WO2000052371A1 - Expansionsventil - Google Patents

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Uwe Hellmuth
Josef Osthues
Hartmut Kober
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Honeywell Ag
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    • G05D23/02—Control of temperature without auxiliary power with sensing element expanding and contracting in response to changes of temperature
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    • G05D23/023—Control of temperature without auxiliary power with sensing element expanding and contracting in response to changes of temperature the sensing element being a non-metallic solid, e.g. elastomer, paste the sensing element being placed outside a regulating fluid flow
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B41/00—Fluid-circulation arrangements
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    • 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
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    • 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 an expansion valve according to the preamble of claim 1.
  • An expansion valve of the type mentioned at the outset is known from EP 0 607 953 B1. Expansion valves of this type are connected to a condenser on the inlet side and to an evaporator on the outlet side. In a refrigeration system, the expansion valve is used as an actuator to control the refrigerant circuit, which is usually setpoint-dependent and controlled by a computer. In the expansion valve, the refrigerant liquefied in the condenser, which is supplied to the expansion valve under a condensation pressure or high pressure, is expanded to the pressure of the evaporator, which is also referred to as low pressure.
  • the present invention is based on the problem of creating a universally usable expansion valve which, on the one hand, is used in systems with high cooling capacity and, on the other hand, can also be used in biflow operation.
  • Fig. 1 shows an inventive expansion valve according to a first embodiment of the invention in a schematic cross section
  • Fig. 2 shows an expansion valve according to the invention after a second
  • Embodiment of the invention in a schematic cross section.
  • the expansion valve 10 shown in FIG. 1 consists of an essentially cylindrical valve housing 11, a valve rod 12 which is guided axially displaceably within the valve housing 11 and a servomotor 13 which is preferably designed as a stepping motor for actuating the valve rod 12.
  • the actuating forces generated by the servomotor 13 are above a plunger 14 can be transferred to the valve rod 12.
  • the servomotor 13 is arranged in a corresponding motor housing 15.
  • the valve rod 12 projects with a first end 16 into a first valve chamber 17 of the valve housing 11, the valve rod 12 at this first end 16 carrying a closing body 18 which, in the closed position, is pressed against a valve seat 19 within the first valve chamber 17. In the closed position, the closing body 18 closes the valve seat 19 in a pressure-tight manner. According to FIG. 1, the closing body 18 is pressed against the valve seat 19 in the closed position by a spring element 20 which is preferably arranged within the first valve chamber 17.
  • the valve rod 12 projects into a receiving space 22, the so-called engine compartment, inside the engine housing 15.
  • the valve rod 12 carries a compensating body, which is designed as a compensating piston 23 in this exemplary embodiment.
  • the compensating piston 23 is dimensioned in such a way that it has approximately the same cross-sectional area as a valve opening 24 delimited by the valve seat 19 of the expansion valve 10, the unit comprising the valve rod 12, the compensating piston 23 and the closing body 18 can be inserted through the valve opening 24.
  • the compensating piston 23 is guided in an axial bore 25, which is between the receiving space 22 and one extends second valve chamber 26, the second valve chamber 26 being arranged between the receiving space 22 and the first valve chamber 17.
  • the receiving space 22 and the first valve chamber 17 are connected to each other via a bore 27. This ensures that the same pressure conditions prevail in the receiving space 22 and in the first valve chamber 17.
  • the expansion valve 10 according to the invention is pressure-compensated, i.e. the functioning of the expansion valve 10 is not influenced by fluctuations in the condensation pressure or high pressure.
  • the servomotor 13 therefore only has to work against the closing force provided by the spring element 20. The servomotor 13 can therefore also be kept small in large-capacity refrigeration systems.
  • expansion valve 10 can also be used while maintaining the actuating forces in biflow operation.
  • the expansion valve 10 can therefore flow through in two directions 28 and 29, which is illustrated in Figure 1 by corresponding arrows. A system can then be used for cooling in summer and heating in winter.
  • FIG. 2 shows an expansion valve 30 according to a second exemplary embodiment of the invention, which essentially has the same modules as the expansion valve 10 of FIG. 1.
  • the same reference numbers are used for the same modules. To avoid unnecessary repetitions, reference is made to the above explanations for the matching modules.
  • the expansion valve 30 of FIG. 2 differs from the expansion valve 10 of FIG. 1 in the configuration of the compensating body, which is designed as a closing body 31 in this exemplary embodiment.
  • the closing body 31 interacts with a valve seat 32 assigned to the second valve chamber 26, which delimits a valve opening 33 between the second valve chamber 26 and the receiving space 22.
  • the Ventilkö ⁇ er 18 and 31 and the valve openings 24 and 33 have approximately the same effective cross-sectional areas.
  • the expansion valve 30 according to the invention is also pressure-compensated.
  • the mode of operation of the expansion valve 30 is not influenced by fluctuations in the condensation pressure or high pressure.
  • the compensation valves 10 and 30 according to the invention are accordingly electrical expansion valves which are compensated for fluctuations in the condensation pressure and thus high pressure and can be used in biflow operation.
  • the expansion valves 10 and 30 according to the invention can therefore be used universally.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Expansionsventil für Kältemittel in Kälteanlagen, Klimaanlagen oder Wärmepumpen. Das erfindungsgemässe Expansionsventil (10) verfügt über eine innerhalb eines Ventilgehäuses (11) axial verschiebbar geführte Ventilstange (12), die von einem Stellmotor (13) betätigbar ist. An einem ersten Ende (16) trägt die Ventilstange (12) einen Schliesskörper (18), der einen in einer ersten Ventilkammer (17) angeordneten Ventilsitz (24) in Schliessstellung verschliesst. An einem zweiten Ende (21) trägt die Ventilstange (12) einen Ausgleichskolben (23). Der Ausgleichskolben (23) und die Ventilöffnung (24) verfügen in etwa über gleiche Querschnittsflächen. Die erste Ventilkammer (17) und ein Motorraum (22) sind über eine Bohrung (27) miteinander verbunden. Das erfindungsgemässe Expansionsventil ist gegenüber Schwankungen im Kondensationsdruck kompensiert. Desweiteren ist das erfindungsgemässe Expansionsventil (10) biflow-fähig.

Description

Expansionsventil
Die Erfindung betrifft ein Expansionsventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein Expansionsventil der eingangs genannten Art ist aus der EP 0 607 953 Bl bekannt. So sind derartige Expansionsventile in einer Kälteanlage eingangsseitig mit einem Kondensator und ausgangsseitig mit einem Verdampfer verbunden. Das Expansionsventil dient in einer Kälteanlage als Stellglied zur Steuerung des in der Regel sollwertabhängig mittels eines Rechners gesteuerten Kältemittelkreislaufs. Im Expansionsventil wird das im Kondensator verflüssigte Kältemittel, welches dem Expansionsventil unter einen Kondensationsdruck bzw. Hochdruck zugeführt wird, auf den Druck des Verdampfers entspannt, der auch als Niederdruck bezeichnet wird. Bei dem in der EP 0 607 953 Bl gezeigten Expansionsventils muß demnach der Stellmotor des Expansionsventils gegen den Hochdruck und gegen eine Federkraft arbeiten, was zur Folge hat, daß das dort gezeigte Expansionsventil von Schwankungen im Hochdruck bzw. Kondensationsdruck abhängig ist. Der Stellmotor des dort gezeigten Expansionsventils muß demnach auf die maximale Federkraft abgestimmt sein, welche sich bei Erhöhung des Hochdrucks bzw. Kondensationsdrucks reduziert. Da jedoch nicht beliebig große Stellmotoren mit beliebig großen Stellkräften eingesetzt werden können, ist das Expansionsventil gemäß EP 0 607 953 Bl zwangsläufig auf kleinere Leistungen beschränkt. Ein weiteres Expansionsventil mit den Merkmalen des Oberbegriffs gemäß Anspruch 1 ist aus EP 0 714 004 A2 bekannt.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein universell einsetzbares Expansionsventil zu schaffen, welches einerseits in Anlagen hoher Kälte- Leistung verwendet und andererseits auch im Biflow-Betrieb eingesetzt werden kann.
Dieses Problem wird durch ein Expansionsventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. In der Beschreibung werden bevorzugte Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Expansionsventil nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematisiertem Querschnitt, und
Fig. 2 ein erfindungsgemäßes Expansionsventil nach einem zweiten
Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematisiertem Querschnitt.
Das in der Fig. 1 dargestellte Expansionsventil 10 besteht aus einem im wesentlichen zylindrischen Ventilgehäuse 11, einer innerhalb des Ventilgehäuses 11 axial verschiebbar geführten Ventilstange 12 und einem vorzugsweise als Schrittmotor ausgebildeten Stellmotor 13 zur Betätigung der Ventilstange 12. Die vom Stellmotor 13 erzeugten Stellkräfte sind über einen Stößel 14 auf die Ventilstange 12 übertragbar. Der Stellmotor 13 ist in einem entsprechenden Motorgehäuse 15 angeordnet.
Die Ventilstange 12 ragt mit einem ersten Ende 16 in eine erste Ventilkammer 17 des Ventilgehäuses 11 hinein, wobei die Ventilstange 12 an diesem ersten Ende 16 einen Schließkörper 18 trägt, der in Schließstellung gegen einen Ventilsitz 19 innerhalb der ersten Ventilkammer 17 gedrückt ist. In Schließstellung verschließt der Schließkörper 18 den Ventilsitz 19 druckdicht. Gemäß Figur 1 wird der Schließkörper 18 von einem vorzugsweise innerhalb der ersten Ventilkammer 17 angeordneten Federelement 20 in der Schließstellung gegen den Ventilsitz 19 gedrückt.
Mit einem zweiten Ende 21 ragt die Ventilstange 12 in einen Aufhahmeraum 22, den sogenannten Motorraum, innerhalb des Motorgehäuses 15 hinein. An dem zweiten Ende 21 trägt die Ventilstange 12 einen Ausgleichskörper, der in diesem Ausführungsbeispiel als Ausgleichskolben 23 ausgebildet ist. Der Ausgleichskolben 23 ist dabei derart bemessen, daß er in etwa über eine gleiche Querschnittsfläche verfügt, wie eine durch den Ventilsitz 19 begrenzte Nentilöffhung 24. Aus fertigungstechnischen Notwendigkeiten ist die Querschnittsfläche des Ausgleichskolbens 23 geringfügig kleiner wie die Querschnittsfläche der Ventilöffnung 24, damit bei der Montage des Expansionsventils 10 die Einheit aus Ventilstange 12, Ausgleichskolben 23 sowie Schließkörper 18 durch die Ventilöffnung 24 hindurch eingeschoben werden kann. Der Ausgleichskolben 23 ist in einer Axialbohrung 25 geführt, die sich zwischen dem Aufhahmeraum 22 und einer zweiten Ventilkammer 26 erstreckt, wobei die zweite Ventilkammer 26 zwischen dem Aufnahmeraum 22 und der ersten Ventilkammer 17 angeordnet ist.
Gemäß Figur 1 sind der Aufnahmeraum 22 und die erste Ventilkammer 17 über eine Bohrung 27 miteinander verbunden. Hierdurch ist gewährleistet, daß im Aufnahmeraum 22 und in der ersten Ventilkammer 17 gleiche Druckverhältnisse herrschen. In Verbindung mit dem konstruktiven Merkmal, das der Ausgleichskolben 23 und die durch den Ventilsitz 19 begrenzte Ventilöffnung 24 in etwa gleiche wirksame Querschnittsflächen aufweisen, folgt dann unmittelbar, daß das erfindungsgemäße Expansionsventil 10 druckkompensiert ist, d.h. die Funktionsweise des Expansionsventils 10 wird durch Schwankungen im Kondensationsdruck bzw. Hochdruck nicht beeinflußt. Zum Öffnen des Expansionsventils 10 muß demnach der Stellmotor 13 lediglich gegen die von dem Federelement 20 bereitgestellte Schließkraft arbeiten. Der Stellmotor 13 kann demnach auch bei Kälteanlagen großer Leistung kleingehalten werden.
Darüber hinaus folgt aus dem oben beschriebenen Konstruktionsprinzip des erfindungsgemäßen Expansionsventils 10, daß dieses auch unter Beibehaltung der Stellkräfte im Biflow-Betrieb eingesetzt werden kann. Das Expansionsventil 10 kann demnach in zwei Richtungen 28 bzw. 29 durchströmt werden, was in Figur 1 durch entsprechende Pfeile verdeutlicht ist. Mit einer Anlage kann demnach dann im Sommer gekühlt und im Winter geheizt werden.
Letztendlich sei noch darauf hingewiesen, daß durch die Auswahl unterschiedlicher Konuswinkel für den Schließkörper 18 bei gleichem Querschnitt der Ventilöffnung 24 abgestufte Leistungen möglich sind. Durch eine geringe Varianz der Bauteile kann demnach das erfmdungsgemäße Expansionsventil 10 auf unterschiedliche Leistungen eingestellt werden.
Fig. 2 zeigt ein Expansionsventil 30 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das im wesentlichen über die gleichen Baugruppen verfügt wie das Expansionsventil 10 der Fig. 1. Für gleiche Baugruppen werden gleiche Bezugsziffern verwendet. Zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen wird für die übereinstimmenden Baugruppen auf die obigen Ausführungen verwiesen.
Das Expansionsventil 30 der Fig. 2 unterscheidet sich vom Expansionsventil 10 der Fig. 1 durch die Ausgestaltung des Ausgleichskörper, der in diesem Ausführungsbeispiel als Schließkörper 31 ausgebildet ist. Der Schließkörper 31 wirkt mit einem der zweiten Ventilkammer 26 zugeordneten Ventilsitz 32 zusammen, der eine Ventilöffnung 33 zwischen zweiten der Ventilkammer 26 und dem Aufhahmeraum 22 begrenzt. Auch hier verfügen die Ventilköφer 18 und 31 bzw. die Ventilöffnungen 24 und 33 über in etwa gleiche wirksame Querschnittsflächen. In Verbindung mit dem Merkmal, daß im Aufnahmeraum 22 und in der ersten Ventilkammer 17 gleiche Druckverhältnisse herrschen, folgt dann unmittelbar, daß auch das erfindungsgemäße Expansionsventil 30 druckkompensiert ist. Auch hier wird die Funktionsweise des Expansionsventils 30 durch Schwankungen im Kondensationsdruck bzw. Hochdruck nicht beeinflußt.
Bei den erfindungsgemäßen Kompensationsventilen 10 und 30 handelt es sich demnach um elektrische Expansionsventile, welche gegen Schwankungen im Kondensationsdruck und damit Hochdruck kompensiert sind sowie im Biflow-Betrieb eingesetzt werden können. Die erfindungsgemäßen Expansionsventile 10 und 30 sind demnach universell einsetzbar.
Bezugszeichenliste:
10 Expansionsventil
1 1 Venilgehäuse 12 Ventilstange
13 Stellmotor
14 Stößel
15 Motorgehäuse
16 Ende 17 Ventilkammer
18 Schließköφer
19 Ventilsitz
20 Federelement
21 Ende 22 Aufnahmeraum
23 Ausgleichskolben
24 Ventilöffnung
25 Axialbohrung
26 Ventilkammer 27 Bohrung
28 Durchströmungsrichtung
29 Durchströmungsrichtung
30 Expansionsventil
31 Schließköφer 32 Ventilsitz
33 Ventilöffnung

Claims

Patentansprüche:
1. Expansionsventil für Kältemittel in Kälteanlagen, Klimaanlagen oder Wärmepumpen, mit einem Ventilgehäuse ( 1 1 ), mit einer innerhalb des
Ventilgehäuses (1 1) axial verschiebbar geführten Ventilstange (12), und mit einem vorzugsweise als Schrittmotor ausgebildeten Stellmotor (13) zur Betätigung der Ventilstange (12), wobei die Ventilstange (12) mit einem ersten Ende (16) in eine erste Ventilkammer (17) hineinragt und mit einem an dem ersten Ende (16) angeordneten Schließköφer (18) in einer Schließstellung einen Ventilsitz (19) innerhalb der ersten Ventilkammer (17) druckdicht verschließt, und wobei die Ventilstange (12) mit einem zweiten Ende (21) in einen Aufnahmeraum (22) hineinragt, dadurch gekennzeichnet, daß:
a) die Ventilstange (12) einen Ausgleichsköφer aufweist,
b) der Ausgleichsköφer und eine durch den Ventilsitz (19) begrenzte Ventilöffnung (24) in etwa gleiche wirksame Querschnittsflächen aufweisen,
c) in der ersten Ventilkammer (17) und im Aufhahmeraum (22) im wesentlichen gleiche Druckbedingungen herrschen.
2. Expansionsventil nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die erste Ventilkammer (17) und der Aufhahmeraum (22) über eine Bohrung (27) miteinander verbunden sind
3. Expansionsventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der ersten Ventilkammer (17) und dem Aufnahmeraum (22) eine zweite Ventilkammer (26) vorgesehen ist.
4. Expansionsventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Ventilöffnung (24) zwischen der ersten Ventilkammer (17) und der zweiten Ventilkammer (26) erstreckt.
5. Expansionsventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgleichsköφer als Ausgleichskolben (23) ausgebildet ist, der dem zweiten Ende (21) der Ventilstange (12) zugeordnet ist.
6. Expansionsventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der
Ausgleichskolben (23) in einer Axialbohrung (25) geführt ist, die sich zwischen der zweiten Ventilkammer (26) und dem Aufnahmeraum (22) erstreckt.
7. Expansionsventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgleichsköφer als Schließköφer (31) ausgebildet ist.
8. Expansionsventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der
Schließköφer (31) mit einem der zweiten Ventilkammer (26) zugeordneten Ventilsitz (32) zusammenwirkt, der eine Ventilöffnung (33) zwischen der zweiten
Ventilkammer (26) und dem Aufnahmeraum (22) begrenzt.
9. Expansionsventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der ersten Ventilkammer (17) ein Federelement (20) angeordnet ist, welches in der Schließstellung den Schließköφer (18) gegen den
Ventilsitz (19) drückt.
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