-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Expandieren eines Fluids in einem Fluidkreislauf, insbesondere eines Kältemittels in einem Kältemittelkreislauf eines Klimatisierungssystems eines Kraftfahrzeugs. Die Vorrichtung weist ein Gehäuse und ein im Inneren des Gehäuses angeordnetes Ventilelement sowie mindestens ein Dichtelement auf. Das Ventilelement und das Dichtelement sind koaxial zu einer Längsachse ausgerichtet. Das in Richtung der Längsachse relativ zum Gehäuse beweglich angeordnete Ventilelement liegt in einem geschlossenen Zustand der Vorrichtung an dem Dichtelement an. In einem geöffneten Zustand der Vorrichtung ist mindestens ein zwischen dem Ventilelement und dem Dichtelement vollumfänglich umlaufender Spalt ausgebildet.
-
Ein Ventil als eine Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Expandieren eines Kältemittels, insbesondere ein Expansionsventil, erfüllt die Funktionen des Abdichtens im geschlossenen Zustand, des Regelns eines Massenstroms beziehungsweise Expandierens des Kältemittels gemäß einer Kennlinie sowie ein Durchlassen bei Volllast bei maximal geöffnetem Strömungsquerschnitt. Der Betrieb mit maximal geöffnetem Strömungsquerschnitt des Ventils ermöglicht ein Durchströmen des Kältemittels unter minimalem beziehungsweise ohne nennenswerten Druckverlust.
-
Das Ventil sollte neben den genannten Funktionen zudem weitere Kriterien erfüllen. Dabei sollte der Übergang zwischen den Funktionen Abdichten und Regeln beziehungsweise Expandieren möglichst kontinuierlich und damit ohne einen Sprung innerhalb der entsprechenden Kennlinie erfolgen. Das Abdichten ist auch in einem unbestromten Zustand eines elektromotorisch angetriebenen Ventils zu gewährleisten, das Ventil sollte folglich selbstdichtend beziehungsweise selbsthemmend ausgebildet sein. Das Ventil ist für ein beidseitig anliegendes Druckgefälle zu konfigurieren. Dabei kann die Druckdifferenz bis zu 100 bar betragen. Das Ventil sollte in einem Temperaturbereich von - 40 °C bis + 180 °C einzusetzen sein.
-
Eine weitere Anforderung an das Ventil liegt in der Vermeidung der Emission von Geräuschen während des Betriebs, speziell beim Durchströmen des Ventils, in Form von Strömungsgeräuschen und Pfeifgeräuschen. Eine besondere Herausforderung besteht dabei bei bidirektional durchströmten Ventilen, welche je nach Betriebsart des Systems in einer ersten Richtung oder einer zur ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung beaufschlagt werden. So werden beispielsweise in Kältemittelkreisläufen von Klimatisierungssystemen von Kraftfahrzeugen eingesetzte Kältemittelventile beim Betrieb des Systems in einem Kälteanlagenmodus in der ersten Richtung durchströmt, während das Kältemittelventil beim Betrieb des Systems in einem Wärmepumpenmodus in der zweiten Richtung durchströmt wird.
-
In der
DE 10 2016 013 492 A1 wird ein elektrisch angetriebenes Expansionsventil und Absperrventil für den Betrieb mit dem Kältemittel R744 offenbart. Das Ventil weist einen in einer Ventilkörperkammer angeordneten Ventilkörper sowie einen Dichtungssitz und eine Dichtung, welche entlang einer axialen Bewegungsrichtung des Ventilkörpers innerhalb des Ventils ausgerichtet sind, auf. Das Ventil ist derart ausgebildet, dass in einem geschlossenen Zustand ein Druck-Bypass zur Ventilkörperkammer besteht. Dabei ist der Ventilkörper mit einer sich im Wesentlichen in axialer Richtung erstreckenden Durchgangsöffnung als ein Bestandteil des Druck-Bypasses versehen. Der Druck-Bypass erstreckt sich von einem Anschluss durch den Ventilkörper hindurch zur Ventilkörperkammer.
-
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, den beim Durchströmen des Ventils auftretenden Strömungsgeräuschen und Pfeifgeräuschen mittels einer speziellen Geometrie im Dichtungsbereich des Ventils zu begegnen. Allerdings kann mit den bekannten Geometrien die Geräuschemission, insbesondere am Ventilsitz beziehungsweise der Drosselstelle, lediglich beim Durchströmen des Ventils in einer ersten Strömungsrichtung vermindert werden, während die Geräusche beim Durchströmen des Ventils in der von der ersten Strömungsrichtung abweichenden zweiten Strömungsrichtung weiterhin emittiert werden. Zudem stellt die enorme Anzahl möglicher Betriebspunkte mit unterschiedlichen Parametern und Öffnungspositionen des Ventils einen sehr großen Aufwand dar, um die beim Betrieb im gesamten Betriebskennfeld emittierten Geräusche zu vermeiden.
-
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung und Verbesserung einer Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Expandieren eines Fluids in einem Fluidkreislauf, insbesondere in einem Kältemittelkreislauf, speziell eines Klimatisierungssystems eines Kraftfahrzeugs, welches die oben genannten Anforderungen erfüllt. Dabei soll mit der Vorrichtung insbesondere die Emission von Geräuschen unabhängig von der Durchströmrichtung der Vorrichtung minimiert werden. Zudem sollen die Herstellung einfach und damit die Herstellungskosten der Vorrichtung minimal sein.
-
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände mit den Merkmalen der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
-
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Expandieren eines Fluids in einem Fluidkreislauf, insbesondere eines Kältemittels in einem Kältemittelkreislauf, gelöst. Die Vorrichtung weist ein Gehäuse und ein im Inneren des Gehäuses angeordnetes Ventilelement sowie mindestens ein Dichtelement auf. Das Ventilelement und das Dichtelement sind koaxial zu einer Längsachse ausgerichtet.
Das in Richtung der Längsachse relativ zum Gehäuse beweglich angeordnete Ventilelement liegt in einem geschlossenen Zustand der Vorrichtung an dem Dichtelement an. In einem geöffneten Zustand der Vorrichtung ist mindestens ein zwischen dem Ventilelement und dem Dichtelement vollumfänglich umlaufender Spalt ausgebildet.
-
Nach der Konzeption der Erfindung bildet das mindestens eine Dichtelement in Verbindung mit dem Ventilelement einen Dichtsitz aus. Dabei weist das Dichtelement oder das Ventilelement im Bereich des Dichtsitzes mindestens zwei Dichtflächen auf, welche in Richtung der Längsachse beabstandet zueinander angeordnet sind. Zwischen benachbart zueinander angeordneten Dichtflächen ist jeweils eine Nut ausgebildet.
-
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist das Ventilelement als eine Ventilnadel um die Längsachse rotationssymmetrisch, insbesondere mit einer im Wesentlichen zylindrischen Form, speziell einer kreiszylindrischen Form ausgebildet.
-
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das mindestens eine Dichtelement die Form eines Kreisrings mit einer kreisförmigen Öffnung zur Aufnahme des Ventilelements auf. Dabei sind die Dichtflächen und die jeweils zwischen benachbart zueinander angeordneten Dichtflächen ausgebildete Nut vorzugsweise an einer inneren Mantelfläche des mindestens einen Dichtelements vollumfänglich umlaufend ausgebildet.
-
Das mindestens eine Dichtelement weist an der inneren Mantelfläche bevorzugt einen kreisringförmigen Vorsprung auf, welcher aus der inneren Mantelfläche hervorragt. Der aus der inneren Mantelfläche hervorragende kreisringförmige Vorsprung ist vorteilhaft mit einer in radialer Richtung nach innen weisenden Stirnfläche mit einem Dichtsitzdurchmesser D1 ausgebildet. Die Stirnfläche ist als eine freie Oberfläche beziehungsweise eine freie Seite zu verstehen. Der Dichtsitzdurchmesser D1 weist einen Wert im Bereich von 1 mm bis 12 mm, speziell im Bereich von 5 mm bis 9 mm, insbesondere von 7 mm, auf.
Die mindestens zwei Dichtflächen und die jeweils zwischen benachbart zueinander angeordneten Dichtflächen ausgebildete Nut sind vorzugsweise an der in radialer Richtung nach innen weisenden Stirnfläche des aus der inneren Mantelfläche des mindestens einen Dichtelements hervorragenden kreisringförmigen Vorsprungs vorgesehen.
-
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die innere Mantelfläche des mindestens einen Dichtelements in einem sich in Richtung der Längsachse an den aus der inneren Mantelfläche hervorragenden Vorsprung einerseits angrenzenden ersten Bereich einen ersten Dichtelementdurchmesser D2 und in einem sich in Richtung der Längsachse an den aus der inneren Mantelfläche hervorragenden Vorsprung andererseits angrenzenden zweiten Bereich einen zweiten Dichtelementdurchmesser D3 auf. Dabei kann der erste Dichtelementdurchmesser D2 in einem Bereich von 1,05 ▪ D1 bis 1,50 ▪ D1 liegen, während der zweite Dichtelementdurchmesser D3 im Bereich von 1,20 ▪ D1 bis 4,00 ▪ D1 liegen kann.
-
Die Stirnfläche des aus der inneren Mantelfläche des mindestens einen Dichtelements hervorragenden Vorsprungs mit der inneren Mantelfläche verbindende Schenkel sind vorzugsweise jeweils in einem Öffnungswinkel α1, α2 zur Längsachse ausgerichtet. Dabei kann ein erster Öffnungswinkel α1 als Winkel eines ersten Schenkels zur Längsachse einen Wert im Bereich von 0 bis 100° aufweisen, während ein zweiter Öffnungswinkel α2 als Winkel eines zweiten Schenkels zur Längsachse einen Wert im Bereich von 30° bis 90° aufweisen kann.
-
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die mindestens zwei Dichtflächen, insbesondere in Richtung der Längsachse parallel und fluchtend zueinander ausgerichtet angeordnet sind.
-
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die mindestens zwei Dichtflächen mit unterschiedlichen Ausdehnungen L-1, L-2 in Richtung der Längsachse und die jeweils zwischen benachbart zueinander angeordneten Dichtflächen ausgebildete Nut mit einer Ausdehnung LN in Richtung der Längsachse sowie einer Tiefe DN in radialer Richtung ausgebildet. Dabei kann eine erste Dichtfläche eine Ausdehnung L-1 in Richtung der Längsachse im Bereich von 0,2 mm bis 3,0 mm aufweisen, während eine zweite Dichtfläche eine Ausdehnung L-2 in Richtung der Längsachse im Bereich von 0,1 mm bis 10,0 mm aufweisen kann.
Die jeweils zwischen benachbart zueinander angeordneten Dichtflächen vorgesehene Nut kann mit einer Ausdehnung LN in Richtung der Längsachse im Bereich von 0,1 mm bis 10,0 mm sowie einer Tiefe DN in radialer Richtung im Bereich von 0,1 mm bis 4,0 mm ausgebildet sein.
-
Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind im geöffneten Zustand der Vorrichtung zwischen dem Ventilelement und dem mindestens einen Dichtelement im Bereich des Dichtsitzes mindestens ein vollumfänglicher erster ringförmiger Spalt mit einer Ausdehnung L-1 einer ersten Dichtfläche in Richtung der Längsachse und ein vollumfänglicher zweiter ringförmiger Spalt mit einer Ausdehnung L-2 einer zweiten Dichtfläche in Richtung der Längsachse ausgebildet. Dabei weisen die im Bereich des Dichtsitzes ausgebildeten mindestens zwei Spalte vorzugsweise unterschiedliche Ausdehnungen L-1, L-2 in Richtung der Längsachse auf.
-
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Ventilelement zum Führen und Haltern innerhalb eines Ventilsitzelements oder innerhalb eines Ventilsitz-Dichtelements angeordnet, welches jeweils eine Linearbewegung des Ventilelements in Richtung der Längsachse zulässt.
-
Nach einer ersten alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist das mindestens eine Dichtelement bevorzugt als eine Ventilsitzdichtung, das Ventilelement zum Gehäuse und zum Ventilsitzelement abdichtend, ausgebildet.
Das Ventilelement ist insbesondere über zwei Dichtelemente zum Gehäuse sowie zum Ventilsitzelement abgedichtet angeordnet. Dabei sind jeweils vorzugsweise ein erstes Dichtelement als die Ventilsitzdichtung, das Ventilelement zum Gehäuse und zum Ventilsitzelement abdichtend ausgebildet, während ein zweites Dichtelement als eine Gleitdichtung, das Ventilelement zum Gehäuse abdichtend ausgebildet ist.
-
Nach einer zweiten alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist das mindestens eine Dichtelement als Ventilsitz-Dichtelement das Ventilelement zum Gehäuse abdichtend ausgebildet. Das Ventilelement ist insbesondere über zwei Dichtelemente zum Gehäuse abgedichtet angeordnet. Dabei sind vorteilhaft ein erstes Dichtelement als das Ventilsitz-Dichtelement und ein zweites Dichtelement als eine Gleitdichtung, das Ventilelement zum Gehäuse abdichtend ausgebildet.
-
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass ein Stellelement und eine Übertragungsanordnung zum Übertragen einer Rotationsbewegung des Stellelements um die Längsachse in eine Linearbewegung des Ventilelements in Richtung der Längsachse relativ zum Gehäuse vorgesehen sind. Dabei ist das Stellelement bevorzugt als eine Antriebswelle ausgebildet. Die Antriebswelle ist vorzugsweise mit einem Elektromotor, insbesondere einem Schrittmotor beziehungsweise einem Stellmotor, verbunden, welcher die Antriebswelle in die Rotationsbewegung um die Längsachse versetzen kann. Die Antriebswelle kann innerhalb des Gehäuses in Richtung der Längsachse und damit in axialer Richtung fixiert sein.
-
Das Gehäuse kann mit Anschlüssen zum Verbinden mit Fluidleitungen ausgebildet sein, welche jeweils über eine Durchgangsöffnung mit dem Inneren des Gehäuses verbunden sind. Dabei können Symmetrieachsen der Durchgangsöffnungen der Anschlüsse des Gehäuses einen gemeinsamen Schnittpunkt aufweisen, in welchem das Ventilelement angeordnet ist.
-
Eine Durchgangsöffnung eines ersten Anschlusses des Gehäuses kann vorzugsweise in einer radialen Richtung zur Längsachse ausgerichtet sein, während eine Durchgangsöffnung eines zweiten Anschlusses des Gehäuses auf einer gegenüberliegenden Seite des Stellelements zum Ventilelement angeordnet sein kann.
-
Zudem können die Symmetrieachse der Durchgangsöffnung des zweiten Anschlusses des Gehäuses und die Längsachse koaxial zueinander ausgerichtet sein.
-
Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht die Verwendung der Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Expandieren eines Fluids in einem Kältemittelkreislauf eines Klimatisierungssystems eines Kraftfahrzeugs. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in Kältemittelkreisläufen mit verschiedenen Kältemitteln, wie R1234yf, R134A, Propan und R744, eingesetzt werden.
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Expandieren eines Fluids in einem Fluidkreislauf kann folglich als ein bidirektional durchströmbares und geräuschlos betreibbares Kältemittel-Expansionsventil ausgebildet sein. Die in Richtung der Längsachse zwischen den Dichtflächen zusätzlich vorgesehene Nut ermöglicht dem Gas eine Vorexpansion beziehungsweise eine Nachexpansion, welche jeweils die Ausbildung von Turbulenzen stört und damit eine harmonische Geräuschentwicklung vermeidet.
-
Die besondere Geometrie des Dichtsitzes beziehungsweise eines Dichtbereichs oder eines Regelbereichs führt zu einer Überlagerung positiver Effekte, beispielsweise beim Anströmen, beim Abströmen, einem lokalen Druckgefälle und Turbulenzen, was die Geräuschentwicklung und die Geräuschemission bei einer jeweiligen Strömung in beide Strömungsrichtungen verringert oder eliminiert.
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Expandieren eines Fluids in einem Fluidkreislauf weist zusammenfassend weitere diverse Vorteile auf:
- - eine formgerechte und maßgerechte Ausbildung des Dichtbereichs, insbesondere des Dichtsitzes, eines Kältemittel-Expansions-Absperr-Ventils, welche jede Art von Geräusch unabhängig von der Durchströmrichtung vermeidet,
- - zuverlässiger Betrieb in großem Temperaturbereich und Druckbereich sowie
- - einfache Herstellung bei minimalen Herstellungskosten.
-
Mit dem Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Kältemittelkreislauf eines Klimatisierungssystems eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines in einem Wärmepumpenmodus betreibbaren Systems, wird ein großer Anteil an Energie als Heizenergie genutzt. Neben dem direkten Einsparen an Energie können speziell bei elektromotorisch angetriebenen Kraftfahrzeugen die Reichweite und derart deren Akzeptanz vergrößert werden.
-
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
- 1a und 1b: eine Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Expandieren eines Fluids in einem Fluidkreislauf, mit einem Gehäuse und innerhalb des Gehäuses angeordneten Ventilelement sowie Stellelement mit einer Übertragungsanordnung in geschlossenem Zustand jeweils in einer seitlichen Schnittdarstellung,
- 1c und 1d: das Ventilelement und das Stellelement mit der Übertragungsanordnung innerhalb des Gehäuses jeweils in einer Detailansicht in einer perspektivischen Schnittdarstellung sowie in einer Draufsicht,
- 1e: Detailansicht der Anordnung des Ventilelements innerhalb des Ventilsitzelements beziehungsweise eines Dichtelements,
- 2a und 2b: die Durchströmrichtungen des Fluids durch die Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Expandieren des Fluids aus den 1a bis 1e jeweils in einer Schnittdarstellung der Vorrichtung,
- 2c und 2d: zu den in den 2a und 2b dargestellten Vorrichtungen alternative Ausführungsformen eines jeweils zwischen dem Ventilelement und einem Dichtelement ausgebildeten Dichtbereichs aus dem Stand der Technik,
- 3a bis 3c: jeweils eine schematische Ansicht eines zwischen dem Ventilelement und dem Dichtelement ausgebildeten Dichtsitzes der Vorrichtungen aus den 2a bis 2d aus dem Stand der Technik,
- 4a und 4b: Detailansichten eines jeweils zwischen dem Ventilelement und einem als Ventilsitz-Dichtelement ausgebildeten Dichtelement ausgebildeten Dichtbereichs,
- 5: verschiedene Formen und Ausrichtungen sowie deren Kombinationen einer im Dichtsitz ausgebildeten Nut sowie
- 6: eine Detailansicht einer weiteren Ausführungsform eines zwischen dem Ventilelement und dem Dichtelement ausgebildeten Dichtbereichs mit einer im Vergleich zur Ausführungsform nach 4b abweichenden Anzahl an Nuten innerhalb des Dichtsitzes.
-
In den 1a und 1b ist jeweils eine Vorrichtung 1 zum Regeln eines Durchflusses und Expandieren eines Fluids in einem Fluidkreislauf, insbesondere ein Ventil 1, speziell in einem Kältemittelkreislauf eines Klimatisierungssystems eines Kraftfahrzeugs, mit einem Gehäuse 2 und einem innerhalb des Gehäuses 2 angeordneten Ventilelement 6 sowie einem Stellelement 4 mit einer Übertragungsanordnung 5 in einem geschlossenen Zustand der Vorrichtung 1 jeweils in einer seitlichen Schnittdarstellung gezeigt. Die Vorrichtung 1, insbesondere das Ventilelement 6, wird über einen Elektromotor 3 angetrieben. Mit dem Elektromotor 3 wird eine als Stellelement 4 ausgebildete Antriebswelle in eine Rotationsbewegung 4a versetzt.
-
Mit Hilfe der an der in einer axialen Richtung ausgerichteten Antriebswelle 4 vorgesehenen Übertragungsanordnung 5, insbesondere eines Gewindes, speziell eines sogenannten Bewegungsgewindes, wird die Rotationsbewegung 4a der Antriebswelle 4 um deren Längsachse in eine translatorische Hubbewegung eines vorzugsweise als eine Ventilnadel ausgebildeten Ventilelements 6 übertragen. Die translatorische Hubbewegung entspricht damit einer Linearbewegung 6a des Ventilelements 6 in axialer Richtung und damit in Richtung der Längsachse der Antriebswelle 4.
Die Gewindepaarung der Übertragungsanordnung 5 ist zwischen der Antriebswelle 4 und dem Ventilelement 6 vorgesehen. Dabei ist die Antriebswelle 4, welche im Wesentlichen die Form eines Zylinderstabes, insbesondere eines Rundstabes mit Abschnitten unterschiedlicher Durchmesser, aufweist, mit einem freien Ende in eine im Ventilelement 6 ausgebildete Öffnung 6b eingesteckt. Das freie Ende der Antriebswelle 4 ist distal zu einem mit dem Elektromotor 3 verbundenen Ende angeordnet. Die Antriebswelle 4 weist somit am freien Ende ein Außengewinde als erstes Element der Gewindepaarung auf, während innerhalb der Öffnung 6b des Ventilelements 6 ein Innengewinde als zweites Element der Gewindepaarung ausgebildet ist.
-
Das Ventilelement 6 ist in einem Ventilsitzelement 7 angeordnet. Das linear in der axialen Richtung bewegte und sich im Wesentlichen in der axialen Richtung erstreckende Ventilelement 6 wird dabei über eine Gleitdrehsicherungsanordnung 8 gehalten, welche eine Rotationsbewegung des Ventilelements 6 um die axiale Richtung beziehungsweise die Längsachse des Ventilelements 6 verhindert und die Linearbewegung 6a in der axialen Richtung zulässt.
-
Das Ventilelement 6 weist im innerhalb des Gehäuses 2 entlanggleitenden Bereich Ausformungen 6c auf. Die Ausformungen 6c sind an einem zum Elektromotor 3 ausgerichteten Ende des Ventilelements 6 ausgebildet und ragen paarweise gegenüberliegend vom Ventilelement 6 ab, was insbesondere aus den 1c und 1d hervorgeht. Damit weist das Ventilelement 6 in einem Querschnitt durch die Längsachse eine T-Form auf. In den 1c und 1d sind das Ventilelement 6 und das Stellelement 4 mit der Übertragungsanordnung 5 innerhalb des Gehäuses 2 jeweils in einer Detailansicht in einer perspektivischen Schnittdarstellung sowie in einer Draufsicht gezeigt.
-
Das Gehäuse 2 ist im Bereich der Ausformungen 6c des Ventilelements 6 mit sich bezüglich der Längsachse des Ventilelements 6 gegenüberliegend angeordneten kerbenförmigen beziehungsweise nutartigen Ausnehmungen 2a ausgebildet, welche in der Form jeweils mit einer Ausformung 6c des Ventilelements 6 korrespondieren. Die Formen der Ausnehmungen 2a des Gehäuses 2 entsprechen dabei jeweils der Außenform der Ausformungen 6c des Ventilelements 6 zuzüglich eines Spiels zum gleitenden Bewegen des Ventilelements 6 innerhalb des Gehäuses 2 in axialer Richtung.
Mit dem Anordnen der Ausformungen 6c des im Querschnitt T-förmigen Ventilelements 6 innerhalb der kerbenförmigen beziehungsweise nutartigen Ausnehmungen 2a des Gehäuses 2 wird eine Rotationsbewegung des Ventilelements 6, angetrieben durch das um die Längsachse rotierende Stellelement 4, verhindert. Damit wird das Ventilelement 6 durch die Rotationsbewegung 4a des Stellelements 4 ohne eigene Rotation um die Längsachse in der Linearbewegung 6a bewegt.
-
Die Vorrichtung 1 ist zudem mit einem ersten Anschluss 9 und einem zweiten Anschluss 10 ausgebildet. Eine Durchgangsöffnung 9a des ersten Anschlusses ist in radialer Richtung zum Ventilelement 6 ausgerichtet, während eine Durchgangsöffnung 10a des zweiten Anschlusses 10 in axialer Richtung des Ventilelements 6 ausgerichtet ist. Die Durchgangsöffnung 9a des ersten Anschlusses 9 ist mit Kältemittel mit einem ersten Druck p1 beaufschlagt, sodass der Druck p1 im Wesentlichen in radialer Richtung auf das Ventilelement 6 einwirkt. Die Durchgangsöffnung 10a des zweiten Anschlusses 10 ist mit Kältemittel mit einem zweiten Druck p2 beaufschlagt, sodass der Druck p2 im Wesentlichen in axialer Richtung auf das Ventilelement 6 einwirkt. Sämtliche druckbeaufschlagte Flächen des Ventilelements 6 sind derart ausgelegt, dass das Ventilelement 6 in einem nahezu isostatischen Zustand angeordnet ist. Die auf das Ventilelement 6 wirkenden Druckkräfte befinden sich im Gleichgewicht. Ein im Bereich des Gewindes als ein abgeflachter Bereich ausgebildeter Abschnitt 5a des ansonsten kreisrunden Querschnitts gewährleistet als Durchströmöffnung in Kombination mit der als Durchgangsbohrung ausgebildeten Öffnung 6b des Ventilelements 6 den Druckausgleich in axialer Richtung bezüglich des zweiten Drucks p2 innerhalb des Ventils 1.
-
Das Ventilelement 6 ist zudem über zwei Dichtelemente 11, 12, insbesondere ein erstes, statisches Dichtelement 11 zum Gehäuse 2 sowie zum Ventilsitzelement 7 abdichtend sowie ein zweites, dynamisches Dichtelement 12 zum Gehäuse 2 abdichtend angeordnet. Das erste Dichtelement 11 ist als eine Sitzdichtung, insbesondere als eine Ventilsitzdichtung, ausgebildet, während das zweite Dichtelement 12 als eine Gleitdichtung, insbesondere eine Stangendichtung, in Form einer Axialdichtung beziehungsweise einer Ringdichtung, ausgebildet ist. Das erste Dichtelement 11 ist folglich zwischen dem Gehäuse 2, dem Ventilelement 6 sowie dem Ventilsitzelement 7 angeordnet.
-
Aus 1e geht jeweils eine Detailansicht der Anordnung des Ventilelements 6 innerhalb des Ventilsitzelements 7 beziehungsweise innerhalb des ersten Dichtelements 11 hervor.
Im geschlossenen Zustand der Vorrichtung 1 liegt das Ventilelement 6 in einem Dichtbereich 13 am ersten Dichtelement 11 an, während das Ventilelement 6 im geöffneten Zustand der Vorrichtung 1 in der axialen Richtung bezüglich des ersten Dichtelements 11 derart verschoben ist, dass zwischen dem Ventilelement 6 und dem ersten Dichtelement 11 ein vollumfänglicher Spalt ausgebildet ist.
-
Der Dichtbereich 13 weist eine am ersten Dichtelement 11 umfänglich umlaufende Abdichtfläche sowie eine am Ventilelement 6 umfänglich umlaufende Abdichtfläche auf, welche in gleichgesinnter Weise konisch zur Längsachse ausgebildet sind und miteinander korrelieren. Im geschlossenen Zustand der Vorrichtung 1 liegen die Abdichtfläche des ersten Dichtelements 11, welches zudem mit dem Gehäuse 2 sowie dem Ventilsitzelement 7 abdichtend verbunden ist, und die Abdichtfläche des Ventilelements 6 fluiddicht aneinander an.
-
Die konisch ausgebildete Abdichtfläche des Ventilelements 6 ist bei einer Ausdehnung des Dichtbereichs 13 in Richtung der Längsachse des Ventilelements 6 von etwa 0,05 mm in einem Winkel δ im Bereich von 3° bis 10°, insbesondere im Bereich von 3° bis 6°, zur Längsachse ausgerichtet. Infolge der konischen Ausbildung der Abdichtflächen kann das Ventilelement 6 beim Vorgang des Schließens der Vorrichtung 1 zentriert in das erste Dichtelement 11 eingeführt werden.
-
Im geöffneten Zustand der Vorrichtung 1 sind die Abdichtflächen des Ventilelements 6 und des Dichtelements 11 zueinander beabstandet angeordnet. Das Ventilelement 6 weist neben dem Dichtbereich 13 einen Regelbereich 14 auf, welche in axialer Richtung aneinander angrenzend angeordnet sind. Eine Regelfläche des Regelbereichs 14 ist ebenso wie die Abdichtfläche des Dichtbereichs 13 konisch ausgebildet und bei einer Ausdehnung des Regelbereichs 14 in Richtung der Längsachse des Ventilelements 6 von etwa 6 mm in einem Winkel γ im Bereich von 0,5° bis 2°, insbesondere im Bereich von 1° bis 2°, zur Längsachse ausgerichtet. Die konischen Ausbildungen der Abdichtfläche des Dichtbereichs 13 und der Regelfläche des Regelbereichs 14 sind gleichgesinnt ausgerichtet. Aufgrund der konischen Ausbildung der Regelfläche des Regelbereichs 14 in Richtung der Längsachse des Ventilelements 6 wird der Strömungsquerschnitt für das durch die Vorrichtung 1 hindurchzuleitende Fluid mit der Linearbewegung 6a des Ventilelements 6 in axialer Richtung kontinuierlich verändert bis das Ventilelement 6 vollständig aus dem ersten Dichtelement 11 entfernt ist oder die Vorrichtung 1 geschlossen ist und das Ventilelement 6 am ersten Dichtelement 11 fluiddicht anliegt. Mittels der Linearbewegung 6a des Ventilelements 6 in Bezug auf das erste Dichtelement 11 wird in Kombination mit der Regelfläche des Regelbereichs 14 der Massenstrom des Fluids durch die Vorrichtung 1 geregelt.
-
In den 2a und 2b ist jeweils die Durchströmrichtung des Fluids durch die Vorrichtung 1 zum Regeln eines Durchflusses und Expandieren des Fluids anhand der Strömungsrichtung 15-1, 15-2 aus den 1a bis 1e in einer Schnittdarstellung der Vorrichtung 1 gezeigt, während in den 2c und 2d zu den in den 2a und 2b dargestellten Vorrichtungen alternative Ausführungsformen eines jeweils zwischen dem Ventilelement 6 und einem Dichtelement 11a` ausgebildeten Dichtbereich aus dem Stand der Technik gezeigt sind. Das Dichtelement 11a` vereint im Vergleich zu den Ausführungsformen gemäß der 2a und 2b die Funktionen des ersten Dichtelements 11, 11` und des Ventilsitzelements 7. Das Ventilsitzelement 7 und das erste Dichtelement 11, 11' sind dabei als Dichtelement 11a`, insbesondere als sogenanntes Ventilsitz-Dichtelement, als eine einstückige Komponente ausgebildet.
-
Die Dichtbereiche von aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen weisen je nach Strömungsrichtung 15-1, 15-2 des Fluids durch die Vorrichtung unterschiedlich ausgebildete Dichtflächen, insbesondere am Dichtelement 11`, 11a', auf.
Gemäß der 2a und 2c strömt das Fluid in einer ersten Strömungsrichtung 15-1 durch die Durchgangsöffnung 9a des ersten Anschlusses 9, welcher als Einlass dient, in die Vorrichtung hinein, durch das Ventilsitzelement 7 sowie das erste Dichtelement 11' beziehungsweise durch das als Ventilsitz-Dichtelement ausgebildete Dichtelement 11a` hindurch und durch die Durchgangsöffnung 10a des zweiten Anschlusses 10, welcher als Auslass dient, aus der Vorrichtung heraus. Im Vergleich dazu strömt das Fluid gemäß der 2b und 2d in einer zur ersten Strömungsrichtung 15-1 entgegengesetzten Strömungsrichtung 15-2 durch die Durchgangsöffnung 10a des zweiten Anschlusses 10, welcher als Einlass dient, in die Vorrichtung hinein, durch das erste Dichtelement 11' sowie das Ventilsitzelement 7 beziehungsweise durch das als Ventilsitz-Dichtelement ausgebildete Dichtelement 11a' hindurch und durch die Durchgangsöffnung 9a des ersten Anschlusses 9, welcher als Auslass dient, aus der Vorrichtung heraus.
-
Das Fluid strömt jeweils zwischen einer am Dichtelement 11', 11a' ausgebildeten Dichtfläche und einer Mantelfläche des Ventilelements 6 hindurch. In den in den 2a bis 2d angegebenen Strömungsrichtungen 15-1, 15-2 strömt das Fluid im Wesentlichen geräuschlos durch die Vorrichtung, während bei einer Strömung des Fluids in einer jeweiligen zur Strömungsrichtung 15-1, 15-2 entgegengesetzten Strömungsrichtung Geräusche, insbesondere Strömungsgeräusche, speziell Pfeifgeräusche, erzeugt und emittiert werden.
Dabei ist jeweils die Länge eines zwischen der Dichtfläche des Dichtelements 11', 11a' und der Mantelfläche des Ventilelements 6 ausgebildeten Spaltes als Ausdehnung des freien Spaltes in Richtung der Längsachse als Einflussgröße für das Erzeugen und das Emittieren der Geräusche entscheidend.
-
Aus den 3a bis 3c geht jeweils eine schematische Ansicht eines zwischen dem Ventilelement 6 und dem Dichtelement 11', 11a' ausgebildeten Dichtsitzes 16' der Vorrichtungen aus den 2a bis 2d hervor.
Der Dichtsitz 16' weist eine in Richtung der Längsachse ausgerichtete Dichtsitzfläche 17' auf, welche der Dichtfläche des ersten Dichtelements 11' beziehungsweise des als Ventilsitz-Dichtelement ausgebildeten Dichtelements 11a' entspricht. Die Dichtsitzfläche 17' ist vollumfänglich um das rotationssymmetrische Ventilelement 6 derart angeordnet, dass ein Spalt, insbesondere ein Ringspalt, mit umfänglich konstanter Ausdehnung in radialer Richtung und folglich mit konstantem Strömungsquerschnitt ausgebildet ist.
-
Die den Ringspalt auf einer äußeren Seite begrenzende Dichtsitzfläche 17' weist eine Ausdehnung L', La', Lb' in Richtung der Längsachse sowie einen Dichtsitzdurchmesser D1' auf. Die Dichtsitzfläche 17' ist als ein kreisringförmiger Vorsprung einer inneren Mantelfläche des Dichtelements 11', 11a' ausgebildet. Dabei weist die innere Mantelfläche des Dichtelements 11', 11a' in einem sich in Richtung der Längsachse an den Vorsprung einerseits angrenzenden ersten Bereich einen ersten Dichtelementdurchmesser D2' und in einem sich in Richtung der Längsachse an den Vorsprung andererseits angrenzenden zweiten Bereich einen zweiten Dichtelementdurchmesser D3' auf.
-
Der Vorsprung ist in einem Querschnitt einer in Richtung der Längsachse verlaufenden Ebene im Wesentlichen trapezförmig ausgebildet. Dabei ist die Dichtsitzfläche 17' an einer der beiden parallelen Seitenflächen, als eine freie Seitenfläche beziehungsweise Stirnfläche oder Oberfläche angeordnet. Mit der zur Dichtsitzfläche 17' zweiten der parallel zueinander ausgerichteten Seitenflächen, auch als Basis des Trapezes bezeichnet, ist der Vorsprung mit der inneren Mantelfläche des Dichtelements 11', 11a' verbunden.
-
Die die parallelen Seitenflächen verbindenden Schenkel des trapezförmigen Querschnitts des Vorsprungs sind jeweils in einem Öffnungswinkel α1', α2' zur Längsachse an die Dichtsitzfläche 17' angrenzend angeordnet.
-
In 3b ist eine Ausbildung der Dichtsitzfläche 17' des Dichtsitzes 16' mit einer Ausdehnung La' in Richtung der Längsachse aus 2c gezeigt. Beim Durchströmen der Vorrichtung, insbesondere des zwischen der Dichtsitzfläche 17' und dem Ventilelement 6 ausgebildeten Ringspaltes, in Strömungsrichtung 15-1 nach 2a oder 2c strömt das Fluid im Wesentlichen geräuschlos. Ebenso geht aus 3c eine Ausbildung der Dichtsitzfläche 17' des Dichtsitzes 16' mit einer Ausdehnung Lb' in Richtung der Längsachse aus 2b oder 2d hervor. Das Fluid strömt in Strömungsrichtung 15-2 nach 2b oder 2d im Wesentlichen geräuschlos durch die Vorrichtung, insbesondere den zwischen der Dichtsitzfläche 17' und dem Ventilelement 6 ausgebildeten Ringspalt, hindurch.
Die Ausdehnung La', Lb' der Dichtsitzfläche 17' in Richtung der Längsachse ist als Einflussgröße für das Erzeugen und das Emittieren der Geräusche ausschlaggebend. Der Wert der optimalen Ausdehnung La', Lb' zum möglichst geräuschlosen Durchströmen der Vorrichtung ist von der Strömungsrichtung des Fluids 15-1, 15-2 abhängig. Dabei ist die Ausdehnung La' geringer als die Ausdehnung Lb`. Die Emission der Geräusche wird bei den Ausdehnungen La', Lb' jedoch lediglich beim Durchströmen der Vorrichtung in einer ersten Strömungsrichtung 15-1, 15-2 unterdrückt, während es beim Durchströmen in der jeweils entgegengesetzten Strömungsrichtung 15-1, 15-2 zur Emission von Geräuschen kommt.
Es ist keine Ausbildung der Dichtsitzfläche 17' mit einer Ausdehnung La', Lb' möglich, welche die Geräuschentwicklung beim Durchströmen der Vorrichtung in beiden Strömungsrichtungen 15-1, 15-2 unterdrückt.
-
In den 4a und 4b sind jeweils Detailansichten eines zwischen dem Ventilelement 6 und dem als Ventilsitz-Dichtelement ausgebildeten Dichtelement 11a ausgebildeten Dichtbereichs 13 gezeigt.
-
Der Dichtsitz 16 weist zwei in radialer Richtung nach innen weisende Dichtflächen 17-1, 17-2 auf, welche parallel und fluchtend zueinander ausgerichtet sind. Die Dichtflächen 17-1, 17-2 sind durch eine im kreisringförmigen Vorsprung der inneren Mantelfläche des Dichtelements 11a ausgebildete Nut 18 voneinander beabstandet. Die Dichtflächen 17-1, 17-2 und die Nut 18 sind in Umfangsrichtung jeweils vollständig umlaufend und damit umfänglich geschlossen ausgebildet.
-
Der Dichtsitz 16 stellt folglich eine Kombination zweier Dichtflächen 17-1, 17-2 mit unterschiedlichen Ausdehnungen L-1, L-2 in Richtung der Längsachse dar, welche über die Nut 18 mit einer Ausdehnung LN in Richtung der Längsachse sowie einer bestimmten Tiefe DN in radialer Richtung ausgebildet ist. Mit der derartigen Geometrie des Dichtsitzes 16 werden die Entwicklung und die Emission der Geräusche infolge des Durchströmens der Vorrichtung in beiden, entgegengesetzt zueinander ausgerichteten Strömungsrichtungen eliminiert.
-
Mit der innerhalb des Dichtsitzes 16 in Richtung der Längsachse zwischen den Dichtflächen 17-1, 17-2 vorgesehenen Nut 18 wird zwischen dem Ventilelement 6 und dem Dichtelement 11a sowohl ein vollumfänglicher erster ringförmiger Spalt mit einer Ausdehnung L-1 in Richtung der Längsachse als auch ein vollumfänglicher zweiter ringförmiger Spalt mit einer Ausdehnung L-2 in Richtung der Längsachse ausgebildet. Die Spalte weisen in Richtung der Längsachse entsprechend den Ausdehnungen L-1, L-2 der Dichtflächen 17-1, 17-2 unterschiedliche Längen auf. Dabei ist der erste Spalt mit der Ausdehnung L-1 länger ausgebildet als der zweite Spalt mit der Ausdehnung L-2.
Die sich infolge der unterschiedlichen Ausdehnungen L-1, L-2 der Dichtflächen 17-1, 17-2 und damit der Spalte in Richtung der Längsachse ergebenden lokalen Strömungseigenschaften, insbesondere einer lokalen Vorexpansion und einer lokalen Nachexpansion des gasförmigen Fluids und der damit erzeugten Turbulenzen, verursachen eine Störung periodisch auftretender Gasschwingungen und folglich eine sich ändernde Anströmung des Dichtsitzes 16, was das Vermeiden des Erzeugens und Emittierens der Geräusche infolge des Durchströmens der Vorrichtung 1 bewirkt.
-
Die Geometrie des Dichtsitzes 16 kann bezogen auf den Dichtsitzdurchmesser D1 folgende Parameter aufweisen:
| - erster Dichtelementdurchmesser D2: | (1,05 ... 1,50) · D1, |
| - zweiter Dichtelementdurchmesser D3: | (1,20 ... 4,00) · D1, |
| - Ausdehnung L-1 der ersten Dichtfläche 17-1: | (0,2 ... 3,0) mm, |
| - Ausdehnung L-2 der zweiten Dichtfläche 17-2: | (0,1 ... 10,0) mm, |
| - Ausdehnung LN der Nut 18: | (0,1 ... 10,0) mm, |
| - Tiefe DN der Nut 18: | (0,1 ... 4,0) mm, |
| - erster Öffnungswinkel α1: | 0 ... 100° sowie |
| - zweiter Öffnungswinkel α2: | 30° ... 90°. |
-
Dabei liegt der Dichtsitzdurchmesser D1 im Bereich von 1 mm bis 12 mm, speziell im Bereich von 5 mm bis 9 mm, insbesondere bei 7 mm.
-
Wie aus den 5 und 6 hervorgeht, welche verschiedene Formen und Ausrichtungen sowie deren Kombinationen einer im Dichtsitz 16 ausgebildeten Nut 18, 18-1, 18-2 sowie eine weitere Detailansicht einer Ausführungsform eines zwischen dem Ventilelement 6 und dem Dichtelement 11, 11a ausgebildeten Dichtbereichs 13 mit einer im Vergleich zur Ausführungsform nach 4b abweichenden Anzahl an Nuten 18-1, 18-2 und Dichtflächen 17-1, 17-2, 17-3 des Dichtsitzes 16 zeigen, sind verschiedene Ausführungsformen des Dichtsitzes 16 mit der Anzahl der Nuten 18, 18-1, 18-2, der jeweiligen Form und Ausrichtung der Nut 18 beziehungsweise der Formen und Ausrichtungen der Nuten 18-1, 18-2 denkbar. Die Nuten 18, 18-1, 18-2 können dabei jegliche Formen und Ausrichtungen sowie deren Kombinationen aufweisen. Dabei beschränken die in den 5 und 6 gezeigten Ausführungsformen die mögliche gesamte Variationsbreite der Ausführungsformen nicht.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Vorrichtung, Ventil
- 2
- Gehäuse
- 2a
- Ausnehmung Gehäuse 2
- 3
- Elektromotor
- 4
- Stellelement, Antriebswelle
- 4a
- Rotationsbewegung Stellelement 4
- 5
- Übertragungsanordnung
- 5a
- Abschnitt
- 6
- Ventilelement
- 6a
- Linearbewegung Ventilelement 6
- 6b
- Öffnung Ventilelement 6
- 6c
- Ausformung Ventilelement 6
- 7
- Ventilsitzelement
- 8
- Gleitdrehsicherungsanordnung
- 9
- erster Anschluss
- 9a
- Durchgangsöffnung erster Anschluss 9
- 10
- zweiter Anschluss
- 10a
- Durchgangsöffnung zweiter Anschluss 10
- 11, 11a, 11', 11a'
- (erstes) Dichtelement
- 12
- zweites Dichtelement
- 13
- Dichtbereich
- 14
- Regelbereich
- 15-1, 15-2
- Strömungsrichtung
- 16, 16'
- Dichtsitz
- 17'
- Dichtsitzfläche
- 17-1
- erste Dichtfläche
- 17-2
- zweite Dichtfläche
- 17-3
- dritte Dichtfläche
- 18
- Nut
- 18-1
- erste Nut
- 18-2
- zweite Nut
- D1, D1'
- Dichtsitzdurchmesser
- D2, D2'
- erster Dichtelementdurchmesser
- D3, D3'
- zweiter Dichtelementdurchmesser
- L', La', Lb'
- Ausdehnung Dichtsitzfläche
- L-1
- Ausdehnung erste Dichtfläche 17-1
- L-2
- Ausdehnung zweite Dichtfläche 17-2
- LN
- Ausdehnung Nut 18
- DN
- Tiefe der Nut 18
- p1, p2
- Druck
- α1, α1'
- erster Öffnungswinkel
- α2, α2'
- zweiter Öffnungswinkel
- δ
- Winkel Fläche Dichtbereich 13
- γ
- Winkel Fläche Regelbereich 14
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102016013492 A1 [0005]