionsposition der Ventilvorrichtung.
Ein besonderes druckverlustarmes Ventil kann insbesondere dadurch bereitgestellt werden, die Öffnungen zumindest eines und zumindest einen Fluidauslasses im Wesentlichen fluchtend ausgebildet sind. In der Hauptdurchströmungsposition kann das Fluid somit das Ventil ausgehend vom Fluideinlass hin zum Fluidauslass durch die gerade Regeldurchlassöffnung ungehindert, unkomprimiert und gerade durchströmen. Druckverluste sind deutlich reduziert. Die Regeldurchlassöffnung erstreckt sich vorzugsweise mittig durch die Mittellinie des Ventilelementes.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Ventilelement genau einen Regeldurchlass aufweist, wobei der Regeldurchlass im Wesentlichen gerade ausgebildet ist. Der Regeldurchlass ist im Wesentlichen krümmungsfrei, insbesondere ohne Vorsprünge und Umlenkungen ausgebildet.
Durch die gerade Ausbildung des Regeldurchlasses können in vorteilhafter Weise Druckverluste beim Durchströmen des Regeldurchlasses verhindert werden. Ein besonders einfacher, strömungsoptimierter Durchlass kann dadurch bereitgestellt werden, dass der Regeldurchlass als Durchgangsbohrung durch das Ventilelement ausgebildet ist.
Ein besonders einfaches, kleines Ventil kann insbesondere dadurch bereitgestellt werden, dass alle drei Öffnungen des Ventilelementgehäuses in einer gemeinsamen Radialebene angeordnet sind. Der Boden des Ventilelementgehäuses, das heißt die dem Aktuator gegenüberliegende Seite des Ventilelementgehäuses ist somit ohne Anschluss ausgebildet. Ein Umlenken des Fluides um 90° kann vorteilhaft verhindert werden. Zulaufrohre oder Zulaufflansche, welche an den Öffnungen montiert werden, liegen somit alle in einer Ebene. Eine solche Ventilvorrichtung kann deutlich baumraumsparender ausgebildet werden. Vorzugsweise treffen sich die Symmetrieachsen der Öffnungen und die Drehachse des Ventilelementes in einen gemeinsamen Mittelpunkt.
Neben der Hauptdurchlassposition weist die Ventilvorrichtung vorteilhaft eine Expansionsposition auf, in welcher die erste Durchlassöffnung weitgehend vollständig mit einem Fluidauslass fluidtechnisch verbunden ist und die Expansionsausnehmung fluidisch mit einem Fluideinlass verbunden ist, wobei das Trennelement in der Expansionsposition beabstandet zu einem ersten, am Fluideinlass angeordneten Dichtsitz angeordnet ist. Auf diese Weise kann das Fluid in der Expansionsposition am Trennelement vorbei durch den Innenraum des Ventilelementgehäuses hin zum Regeldurchlass strömen.
Zeichnungen
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Ventilvorrichtung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
Figur 1 eine perspektivische Darstellung eines Ventilgehäuseelementes 12,
Figur 2a, eine schematische Darstellung einer Draufsicht einer Ventilvorrichtung 12 in einer Hauptdurchströmungsposition 55, Figur2b, eine schematische Darstellung einer Draufsicht einer Ventilvorrichtung 12 in einer Expansionsposition 57. Beschreibung
In den verschiedenen Ausführungsvarianten erhalten gleiche Teile die gleichen Bezugszahlen.
Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung 10 in einer perspektivischen Darstellung. Die Ventilvorrichtung 10 weist ein im Wesentlichen quaderförmiges Gehäuse auf, welches als Ventilelementgehäuse 12 für ein Ventilelement 14 (hier nicht dargestellt) ausgebildet ist. Das Ventilelement 14 ist beweglich, insbesondere gegenüber dem Ventilelementgehäuse 12 drehbar um eine sich im Wesentlichen in Axialrichtung 16 erstreckende Drehachse 18 gelagert.
Das Ventilmittelgehäuse weist im Inneren Hohlraum 20 auf, in welchem im montierten Zustand der Ventilvorrichtung 10 das Ventilelement 14 angeordnet ist. Im montierten Zustand verbleibt somit im Hohlraum 20 ein durchströmbares Innenvolumen 26 zwischen dem Ventilelement 14 und dem Ventilelementgehäuse 12 ausgebildet Das Ventilelementgehäuse 12 weist drei Öffnungen 22a, 22b, 22c auf. Die Öffnungen 22a, 22b, 22c sind als Durchgangsöffnungen durch die Gehäusewand des Ventilelementgehäuses 12 ausgebildet.
Gemäß der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung sind die Öffnungen 22a, 22b, 22c als Durchgangsbohrungen ausgebildet. Gemäß der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist die Öffnung 22a als Fluideinlass 23a, die Öffnung 22b als Fluidauslass 23b und die Öffnung 22c als Fluidauslass 23c ausgebildet. Wie in Figur 1 deutlich zu erkennen ist, sind die Öffnungen 22a, 22b, 22c in einer Ebene, der Radialebene 24 angeordnet. Der Fluideinlass 22a und der Fluidauslass 22b sind fluchtend angeordnet. Der zweite Fluidauslass 22c ist orthogonal zum Fluideinlass 22a und Fluidauslass 22b ausgebildet.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist zumindest im Bereich einer der Öffnungen 22a, 22b, 22c ein Dichtsitz angeordnet. Der Dichtsitz ist vorzugsweise als Dichtringe ausgebildet, welcher im Öffnungsquerschnitt der zumindest einen Öffnung 22a, 22b, 22c angeordnet ist.
Der Dichtsitz ist dabei vorzugsweise in einem dem Innenvolumen 26 zugewandten Bereich der zumindest einen Öffnung 22a, 22b, 22c angeordnet und umschließen in Umfangsrichtung die Öffnung 22a, 22b, 22c. im Wesentlichen vollständig. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die erste Öffnung 22a einen ersten Dichtsitz 27a und die zweite Öffnung 22b einen zweiten Dichtsitz 27b auf. Es ist auch denkbar, dass sämtliche Öffnungen 22a, 22b, 22c jeweils einen entsprechenden Dichtsitz 27a, 27b, 27c aufweisen.
Wie in Figur 1 zu erkennen ist, weist das Ventilelementgehäuse 12 eine Durchführung 30 für einen Ventilschaft 32 auf, welcher von einem elektrischen Antrieb angetrieben wird. Auf dem Ventilschaft 32 ist das Ventilelement 14 angeordnet. Der Ventilschaft 32 durchgreift die Durchführung 30 des Ventilelementgehäuses 12 und erstreckt sich im Wesentlichen in Axialrichtung 16. Gemäß der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist das Ventilelementgehäuse 12 als Ventilmittelblock ausgebildet. Ein solcher Ventilmittelblock ist vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ausgebildet.
Figur 2a zeigt die Schnittdarstellung einer Ventilvorrichtung 10 entlang der Radialebene 24 in einer Hauptdurchströmungsposition. Wie in Figur 2a deutlich zu erkennen ist, weist das Ventilelementgehäuse 12 zumindest drei Öffnungen 20a, 20b, 20c auf. Gemäß der in Figur 2a dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist die Öffnung 22a als Fluideinlass 23a, die Öffnung 22b als Fluidauslass 23b und die Öffnung 22c als Fluidauslass 23c ausgebildet. Wie in Figur 2a zu erkennen ist, sind die Fluideinlass- und Fluidauslassöffnungen 22a, 22b, 22c in der Radialebene 24 angeordnet. Fluideinlass 22a und der erste Fluidauslass 22b sind fluchtend zueinander angeordnet. Der zweite Fluidauslass 22c ist orthogonal zum Fluideinlass 22a und ersten Fluidauslass 22b ausgebildet.
Gemäß der in Figur 2a dargestellten Ausführungsform der Erfindung sind sowohl am Fluideinlass 23a als auch an dem, dem Fluideinlass 23a gegenüberliegenden, ersten Fluidauslass 23b jeweils ein Dichtsitz 27a, 27b angeordnet. Die Dichtsitze 27a, 27b sind hier beispielhaft als Dichtringe ausgebildet, welche im Öffnungsquerschnitt der 22a, 22b angeordnet sind. Die Dichtsitze 27a, 27b sind in einem dem Innenvolumen 26 zugewandten Bereich angeordnet und umschließen die entsprechende Öffnung 22a, 22b in Umfangsrichtung. Am Fluideinlass 23a ist ein erster Dichtsitz 27a angeordnet, am ersten Fluidauslass 23b ein zweiter Dichtsitz 27b.
Gemäß der in Figur 2a dargestellten Ausführungsform der Erfindung weist die Ventilvorrichtung 10 ein Ventilelement 14 auf, welches einen im Wesentlichen kugelförmigen Grundkörper 38 aufweist. Das Ventilelement 14 ist beweglich, insbesondere drehbar gegenüber dem Ventilelementgehäuse 12 ausgebildet. Ferner weist das erste Ventilmittelgehäuse 12 ein durchströmbares Innenvolumen 26 auf, welcher von einem Fluid durchströmt wird.
Bei einem Fluid der hier zur Rede stehenden Art handelt es sich vorzugsweise um ein Wärmeträgermedium, welches innerhalb des Fluidkreislaufes zirkuliert. Insbesondere handelt es sich bei dem Fluid um ein natürliches Kältemittel, wie beispielsweise Kohlenwasserstoffe, Kohlendioxid, Ammoniak, Propan, Butan, Propen, Wasser oder ein synthetisches Kältemittel wie beispielsweise Fluorchlorkohlenwasserstoffe oder teilhalogenierte Fluorkohlenwasserstoffe.
Ein Ventilelementgehäuse 12 der hier zur Rede stehenden Art kann insbesondere als Ventilmittelblock ausgebildet sein, welches aufgrund der in einem Expansionsventil vorherrschenden, thermodynamischen Bedingungen im Wesentlichen gasdicht ausgebildet ist. In einem Ventilvorrichtung 10 der hier zur Rede stehenden Art liegt das Fluid im durchströmbaren Innenvolumen 26 des Ventilelementgehäuses 12 zumindest teilweise in einer gasförmigen Phase vor, wobei hohe Drücke im Bereich zwischen l-30bar und kurzzeitig bis zu 100 bar vorherrschen. Aufgrund dieser thermodynamischen Randbedingungen kann gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung das Ventilelementgehäuse 12 aus einem Metall, vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ausgebildet sein.
Es ist jedoch auch denkbar, dass zumindest ein Gehäuseteil des Ventilelementgehäuses 12 einen Kunststoffkörper mit einer diffusionshemmenden Sperrschicht, welche Metall enthält, aufweist. Ein solches Ventilelementgehäuse 12 kann im Vergleich zu einem Aluminiumblockgehäuse einfach und kostengünstig gefertigt werden. Gleichzeitig kann aufgrund der Gasdichtigkeit Ventilvorrichtung ein Einsatz in Fluidkreisläufen ermöglicht werden, bei welchen das Fluid zumindest teilweise in einer gasförmigen Phase vorliegt.
Wie in Figur 2a zu erkennen ist, weist das Ventilelement 14 einen Regeldurchlass 30 für einen Hauptvolumenstrom 32 eines Fluides durch die Ventilvorrichtung 10 auf. Der Regeldurchlass 30 weist dabei entlang der Strömungsrichtung des Hauptvolumenstomes 32 zwei Durchlassöffnungen 34, 36 auf. Die Durchlassöffnungen 34, 36 sind an der Mantelfläche des Ventilelementes 14 angeordnet, wobei die zweite Durchlassöffnung 36 stromaufwärts der ersten Durchlassöffnung 34 angeordnet ist.
Die Öffnungen 22a, 22b, 22c sind Durchgangsbohrungen durch die Wandung des Ventilelementgehäuses 12 ausgebildet. Vorzugsweise weisen die Öffnungen 22a, 22b, 22c jeweils identische Innendurchmesser auf. Die Symmetrieachsen der Öffnungen 22a, 22b, 22c schneiden sich in einem gemeinsamen Punkt, welcher vorzugsweise zumindest näherungsweise der Mittelpunkt des kugelförmigen Ventilelementes 14 ist.
Der Regeldurchlass 30 ist gemäß der in Figur 2a dargestellten Ausführungsform der Erfindung als Durchgangsöffnung, insbesondere als Durchgangsbohrung ausgebildet. Um Strömungsverluste zu vermeiden, ist der Regeldurchlass 30 im Wesentlichen gerade ausgebildet, vorzugsweise sind erste Durchgangsöffnung 34 und die zweite Durchgangsöffnung 36 diametral fluchtend zueinander angeordnet. Die Innenwandung des Regeldurchlasses 30 ist vorzugsweise krümmungs- beziehungsweise vorsprungsfrei ausgebildet. Neben der Regeldurchlassöffnung 30, weist das Ventilelement 14 keine weiteren Öffnungsquerschnitte für einen Hauptvolumenstrom 32 des Fluides auf.
Das Ventilelement 14 weist vorzugsweise genau einen Regeldurchlass 30 auf, welcher im Wesentlichen gerade ausgebildet ist. In der in Figur 2a dargestellten Schnittdarstellung erstreckt sich die Drehachse 18 senkrecht aus der Bildebene. Alle Öffnungen 22a, 22b, 22c des Ventilelementgehäuses 12 sind in der Radialebene 24 angeordnet.
Neben der Regeldurchlassöffnung 30 weist das Ventilelement 30 eine Expansionsausnehmung 40 auf. Wie in Figur 2a zu erkennen ist, ist die Expansionsausnehmung 40 als Expansionsnut in der Mantelfläche 44 des Ventilelementes 14 ausgebildet. Die Expansionsausnehmung 40 weist die Form einer Oberflächenkerbe auf. Die Expansionsausnehmung 40 erstreckt sich dabei auf einer gedachten Kreislinie auf der Mantelfläche 44 des im Wesentlichen kugelförmigen Ventilelementes 14. Die Expansionsausnehmung 40 erstreckt sich einige wenige Millimeter tief in das Ventilelement 14. Die Expansionsausnehmung 40 kann insbesondere als rinnenförmiges Element ausgebildet sein und einem im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Es sind jedoch auch andere Querschnittsformen denkbar. So ist es beispielsweise auch denkbar, dass die Expansionsausnehmung 40 im Wesentlichen abgerundete Kanten aufweist.
Erfindungsgemäß ist es nunmehr vorgesehen, dass das Ventilelement 14 ein Trennelement 42 aufweist, welches dazu ausgebildet ist die Expansionsausnehmung 40 und den Regeldurchlass 30 innerhalb des Ventilelementes 14 fluidisch voneinander zu trennen. Mit anderen Worten, innerhalb des durch die Mantelfläche 44 aufgespannten Innenvolumens des Ventilelementes 14, trennt das Trennelement 42 im Sinne eines Sperrelementes die Expansionsausnehmung 40 fluidisch vom Regeldurchlassvolumen 30 ab. Wie in Figur 2a deutlich zu erkennen ist, ist das Trennelement 42 als Trennwand, vorzugsweise als eine sich in Radialrichtung erstreckende Trennwand ausgebildet. Aufgrund des Trennelementes 42 führen jegliche Strömungspfade von der Expansionsausnehmung 40 zum Regeldurchlass 30- vice versa- zwingend außerhalb des durch die Mantelfläche 44 aufgespannten Innenvolumens des Ventilelementes 14 entlang.
Wie bereits eingangs erläutert weist das Ventilelement 14 gemäß der in Figur 2a dargestellten Ausführungsform der Erfindung eine im Wesentlichen kugelförmige Form auf. Das Trennelement 42 schließt dabei in Umfangsrichtung entlang einer gedachten an die Expansionsausnehmung 40 anschließende Trennwand ausgebildet ist. Das Trennelement 42 erstreckt sich über einen Umfangswinkel cp zwischen 5° und 15°, vorzugsweise zwischen 8° und 12°, besonders bevorzugt im Wesentlichen über 10° des Ventilelementes 14. Das Expansionsventil erstreckt sich über einen Umfangswinkel y von 30° bis 50°. Vorzugsweise ist das Ventilelement 14 derart ausgebildet, dass die Summe des Umfangswinkels cp des Trennelementes 42 und des Umfangswinkels y der Expansionsausnehmung 40 kleiner als 90° insbesondere kleiner als 80° besonders bevorzugt kleiner als 70° ist. Vorzugsweise ist der Umfangswinkels cp des Trennelementes 42 um ein Vielfaches kleiner als der Umfangswinkel y der Expansionsausnehmung 40.
Figur 2a zeigt die Ventilvorrichtung 10 in einer Hauptdurchströmungsposition 50. In der Hauptdurchströmungsposition 55 ist die erste Durchlassöffnung 34 weitgehend vollständig mit dem Fluidauslass 23a und die zweite Durchlassöffnung 36 weitgehend vollständig mit dem gegenüberliegenden Fluidauslass 23b fluidisch verbunden. Dabei liegen vorzugsweise die jeweiligen Durchlassöffnungen 34, 36 innerhalb des Deckungsbereiches des Fluideinlasses 23a, beziehungsweise des Fluidauslasses 23b. Die Durchlassöffnungen 34, 36 liegen fluidisch dichten am Fluidsitz an. Durchlassöffnungen 34, 36 und Fluideinlass 23a und Fluidauslass 23b sind in einer Linie fluchtend zueinander angeordnet. Das, das Ventil durchströmende, Fluid wird im Wesentlichen umlenkungsfrei und somit mit möglichst geringen Strömungsverlusten durch das Ventil geleitet. Wie in Figur 2a deutlich zu erkennen ist, liegt das Trennelement 42 in der Hauptdurchströmungsposition 55 fluidisch dichtend am zweiten Dichtsitz 27b an. Das Trennelement 42 ist somit dazu ausgebildet, in der Hauptdurchströmungsposition 55 die Expansionsausnehmung 40 fluidisch vom Fluidauslass zu trennen. Rückströmungen aus dem Regeldurchlass 30 können in vorteilhafter Weise vermieden werden. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Expansionsausnehmung 40 einen Strömungsquerschnitt aufweist, welcher derart ausgebildet ist, dass er in Richtung der ersten Durchlassöffnung 36 des Regeldurchlasses 30, insbesondere in Richtung des Trennelementes 42 zunimmt.
Figur 2b zeigt die in Figur 2a dargestellte Ventilvorrichtung in einer Expansionsposition 57. Wie in Figur 2b deutlich zu erkennen ist, ist das Ventielement 14 in der Expansionsposition 57 gegenüber der Hauptdurchströmungsposition derart um 90° um die Drehachse 18 rotiert, dass die erste Durchlassöffnung 34 nunmehr im Wesentlichen vollständig am zweiten Fluidauslass 23c anliegt, beziehungsweise die Projektion des zweiten Fluidauslasses 23c die erste Durchlassöffnung im Wesentlichen vollumfänglich überdeckt.
Die zweite Durchlassöffnung 36 liegt im Innenraum 26 des Ventilelementgehäuses 12. Aufgrund des gewählten Umfangswinkels y der Expansionsausnehmung 40 liegt diese nun am Fluideinlass 23a an. Wie in Figur 2b deutlich zu erkennen ist, überstreicht die Expansionsausnehmung 40 in Umfangsrichtung den ersten Dichtsitz 27a. In der Expansionsposition 57 strömt das Fluid somit vom Fluideinlass 23a, über die Expansionsausnehmung 40, den Innenraum 26, durch die Regeldurchlassöffnung 30, aus dem Fluidauslass 23c.
Das Trennelement 42 ist dem Innenraum 27 zugewandt und liegt nicht am Dichtsitz an. Zwischen dem Dichtsitz 27a und dem Trennelement 42 verbleibt ein Durchströmungsspalt 60. Auf diese Weise kann mit besonders einfachen Mitteln ein Expansionsventil bereitgestellt werde, bei welchem eine Öffnung am Gehäuseboden, das heißt an der dem elektrischen Antrieb abgewandten Seite besonders vorteilhaft vermieden werden kann. Gleichzeitig kann ein konstruktiv einfaches, leichtes Ventilelementgehäuse 12 bereitgestellt werden, welches hinsichtlich Kosten optimiert ist und gleichzeitig geringere Druckverluste durch das Vermeiden von Umlenkungen in Hauptdurchströmungsposition aufweist.

Claims

Ansprüche Ventilvorrichtung (10), insbesondere Expansionsventil, zum Regeln eines Fluidflusses eines Fluides, insbesondere für einen Kältemittelkreislauf eines Fahrzeuges, aufweisend ein Ventilelementgehäuse (12) mit zumindest drei Öffnungen (22a, 22b, 22c) und ein Ventilelement (14), wobei das Ventilelement (14) einen Regeldurchlass (30) für einen Hauptfluidstrom (32) und zumindest eine Expansionsausnehmung (40) aufweist, wobei die Öffnungen (22a, 22b, 22c) mit einem im Gehäuseinneren angeordneten Innenvolumen (26) fluidisch verbunden sind, wobei das Innenvolumen (26) zwischen dem Ventilelement (14) und dem Ventilelementgehäuse (12) ausgebildet ist, wobei zumindest eine Öffnung (22a, 22b, 22c ) als Fluideinlass (23a, 23b, 23c) ausgebildet ist und zumindest eine Öffnung (22a, 22b, 22c) als Fluidauslass (23a, 23b, 23c) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, wobei das Ventilelement (14) ein Trennelement (42) aufweist, welches dazu ausgebildet ist die Expansionsausnehmung (40) und den Regeldurchlass (30) innerhalb des Ventilelementes (14) fluidisch voneinander zu trennen. Ventilvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dass das Ventilelement (14) um eine Drehachse (18) drehbar ist und wobei das Ventilelement (14) einen rotationssymmetrischen Grundkörper (38), vorzugsweise einen kugelförmigen oder zylinderförmigen Grundkörper (38) aufweist. Ventilvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Regeldurchlass (30) entlang der Strömungsrichtung eine erste Durchlassöffnung (34) und eine zweite Durchlassöffnung (36) aufweist, wobei die Expansionsausnehmung (40) im Bereich der zweiten Durchlassöffnung (36) des Regeldurchlasses (30) angeordnet ist und wobei das Trennelement (42) zwischen der Expansionsausnehmung (40) und der zweiten Durchlassöffnung (36) des Regeldurchlasses (30) angeordnet ist. Ventilvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Hauptdurchströmungsposition (50) die erste Durchlassöffnung (34) weitgehend vollständig mit einem Fluideinlass (23a) und die zweite Durchlassöffnung (36) weitgehend vollständig mit einem Fluidauslass (23b, 23c) fluidtechnisch verbunden ist, wobei das Trennelement dazu ausgebildet ist, in der Hauptdurchströmungsposition die Expansionsausnehmung (40) fluidisch vom Fluidauslass (23b, 23c) zu trennen Ventilvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Fluidauslass (23b) ein zweiter Dichtsitz (27b) angeordnet ist, wobei in der der Hauptdurchlassposition der Ventilvorrichtung (10) das Trennelement (42) fluidisch dicht am zweiten Dichtsitz (27b) anliegt. Ventilvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsausnehmung (40) einen Strömungsquerschnitt aufweist, welcher derart ausgebildet ist, dass er in Richtung der zweiten Durchlassöffnung (36) des Regeldurchlasses (30), insbesondere in Richtung des Trennelementes (42) zunimmt. Ventilvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (42) als Trennwand, vorzugsweise als eine sich in Radialrichtung erstreckende Trennwand, besonders vorzugsweise als eine in Umfangsrichtung an die Expansionsausnehmung (42) anschließende Trennwand ausgebildet ist. Ventilvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (42) sich über einen Umfangswinkel zwischen 5° und 15°, vorzugsweise zwischen 8° und 12°, besonders bevorzugt im Wesentlichen über 10° des Ventilelementes (14) erstreckt. Ventilvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Anspruches, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Expansionsausnehmung (40) in einer Radialebene senkrecht zur Drehachse (18) erstreckt, wobei die Expansionsausnehmung (40) vorzugsweise in einer Symmetrieebene des Ventilelementes (14) angeordnet ist. Ventilvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (14) genau einen Regeldurchlass aufweist, wobei der Regeldurchlass im Wesentlichen gerade, vorzugsweise als Durchgangsbohrung durch das Ventilelement (14) ausgebildet ist. Ventilvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (22a, 22b, 22c) zumindest eines Fluideinlasses (23a, 23b, 23c) und zumindest einen Fluidauslasses (23a, 23b, 23c) im Wesentlichen fluchtend ausgebildet sind. Ventilvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsausnehmung (40) als Expansionsnut in einer Mantelfläche (44) des Ventilelementes (14) ausgebildet ist. Ventilvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest drei Öffnungen (22a, 22b, 22c) des Ventilelementgehäuses (12) in der Radialebene (24) angeordnet sind, wobei sich insbesondere die Symmetrieachsen der Öffnungen (22a, 22b, 22c) und die Drehachse (18) des Ventilelementes (14) einen gemeinsamen Mittelpunkt weitgehend treffen. Ventilvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Expansionsposition die erste Durchlassöffnung (34) weitgehend vollständig mit einem Fluidauslass (23a, 23b, 23c ) fluidtechnisch verbunden ist und die Expansionsausnehmung (40) fluidisch mit - 21 - einem Fluideinlass (23a, 23b, 23c) verbunden ist, wobei das Trennelement (42) in der Expansionsposition beabstandet zu einem ersten, am Fluideinlass (23a, 23b, 23c ) angeordneten Dichtsitz(27a, 27b, 27c), angeordnet ist. 15. Ventilelement (14) für eine Ventilvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das Ventilelement (14) einen Regeldurchlass (30) für einen Hauptfluidstrom (32) und zumindest eine Expansionsausnehmung (40) aufweist, dadurch gekennzeichnet, wobei das Ventilelement (14) ein Trennelement (42) aufweist, welches dazu ausgebildet ist die Expansionsausnehmung (40) und den Regeldurchlass (30) innerhalb des Ventilelementes (14) fluidisch voneinander zu trennen.
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