DE10163929A1

DE10163929A1 - Nadelventil

Info

Publication number: DE10163929A1
Application number: DE10163929A
Authority: DE
Inventors: Roland Caesar; Jan Gaertner; Frank Obrist; Juergen Wertenbach
Original assignee: Obrist Engineering GmbH; DaimlerChrysler AG
Current assignee: Obrist Engineering GmbH; Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2001-12-22
Filing date: 2001-12-22
Publication date: 2003-07-03
Also published as: US6991212B2; GB2388890A; GB0229663D0; GB2388890B; US20030116734A1

Abstract

Das Nadelventil (1) für ein Hochdruck-Gasleitungssystem besteht aus zwei auf einfache Weise zusammensteckbaren Montageeinheiten (2, 3). Eine der Montageeinheiten umschließt in ihrem Gehäuse (7) einen Schrittmotor (8) und eine von ihr wegragende Ventilnadel (10) ist zum dichtenden Eingriff in eine Führungsbohrung des Gehäuseblocks (4) der anderen Montageeinheit bestimmt. Der den Gasdruck aufnehmende, den Ventilkanal (17) aufweisende Innenbereich des Gehäuseblocks (4) ist somit durch im Bereich der Führungsbohrung angeordnete Dichtringe (19, 20) nach außen abgedichtet. Durch einen mindestens angenähert dem Durchmesser des Ventilkanals (17) entsprechenden kleinen Durchmesser der Führungsbohrung ergibt sich eine gute Abdichtung und entsprechend geringe Stellkräfte des Nadelventils (1) führen zu kleinen Dimensionen der den Schrittmotor (8) umfassenden Montageeinheit (3). Das Nadelventil (1) ist insbesondere als in beiden Richtungen durchströmbares Expansionsventil einer mit Kohlendioxid betriebenen Fahrzeugklimaanlage geeignet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Nadelventil mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

Für die Regelung des Expansionsventils von Klimaanlagen ist es durch die EP 0 607 953 und die WO 00/70276 bekannt, den Ventilantrieb oder einen mit der Ventilnadel mechanisch verbundenen Teil desselben in einem Gehäuse anzuordnen, das mit dem Gehäuseblock des Ventils gasdicht verbunden ist. Diese Art der Abdichtung des Innenbereichs des Gehäuseblocks nach aussen setzt voraus, dass die Teile des Ventilantriebs, wie z. B. die Ankerwicklung desselben, von dem im Expansionsventil eingeschlossenen Medium nicht angegriffen werden. Ausserdem setzt eine druckbeständige Ausführung des Antriebsgehäuses eine geeignet dimensionierte, massive Bauweise voraus.

Durch die US 3,464,227 und die US 4,56,193 ist es weiterhin bekannt, den Schaft der Ventilnadel oder des Schliesskörpers des Expansionsventils einer Klimaanlage über einen Faltenbalg mit dem Gehäuseblock gasdicht zu verbinden. Eine Faltenbalgabdichtung ist nur für verhältnismässig geringe Gasdrücke geeignet und benötigt für ihre Anordnung im Gehäuseblock des Nadelventil einen Raum, der die Gesamtabmessungen des Gehäuseblocks mitbestimmt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein für hohe Drücke und eine Durchströmung in zwei einander entgegengesetzte Richtungen geeignetes Ventil möglichst geringer Abmessungen zu finden, das auch als Expansionsventil einer mit Kohlendioxid betriebenen Klimaanlage einsetzbar ist, d. h. für Drücke bis zu 150 bar. Ausserdem soll es bei einfacher Herstellbarkeit eine Ausführung ermöglichen, die eine Montage im Leitungssystem einer Fahrzeug-Klimaanlage vereinfacht. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt aufgrund der kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung des Gehäuses eines Schrittmotorantriebes, mit angeschlossener Ventilnadel, entsprechend einer ersten Montageeinheit,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des Gehäuseblocks des Nadelventils entsprechend einer zweiten Montageeinheit,

Fig. 3 eine perspektivische Gesamtdarstellung des Nadelventils mit seinen aneinander montierten Montageeinheiten nach Fig. 1 und 2,

Fig. 4 einen Querschnitt durch das Nadelventil nach Fig. 3,

Fig. 5 einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform des Nadelventils,

Fig. 6 eine vergrösserte Teildarstellung im Bereich VI der Querschnittsdarstellung der Fig. 4, mit oberster Position der Ventilnadel,

Fig. 7 eine Darstellung entsprechend Fig. 6, jedoch mit abgewandelter Ausführung des Gehäuseblocks und mit der Ventilnadel in Schliessposition,

Fig. 8 ein sich von der in den Fig. 6 und 7 gezeigten Ventilnadel unterscheidendes Ausführungsbeispiel einer Ventilnadel in Seitenansicht und

Fig. 9 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Ventilnadel.

Das Nadelventil 1 besteht aus zwei lösbar miteinander verbundenen Montageeinheiten 2 und 3, von denen die erste aus einem mehrere Bohrungen aufweisenden, z. B. aus einem Abschnitt eines Strangprofiles gebildeten Gehäuseblock 4 besteht und für den Anschluss von Rohrabschnitten 5, 6 eines Hochdruck-Gasleitungssystems vorgesehen ist. Die zweite Montageeinheit 3 umschliesst in einem Antriebsgehäuse 7 einen Schrittmotor 8 mit einer Antriebsmechanik 9 für die Ventilnadel 10 in an sich bekannter Ausführung. Entsprechend greift eine durch den Motor in Drehung versetzbare, nichtdargestellte Antriebsmutter in das Aussengewinde 11 der Ventilnadel 10 ein. Da diese an ihrem profilierten, oberen Endes 12 gegen Verdrehung gesichert ist, bewirkt dies ihre für die Ventilbetätigung erforderliche Längsbewegung. Somit ist die Ventilnadel 10 Bestandteil der zweiten Montageeinheit 3. Beide Montageeinheiten 2 und 3 lassen sich zur Herstellung des einsatzbereiten Nadelventils 1 auf einfache Weise zusammenfügen, wie im Folgenden noch näher beschrieben wird.

Die Enden der Rohrabschnitte 5, 6 sind in Anschlussbohrungen 13, 14 des Gehäuseblocks 4 gasdicht gehalten, indem sie dort entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 eingelötet sind oder indem die Anschlussbohrungen 13, 14 eine Zapfenaufnahme für den lösbar einsetzbaren und Dichtringe tragenden Rohrzapfen einer Rohrkupplung bilden, wie sie in der Patentanmeldung derselben Anmelder und desselben Anmeldetages näher beschrieben ist. Die Anschlussbohrungen 13, 14 gehen in kurze, als Sackloch ausgeführte Ventilleitungen 15, 16 über. Diese haben einen wesentlich kleineren Durchmesser und sind zueinander querversetzt, so dass sie sich gegenseitig überlappen. Der Ventilkanal 17 bildet eine rechtwinklige Querverbindung zwischen diesen Ventilleitungen. Es versteht sich jedoch, dass der Ventilkanal 17 stattdessen relativ zu den Ventilleitungen 15, 16 geneigt verlaufen kann, z. B. um eine durch die rechtwinklige Richtungsänderung der Strömung verursachte Geräuschentwicklung zu beseitigen.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 wird die Querversetzung bei gleichachsigen Anschlussbohrungen 13, 14 dadurch erreicht, dass sie sich exzentrisch zu diesen bzw. achsversetzt fortsetzen. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 verlaufen die Ventilleitungen 15, 16 gleichachsig mit den für die Rohrabschnitte 5, 6 vorgesehenen Anschlussbohrungen 13, 14, so dass diese zueinander achsversetzt verlaufen. Die einfachere Herstellbarkeit gleichachsiger Bohrungen 13, 16; 14, 15 hat jedoch den Nachteil, dass der Gehäuseblock 4' relativ zu einer Rohrleitungsachse nicht in verschiedenen Winkelpositionen montiert werden kann.

Die mit dem Schrittmotor 8 in Antriebsverbindung stehende Ventilnadel 10 erstreckt sich durch eine gleichachsig zum Ventilkanal 17 verlaufende Führungsbohrung 18 in den Gehäuseblock 4 hinein. Der Schrittmotor 8 ermöglicht ihre stufenlose Verstellung in der Führungsbohrung 18, so dass der freie Öffnungsquerschnittes des Ventilkanals 17 zwischen einem Minimal- und Maximalwert stufenlos verändert werden kann.

Die erforderliche Abdichtung des durch die Bohrungen 15, 16 und den zentralen Ventilkanal 17 gebildeten Innenbereichs des Gehäuseblocks 4 nach aussen erfolgt erfindungsgemäss im Bereich dieser Führungsbohrung 18, indem dort mindestens ein Dichtring 19, 20 vorgesehen ist.

Um gegenüber unter hohem Druck stehendem Kohlendioxid mit verhältnismässig geringem konstruktiven Aufwand eine gute Abdichtung zu erreichen, ohne dass bei der Verstellbewegung der Ventilnadel zu grosse Reibungswiderstände entstehen, sind mit Abstand voneinander zwei O-Ringe 19, 20 vorgesehen, die vorzugsweise in umlaufenden Nuten 21, 22 der Ventilnadel 10 gehalten sind.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 sind die Aufnahmenuten 23, 24 für zwei O-Ringe 25, 26 in der Führungsbohrung 18 vorgesehen, jedoch führt dies zu grösserem Aufwand bei der Bearbeitung des Gehäuseblocks 4 und zu einem etwas grösseren Durchmesser der O-Ringe 25, 26.

Die Abdichtung im Bereich der Führungsbohrung 18 mittels O-Ringen 19, 20; 25, 26 hat u. a. auch den Vorteil einer wesentlich erleichterten Montage des Nadelventils 1 in einem Gasleitungssystem, z. B. im Motorraum eines Fahrzeuges, indem bei der Montage des Gasleitungssystems vorerst nur der Gehäuseblock 4 zwischen zwei Rohrabschnitten 5, 6 einzusetzen ist und die anschliessende Komplettierung des Nadelventils 1 durch einfaches Aufsetzen des mit einer elektrischen Anschlussleitung 28 verbundenen Antriebsgehäuses 7 und dabei Einschieben der Ventilnadel 10 in die Führungsbohrung 18 erfolgen kann. Abschliessend erfolgt eine feste Verbindung durch vier Schrauben 29, die sich durch Eckbereiche des quaderförmigen Antriebsgehäuses 7 bis in entsprechend angeordnete Gewindelöcher des Gehäuseblocks 4 hinein erstrecken, so dass die Flanschflächen 30, 31 beider Gehäuse 4, 7 zur festen gegenseitigen Anlage kommen.

Die Führungsbohrung 18 kann sich bis zu der dem Antriebsgehäuse 7 zugekehrten Flanschfläche 31 des Gehäuseblocks 4 erstrecken und bildet somit gleichzeitig eine Fassung für die Ventilnadel 10, oder es ist entsprechend dem dargestellten Ausführungsbeispiel in dem Gehäuseblock 4 eine im Durchmesser grössere Fassung 32 für einen zylindrischen Gehäusefortsatz 33 des Antriebsgehäuses 7 vorgesehen, der einen Teil der Antriebsmechanik 9 des Schrittmotors 8 umschliesst. Letztere Ausführung ist vorzuziehen, da hierdurch das Antriebsgehäuse 7 kleiner dimensioniert werden kann. Im Gehäuseblock 4 steht für eine entsprechend grössere Fassung 32 ausreichend Raum zur Verfügung, wenn für die Befestigung des Seitenflansches einer die Rohrabschnitte anschliessenden Rohrkupplung entsprechend der Patentanmeldung derselben Anmelder und desselben Anmeldetages seitlich im Gehäuseblock 4 Eingriffsbohrungen 34, 35 vorzusehen sind.

Um die Dichtgrenze, d. h. die Oberfläche entlang der ein mit Reibung verbundener Dichtkontakt erforderlich ist, klein auszuführen, so dass auch der Schrittmotor mit seinem das Antriebssystem umschliessenden Gehäuse 7 kleiner ausgeführt werden kann, wird die Ventilnadel 10 und damit auch die Führungsbohrung 18 mit einen möglichst kleinen Durchmesser versehen. Falls kein vollständig dichtes Schliessen des Nadelventils 1 erforderlich ist, z. B. bei seiner Anwendung als regelbares Expansionsventil einer CO₂-Klimaanlage, hat die Führungsbohrung 18 vorzugsweise denselben möglichst kleinen Durchmesser wie der Ventilkanal 17. Für einen Dichtsitz mit konischem Endbereich 36 der Ventilnadel 10 kann ein um 15 bis 20% grösserer Durchmesser der Führungsbohrung 18 und eine entsprechender Durchmesser des zylindrischen Teils der Ventilnadel 10 ausreichend sein.

Da für die Anwendung des Nadelventils 1 als Expansionsventil einer Klimaanlage kein vollständiges Schliessen des Expansionsventils erforderlich ist, kann der Durchmesser des Ventilkanals 17 und damit auch der Führungsbohrung entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 dadurch verringert werden, dass ein Teilstrom durch einen Bypasskanal 37 an dem Ventilkanal 17 vorbei geführt wird. Hierzu setzt sich beispielsweise die Bohrung des niederdruckseitigen Ventilkanals 16 gleichachsig mit wesentlich kleinerem Durchmesser bis in den Bodenraum 38 der gegenüberliegenden Anschlussbohrung 14 fort.

Weiterhin kann eine Bypassverbindung auch der Entlastung des Dichtbereichs der Führungsbohrung 18 dienen, indem innerhalb der Führungsbohrung 18 entsprechend der Darstellung in Fig. 7 und/oder an einer entsprechenden Position der sich in Schliessposition befindenden Ventilnadel 10'' eine umlaufende Nut 40 bzw. 41 vorgesehen wird, die über eine Bohrung 42 mit dem Bodenraum 43 der niederdruckseitigen Anschlussbohrung 13 verbunden ist. Stattdessen oder zusätzlich kann auch ein Bypasskanal 39 durch die Ventilnadel 10' hindurch geführt sein, wie die Querschnittsdarstellung der Fig. 9 zeigt.

Eine weitere Massnahme, den Durchmesser des Ventilkanals 17 und folglich auch denjenigen der Führungsbohrung 18 möglichst klein auszuführen, besteht darin, dass die Ventilnadel 10 mit ihrem das spitz auslaufenden vorderen Ende 36 aus dem Ventilkanal 17 herausbewegbar ist, so dass dessen Öffnungsquerschnitt vollständig frei gegeben wird.

Schliesslich kann die Durchströmung des Ventilkanals 17 durch eine konische oder gekrümmte Ausbildung seiner Öffnungsränder 27, 27' begünstigt werden, so dass sich eine bessere Ausnutzung der Querschnittsgrösse des Ventilkanals 17 ergibt. Auch können hierdurch durch die Drosselung der Strömung im Bereich des Ventilkanals 17 verursachte Geräusche vermindert oder beseitigt werden.

Für Rohrleitungssysteme, die z. B. durch Crash-Einwirkung einschliesslich ihrer elektrischen Anschlussverbindung 28 beschädigt werden können, so dass eine Gefahr durch ausströmendes Medium besteht, kann im Gehäuse 7 des Schrittmotors 8 ein Notstromsystem 44 mit einem elektrischen Energiespeicher und einer Steuerelektronik vorgesehen sein, die programmiert ist, bei Unterbrechung einer Hauptstromzufuhr zu dem Schrittmotor 8 eine Notstromverbindung zwischen diesem und dem elektrischen Energiespeicher zum Schliessen des Nadelventils 1 herzustellen.

Claims

1. Nadelventil für ein Hochdruck-Gasleitungssystem, mit einem Anschlussbohrungen (13, 14) für Rohrabschnitte (5, 6) des Gasleitungssystems, einen diese verbindenden Ventilkanal (17) und eine mit diesem eine gleichachsige Fassung (18, 32) aufweisenden Gehäuseblock (4), wobei durch die Fassung (18, 32) hindurch eine für den Eingriff in den Ventilkanal (17) bestimmte und mit einem Schrittmotorantrieb (8, 9) verbundene Ventilnadel (10) geführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der den Gasdrucks aufnehmende Innenbereich des Gehäuseblocks (4) nach aussen durch mindestens einen Dichtring (19, 20; 25, 26) abgedichtet ist, der die Ventilnadel(10) im Bereich einer Führungsbohrung (18) umschliesst.

2. Nadelventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Rohrabschnitte des Gasleitungssystems auf einander gegenüberliegenden Seiten des Gehäuseblocks gleichachsig je eine Anschlussbohrung (13, 14) als Sacklochbohrung vorgesehen ist, die sich jeweils über eine achsparallele, sich gegenseitig überlappende Ventilleitung (15, 16) kleineren Durchmessers zu dem Ventilkanal (17) hin erstrecken, so dass der Ventilkanal (17) zwischen beiden eine Querverbindung bildet.

3. Nadelventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gleichachsigen Anschlussbohrungen (13, 14) eine Zapfenfassung für den Eingriff eines Dichtmittel aufweisenden Kupplungszapfens einer lösbaren Rohrkupplung bilden.

4. Nadelventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuseblock parallel zu der jeweiligen Zapfenfassung mindestens eine Bohrung (34, 35) vorgesehen ist, für den Eingriff von Befestigungsmitteln eines Seitenflansches der Rohrkupplung.

5. Nadelventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäuseblock (4) aus einem Abschnitt eines Strangprofils gebildet ist, dessen Querschnitt sich von einem schmaleren, für die Aufnahme der Anschlussbohrungen (13, 14) vorgesehenen Bereich in Richtung zu einer Flanschfläche (31) hin erweitert, die zur Verbindung mit dem Gehäuse (7) des Schrittmotors (8) bestimmt ist.

6. Nadelventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schrittmotor (8) in einem zweiten Gehäuseblock (7) eingeschlossen ist, der mit dem den Ventilkanal (17) einschliessenden, anderen Gehäuseblock (4) lösbar verbunden ist, so dass die Gehäuseblöcke je eine Montageeinheit (2, 3) bilden, von denen eine Rohrabschnitte (5, 6) des Gasleitungssystems und die andere eine der Steuerung des Schrittmotors (8) dienende elektrische Anschlussleitung aufweist, wobei die Ventilnadel (10) durch eine Eingriffsverbindung mit der Antriebsmechanik des Schrittmotors (8) dessen Montageeinheit (3) zugeordnet ist.

7. Nadelventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, für eine mit Kohlendioxid betriebene Klimaanlage, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Dichtkontakt mit der Ventilnadel (10) dienende Führungsbohrung (18) zumindest angenähert den gleichen Durchmesser aufweist wie der Ventilkanal (17).

8. Nadelventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Dichtring ein O-Ring (19, 20; 25, 26) ist.

9. Nadelventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Dichtring (18, 19) in einer die Ventilnadel (10) umschliessenden Nut (21, 22) gehalten ist.

10. Nadelventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilnadel (10) von zwei Dichtringen (19, 20; 25, 26) umschlossen ist.

11. Nadelventil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei maximal geöffnetem Ventil sich das vordere Ende (36) der Ventilnadel (10) in Abstand von dem Ventilkanal (17) befindet, so dass dessen Öffnungsquerschnitt vollständig frei ist.

12. Nadelventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass relativ zu dem Ventilkanal (17) eine Bypass-Verbindung (37) geringeren Querschnitts vorgesehen ist.

13. Nadelventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Bereich (40, 41) der die Ventilnadel (10) umschliessenden Führungsbohrung (18) und einem Niederdruckbereich (43) des Nadelventils (1) eine der Druckentlastung am Dichtbereich der Führungsbohrung (18) dienende Ausgleichsverbindung (42) vorgesehen ist, wobei dieser Bereich zwischen dem mindest einen Dichtring (20, 26) und der angrenzenden Ventilleitung (15) angeordnet ist.

14. Nadelventil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichsverbindung von einer in der Ventilnadel (10) vorgesehenen, umlaufenden Nut (40) ausgeht.

15. Nadelventil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichsverbindung über eine Querbohrung und eine zentrale Bohrung (39) der Ventilnadel (10') zum Niederdruckbereich (16) des Nadelventils (1) verläuft.

16. Nadelventil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine niederdruckseitige Ventilleitung (16) sich über eine im Durchmesser kleinere Bypass-Bohrung (37) in einen Bodenraum (38) einer hochdruckseitigen Anschlussbohrung (14) fortsetzt.

17. Nadelventil nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsbohrung (18) und die Ventilnadel (10) einen grösseren Durchmesser haben als der Ventilkanal (17), die Ventilnadel (10) einen zum Eingriff in den Ventilkanal (17) bestimmten konischen Endbereich (36) hat und im Ventilkanal (17) eine Sitzfläche für diesen konischen Endbereich (36) der Ventilnadel (10) vorgesehen ist.

18. Nadelventil nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchmesserdifferenz 15 bis 20% beträgt.

19. Nadelventil nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass dem Schrittmotor (8) ein elektrischer Energiespeicher und eine Steuerelektronik eines Notstromsystems (44) zugeordnet sind, die programmiert sind, bei Unterbrechung einer Hauptstromzufuhr zu dem Schrittmotor (8) eine Notstromverbindung zwischen dem Schrittmotor (8) und dem elektrischen Energiespeicher zum Schliessen des Nadelventils (1) herzustellen, wobei der elektrische Energiespeicher und die Steuerelektronik in einem auch den Schrittmotor (8) einschliessenden Gehäuse (7) angeordnet sind.