WO2021204389A1 - Expansionsventil für einen kälte- oder klimakreislauf und verfahren zur betätigung des expansionsventils - Google Patents

Expansionsventil für einen kälte- oder klimakreislauf und verfahren zur betätigung des expansionsventils Download PDF

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WO2021204389A1
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closing body
flow cross
control
expansion valve
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PCT/EP2020/060144
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Hans Gerards
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Pierburg Gmbh
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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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    • F25B41/325—Expansion valves having two or more valve members
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • 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
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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 for a refrigeration or air conditioning circuit, with a control valve with a flow housing which has an inlet and an outlet, an actuator via which a control body is axially movable, a first annular gap-shaped flow cross-section between the inlet and the outlet, which is limited by the control body and a valve seat body.
  • the invention also relates to a method for actuating the expansion valve for a refrigeration or air conditioning circuit.
  • Expansion valves are used to reduce the pressure of the working fluid by throttling the available flow cross-section and to increase the volume of the working fluid, i.e. to expand it.
  • regulated expansion valves both the pressure drop and thus the increase in volume can be regulated and the fluid flow can be almost completely interrupted.
  • valves are arranged upstream of the evaporators and downstream of the condensers. Due to the increase in volume, the working fluid is partially evaporated, while the still liquid working fluid in the evaporator absorbs heat, whereby the liquid part also evaporates. This working fluid, which is now gaseous, is fed to a compressor and compressed so that it is then converted back into the liquid state in the liquefier, creating the closed circuit. Heat or cold can be drawn from this circuit in the area of the evaporator and condenser.
  • Such an expansion valve is known from DE 10 2017 122624 A1, which has a flow housing with an inlet and an outlet, an axially movable control body and an electromagnetic actuator connected to the control body. The regulating body, together with a valve seat, delimits a flow cross section between the inlet and the outlet, through which a refrigerant can flow from the inlet to the outlet between the essentially piston-shaped regulating body and the valve seats.
  • shut-off valve in a refrigerant circuit, which shut-off valve is held in a closed position by the applied pressure difference.
  • a control valve is disclosed in EP 0 689 015 A1, for example.
  • This control valve consists of a check valve with a built-in pilot valve. This means that the valve is held in the closed position by the applied pressure difference and two springs that load the pilot valve member and the check valve member in the closing direction.
  • a pin that can be actuated by an electromagnet is pushed to open against the spherical pilot valve member so that it is lifted from its seat and pressure can be equalized between the front and the rear of the check valve.
  • the check valve By moving the pin further, the check valve can then be lifted off the valve seat with a relatively low actuating force and a flow cross-section between the inlet and the outlet can thus be regulated.
  • the disadvantage of such a valve is that the production and assembly costs are relatively high and such a valve has a large installation space.
  • the expansion valve has a control valve at which
  • Flow housing an inlet and an outlet for the refrigerant are formed.
  • An actuator is coupled to a control body and moves it axially.
  • a first flow cross section is formed between the inlet and the outlet, which is surrounded by a valve seat body and which can be regulated by means of the regulating body.
  • the expansion valve has a shut-off valve, which is fluidically arranged between the inlet and the control valve. In terms of flow, between the inlet and the control valve means that when the control valve and the shut-off valve are open, the refrigerant can flow from the inlet via the shut-off valve to the control valve and from there to the outlet. When the shut-off valve is closed, no refrigerant flows to the control valve.
  • the shut-off valve has a closing body which delimits a second flow cross-section with a closing body valve seat, the closing body being arranged in such a way that both the shut-off valve and the control valve are actuated by the same actuator, whereby both the required installation space and the number of required Components can be reduced.
  • the closing body is arranged relative to the regulating body in such a way that in a first adjustment phase of the regulating body the regulating body moves axially relative to the closing body and in a second adjustment phase the Control body of the closing body moves axially together with the control body.
  • the regulating body moves in the axial direction and the closing body remains in its original position, so that the second flow cross-section and thus the expansion valve remain closed.
  • the movement of the regulating body relative to the closing body opens a third flow cross-section which is delimited by the regulating body and the closing body.
  • the opening of the third flow cross-section has the effect that an axial end of the closing body facing the outlet is connected to the inlet and, as a result, the same or almost the same pressure prevails at an axial end of the closing body facing the inlet and at the axial end of the closing body facing the outlet.
  • the closing body rests against the control body with the axial end facing the outlet and the closing body moves axially with the control body, whereby the second flow cross section is opened and a refrigerant flow to the first flow cross section and thus to the Control valve is released.
  • the second and the third flow cross section are open.
  • the closing body is used for reliable sealing between the inlet and the outlet in the closed state of the expansion valve, the positioning forces according to the invention being reduced relative to the regulating body.
  • a fluid channel is preferably located between the axial end of the closing body facing the outlet and the third flow cross-section provided, wherein the fluid channel is delimited by an inner surface of the closing body and an outer surface of a bearing portion of the regulating body.
  • the closing body has a central opening through which a section of the regulating body extends and the closing body is thereby mounted on the regulating body.
  • the fluid channel is, for example, an annular gap channel, the inner surface of the closing body and the outer surface of the regulating body being spaced from one another and thereby forming the fluid channel.
  • at least one groove can be provided on the inner surface of the closing body or on the outer surface of the closing body, which groove extends from the third flow cross-section to the axial end facing the outlet and forms the fluid channel.
  • the closing body preferably has at least one radially extending overflow channel at the axial end facing the outlet, whereby the fluid channel is also open in the second adjustment phase, in which the regulating body rests against the axial end facing the outlet and would close the fluid channel.
  • the closing body is preferably mounted on the regulating body so that it can move axially and is axially pretensioned.
  • the mode of operation of the expansion valve according to the invention can be implemented in a simple manner, with no expensive additional components being required to provide such a mode of operation, which would increase the complexity and the installation space of the expansion valve.
  • the closing body In the first adjustment phase, in which the control body is moved relative to the closing body, the closing body is due to the axial preload and the axial Displaceability pressed onto the closing body valve seat, so that the second flow cross section remains closed despite the axial adjustment of the control body.
  • the closing body is moved along with the regulating body by an axial form fit between the regulating body and the closing body.
  • the regulating body has a regulating element and a coupling element firmly connected to the regulating element, the coupling element being operatively connected at the end to the actuator. In this way, the closing body can be easily mounted on the regulating body.
  • a spring element is preferably arranged between the coupling element and the closing body, as a result of which the closing body is axially pretensioned.
  • the spring element is in particular a helical spring which is arranged between a radially extending projection of the coupling element and the axial end of the closing body facing the inlet. The spring element presses the closing body in the first adjustment phase and in the closed position of the expansion valve against the closing body valve seat, whereby the second flow cross-section is kept closed.
  • the coupling element and the axial end of the closing body facing the inlet preferably delimit the third flow cross section.
  • the axial end of the closing body facing the inlet and delimiting the third flow cross section and the section of the coupling element delimiting the third flow cross section each have a conical cross section. A reliable seal can thereby be ensured, the sealing surface being enlarged by the conical configuration without increasing the axial installation space.
  • the closing body is centered radially due to the conical design.
  • the closing body preferably has an arcuate cross section which interacts with the closing body valve seat, the closing body valve seat having a conical cross section, whereby a reliable seal can be ensured.
  • the valve seat body has a cylindrical section facing the inlet and a section adjoining the cylindrical section and expanding towards the outlet
  • the control body has a cylindrical section facing the inlet and one adjoining the cylindrical section narrowing towards the outlet Cross-section on. This creates a nozzle-like opening through which the high pressure fluid has to pass, whereby the high pressure is reduced.
  • the actuator is preferably an electromagnetic or electromotive actuator. Electromagnetic or electromotive actuators enable very precise control and are robust in construction.
  • the object is achieved by a method for actuating an expansion valve according to claims 1 to 11.
  • the control body is axially adjusted by the actuator, wherein in a first adjustment phase of the control body the control body is moved axially relative to the closing body and the third flow cross-section is opened, with the closing body still resting on the closing body valve seat and the second flow cross-section is closed.
  • the regulating body is moved further axially, the closing body resting against the regulating body at the front, ie with the axial end facing the outlet, and the closing body being moved along with the regulating body. This opens the second flow cross section and the first flow cross section can be regulated.
  • An expansion valve is thus created which is very compact and combines the functions of a control valve and a shut-off valve when using only one actuator.
  • the control valve can be switched precisely and quickly, while the shut-off valve has a high degree of tightness and can be switched with low forces.
  • FIG. 1 shows a sectional view of a section of an expansion valve according to the invention in the closed position
  • FIG. 2 shows a sectional view of the section of the expansion valve from FIG. 1 in the first adjustment phase
  • FIG. 1 shows a sectional view of a section of an expansion valve according to the invention in the closed position
  • FIG. 2 shows a sectional view of the section of the expansion valve from FIG. 1 in the first adjustment phase
  • FIG. 1 shows a sectional view of a section of an expansion valve according to the invention in the closed position
  • FIG. 2 shows a sectional view of the section of the expansion valve from FIG. 1 in the first adjustment phase
  • FIG. 3 shows a sectional view of the detail of the expansion valve from FIG. 1 in the second adjustment phase.
  • the expansion valve 10 has a control valve 11 which comprises a flow housing 16 and an electromagnetic actuator 12. Of the electromotive actuator 12, only an actuator housing 14 and an actuating shaft 18 are shown, the actuating shaft 18 being moved in the axial direction when the electromotive actuator 12 is actuated.
  • the actuator housing 14 is inserted into the flow housing 16 and the gap between the flow housing 16 and the actuator housing 14 is sealed by a sealing ring 19, the sealing ring 19 being arranged in a circumferential groove 20 formed on the actuator housing 14.
  • the flow housing 16 and the actuator housing 14 each have an opening 22, 24 which overlap and in which a guide sleeve 26 is arranged.
  • the guide sleeve 26 lies with her Outer circumferential surface 28 on the inner circumferential surfaces of the openings 22, 24 and is thereby radially supported.
  • a radially extending projection 30 is provided on the outer circumferential surface 28 of the guide sleeve 26, which rests with a first axial surface on the flow housing 16 and with a second, opposite axial surface on the actuator housing 14, whereby the guide sleeve 26 is axially fixed.
  • An inner circumferential surface 32 of the guide sleeve 26 serves to guide a regulating body 34.
  • the regulating body 34 has a coupling element 36 and a regulating element 38.
  • the coupling element 36 has a bore 40 on its axial end facing the actuator 12 and arranged axially inside the guide sleeve 26, into which the actuating shaft 18 is pressed and fastened to the coupling element 36.
  • the control element 38 is arranged on the axial end of the coupling element 36 facing away from the actuator 12, the control element 38 having a fastening stub 42 which engages in a bore 43 arranged on the coupling element 36.
  • the regulating element 38 has a circumferential groove 44 on the circumferential surface, in which a projection 45 extending radially on an inner circumferential surface of the bore 43 engages, whereby the regulating element 38 is axially fixed to the coupling element 36 in a form-fitting manner.
  • the control valve 11 further comprises a valve seat body 46 which is pressed into the flow housing 16 and, with a first section 47, together with the control body 34, delimits a first annular gap-like flow cross section 50.
  • the first section 47 of the valve seat body 46 has a cylindrical section 54 facing an inlet 52 and a section 56 adjoining the cylindrical section 54 and expanding towards an outlet 58.
  • the regulating element 38 has a cylindrical section 60 facing the inlet 52 and a section 62 adjoining the cylindrical section 60 and narrowing towards the outlet 58.
  • the expansion valve 10 further comprises a shut-off valve 70, which is fluidically arranged between the inlet 52 and the regulating valve 11 and prevents fluid flow to the regulating valve 11 or to the first flow cross section 50 in a closed position of the expansion valve 10.
  • the shut-off valve 70 comprises a closing body 72 and a closing body valve seat 74, the closing body valve seat 74 being formed by a second section 49 provided on the valve seat body 46 and delimiting a second flow cross section 76 together with the closing body valve seat 74.
  • the closing body 72 is axially movable and axially pretensioned on the regulating element 38, the closing body 72 having a central through opening 78 via which the closing body 72 is slidably seated on a bearing section 80 of the regulating element 38.
  • the axial pretensioning of the closing body 72 is carried out by a spring element 81, in particular a helical spring, the end of which rests on a shoulder of the coupling element 36 and on the other hand on an axial end 82 of the closing body 72 facing the inlet 52.
  • a spring element 81 in particular a helical spring, the end of which rests on a shoulder of the coupling element 36 and on the other hand on an axial end 82 of the closing body 72 facing the inlet 52.
  • the closing body 72 also delimits, with its axial end 82 facing the inlet, together with the coupling element 36, a third flow cross section 84, both the closing body 72 and the coupling element 36 being conical.
  • the third flow cross section 84 is followed by a fluid channel 86 which, starting from the third flow cross section 84, extends to an axial end 88 of the closing body 72 facing the outlet 58, whereby the axial end 88 facing the outlet 58 can be connected to the inlet 52.
  • the fluid channel 86 is delimited by the inner circumferential surface of the closing body 72 and by the outer circumferential surface of the bearing section 80 of the regulating element 38.
  • the closing body 72 has a plurality of radially extending overflow channels 90.
  • the regulating body 34 moves in a first adjustment phase in the opening direction.
  • the closing body 72 remains in its original position due to the axially movable mounting on the control body 34 and the loading of the closing body 72 caused by the helical spring 81 against the opening direction, whereby the second flow cross section 76 remains closed and the third flow cross section 84 is opened.
  • the fluid under high pressure flows through the opening of the third flow cross-section 84, starting from the inlet 52, through the fluid channel 86 to the axial end 88 facing the outlet 58.
  • the same pressure prevails at both axial ends 82, 88 of the closing body 72.
  • the cross section of the fluid channel 86 is of such a size that the pressure prevailing at the inlet 52 does not or only slightly decreases as a result of the flow through the fluid channel 86.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Expansionsventil für einen Kälte- oder Klimakreislauf, mit einem Regelventil (11) mit einem Strömungsgehäuse (16), welches einen Einlass (52) und einen Auslass (58) aufweist, einem Aktor (12), über welchen ein Regelkörper (34) axial bewegbar ist, einen ersten Durchströmungsquerschnitt (50) zwischen dem Einlass (52) und dem Auslass (58), welcher dem Regelkörper (34) und einem Ventilsitzkörper (46) begrenzt ist, wobei ein Absperrventil (70) vorgesehen ist, welches strömungstechnisch zwischen dem Einlass (52) und dem Regelventil (11) angeordnet ist, wobei das Absperrventil (70) einen Schließkörper (72) und einen am Ventilsitzkörper (46) angeordneten Schließkörper-Ventilsitz (74) aufweist, welche einen zweiten Durchströmungsquerschnitt (76) begrenzen, wobei der Schließkörper (72) ein dem Einlass (52) zugewandtes Axialende (82) und ein dem Auslass (88) zugewandtes Axialende aufweist, und wobei der Schließkörper (72) derart relativ zum Regelkörper (34) angeordnet ist, dass in einer ersten Verstellphase des Regelkörpers (34) der Regelkörper (34) sich relativ zum Schließkörper (72) axial bewegt, wobei der zweite Durchströmungsquerschnitt (76) geschlossen ist und das dem Auslass (58) zugewandte Axialende (88) des Schließkörpers (72) über einen durch den Schließkörper (72) und den Regelkörper (34) begrenzenden, dritten Durchströmungsquerschnitt (84) mit dem Einlass (52) verbunden ist, und in einer zweiten Verstellphase des Regelkörpers (34) der Schließkörper (72) sich gemeinsam mit dem Regelkörper (34) axial bewegt und der zweite Durchströmungsquerschnitt (76) geöffnet ist.

Description

B E S C H R E I B U N G Expansionsventil für einen Kälte- oder Klimakreislauf und Verfahren zur Betätigung des Expansionsventils
Die Erfindung betrifft ein Expansionsventil für einen Kälte- oder Klimakreislauf, mit einem Regelventil mit einem Strömungsgehäuse, welches einen Einlass und einen Auslass aufweist, einem Aktor, über welchen ein Regelkörper axial bewegbar ist, einen ersten ringspaltförmigen Durchströmungsquerschnitt zwischen dem Einlass und dem Auslass, welcher von dem Regelkörper und einem Ventilsitzkörper begrenzt ist. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Betätigung des Expansionsventils für einen Kälte- oder Klimakreislauf.
Expansionsventile dienen dazu, den Druck des Arbeitsfluids durch Drosselung des zur Verfügung stehenden Durchströmungsquerschnitts zu verringern und das Volumen des Arbeitsfluids zu erhöhen, dieses also zu expandieren. Durch die Verwendung geregelter Expansionsventile kann dabei sowohl der Druckabfall und damit die Volumenzunahme geregelt werden als auch der Fluidstrom nahezu vollständig unterbrochen werden.
In Kälte- oder Klimakreisläufen werden derartige Ventile vor den Verdampfern und hinter den Verflüssigern angeordnet. Durch die Volumenzunahme wird das Arbeitsfluid teilweise verdampft, während das noch flüssige Arbeitsfluid im Verdampfer Wärme aufnimmt, wodurch auch der flüssige Teil verdampft. Dieses nun gasförmige Arbeitsfluid wird einem Kompressor zugeführt und verdichtet, um anschließend im Verflüssiger wieder in den flüssigen Aggregatzustand umgewandelt zu werden, wodurch der geschlossene Kreislauf gebildet wird. Diesem Kreislauf kann entsprechend Wärme oder Kälte im Bereich der Verdampfer und Verflüssiger entnommen werden. Ein derartiges Expansionsventil ist aus der DE 10 2017 122624 Al bekannt, welches ein Strömungsgehäuse mit einem Einlass und einen Auslass, einen axial bewegbaren Regelkörper und einen mit dem Regelkörper verbundenen elektromagnetischen Aktor aufweist. Der Regelkörper begrenzt gemeinsam mit einem Ventilsitz einen Durchströmungsquerschnitt zwischen dem Einlass und dem Auslass, durch welchen ein Kältemittel vom Einlass zum Auslass zwischen dem im Wesentlichen kolbenförmigen Regelkörper und den Ventilsitzen strömen kann.
Bei derartigen Expansionsventilen ist es erforderlich, sicherzustellen, dass keine ungewollte Strömung vom Einlass zum Auslass entsteht. Daher ist es bekannt geworden, in einem Kältemittelkreis ein Absperrventil einzusetzen, welches durch die anliegende Druckdifferenz in einer geschlossenen Position gehalten wird. Ein derartiges Regelventil wird beispielsweise in der EP 0 689 015 Al offenbart. Dieses Regelventil besteht aus einem Rückschlagventil mit eingebautem Vorsteuerventil. Dies bedeutet, dass das Ventil durch die anliegende Druckdifferenz und zwei Federn, die das Vorsteuerventilglied und das Rückschlagventilglied in die verschließende Richtung belasten, in der geschlossenen Stellung gehalten wird. Ein über einen Elektromagneten betätigbarer Stift wird zur Öffnung gegen das kugelförmige Vorsteuerventilglied geschoben, so dass dieses von seinem Sitz abgehoben wird und ein Druckausgleich zwischen der Frontseite und der Rückseite des Rückschlagventils stattfinden kann. Durch weiteres Verschieben des Stifts kann dann mit relativ geringer Betätigungskraft das Rückschlagventil vom Ventilsitz abgehoben werden und so ein Durchströmungsquerschnitt zwischen dem Einlass und dem Auslass geregelt werden. Nachteilig an einem derartigen Ventil ist, dass der Flerstellungs- und Montageaufwand relativ hoch ist und ein derartiges Ventil einen großen Bauraum aufweist. Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, ein Expansionsventil und eine zuverlässige Absperrung des Kältemittelkreislaufs zur Verfügung zu stellen, wobei der Herstellung- und Montagesaufwand und der benötigte Bauraum reduziert werden sollen und möglichst geringe Stellkräfte benötigt werden sollen, so dass auch die Baugröße und der Stromverbrauch der verwendeten Steller reduziert werden können.
Diese Aufgabe wird durch ein Expansionsventil mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.
Das Expansionsventil weist ein Regelventil auf, an dessen
Strömungsgehäuse ein Einlass und ein Auslass für das Kältemittel ausgebildet sind. Ein Aktor ist mit einem Regelkörper gekoppelt und bewegt diesen axial. Zwischen dem Einlass und dem Auslass ist ein erster Durchströmungsquerschnitt ausgebildet, der von einem Ventilsitzkörper umgeben ist, und der mittels des Regelkörpers geregelt werden kann. Zusätzlich weist das Expansionsventil ein Absperrventil auf, welches strömungstechnisch zwischen dem Einlass und dem Regelventil angeordnet ist. Dabei bedeutet strömungstechnisch zwischen dem Einlass und dem Regelventil, dass das Kältemittel bei geöffnetem Regelventil und geöffnetem Absperrventil vom Einlass über das Absperrventil zum Regelventil und von dort zum Auslass strömen kann. Bei einem geschlossenen Absperrventil strömt kein Kältemittel zum Regelventil. Das Absperrventil weist einen Schließkörper auf, der mit einem Schließkörper- Ventilsitz einen zweiten Durchströmungsquerschnitt begrenzt, wobei der Schließkörper derart angeordnet ist, dass sowohl das Absperrventil als auch das Regelventil durch den gleichen Aktor betätigt werden, wodurch sowohl der benötigte Bauraum als auch die Anzahl benötigter Bauteile reduziert werden können.
Der Schließkörper ist derart relativ zum Regelkörper angeordnet, dass in einer ersten Verstellphase des Regelkörpers der Regelkörper sich relativ zum Schließkörper axial bewegt und in einer zweiten Verstellphase des Regelkörpers der Schließkörper sich gemeinsam mit dem Regelkörper axial bewegt. In der ersten Verstellphase bewegt sich der Regelkörper in Axialrichtung und der Schließkörper verbleibt in seiner ursprünglichen Position, so dass der zweite Durchströmungsquerschnitt und damit das Expansionsventil geschlossen bleiben. Durch die Relativbewegung des Regelkörpers zum Schließkörper wird ein dritter Durchströmungsquerschnitt geöffnet, welcher von dem Regelkörper und dem Schließkörper begrenzt ist. Das Öffnen des dritten Durchströmungsquerschnitts bewirkt, dass ein dem Auslass zugewandtes Axialende des Schließkörpers mit dem Einlass verbunden wird und dadurch der gleiche bzw. nahezu gleiche Druck an einem dem Einlass zugewandten Axialende des Schließkörpers und an dem dem Auslass zugewandten Axialende des Schließkörpers herrscht. In der an die erste Verstellphase anschließenden zweiten Verstellphase des Regelkörpers liegt der Schließkörper mit dem dem Auslass zugewandten Axialende an dem Regelkörper an und der Schließkörper bewegt sich mit dem Regelkörper axial mit, wodurch der zweite Durchströmungsquerschnitt geöffnet wird und ein Kältemittelfluss zum ersten Durchströmungsquerschnitts und damit zum Regelventil freigegeben wird. Während der Regelung des ersten Durchströmungsquerschnitts sind der zweite und der dritte Durchströmungsquerschnitt geöffnet.
Durch eine derartige Ausgestaltung des Expansionsventils wird die Bauteileanzahl des Expansionsventils reduziert und dadurch der Herstellungs- und Montageaufwand sowie der Bauraum des
Expansionsventils reduziert. Der Schließkörper dient der zuverlässigen Abdichtung zwischen dem Einlass und dem Auslass im geschlossenen Zustand des Expansionsventils, wobei durch die erfindungsgemäße Anordnung und Ausgestaltung des Schließkörpers relativ zum Regelkörper die Stellkräfte reduziert werden.
Vorzugsweise ist zwischen dem dem Auslass zugewandten Axialende des Schließkörpers und dem dritten Durchströmungsquerschnitt ein Fluidkanal vorgesehen, wobei der Fluidkanal durch eine Innenfläche des Schließkörpers und eine Außenfläche eines Lagerabschnitts des Regelkörpers begrenzt ist. Der Schließkörper weist eine zentrale Öffnung auf, durch welche sich ein Abschnitt des Regelkörpers erstreckt und dadurch der Schließkörper am Regelkörper gelagert ist. Der Fluidkanal ist beispielsweise ein Ringspaltkanal, wobei die Innenfläche des Schließkörpers und die Außenfläche des Regelkörpers voneinander beabstandet sind und dadurch den Fluidkanal bilden. Alternativ kann an der Innenfläche des Schließkörpers oder an der Außenfläche des Schließkörpers mindestens eine Nut vorgesehen sein, welche sich vom dritten Durchströmungsquerschnitt bis zu dem Auslass zugewandten Axialende erstreckt und den Fluidkanal bildet.
Dadurch kann auf eine einfache und kostengünstige Weise eine fluidische Verbindung zwischen dem dem Einlass und dem dem Auslass zugewandten Axialende hergestellt werden, wobei keine zusätzlichen Komponenten oder kostenintensive Herstellungsverfahren zur Herstellung des Fluidkanals erforderlich sind. Vorzugsweise weist der Schließkörper an dem dem Auslass zugewandten Axialende mindestens einen radial erstreckenden Überströmkanal auf, wodurch der Fluidkanal auch in der zweiten Verstellphase, in welcher der Regelkörper an der dem Auslass zugewandten Axialende anliegt und den Fluidkanal verschließen würde, offen ist.
Vorzugsweise ist der Schließkörper axial bewegbar und axial vorgespannt am Regelkörper gelagert. Dadurch kann die erfindungsgemäße Funktionsweise des Expansionsventils einfach realisiert werden, wobei zur Bereitstellung einer derartigen Funktionsweise keine aufwendigen Zusatzkomponenten benötigt werden, welche den Aufwand und den Bauraum des Expansionsventils erhöhen würden. In der ersten Verstellphase, in welcher der Regelkörper relativ zum Schließkörper bewegt wird, wird der Schließkörper durch die axiale Vorspannung und die axiale Verschiebbarkeit auf den Schließkörper-Ventilsitz gepresst, so dass der zweite Durchströmungsquerschnitt trotz der axialen Verstellung des Regelkörpers geschlossen bleibt. In der zweiten Verstellphase wird der Schließkörper durch einen axialen Formschluss zwischen dem Regelkörper und dem Schließkörper gemeinsam mit dem Regelkörper mitbewegt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Regelkörper ein Regelelement und ein mit dem Regelelement fest verbundenes Koppelelement auf, wobei das Koppelelement endseitig mit dem Aktor wirkverbunden ist. Auf diese Weise kann der Schließkörper einfach am Regelkörper montiert werden.
Vorzugsweise ist zwischen dem Koppelelement und dem Schließkörper ein Federelement angeordnet, wodurch der Schließkörper axial vorgespannt wird. Das Federelement ist insbesondere eine Schraubenfeder, welche zwischen einem radial erstreckenden Vorsprung des Koppelelements und dem dem Einlass zugewandten Axialende des Schließkörpers angeordnet ist. Das Federelement presst den Schließkörper in der ersten Verstellphase und in der Schließstellung des Expansionsventils gegen den Schließkörper- Ventilsitz, wodurch der zweite Durchströmungsquerschnitt geschlossen gehalten wird.
Vorzugsweise begrenzen das Koppelelement und das dem Einlass zugewandte Axialende des Schließkörpers den dritten Durchströmungsquerschnitt. In einer bevorzugten Ausgestaltung weisen das dem Einlass zugewandte und den dritten Durchströmungsquerschnitt begrenzende Axialende des Schließkörpers und der den dritten Durchströmungsquerschnitt begrenzende Abschnitt des Koppelelements jeweils einen konischen Querschnitt auf. Dadurch kann eine zuverlässige Abdichtung gewährleistet werden, wobei durch die konische Ausgestaltung die Abdichtfläche vergrößert wird, ohne den axialen Bauraum zu vergrößern. Außerdem wird der Schließkörper durch die konische Ausgestaltung radial zentriert. Vorzugsweise weist der Schließkörper einen kreisbogenförmigen Querschnitt auf, welcher mit dem Schließkörper-Ventilsitz zusammenwirkt, wobei der Schließkörper-Ventilsitz einen konischen Querschnitt aufweist, wodurch eine zuverlässige Abdichtung gewährleistet werden kann.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Ventilsitzkörper einen dem Einlass zugewandten, zylindrischen Abschnitt und einen an den zylindrischen Abschnitt anschließenden und zum Auslass hin aufweitenden Abschnitt auf und der Regelkörper weist einen dem Einlass zugewandten, zylindrischen und einen an den zylindrischen Abschnitt anschließenden, zum Auslass hin verengenden Querschnitt auf. Dadurch wird eine düsenartige Öffnung geschaffen, welche das unter Hochdruck stehende Fluid passieren muss, wodurch der Hochdruck abgebaut wird. Vorzugsweise ist der Aktor ein elektromagnetischer oder elektromotorischer Aktor. Elektromagnetische oder elektromotorische Aktoren ermöglichen eine sehr genaue Regelung und sind robust im Aufbau.
Außerdem wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Betätigung eines Expansionsventils nach Anspruch 1 bis 11 gelöst. Dabei wird ausgehend aus einer Schließstellung des Expansionsventils, der Regelkörper axial durch den Aktor verstellt, wobei in einer ersten Verstellphase des Regelkörpers der Regelkörper relativ zum Schließkörper axial bewegt wird und der dritte Durchströmungsquerschnitt geöffnet wird, wobei der Schließkörper am Schließkörper-Ventilsitz weiter anliegt und der zweite Durchströmungsquerschnitt geschlossen ist. In einer an die erste Verstellphase anschließenden, zweiten Verstellphase wird der Regelkörper weiter axial bewegt, wobei der Schließkörper an dem Regelkörper stirnseitig, d.h. mit dem dem Auslass zugewandten Axialende, anliegt und der Schließkörper mit dem Regelkörper mitbewegt wird. Dadurch wird der zweite Durchströmungsquerschnitt geöffnet und der erste Durchströmungsquerschnitt kann geregelt werden. Zu den Vorteilen des Verfahrens wird auf die vorhergehenden Absätze verwiesen. Es wird somit ein Expansionsventil geschaffen, welches sehr kompakt aufgebaut ist und die Funktionen eines Regelventils und eines Absperrventils bei Verwendung nur eines Stellers in sich vereint. Dabei ist das Regelventil genau und schnell schaltbar, während das Absperrventil eine hohe Dichtigkeit aufweist und mit geringen Kräften schaltbar ist.
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Expansionsventils für einen Kälte- oder Klimakreislauf ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
Figur 1 zeigt eine Schnittansicht eines Ausschnitts eines erfindungsgemäßen Expansionsventils in geschlossener Stellung, Figur 2 zeigt eine Schnittansicht des Ausschnitts des Expansionsventils aus Figur 1 in der ersten Verstellphase, und
Figur 3 zeigt eine Schnittansicht des Ausschnitts des Expansionsventils aus Figur 1 in der zweiten Verstellphase.
Alle drei Figuren zeigen ein erfindungsgemäßes Expansionsventil 10. Das Expansionsventil 10 weist ein Regelventil 11 auf, welches ein Strömungsgehäuse 16 und einen elektromagnetischen Aktor 12 umfasst. Von dem elektromotorischen Aktor 12 sind lediglich ein Aktorgehäuse 14 und eine Stellwelle 18 gezeigt, wobei bei einer Betätigung des elektromotorischen Aktors 12 die Stellwelle 18 in Axialrichtung bewegt wird. Das Aktorgehäuse 14 ist in das Strömungsgehäuse 16 eingesteckt und der Spalt zwischen dem Strömungsgehäuse 16 und dem Aktorgehäuse 14 ist über einen Dichtring 19 abgedichtet, wobei der Dichtring 19 in einer am Aktorgehäuse 14 ausgebildeten, umlaufenden Nut 20 angeordnet ist. Das Strömungsgehäuse 16 und das Aktorgehäuse 14 weisen jeweils eine Öffnung 22, 24 auf, welche sich überlagern und in welchen eine Führungshülse 26 angeordnet ist. Die Führungshülse 26 liegt mit ihrer Außenumfangsfläche 28 an den Innenumfangsflächen der Öffnungen 22, 24 an und ist dadurch radial gelagert. Zur axialen Fixierung ist an der Außenumfangsfläche 28 der Führungshülse 26 ein radial erstreckender Vorsprung 30 vorgesehen, welcher mit einer ersten Axialfläche an dem Strömungsgehäuse 16 und mit einer zweiten, entgegengesetzten Axialfläche an dem Aktorgehäuse 14 anliegt, wodurch die Führungshülse 26 axial fixiert ist. Eine Innenumfangsfläche 32 der Führungshülse 26 dient der Führung eines Regelkörpers 34. Der Regelkörper 34 weist ein Koppelelement 36 und ein Regelelement 38 auf. Das Koppelelement 36 weist an seinem dem Aktor 12 zugewandten und axial innenhalb der Führungshülse 26 angeordneten Axialende eine Bohrung 40 auf, in welche die Stellwelle 18 eingepresst ist an dem Koppelelement 36 befestigt ist. An dem dem Aktor 12 abgewandten Axialende des Koppelelements 36 ist das Regelelement 38 angeordnet, wobei das Regelelement 38 einen Befestigungsstutzen 42 aufweist, welcher in eine an dem Koppelelement 36 angeordnete Bohrung 43 eingreift. Das Regelelement 38 weist an der Umfangsfläche eine umlaufende Nut 44 auf, in welche ein an einer Innenumfangsfläche der Bohrung 43 radial erstreckender Vorsprung 45 eingreift, wodurch das Regelelement 38 axial am Koppelelement 36 formschlüssig fixiert ist.
Weiterhin umfasst das Regelventil 11 einen Ventilsitzkörper 46, welcher in das Strömungsgehäuse 16 eingepresst ist und mit einem ersten Abschnitt 47 gemeinsam mit dem Regelkörper 34 einen ersten ringspaltartigen Durchströmungsquerschnitt 50 begrenzt. Der erste Abschnitt 47 des Ventilsitzkörpers 46 weist einen einem Einlass 52 zugewandten, zylindrischen Abschnitt 54 und einen an den zylindrischen Abschnitt 54 anschließenden und zu einem Auslass 58 hin aufweitenden Abschnitt 56 auf. Das Regelelement 38 weist einen dem Einlass 52 zugewandten, zylindrischen Abschnitt 60 und einen an den zylindrischen Abschnitt 60 anschließenden, zum Auslass 58 hin verengenden Abschnitt 62 auf. Durch eine derartige Ausgestaltung des Regelelements 38 und des Ventilsitzkörpers 46 wird eine Verdüsung bereitgestellt, wodurch der am Einlass 52 herrschende Druck auf einen am Auslass herrschende Druck reduziert wird. Das Expansionsventil 10 umfasst weiterhin ein Absperrventil 70, welches strömungstechnisch zwischen dem Einlass 52 und dem Regelventil 11 angeordnet ist und in einer Schließstellung des Expansionsventils 10 einen Fluidfluss zum Regelventil 11 bzw. zum ersten Durchströmungsquerschnitt 50 unterbindet. Das Absperrventil 70 umfasst einen Schließkörper 72 und einen Schließkörper-Ventilsitz 74, wobei der Schließkörper-Ventilsitz 74 an durch einen am Ventilsitzkörper 46 vorgesehenen, zweiten Abschnitt 49 ausgebildet ist und gemeinsam mit dem Schließkörper-Ventilsitz 74 einen zweiten Durchströmungsquerschnitt 76 begrenzt. Der Schließkörper 72 ist axial bewegbar und axial vorgespannt an dem Regelelement 38 gelagert, wobei der Schließkörper 72 eine mittige Durchgangsöffnung 78 aufweist, über welche der Schließkörper 72 gleitend an einem Lagerabschnitt 80 des Regelelements 38 gelagert ist. Die axiale Vorspannung des Schließkörpers 72 erfolgt durch ein Federelement 81, insbesondere eine Schraubenfeder, welche endseitig an einem Absatz des Koppelelements 36 und zum anderen an einem dem Einlass 52 zugewandten Axialende 82 des Schließkörpers 72 anliegt.
Der Schließkörper 72 begrenzt außerdem mit seinem dem Einlass zugewandten Axialende 82 gemeinsam mit dem Koppelelement 36 einen dritten Durchströmungsquerschnitt 84, wobei sowohl der Schließkörper 72 als auch das Koppelelement 36 konisch ausgeführt sind. An den dritten Durchströmungsquerschnitt 84 schließt ein Fluidkanal 86 an, welcher sich ausgehend vom dritten Durchströmungsquerschnitt 84 bis zu einem dem Auslass 58 zugewandten Axialende 88 des Schließkörpers 72 erstreckt, wodurch das dem Auslass 58 zugewandte Axialende 88 mit dem Einlass 52 verbunden werden kann. Der Fluidkanal 86 wird durch die Innenumfangsfläche des Schließkörpers 72 und durch die Außenumfangsfläche des Lagerabschnitts 80 des Regelelements 38 begrenzt. An dem dem Auslass zugewandten Axialende 88 weist der Schließkörper 72 mehrere radial erstreckende Überströmkanäle 90 auf.
Bei Schließstellung des Expansionsventils 10, wie in Figur 1 gezeigt, wird das Koppelelement 36 gegen das dem Einlass 52 zugewandte Axialende des Schließkörper 72 gepresst und der Schließkörper 72 wird gegen den Ventilsitzkörper 46 gepresst, wodurch der dritte Durchströmungsquerschnitt 84 und der zweite Durchströmungsquerschnitt 76 geschlossen sind.
Bei Ansteuerung des Aktors 12 bewegt sich der Regelkörper 34 in einer ersten Verstellphase in Öffnungsrichtung. Wie in Figur 2 gezeigt ist, verbleibt der Schließkörper 72 aufgrund der axial bewegbaren Lagerung am Regelkörper 34 und der durch die Schraubenfeder 81 verursachten Belastung des Schließkörpers 72 entgegen der Öffnungsrichtung in seiner ursprünglichen Stellung, wodurch der zweite Durchströmungsquerschnitt 76 geschlossen bleibt und der dritte Durchströmungsquerschnitt 84 geöffnet wird. Durch die Öffnung des dritten Durchströmungsquerschnitts 84 strömt das unter Hochdruck stehende Fluid ausgehend vom Einlass 52 durch den Fluidkanal 86 zum dem Auslass 58 zugewandten Axialende 88. Dadurch herrscht an beiden Axialenden 82, 88 des Schließkörpers 72 der gleiche Druck. Dabei weist der Querschnitt des Fluidkanals 86 eine derartige Größe auf, dass der am Einlass 52 herrschende Druck nicht oder nur geringfügig durch die Durchströmung des Fluidkanals 86 abfällt.
In einer an die erste Verstellphase anschließenden zweiten Verstellphase, welche in Figur 3 gezeigt ist, bewegt sich der Regelkörper 34 weiterhin in Öffnungsrichtung, wobei das Regelelement 38 an dem dem Auslass zugewandten Axialende 88 des Schließkörpers 72 axial anliegt und dadurch der Schließkörper 72 mitgenommen wird und sich mit dem Regelkörper 34 mitbewegt. Durch die Mitnahme des Schließkörpers 72 wird der zweite Durchströmungsquerschnitt 76 geöffnet und das Fluid kann zum Regelventil 11 strömen. Ein derartiges Expansionsventil 10 für einen Kälte- oder Klimakreislauf ermöglicht somit bei guten Verdüsungseigenschaften einen sicheren Verschluss, wenn keine Förderung gewünscht ist, wobei sowohl zum Betätigen des Absperrventils 70 als auch zum Betätigen des Regelventils 11 geringe Stellkräfte benötigt werden. Entsprechend können kleine Aktoren 12 verwendet werden. Außerdem ist die Bauteileanzahl sehr gering, da lediglich ein Aktor 12 für das Absperrventil 70 und das Regelventil 11 benötigt wird. Entsprechend benötigt dieses kompakte Expansionsventil 10 nur einen geringen Bauraum. Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist, sondern verschiedene Modifikationen innerhalb des Schutzbereiches des Flauptanspruchs möglich sind. Es könnten beispielsweise das Absperrventil 70, das Regelventil 11 oder das Führungselement 70 anders ausgeführt sein.

Claims

Pierburg GmbH, 41460 Neuss
P A T E N T A N S P R Ü C H E 1. Expansionsventil für einen Kälte- oder Klimakreislauf, mit einem Regelventil (11) mit einem Strömungsgehäuse (16), welches einen Einlass (52) und einen Auslass (58) aufweist, einem Aktor (12), über welchen ein Regelkörper (34) axial bewegbar ist, einen ersten Durchströmungsquerschnitt (50) zwischen dem Einlass (52) und dem Auslass (58), welcher dem Regelkörper (34) und einem Ventilsitzkörper (46) begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Absperrventil (70) vorgesehen ist, welches strömungstechnisch zwischen dem Einlass (52) und dem Regelventil (11) angeordnet ist, wobei das Absperrventil (70) einen Schließkörper (72) und einen am Ventilsitzkörper (46) angeordneten Schließkörper-Ventilsitz (74) aufweist, welche einen zweiten Durchströmungsquerschnitt (76) begrenzen, wobei der Schließkörper (72) ein dem Einlass (52) zugewandtes Axialende (82) und ein dem Auslass (88) zugewandtes Axialende aufweist, und wobei der Schließkörper (72) derart relativ zum Regelkörper (34) angeordnet ist, dass in einer ersten Verstellphase des Regelkörpers (34) der Regelkörper (34) sich relativ zum Schließkörper (72) axial bewegt, wobei der zweite
Durchströmungsquerschnitt (76) geschlossen ist und das dem Auslass (58) zugewandte Axialende (88) des Schließkörpers (72) über einen durch den Schließkörper (72) und den Regelkörper (34) begrenzenden, dritten Durchströmungsquerschnitt (84) mit dem Einlass (52) verbunden ist, und in einer zweiten Verstellphase des Regelkörpers (34) der Schließkörper (72) sich gemeinsam mit dem Regelkörper (34) axial bewegt und der zweite Durchströmungsquerschnitt (76) geöffnet ist.
2. Expansionsventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem dem Auslass (58) zugewandten Axialende (88) des Schließkörpers (72) und dem dritten Durchströmungsquerschnitt (84) ein Fluidkanal (86) vorgesehen ist, wobei der Fluidkanal (86) durch eine Innenfläche des Schließkörpers (72) und eine Außenfläche eines Lagerabschnitts (80) des Regelkörpers (34) begrenzt ist.
3. Expansionsventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließkörper (72) an dem dem Auslass (58) zugewandten Axialende (88) mindestens einen radial erstreckenden Überströmkanal (90) aufweist.
4. Expansionsventilvorrichtung für einen Kälte- oder Klimakreislauf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließkörper (72) axial bewegbar und axial vorgespannt am Regelkörper (34) gelagert ist.
5. Expansionsventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelkörper (34) ein Regelelement (38) und ein mit dem Regelelement (38) fest verbundenes Koppelelement (36) aufweist, wobei das Koppelelement (36) endseitig mit dem Aktor (12) wirkverbunden ist
6. Expansionsventil nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Koppelelement (36) und dem Schließkörper (72) ein Federelement (81) angeordnet ist.
7. Expansionsventil nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement (36) und das dem Einlass (52) zugewandte Axialende (82) des Schließkörpers (72) den dritten Durchströmungsquerschnitt (84) begrenzen.
8. Expansionsventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das dem Einlass (52) zugewandte und den dritten Durchströmungsquerschnitt (84) begrenzende Axialende (82) des
Schließkörpers (72) und der den dritten Durchströmungsquerschnitt (84) begrenzende Abschnitt des Koppelelements (36) jeweils einen konischen Querschnitt aufweisen.
9. Expansionsventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließkörper (72) einen Abschnitt mit einem kreisbogenförmigen Querschnitt aufweist, welcher mit dem Schließkörper-Ventilsitz (74) zusammenwirkt, wobei der Schließkörper-Ventilsitz (74) einen konischen Querschnitt aufweist.
10. Expansionsventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitzkörper (46) einen dem Einlass (52) zugewandten, zylindrischen Abschnitt (54) und einen an den zylindrischen Abschnitt (54) anschließenden und zum Auslass (58) hin aufweitende Abschnitt (56) aufweist und der Regelkörper (34) einen dem Einlass (52) zugewandten, zylindrischen Abschnitt (60) und einen mit einem an den zylindrischen Abschnitt anschließenden, zum Auslass (58) hin verengenden Abschnitt (62) aufweist.
11. Expansionsventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (12) ein elektromagnetischer oder elektromotorischer Aktor ist.
12. Verfahren zur Betätigung eines Expansionsventils nach Anspruch 1 bis 11, wobei ausgehend aus einer Schließstellung des Expansionsventils
(10), der Regelkörper (34) axial durch den Aktor (12) verstellt wird, wobei in einer ersten Verstellphase des Regelkörpers (34) sich der Regelkörper (34) relativ zum Schließkörper (72) axial bewegt und der dritte ringspaltförmige Durchströmungsquerschnitt (84) geöffnet wird, wobei der Schließkörper (72) am Schließkörper-Ventilsitz (74) weiter anliegt und der zweite Durchströmungsquerschnitt (76) geschlossen ist, in einer an die erste Verstellphase anschließenden, zweiten Verstellphase der Schließkörper (72) an dem Regelkörper (34) stirnseitig anliegt und der Schließkörper (72) mit dem Regelkörper (34) mitbewegt wird, wobei der zweite Durchströmungsquerschnitt (76) geöffnet wird und der erste ringspaltartige Durchströmungsquerschnitt (50) geregelt wird.
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