WO2015000634A2 - Schaltventil zur regelung eines massenstroms - Google Patents

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switching valve
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Rainer Maurer
Markus Nagel
Jean-Jacques Robin
Kai SCHAUWECKER
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Otto Egelhof Gmbh & Co. Kg
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Definitions

  • a servo-controlled switching valve or a so-called servo valve can be formed.
  • Such a servo valve requires a positive, before the switching operation applied pressure difference between the inlet port and the outlet port to switch.
  • a so-called pilot spring can be used, which lifts the closing body in the pilot hole as soon as the plunger has been lifted to the electromagnetic drive.
  • the force required for switching such a switching valve is equal to the product of the MOPD value (Maximum Open Pressure Difference value) and the effectively sealed surface of the pilot seat.
  • the invention is therefore based on the object to propose a switching valve, in which in a simple manner a safe opening and preferably a detection of the opening process without sensors is possible.
  • a switching valve wherein between the plungers of the pressure generating device and the valve piston at least one connecting element is provided which forcibly transmits at least a portion of a travel path of the plunger to the valve piston, so that it lifts from the valve seat.
  • a coupling of the plunger to the valve piston ensures that not only a passage of the refrigerant between the inlet and the outlet opening is made possible by a pilot bore, but that the complete opening cross section of the discharge opening for the flow of the refrigerant is provided.
  • this arrangement together with monitoring the power consumption of a coil of the path generating device enable a reliable position detection of the valve piston, so that the switching valve can give a return signal to a control system of the refrigeration or heat pump system.
  • Such an arrangement is particularly advantageous if the switching valve is installed, for example, directly behind a refrigerant compressor on the hot gas side.
  • the connecting element is designed as a member transmitting only a tensile force.
  • the connecting element is effective only in one direction of movement for the forced movement of the valve piston.
  • NC valve Normally Closed-valve
  • the connecting element acts such that at a stroke of the plunger initially free the pilot bore unaffected by the connecting element and then the valve piston is forcibly lifted by the connecting element at least partially from the valve seat, so that the switching valve in an opening position is transferred.
  • the connecting element is preferably designed such or arranged between the plunger and the valve piston, that is offset from the pilot bore of the valve piston is lifted with a time delay for lifting the closing body.
  • an intended opening movement of the valve piston initially remains unaffected by the connecting element. If the opening movement of the valve piston takes place in the intended manner, the connecting element is not used. However, should a lifting of the valve piston does not take place, the lift-off movement is initiated via the connecting element.
  • the connecting element is designed as a rope, a wire or as a pull rod.
  • a corresponding connecting element can be selected.
  • connecting element provides that this is designed as a tie rod, which is attached to the plunger, in particular on the closing body of the plunger, and extends through the pilot bore of a pilot valve. This allows a central implementation of the connecting element through the pilot hole, so that a tilt-free and forced lifting of the valve piston can be initiated from the valve seat.
  • the connecting element formed as a tie rod preferably has a rod element, which can be fastened in a straightforward manner in the plunger, in particular the closing body, to a profile or a thickening.
  • a press connection or a non-releasable latching and / or snap connection or the like may be provided.
  • a preferred embodiment of the invention provides that the path-generating device of the switching valve is designed as a monostable solenoid, that is, when energized a coil of the solenoid driven the plunger in one direction and when switching off the energization of the plunger due to a spring force of a return spring, which is adjacent to the plunger, is returned to its original position.
  • the path generating device may comprise a bistable lifting magnet. This means that the plunger controlled by the solenoid remains self-holding in two end positions. In particular for automotive heat pump systems, the use of such bistable magnetic drives is advantageous. As a result, the energy consumption in electric vehicles can be further minimized because the coil of the solenoid only during the switching process - so only a few fractions of a second - must be energized.
  • the second guide section is preferably formed by an end region of the pilot bore in the valve piston leading into the discharge opening. This allows a simple and space-saving arrangement can be created.
  • the first guide section arranged on the valve piston preferably has a scraper ring which acts on the wall section of the chamber or an armature tube of the path generation device between the feed opening and the discharge opening.
  • a bypass or bypass channel is preferably formed between a wall section of the chamber, which is arranged between the feed opening and the discharge opening, and the first guide section.
  • the pilot valve can be controlled, at the same time an advantageous embodiment for guiding the valve piston in the chamber is made possible.
  • the scraper ring provided in the guide section does not completely seal the valve piston to the wall section of the chamber, since it has a notch or the like in the circumferential direction, so that a leakage flow can form between the spaces below and above the scraper ring, which can be used for the servo function when switching the valve Valve is necessary.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a first embodiment of the switching valve according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic sectional illustration of a further alternative embodiment of the switching valve
  • FIG. 3 shows a schematically enlarged sectional view of the detail "X" of the switching valve according to FIG. 2,
  • FIG. 4 shows a schematically enlarged sectional view of the detail "Y" of the switching valve according to FIG. 2,
  • FIG. 5 is a schematically enlarged sectional view of an alternative embodiment of the detail "X" of the switching valve of Figure 2 and
  • Figure 6 is a schematic sectional view taken along the line II-II in Figure 5.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a first embodiment of a switching valve 11 according to the invention.
  • This switching valve 11 comprises a valve housing 12 with a feed opening 14 for a mass flow, in particular a refrigerant and a discharge opening 15 and a chamber 17 connecting the feed opening 14 and the discharge opening 15 or a refrigerant channel.
  • the feed opening 14 and discharge opening 15 each have connections for supply lines or other components.
  • the chamber 17 in the valve housing 12 is open towards a housing side 18, to which a path-generating device 21 is releasably attached.
  • the chamber 17 receives according to the embodiment in Figure 1, a diaphragm 22 which is insertable into the chamber 17.
  • a throttle cross section or a flow cross section of the mass flow between the feed opening 14 and the outlet opening 15 can be selected or limited.
  • the diaphragm 22 has a through hole 23 which is surrounded by a valve seat 24 against which a valve closing member 25 of a valve piston 27 rests in a closed position 28.
  • the valve seat 24 may be provided directly on the bottom 30 of the chamber 17, from which the through-bore 23 extends at the front side.
  • the valve piston 27 has at its end opposite the valve closing member 26 a pilot bore 32, which is closable with a closing body 33.
  • the pilot bore 32 and the closing body 33 form a pilot valve 31.
  • This closing body 33 is fixedly mounted on a plunger 35, which is movable by the path generating device 21 up and down or back and forth. Alternatively, the closing body 33 may also be provided on the plunger 35 according to the embodiment in FIG.
  • the path generating device 21 comprises an anchor tube 36, which is associated with a core 37.
  • a coil 38 surrounds the armature tube 36, which in turn is incorporated in a yoke 39.
  • electrical connection lines 41 the path generating device is controlled and tangible.
  • the plunger 35 is movably mounted to the core 37 with the interposition of a return spring 43 to the armature tube 36, that is, when energizing the coil 38, the plunger 35 is pulled into the armature tube 36 against the spring force of the return spring 43 and when switching off the coil 38th the return spring 34 transfers the plunger 35 into a closing movement and arranges the plunger 35 in a closed position, as shown in FIG.
  • the closing body 33 engages in the pilot bore 32 of the valve piston 27.
  • the valve closure member 36 closes the through hole 23 and abuts the valve seat 24.
  • the valve piston 27 is preferably guided in a guide bush 46 which can be inserted into the valve housing 12.
  • valve piston 27 may also be guided directly on a wall section of the chamber 17 which is open toward a housing side 18. Between this wall portion of the guide bush 46 or the chamber 17 and the valve piston 27, a bypass passage 48 is provided, whereby a connection between the access opening 14 is provided to the pilot valve 31. After lifting off the closing body 33 from the pilot bore 32, the mass flow can flow through the pilot bore 32 into the passage opening 23, since the pilot bore 32 extends completely through the valve piston 27 to the valve closure member 26.
  • the valve 11 shown in Figure 1 is a so-called NC valve (Normally Closed-valve), that is, when a non-energized coil 38, the valve 11 is closed and a passage between the supply and discharge opening 14, 15 closes.
  • NC valve Normally Closed-valve
  • a monostable path generating device 21 is used, which holds only one position of the plunger 35, as long as the coil 38 is energized.
  • the valve 11 shown in Figure 1 is a servo-controlled valve 11, wherein the plunger 35, in particular with the closing body 33, the servo or pilot valve 31 forms. This valve 11 is used for control, in particular shutdown of a mass flow.
  • This connecting element 51 is formed, for example, as a rope, as a wire, as a pull rod or the like, and then transmits a tensile force on the valve piston 27, as soon as the plunger 35 by the path generating device 21 from the valve piston 27 - so the pilot hole 32 - is lifted. It is provided that a first lifting movement of the closing body 33 from a closed position to the pilot bore 32 is unaffected by the connecting element 51 or a tensile force is not exerted by the connecting element 51 of the plunger 35 on the valve piston 27.
  • FIG. 2 shows an alternative embodiment of a switching valve 11 to FIG.
  • a path generating device 21 with a bistable magnetic drive is used instead of a monostable electromagnetic drive according to Figure 1, a path generating device 21 with a bistable magnetic drive is used.
  • This magnetic drive comprises an anchor tube 36, in which the plunger 35 is guided.
  • This anchor tube 36 is in the embodiment in the core 37, which in turn is surrounded by a coil 38.
  • a two-part embodiment as in FIG. 1 or a multi-part embodiment may also be provided.
  • valve piston 27 includes a first guide portion 61 and a second guide portion 62, which are spaced from each other. Between the two guide portions 61, 62, a pipe section 63 is provided, which is part of the pilot bore 32 and in turn completely passes through the valve piston 27.
  • the connecting element 51 arranged between the plunger 35 and the valve piston 27 is illustrated schematically enlarged in accordance with the detail "X" in FIG.
  • a pull rope, a wire or the like is firmly anchored in a bore 81 in the plunger 35. This can be done for example by gluing, pressing or the like.
  • the opposite end of the connecting element 51 is provided in a bore or blind hole 82 in the valve piston 27.
  • the lower end of the connecting element 51 has a thickening 84, wherein the connecting element 52 is guided displaceably in the guide element 85.
  • the guide member 85 is inserted after the introduction of the connecting element 51 in a through hole of the guide member 85 in the bore 82 and fixedly connected, for example, by a pressing, gluing, welding or the like.
  • the pilot bore 32 is provided, for example, in an insertable valve seat member 93 on which a valve seat 94 is formed.
  • the closing body 33 can also act directly on a valve seat 94 formed on the valve piston.
  • the use of an insert for forming the valve seat 94 as a sealing piece has the advantage that both an increased tightness and a noise reduction is given in a switching operation.
  • FIG. 6 shows, by way of example, a cross-shaped profile 97 of the connecting element 51. Alternatively, this may also be provided in a star-shaped or disc-shaped manner.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schaltventil zur Regelung eines Massenstroms in einem Kälte- oder Wärmekreislauf, mit einem Ventilgehäuse (12), welches eine Zuführöffnung (14) und eine Abführöffnung (15) aufweist, mit einem Ventilkolben (27), welcher ein zur Abführöffnung (15) weisendes Ventilschließglied (26) aufweist und in eine Schließposition an einem einer Durchgangsbohrung (23) zwischen der Zuführöffnung (14) und der Abführöffnung (15) angeordneten Ventilsitz (24) anliegt, mit einem dem Ventilschließglied (26) gegenüber liegenden Pilotventil (31), welches eine Pilotbohrung (32) im Ventilkolben (27) aufweist, die in die Durchgangsbohrung (23) mündet und den Ventilkolben (27) durchquert, mit einer Wegerzeugungseinrichtung (21), welche einen betätigbaren Stößel (35) aufweist, der einen die Pilotbohrung (32) schließenden Schließkörper (33) aufnimmt und mit dem Schließkörper (33) in eine die Pilotbohrung (32) freigebende Öffnungsposition überführbar ist und mit einem zwischen der Zuführöffnung (14) und der Pilotbohrung (32) ausgebildeten Bypasskanal (48), wobei zwischen dem Stößel (35) und dem Ventilkolben (27) zumindest ein Verbindungselement (51) vorgesehen ist, welches zumindest einen Teil einer Hubbewegung des Stößels (35) zwangsweise auf den Ventilkolben (27) überträgt.

Description

Schaltventil zur Regelung eines Massenstroms
Die Erfindung betrifft ein Schaltventil zur Regelung eines Massenstroms in einem Kälte- oder Wärmekreislauf.
Aus der DE 10 2004 049 790 B4 ist ein Schaltventil bekannt, welches beispielsweise in Kälteanlagen, insbesondere in Fahrzeugklimaanlagen, einsetzbar ist. Dieses Schaltventil weist ein Ventilgehäuse mit einer Zu- und Abführöffnung sowie eine diese verbindende Durchgangsbohrung für ein Kältemittel auf. In dem Ventilgehäuse ist ein Ventilkolben geführt, welcher ein zur Abführöffnung weisendes Ventilschließglied aufweist und an einem an der Abführöffnung vorgesehenen Ventilsitz in einer Schließposition anliegt. An einem dem Ventilschließglied gegenüber liegenden Abschnitt des Ventilkolbens ist eine Pilotbohrung vorgesehen, die in eine Durchgangsbohrung mündet, welche den Ventilkolben durchquert. Das Schaltventil weist einen elektromagnetischen Antrieb auf, der einen Stößel betätigt, welcher einen die Pilotbohrung schließenden Schließkörper aufnimmt. Zwischen der Zuführöffnung und der Pilotbohrung am Ventilkolben ist ein Bypasskanal ausgebildet. Durch eine solche Ausgestaltung des Schaltventils kann ein servogesteuertes Schaltventil oder ein sogenanntes Servoventil ausgebildet werden. Ein solches Servoventil erfordert eine positive, vor dem Schaltvorgang anliegende Druckdifferenz zwischen der Einlassöffnung und der Auslassöffnung, um schalten zu können. Um diese Mindestdruckdifferenz zu reduzieren, kann zusätzlich eine sogenannte Pilotfeder zum Einsatz kommen, welche den Schließkörper in der Pilotbohrung abhebt, sobald der Stößel zum elektromagnetischen Antrieb abgehoben wurde. Die zum Schalten notwendige Kraft eines solchen Schaltventils gleicht dem Produkt aus dem MOPD-Wert (Maximum Open Pressure Difference-Wert) und der effektiv abzudichtenden Fläche des Pilotsitzes.
Aus der DE 10 2009 051 572 A1 ist des Weiteren ein Schaltventil mit einem elektromagnetischen Antrieb bekannt.
Die Anforderungen an solche Schaltventile steigen. Dies insbesondere auch vor dem Hintergrund, dass bisherige Kraftfahrzeuge ausschließlich mit Verbrennungsmotoren betrieben wurden, bei denen die Verlustwärme des Motors als Heizenergie verwendet wurde. Bei nunmehr als vollständig elektrisch betriebenen Fahrzeugen muss die Heizenergie zusätzlich zur Fahrenergie von Akkumulatoren bereitgestellt werden. Um Einbußen an Reichweite durch die Fahrzeugklimatisierung zu reduzieren, kann die einer Fahrgastzelle durch eine als Wärmepumpe betriebene Klimaanlage beheizt und entfeuchtet werden. Für die Umschaltung der Klimaanlage zwischen Kühl- und Heizbetrieb werden Schaltventile benötigt, die besonders hohe Anforderungen erfüllen. Hierzu gehört auch die Sicherstellung zur Öffnung des Schaltventils nach dessen Ansteuerung.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Schaltventil vorzuschlagen, bei welchem in einfacher Weise ein sicheres Öffnen und vorzugsweise ein Detektieren des Öffnungsvorgangs ohne Sensorik ermöglicht ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine erste Ausführungsform eines Schaltventils gelöst, bei welchem zwischen den Stößeln der Druckerzeugungseinrichtung und dem Ventilkolben zumindest ein Verbindungselement vorgesehen ist, welches zumindest einen Teil eines Verfahrweges des Stößels zwangsweise auf den Ventilkolben überträgt, so dass dieser vom Ventilsitz abhebt. Durch eine solche Kopplung des Stößels mit dem Ventilkolben wird sichergestellt, dass nicht nur ein Durchgang des Kältemittels zwischen der Ein- und der Auslassöffnung durch eine Pilotbohrung ermöglicht wird, sondern dass der vollständige Öffnungsquerschnitt der Abführöffnung für den Durchfluss des Kältemittels bereitgestellt wird. Durch eine solche zwangsweise Bewegungskopplung des Stößels mit dem Ventilkolben kann ein sicheres Schalten des Ventilkolbens ermöglicht werden, ohne dass eine Servofunktion oder die MOPD-Werte des Schaltventils beeinträchtigt werden. Darüber hinaus kann diese Anordnung zusammen mit einer Überwachung des Stromverbrauchs einer Spule der Wegerzeugungseinrichtung eine belastbare Lageerkennung des Ventilkolbens ermöglichen, so dass das Schaltventil ein Rückgabesignal an ein Regelsystem der Kälte- oder Wärmepumpenanlage geben kann. Eine solche Anordnung ist vor allem dann von Vorteil, wenn das Schaltventil beispielsweise unmittelbar hinter einem Kältemittelverdichter heißgasseitig eingebaut wird.
Bevorzugt ist das Verbindungselement als ein nur eine Zugkraft übertragendes Glied ausgebildet. Dies weist den Vorteil auf, dass das Verbindungselement nur in einer Bewegungsrichtung für die zwangsweise Bewegung des Ventilkolbens wirksam wird. Bei einem NC-Ventil (Normally Closed-Ventil) wirkt das Verbindungselement derart, dass bei einer Hubbewegung des Stößels zunächst die Pilotbohrung unbeeinflusst von dem Verbindungselement freigeben und anschließend der Ventilkolben zwangsweise durch das Verbindungselement zumindest teilweise vom Ventilsitz abgehoben wird, so dass das Schaltventil in eine Öffnungsposition übergeführt wird.
Das Verbindungselement ist bevorzugt derart ausgebildet beziehungsweise zwischen dem Stößel und dem Ventilkolben angeordnet, dass zeitversetzt zum Abheben des Schließkörpers von der Pilotbohrung der Ventilkolben abgehoben wird. Dadurch bleibt eine vorgesehene Öffnungsbewegung des Ventilkolbens zunächst unbeeinflusst durch das Verbindungselement. Sofern die Öffnungsbewegung des Ventilkolbens in vorgesehener Weise erfolgt, kommt das Verbindungselement nicht zum Einsatz. Sollte jedoch ein Abheben des Ventilkolbens nicht erfolgen, wird über das Verbindungselement die Abhebebewegung eingeleitet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Verbindungselement als ein Seil, ein Draht oder als eine Zugstange ausgebildet. In Abhängigkeit des zur Verfügung stehenden Bauraums und dem Medium als auch des konstruktiven Aufbaus des Stößels und des Ventilkolbens kann ein entsprechendes Verbindungselement ausgewählt werden.
Eine alternative Ausführungsform des Verbindungselementes sieht vor, dass dieses als Zuganker ausgebildet ist, der am Stößel, insbesondere am Schließkörper des Stößels, befestigt ist und sich durch die Pilotbohrung eines Pilotventils hindurch erstreckt. Dadurch kann eine zentrale Durchführung des Verbindungselementes durch die Pilotbohrung erfolgen, so dass ein verkippungsfreies und zwangsweises Abheben des Ventilkolbens vom Ventilsitz eingeleitet werden kann.
Das als Zuganker ausgebildete Verbindungselement weist bevorzugt ein Stabelement auf, welches einem Profil oder einer Verdickung gegenüberliegend in einfacher Weise in dem Stößel, insbesondere Schließkörper, befestigbar ist. Beispielsweise kann eine Pressverbindung oder eine unlösbare Rast- und/oder Schnappverbindung oder dergleichen vorgesehen sein.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Wegerzeugungseinrichtung des Schaltventils als ein monostabiler Hubmagnet ausgebildet ist, das heißt, dass bei der Bestromung einer Spule des Hubmagnetes der Stößel in eine Richtung angetrieben und beim Abschalten der Bestromung der Stößel aufgrund einer Federkraft einer Rückstellfeder, die am Stößel angrenzt, in seine Ausgangsposition zurück geführt wird. Alternativ kann die Wegerzeugungseinrichtung einen bistabilen Hubmagneten aufweisen. Dies bedeutet, dass der durch den Hubmagnet angesteuerte Stößel in zwei Endlagen selbsthaltend positioniert bleibt. Insbesondere für automobile Wärmepumpensysteme ist der Einsatz solcher bistabilen Magnetantriebe von Vorteil. Dadurch kann der Energieverbrauch in Elektrofahrzeugen weiter minimiert werden, da die Spule des Hubmagneten nur während des Schaltvorgangs – also nur wenige Bruchteile einer Sekunde – bestromt werden muss.
Insbesondere beim Einsatz des Schaltventils für Wärmepumpenkreisläufe ist es erforderlich, dass das Schaltventil ein Schalten von hohen Volumenströmen sowohl auf der Hochdruckseite als auch auf der Niederdruckseite einer Klimaanlage oder eines Wärmepumpenkreislaufes schalten kann. Es ist deshalb erfindungsgemäß eine weitere Ausführungsform eines Schaltventils vorgesehen, bei dem der Ventilkolben im Bereich der Pilotbohrung einen ersten Führungsabschnitt aufweist, der an einem Wandabschnitt einer Kammer zwischen der Zu- und Abführöffnung angreift, und diesem gegenüber liegend im Bereich der Abführöffnung einen zweiten Führungsabschnitt aufweist. Dadurch wird sichergestellt, dass aufgrund der Impulsübertragung des Volumenstromes, welcher auf den Ventilkolben wirkt, eine sichere Führung und Öffnungs- als auch Schließbewegung des Ventilkolbens gegeben ist. Die zumindest zweifache Führung des Ventilkolbens im Ventilgehäuse ermöglicht auch eine kompakte Anordnung, die gleichzeitig geringe Druckabfälle erzeugt. Dies ist vor allem von besonderem Vorteil beim Einsatz des Schaltventils auf einer Saugseite eines Wärmepumpensystems.
Des Weiteren ist bevorzugt der zweite Führungsabschnitt durch einen in die Abführöffnung führenden Endbereich der Pilotbohrung im Ventilkolben gebildet. Dadurch kann eine einfache und bauraumsparende Anordnung geschaffen werden.
Des Weiteren weist bevorzugt der am Ventilkolben angeordnete erste Führungsabschnitt einen Abstreiferring auf, der an dem Wandabschnitt der Kammer oder eines Ankerrohres der Wegerzeugungseinrichtung zwischen der Zuführöffnung und der Abführöffnung angreift. Dadurch kann ein Toleranzausgleich geschaffen werden, um Verkantungen beziehungsweise Verspannungen während verschiedener Schaltzustände zwischen dem Ventilkolben und dem Ventilgehäuse zu vermeiden.
Des Weiteren ist bevorzugt zwischen einem Wandabschnitt der Kammer, die zwischen der Zuführöffnung und der Abführöffnung angeordnet ist, und dem ersten Führungsabschnitt ein Bypass oder Bypasskanal gebildet. Dadurch kann das Pilotventil angesteuert werden, wobei gleichzeitig eine vorteilhafte Ausführungsform zur Führung des Ventilkolbens in der Kammer ermöglicht ist. Der im Führungsabschnitt vorgesehene Abstreiferring dichtet den Ventilkolben zum Wandabschnitt der Kammer nicht vollständig ab, da dieser in Umfangsrichtung eine Kerbe oder Ähnliches aufweist, so dass sich ein Leckagestrom zwischen den Räumen unter- und oberhalb des Abstreifringes bilden kann, der für die Servofunktion beim Schalten des Ventils notwendig ist.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen derselben werden im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Beispiele näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmenden Merkmale können einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination erfindungsgemäß angewandt werden. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schaltventils,
Figur 2 eine schematische Schnittdarstellung einer weiteren alternativen Ausführungsform des Schaltventils,
Figur 3 eine schematisch vergrößerte Schnittansicht des Details „X“ des Schaltventils gemäß Figur 2,
Figur 4 eine schematisch vergrößerte Schnittansicht des Details „Y“ des Schaltventils gemäß Figur 2,
Figur 5 eine schematisch vergrößerte Schnittansicht einer alternativen Ausführungsform des Details „X“ des Schaltventils gemäß Figur 2 und
Figur 6 eine schematische Schnittansicht entlang der Linie II-II in Figur 5.
In Figur 1 ist eine schematische Schnittansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schaltventils 11 dargestellt. Dieses Schaltventil 11 umfasst ein Ventilgehäuse 12 mit einer Zuführöffnung 14 für einen Massenstrom, insbesondere ein Kältemittel sowie eine Abführöffnung 15 sowie eine die Zuführöffnung 14 und die Abführöffnung 15 verbindende Kammer 17 oder einen Kältemittelkanal. Die Zuführöffnung 14 und Abführöffnung 15 weisen jeweils Anschlüsse für Versorgungsleitungen oder weitere Komponenten auf.
Die Kammer 17 im Ventilgehäuse 12 ist zu einer Gehäuseseite 18 hin offen ausgebildet, an welcher eine Wegerzeugungseinrichtung 21 lösbar befestigt ist. Die Kammer 17 nimmt gemäß dem Ausführungsbeispiel in Figur 1 eine Blende 22 auf, die in die Kammer 17 einsetzbar ist. Dadurch kann ein Drosselquerschnitt beziehungsweise ein Strömungsquerschnitt des Massenstroms zwischen der Zuführöffnung 14 und Auslassöffnung 15 ausgewählt beziehungsweise begrenzt werden. Die Blende 22 weist eine Durchgangsbohrung 23 auf, welche von einem Ventilsitz 24 umgeben ist, an welchem ein Ventilschließglied 25 eines Ventilkolbens 27 in einer Schließposition 28 anliegt. Alternativ zur Anordnung einer Blende 22 in der Kammer 17 kann der Ventilsitz 24 unmittelbar am Boden 30 der Kammer 17 vorgesehen sein, von welchem aus sich stirnseitig die Durchgangsbohrung 23 erstreckt.
Der Ventilkolben 27 weist an seinem dem Ventilschließglied 26 gegenüber liegenden Ende eine Pilotbohrung 32 auf, welche mit einem Schließkörper 33 verschließbar ist. Die Pilotbohrung 32 und der Schließkörper 33 bilden ein Pilotventil 31. Dieser Schließkörper 33 ist an einem Stößel 35 fest angeordnet, welcher durch die Wegerzeugungseinrichtung 21 auf und ab beziehungsweise hin und her bewegbar ist. Alternativ kann der Schließkörper 33 auch gemäß der Ausführungsform in Figur 2 am Stößel 35 vorgesehen sein.
Die Wegerzeugungseinrichtung 21 umfasst gemäß diesem Ausführungsbeispiel ein Ankerrohr 36, welchem ein Kern 37 zugeordnet ist. Eine Spule 38 umgibt das Ankerrohr 36, welches wiederum in ein Joch 39 eingebunden ist. Über elektrische Anschlussleitungen 41 ist die Wegerzeugungseinrichtung ansteuerbar und fassbar.
Der Stößel 35 ist unter Zwischenschaltung einer Rückstellfeder 43 zum Kern 37 bewegbar zum Ankerrohr 36 gelagert, das heißt, dass bei der Bestromung der Spule 38 der Stößel 35 in das Ankerrohr 36 gegen die Federkraft der Rückstellfeder 43 hinein gezogen wird und beim Abschalten der Spule 38 die Rückstellfeder 34 den Stößel 35 in eine Schließbewegung überführt sowie den Stößel 35 in einer Schließposition anordnet, wie dies in Figur 1 dargestellt ist. Dabei greift der Schließkörper 33 in die Pilotbohrung 32 des Ventilkolbens 27. Das Ventilschließglied 36 schließt die Durchgangsbohrung 23 und liegt am Ventilsitz 24 an. Der Ventilkolben 27 ist bevorzugt in einer in das Ventilgehäuse 12 einsetzbaren Führungsbuchse 46 geführt. Alternativ kann der Ventilkolben 27 auch unmittelbar an einem Wandabschnitt der zu einer Gehäuseseite 18 hin offenen Kammer 17 geführt sein. Zwischen diesem Wandabschnitt der Führungsbuchse 46 oder der Kammer 17 und dem Ventilkolben 27 ist ein Bypasskanal 48 vorgesehen, wodurch eine Verbindung zwischen der Zugangsöffnung 14 zum Pilotventil 31 geschaffen wird. Nach dem Abheben des Schließkörpers 33 aus der Pilotbohrung 32 kann der Massenstrom durch die Pilotbohrung 32 hindurch in die Durchgangsöffnung 23 strömen, da sich die Pilotbohrung 32 vollständig durch den Ventilkolben 27 bis zum Ventilschließglied 26 erstreckt.
Das in Figur 1 dargestellte Ventil 11 ist ein sogenanntes NC-Ventil (Normally Closed-Ventil), das heißt, dass bei einer nicht bestromten Spule 38 das Ventil 11 geschlossen ist und einen Durchgang zwischen der Zu- und Abführöffnung 14, 15 schließt. Bei einem solchen Ventil 11 kommt beispielsweise eine monostabile Wegerzeugungseinrichtung 21 zum Einsatz, die nur eine Position des Stößels 35 hält, solange die Spule 38 bestromt ist.
Das in Figur 1 dargestellte Ventil 11 ist ein servogesteuertes Ventil 11, wobei der Stößel 35, insbesondere mit dem Schließkörper 33, das Servo- oder Pilotventil 31 bildet. Dieses Ventil 11 dient zur Regelung, insbesondere Abschaltung eines Massenstromes.
Zwischen dem Stößel 35 und dem Ventilkolben 27 ist ein Verbindungselement 51 vorgesehen. Dieses Verbindungselement 51 ist beispielsweise als Seil, als Draht, als Zugstange oder dergleichen ausgebildet und überträgt dann eine Zugkraft auf den Ventilkolben 27, sobald der Stößel 35 durch die Wegerzeugungseinrichtung 21 vom Ventilkolben 27 – also der Pilotbohrung 32 – abgehoben wird. Dabei ist vorgesehen, dass eine erste Abhebebewegung des Schließkörpers 33 aus einer Schließposition zur Pilotbohrung 32 unbeeinflusst von dem Verbindungselement 51 erfolgt beziehungsweise eine Zugkraft durch das Verbindungselement 51 von dem Stößel 35 auf den Ventilkolben 27 nicht ausgeübt wird. Erst nach einem vorbestimmten Hub, beispielsweise dem vollständigen Abheben des Schließkörpers 33 von der Pilotbohrung 32 oder später, wird eine zwangsweise Hubbewegung des Ventilkolbens 27 über das Verbindungselement 51 eingeleitet. Die Hubbewegung des Stößels 35 wird durch das Verbindungselement 51 auf den Ventilkolben 27 übertragen, so dass dieser vom Ventilsitz 24 der Durchgangsbohrung 23 zwangsweise abgehoben wird, sofern dieser nicht selbst nach dem Öffnen der Pilotbohrung 32 durch den Stößel 35 abhebt. Dadurch kann sichergestellt werden, dass das Ventil 11 nach dessen Ansteuerung über die Wegerzeugungseinrichtung 21 gesichert geöffnet wird.
Die Öffnungsbewegung des Ventilkolbens 27 vom Ventilsitz 24 kann durch ein Federelement 54 als Öffnungsfeder unterstützt werden. Dieses Federelement 54 greift zwischen der Blende 22 oder einem Boden 30 der Kammer 17 und einer am Ventilkolben 27 ausgebildeten Schulter an.
In Figur 2 ist eine alternative Ausführungsform eines Schaltventils 11 zu Figur 1 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform kommt anstelle eines monostabilen elektromagnetischen Antriebs gemäß Figur 1 eine Wegerzeugungseinrichtung 21 mit einem bistabilen Magnetantrieb zum Einsatz. Dies bedeutet, dass der in einem Ankerrohr 36 bewegbare Stößel 35 in zwei Endpositionen selbsthaltend angeordnet wird. Dieser Magnetantrieb umfasst ein Ankerrohr 36, in welchem der Stößel 35 geführt ist. Dieses Ankerrohr 36 geht im Ausführungsbeispiel in den Kern 37 über, der wiederum von einer Spule 38 umgeben ist. Alternativ zu dieser einteiligen Ausführungsform kann auch eine zweiteilige Ausführungsform wie in Figur 1 oder eine mehrteilige Ausführungsform vorgesehen sein. Außerhalb der Spule 38 ist das Joch 39 angeordnet, wobei in einem dem Stößel 35 gegenüber liegenden Endabschnitt des Kerns 37 ein Dauermagnet 56 vorgesehen ist, der den Kern 37 umgibt. Dadurch wird nach dem vorzugsweise kurzzeitigen Bestromen der Spule 38 der Stößel 35 in das Ankerrohr 36 hinein gezogen und eine Hubbewegung zum Abheben des daran angeordneten Schließkörpers 33 von der Pilotbohrung 32 ermöglicht. Nach dem Abschalten der Spule 38 wird der Stößel 35 in dieser Endposition durch den Dauermagneten 56 gehalten. Zum Schließen der Pilotbohrung 32 wird die Spule 38 mit vertauschter Polung bestromt, so dass der Stößel 35 mit einer Hubbewegung zum Herausfahren aus dem Ankerrohr 36 angetrieben wird, um anschließend in eine Schließposition des Schließkörpers 33 zur Pilotbohrung 32 und somit des Ventilschließglieds 26 zum Ventilsitz 24 übergeführt zu werden.
Diese Ausführungsform gemäß Figur 2 weicht des Weiteren in der konkreten Ausgestaltung des Ventilkolbens 27 von der Ausführungsform gemäß Figur 1 ab, wobei die Funktion dieselbe ist. Insbesondere sind bei dieser Ausführungsform das Zuschalten beziehungsweise das Sperren von großen Querschnitten beziehungsweise Volumenströmen ermöglicht. Darüber hinaus kann durch eine solche Ausführungsform ein größerer Hub des Ventilkolbens 27 erzielt werden. Der Ventilkolben 27 umfasst einen ersten Führungsabschnitt 61 und einen zweiten Führungsabschnitt 62, die zueinander beabstandet sind. Zwischen den beiden Führungsabschnitten 61, 62 ist ein Rohrabschnitt 63 vorgesehen, der Teil der Pilotbohrung 32 ist und wiederum den Ventilkolben 27 vollständig durchquert. Der erste Führungsabschnitt 61 greift an einem Wandabschnitt 65 einer Kammer 17 an oder – wie dies im Ausführungsbeispiel dargestellt ist – an dem Wandabschnitt 65, der in einem unteren Endabschnitt des Ankerrohrs 36 gebildet ist, mit welchem vorzugsweise die Wegerzeugungseinrichtung 21 zum Ventilgehäuse 12 fixiert ist. Sofern das Ankerrohr 36 unmittelbar an dem Ventilgehäuse 12 befestigt wird und teilweise in dieses eingreift, wird dazwischen liegend eine Abdichtung vorgesehen, wie beispielsweise durch ein Dichtelement 66. Der Führungsabschnitt 61 liegt mit seiner radialen Mantelfläche an dem Wandabschnitt 65 an, wobei die Anordnung mit Toleranzen versehen ist. Dadurch kann der Bypasskanal 48 zwischen der Zuführöffnung und dem Schließkörper 33 gebildet werden. Der Führungsabschnitt 61 weist, wie dies durch das Detail „Y“ in Figur 4 näher dargestellt ist, eine U-förmige radial umlaufende Vertiefung 68 auf, in welche ein Abstreiferelement 69 eingesetzt ist. Dieses Abstreiferelement 69 dient zum Ausgleich von Lage- und Formtoleranzen zwischen dem Ankerrohr 36. Gleichzeitig ermöglicht das Abstreiferelement 69, welches am Außenumfang zumindest eine Kerbe aufweisen kann, dass ein Leckagestrom von der Eintrittsöffnung 14 zum Pilotventil 31 gelangen kann.
Dem ersten Führungsabschnitt 61 gegenüber liegend ist der zweite Führungsabschnitt 62 vorgesehen, wie dies aus Figur 2 hervorgeht. Der zweite Führungsabschnitt 62 greift in eine Führungshülse 71 ein, welche beispielsweise in der Durchgangsbohrung 23 durch Stege 72 befestigt ist, so dass beispielsweise durch eine sternförmige Anordnung der Stege 72 die Führungshülse 71 sicher aufgenommen wird.
Aufgrund der im Durchmesser größer ausgebildeten Zu- und Abführöffnung 14, 15 im Vergleich zum Schaltventil 11 gemäß Figur 1 umfasst der Ventilkörper 27 einen tellerförmigen Abschnitt 74, an welchem das Ventilschließglied 26 zur Anlage am Ventilsitz 24 angeordnet oder einsetzbar ist. Dadurch wird beispielsweise ein Flachsitzventil ausgebildet.
Bei dieser Ausführungsform ist des Weiteren ein möglicher Einsatz eines Siebes 76 dargestellt, welches in die Kammer 17 einsetzbar ist und beispielsweise mittels des Ankerrohrs 36 des Wegerzeugungselements 21 positioniert und fixiert wird. Beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 kann das Sieb 76 beispielsweise durch die Führungsbuchse 46 fixiert sein.
Das zwischen dem Stößel 35 und dem Ventilkolben 27 angeordnete Verbindungselement 51 ist schematisch vergrößert gemäß dem Detail „X“ in Figur 3 dargestellt. Beispielsweise ist ein Zugseil, ein Draht oder dergleichen in einer Bohrung 81 im Stößel 35 fest verankert. Dies kann beispielsweise durch Kleben, Verpressung oder dergleichen erfolgen. Das gegenüber liegende Ende des Verbindungselementes 51 ist in einer Bohrung oder Sacklochbohrung 82 im Ventilkolben 27 vorgesehen. Das untere Ende des Verbindungselementes 51 weist eine Verdickung 84 auf, wobei das Verbindungselement 52 in dem Führungselement 85 verschiebbar geführt ist. Das Führungselement 85 wird nach dem Einbringen des Verbindungselementes 51 in eine Durchgangsbohrung des Führungselementes 85 in die Bohrung 82 eingesetzt und beispielsweise durch eine Pressung, Klebung, Verschweißung oder dergleichen fest verbunden. Die freie Wegstrecke 87 zwischen der Stirnseite des Führungselementes 85 und der Verdickung 84 bestimmt den freien Hubweg des Stößels 35 zum Abheben gegenüber der Pilotbohrung 32, bevor der Ventilkolben 27 zwangsweise durch den Stößel 35 mit nach oben bewegt wird, da die Verdickung 84 an dem Führungselement 85 anliegt und somit eine zwangsweise Abhebebewegung des Ventilkolbens 27 angesteuert wird.
Bei der Ausführungsform gemäß Figur 3 kann das Verbindungselement 51 als Seil, Zugseil oder dergleichen ausgebildet sein. Es kann aber auch ein vorgeformtes Drahtelement sein, welches in der dargestellten Geometrie eingebracht ist. Ebenso kann das Verbindungselement 51 eine Zugstange oder dergleichen sein.
In Figur 3 ist des Weiteren vergrößert dargestellt, dass der Schließkörper 33 des Pilotventils 31 alternativ zur fest an dem Stößel 35 angeordneten Ausführungsform gemäß Figur 1 federgelagert durch ein Federelement 91 aufgenommen sein kann. Der Schließkörper 33 ist bevorzugt in einer beispielsweise als Scheibe ausgebildeten Führung 34 geführt. Dadurch kann der Schließkörper 33 in einen im Stößel 35 vorgesehenen Aufnahmeraum 32 eintauchen und ein sanftes Schließen der Pilotbohrung 32 erzielt werden.
Die Pilotbohrung 32 ist beispielsweise in einem einsetzbaren Ventilsitzelement 93 vorgesehen, an welchem ein Ventilsitz 94 ausgebildet ist. Alternativ kann der Schließkörper 33 auch unmittelbar an einem am Ventilkolben 27 ausgebildeten Ventilsitz 94 angreifen. Die Verwendung eines Einsatzes zur Bildung des Ventilsitzes 94 als Dichtstück weist den Vorteil auf, dass sowohl eine erhöhte Dichtigkeit als auch eine Geräuschreduzierung bei einem Schaltvorgang gegeben ist.
In Figur 5 ist eine alternative Ausführungsform des Details „X“ gemäß Figur 2 dargestellt. Die Figur 6 zeigt eine schematische Schnittansicht entlang der Linie II-II in Figur 5. Bei dieser Ausführungsform ist das Verbindungselement 51 durch einen Zuganker ausgebildet, der an dem Schließkörper 33 befestigt ist. Der Zuganker umfasst ein Stabelement oder Stift 96, der mit einem Ende an dem Schließkörper 33, insbesondere einer Bohrung, befestigt ist und der sich durch die Pilotbohrung 32 des Ventilkolbens 27 hindurch erstreckt. An dessen Ende ist ein stern- oder kreuzförmiges Profil 97, eine Verdickung 84 oder dergleichen vorgesehen, deren radiale Erstreckung jedenfalls größer als der Durchmesser der Pilotbohrung 32 ist, welche durch das Ventilelement 93 gebildet ist. Dadurch kann ein zentral am Stößel 35, insbesondere Schließkörper 33, angeordnetes Verbindungselement 51 vorgesehen sein, welches ein zwangsweises Abheben des Ventilkolbens 27 ermöglicht, da das stern- oder kreuzförmige Profil 97 oder eine Verdickung 84 an einer sich an die Pilotbohrung 32 anschließende Schulter 98 anliegt und angreift, um ein Abheben des Ventilkolbens 27 zu bewirken. Die Schulter 98 geht in den Rohrabschnitt 63 über, der den zweiten Führungsabschnitt 61, 62 beab­standet.
Die Figur 6 zeigt beispielhaft ein kreuzförmiges Profil 97 des Verbindungselementes 51. Alternativ kann dies auch sternförmig oder scheibenförmig vorgesehen sein.
Alle vorgenannten Merkmale sind jeweils für sich erfindungswesentlich und können beliebig miteinander kombinierbar sein.

Claims (12)

  1. Schaltventil zur Regelung eines Massenstroms in einem Kälte- oder Wärmekreislauf, mit einem Ventilgehäuse (12), welches eine Zuführöffnung (14) und eine Abführöffnung (15) aufweist, mit einem Ventilkolben (27), welcher ein zur Abführöffnung (15) weisendes Ventilschließglied (26) aufweist und in einer Schließposition an einem einer Durchgangsbohrung (23) zwischen der Zuführöffnung (14) und der Abführöffnung (15) angeordneten Ventilsitz (24) anliegt, mit einem dem Ventilschließglied (26) gegenüber liegenden Pilotventil (31), welches eine Pilotbohrung (32) im Ventilkolben (27) aufweist, die in die Durchgangsbohrung (23) mündet und welche den Ventilkolben (27) durchquert, mit einer Wegerzeugungseinrichtung (21), welche einen betätigbaren Stößel (35) aufweist, der einen die Pilotbohrung (32) schließenden Schließkörper (33) aufnimmt und mit dem Schließkörper (33) in eine die Pilotbohrung (32) freigebende Öffnungsposition überführbar ist und mit einem zwischen der Zuführöffnung (14) und der Pilotbohrung (32) ausgebildeten Bypasskanal (48), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Stößel (35) und dem Ventilkolben (27) zumindest ein Verbindungselement (51) vorgesehen ist, welches zumindest einen Teil einer Hubbewegung des Stößels (35) zwangsweise auf den Ventilkolben (27) überträgt.
  2. Schaltventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (51) als ein nur eine Zugkraft übertragendes Glied ausgebildet ist.
  3. Schaltventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (51) zeitversetzt nach dem Abheben des Schließkörpers (33) von der Pilotbohrung (32) ein Abheben des Ventilkolbens (27) aus dem Ventilsitz (24) der Durchgangsbohrung (23) ansteuert.
  4. Schaltventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (51) als ein Seil, Draht oder eine Zugstange ausgebildet ist.
  5. Schaltventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (51) als ein Zuganker ausgebildet ist, der am Stößel (35) oder am Schließkörper (33), befestigt ist und sich durch die Pilotbohrung (32) hindurch erstreckt.
  6. Schaltventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (51) ein Stabelement (96) aufweist, an dessen einem durch die Pilotbohrung (32) hindurch geführten Ende ein stern- und/oder kreisförmiges Profil (97) oder eine Verbindung (84) vorgesehen ist.
  7. Schaltventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wegerzeugungseinrichtung (21) als monostabiler oder bistabiler Magnetantrieb ausgebildet ist.
  8. Schaltventil zur Regelung eines Massenstroms in einem Kälte- oder Wärmekreislauf, mit einem Ventilgehäuse (12), welches eine Zuführöffnung (14) und eine Abführöffnung (15) aufweist, mit einem Ventilkolben (27), welcher ein zur Abführöffnung (15) weisendes Ventilschließglied (26) aufweist und in einer Schließposition an einem einer Durchgangsbohrung (23) zwischen der Zuführöffnung (14) und der Abführöffnung (15) angeordneten Ventilsitz (24) anliegt, mit einem dem Ventilschließglied (26) gegenüber liegenden Pilotventil (31), welches eine Pilotbohrung (32) im Ventilkolben (27) aufweist, die in die Durchgangsbohrung (23) mündet und welche den Ventilkolben (27) durchquert, mit einer Wegerzeugungseinrichtung (21), welche einen betätigbaren Stößel (35) aufweist, der einen die Pilotbohrung (32) schließenden Schließkörper (33) aufnimmt und mit dem Schließkörper (33) in eine die Pilotbohrung (32) freigebende Öffnungsposition überführbar ist und mit einem zwischen der Zuführöffnung (14) und der Pilotbohrung (32) ausgebildeten Bypasskanal (48), insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkolben (27) im Bereich der Pilotbohrung (32) einen ersten Führungsabschnitt (61) aufweist sowie gegenüber liegend und beabstandet zum ersten Führungsabschnitt (61) einen zweiten Führungsabschnitt (62) umfasst.
  9. Schaltventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Führungsabschnitt (62) durch ein in die Abführöffnung (15) führenden Endbereich der Pilotbohrung (32) im Ventilkolben (27) gebildet ist.
  10. Schaltventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Führungsabschnitt (61) ein Abstreiferelement (69) aufnimmt, das an einem Wandabschnitt (65) einer Kammer (17) oder eines Ankerrohres (36) zwischen der Zuführöffnung (14) und der Abführöffnung (15) angreift.
  11. Schaltventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Führungsabschnitt (61) und dem Wandabschnitt (65) der Kammer (17) oder des Ankerrohrs (36) ein Bypass oder Bypasskanal (48) ausgebildet ist.
  12. Schaltventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließkörper (33) gegenüber dem Stößel (35) eintauchbar und/oder federgelagert angeordnet ist.
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