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Die Erfindung betrifft ein Expansionsventil, insbesondere für einen mit CO2 betriebenen Kältemittelkreislauf, welches zwischen zwei Elementen des Kältemittelkreislaufes einsetzbar ist und zumindest ein Dichtelement zur Abdichtung der Verbindungsstelle der beiden Elemente im Kältemittelkreislauf nach außen aufweist.
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Aus der
DE 102 58 453 A1 ist ein Kreislauf zur Erzeugung von Kälte oder Wärme mit einem Verdichter, einem Verdampfer, einem Kondensator und einem als separates Bauteil ausgebildeten Drosselorgan mit festem Durchflussquerschnitt bekannt geworden, welches direkt zwischen zwei Elementen einer Verbindungsstelle des Kreislaufes, wie beispielsweise ein Anschlussrohr und ein Anschlussstutzen, eingesetzt wird. Dieses Drosselorgan weist zur Abdichtung der Verbindungsstelle des Kreislaufes nach außen Dichtelemente auf. Dadurch wird ein separates Gehäuse eingespart. Zudem kann Bauraum eingespart werden, da das Gehäuse wegfällt.
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Dieses Drosselorgan ist mit einem festen Durchflussquerschnitt ausgebildet und somit auf spezifische Anwendungsfälle beschränkt. Beim Betrieb, insbesondere von CO2-Kältemittelkreisläufen erfolgt im Gegensatz zum R134a-Kältemittelkreislauf der Betrieb im überkritischen Bereich. Zum sicheren Einsatz von Kältemittelkreisläufen, insbesondere CO2-Kreisläufen, und zur Erzielung eines maximalen Wirkungsgrades ist erforderlich, dass die Expansionsventile auf unterschiedliche Betriebszustände angepasst oder ausgelegt sind. Dies ist durch Expansionsventile mit einem festen Durchfluss nicht ermöglicht.
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US 5,901,750 A befasst sich mit einer Ventilbaugruppe in einem Kältemittelkreislauf. Die Ventilbaugruppe umfasst ein Expansionsventil und eine Muffe zur Verbindung zweier Rohrenden des Kältemittelkreislaufs. Die Muffe weist ein Gewinde auf und wirkt mit konisch aufgebogenen Endabschnitten der Rohrenden und entsprechend mit einem Innenkonus geformten Schraubmuttern derart zusammen, dass durch die Befestigung der Muffe zwischen den beiden Rohrenden eine Abdichtung erfolgt. Die bekannte Ventilbaugruppe ist daher nur im Bereich von speziell ausgebildeten Rohrenden einsetzbar. Durch die zweigeteilte Gestaltung der bekannten Ventilbaugruppe ist außerdem die Montage des Expansionsventils erschwert.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Expansionsventil zu schaffen, welches in der Herstellung und Montage kostengünstig ist sowie eine hohe Effizienz zur Erzielung von maximalen Leistungsdaten im gesamten Anwendungsbereich eines Kältemittelkreislaufes ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.
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Durch die Ausgestaltung eines Gehäuses für ein Expansionsventil, welches einen ersten Gehäuseabschnitt mit zumindest einem Dichtelement und zumindest einen weiteren Gehäuseabschnitt umfasst, welcher ein Ventilschließglied aufnimmt, dass einen Ventilsitz mit einer Durchgangsöffnung schließt, ist ermöglicht, dass ein separates Gehäuse für ein Expansionsventil zur Anordnung direkt zwischen zwei Elementen des Kreislaufs eingespart ist. Zusätzlich kann ein Expansionsventil mit geringem Bauraum geschaffen werden, welches in Abhängigkeit der tatsächlichen im Kältemittelkreislauf vorherrschenden Druckverhältnisse öffnet und schließt. Durch eine Druckdifferenz zwischen einer Hochdruckseite und einer Niederdruckseite wird die Öffnungs- und Schließbewegung des Ventilschließgliedes angesteuert. Somit ist ein Expansionsventil geschaffen, welches bei verringertem Bauraum eine hohe Effizienz zur Erzielung von maximalen Leistungsdaten im Kältemittelkreislauf ermöglicht.
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Die Öffnungsrichtung des Ventilschließgliedes ist bevorzugt in Strömungsrichtung des Kältemittels vorgesehen. Dadurch kann ein hochdruckseitig anliegender Druck zur Ansteuerung des Ventilschließgliedes verwendet werden. Eine Veränderung der Druckdifferenz wirkt sich unmittelbar auf die Veränderung des Öffnungsquerschnitts des Expansionsventils aus, so dass eine unmittelbare Steuerung des Massenstroms gegeben ist.
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Eine kompakte Bauweise wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform durch ein Ventilschließglied geschaffen, welches ausgangsdruckseitig einen Schließkörper aufweist, der den Ventilsitz schließt, wobei sich das Ventilschließglied durch die Durchgangsöffnung im Ventilsitz hindurch eingangsdruckseitig erstreckt.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein weiterer Gehäuseabschnitt zum ersten und dem zweiten oder zumindest einem weiteren Gehäuseabschnitt ausgebildet ist, der einen an den Schließkörper sich anschließenden Führungsabschnitt des Ventilschließgliedes führt. Dadurch kann eine reibungsarme Anordnung des Ventilschließgliedes zum Ventilsitz vorgesehen sein. Zusätzlich ist eine verkantungsfreie Öffnungs- und Schließbewegung des Ventilschließgliedes gegeben, in dem der Führungsabschnitt des Ventilschließgliedes entlang der Hubbewegung zumindest abschnittsweise durch den weiteren Gehäuseabschnitt geführt ist.
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Das Ventilschließglied öffnet nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung entgegen einer Kraft einer Rückstelleinrichtung. Die Rückstelleinrichtung kann als Federelement oder kraftspeicherndes Element ausgebildet sein. Bevorzugt ist die Rückstelleinrichtung eingangsdruckseitig vorgesehen und zum Ventilschließglied angeordnet. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Rückstelleinrichtung ausgangsdruckseitig angeordnet ist und den Schließkörper des Ventilschließgliedes in den Ventilsitz drückt. Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass eine einfache Einstellung einer den Öffnungszeitpunkt des Ventilschließgliedes bestimmende Vorspannkraft einstellbar ist, da das Ventil schließgleich während der Einstellung in einer Schließposition gehalten ist.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der erste und zumindest eine weitere Gehäuseabschnitt durch eine Schnittstelle miteinander verbunden sind. Diese zweiteilige Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass eine Materialauswahl und - anpassung sowohl für den ersten Gehäuseabschnitt zur Ausbildung des oder der Dichtelemente und des zweiten Gehäuseabschnittes zur Ausgestaltung des Ventilsitzes ermöglicht ist. Dadurch können auch bei gleicher Ausgestaltung des nach der Druckdifferenz arbeitenden Expansionsventils verschiedentliche Dichtelemente vorgesehen sein, die an die Verbindungstechnik für die beiden Elemente der Verbindungsstelle angepasst sind. Ebenso können verschiedene Ventile zu standardisierten Dichtelementen wahlweise zugeordnet werden.
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Bei dem zweiteiligen Gehäuse ist außerdem vorgesehen, das der erste Gehäuseabschnitt aus einem Dichtmaterial und der weitere Gehäuseabschnitt aus einem verschleißfesten oder reibungsmindernden Material ausgebildet ist. Somit können beispielsweise weichere Materialien wie Aluminium oder Kupfer eingesetzt werden, sofern die Verbindungsteile aus härterem Material ausgebildet sind. Alternativ kann auch eine Vertauschung vorgesehen sein, indem die Dichtelemente aus härterem Material, wie Beispiel Stahl, ausgebildet sind und die Verbindungsstellen oder Verbindungsflansche aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung oder aus Kupfer oder ähnlichen Materialien.
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An dem ersten Gehäuseabschnitt ist nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ein radial nach außen sich erstreckender, das Dichtelement umgebender Dichtkörper vorgesehen. Dadurch ist ermöglicht, eine Verbindungsstelle oder Rohrkupplung in der Trennstelle abzudichten und gleichzeitig die Trennstelle zum Dichtelement beziehungsweise ersten Gehäuseabschnitt dicht zu umschließen. Insbesondere bei einem Einsatz von CO2-Kältemittel können dadurch die hohen Anforderungen an die Leckagerate erzielt werden. Der Dichtkörper kann einstückig an dem ersten Gehäuseabschnitt angeformt sein. Diese Ausgestaltung ist insbesondere an einem zweiteiligen Gehäuse von Vorteil. Des Weiteren kann der Dichtkörper an dem ersten Gehäuseabschnitt aufgebracht und beispielsweise in eine umlaufende Nut eingesetzt sein und eine Abdichtung zu den daran angrenzenden Dichtelementen des ersten Gehäuseabschnitts bilden.
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Das aus dem ersten und zumindest einem weiteren Gehäuseabschnitt gebildete Gehäuse wird bevorzugt durch eine lösbare Verbindung, wie beispielsweise eine Schraub- oder Rastverbindung, als auch durch eine unlösbare Verbindung, wie beispielsweise einer Press-, Schweiß- oder Lötverbindung, zueinander angeordnet. Die Auswahl der Verbindung steht in Abhängigkeit der verwendeten Materialien. Geeignete Schnittstellen zur Ausgestaltung des ersten und zumindest einen weiteren Gehäuseabschnitts sind beispielsweise in einem Bereich vorgesehen, welcher ein Übergang zwischen dem Ventilsitz zu einem im Wesentlichen konstanten Rohrquerschnitt im Gehäuse bildet.
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Zur Einstellung der Öffnungskraft und Ausbildung einer Rückschlagfunktion ist bevorzugt eine Einstellvorrichtung zur zumindest einseitigen Aufnahme der Rückstelleinrichtung vorgesehen, die als Hülse ausgebildet ist und auf dem Führungsabschnitt des Ventilschließgliedes aufgepresst ist. Dadurch wird die Rückstelleinrichtung unter Einstellung eine Vorspannkraft zum zumindest einen weiteren Gehäuseabschnitt positioniert. Gleichzeitig kann der Arbeitshub des Kraftspeicherelementes, insbesondere eines Federelementes, eingestellt werden. Durch die Auswahl einer Federrate für die Rückstelleinrichtung wird vorteilhafterweise die Öffnungskennlinie des Ventilschließgliedes bestimmt. Durch den freien Arbeitshub wird die Vorspannkraft und somit die Öffnungskraft eingestellt. Durch das Aufpressen der Hülse auf dem Führungsabschnitt kann eine kostengünstige Herstellung gegeben sein.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Einstellvorrichtung ist vorgesehen, dass eine weitere Hülse am Führungsabschnitt oder zum zumindest einen weiteren Gehäuseabschnitt angeordnet ist. Diese weitere Hülse kann zur Feinjustierung oder Nachstellung der Vorspannkraft des Rückstellelementes verwendet werden. Sofern die Hülse an dem zumindest einen weiteren Gehäuseabschnitt befestigt ist, bildet vorteilhafterweise ein Abschnitt der Hülse eine Führung zum Führungsabschnitt. Sofern die Hülse mit dem Führungsabschnitt verpresst ist, kann ein weiterer, den Gehäuseabschnitt umgreifend Bund als Führung zum Gehäuseabschnitt ausgebildet sein.
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Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen derselben werden im Folgenden anhand den in den Zeichnungen dargestellten Beispielen näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmenden Merkmale können einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination erfindungsgemäß angewandt werden. Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Expansionsventils,
- 2 eine schematische Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Expansionsventils,
- 3 eine weitere schematische Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Expansionsventils gemäß 1, welche um 90° gedreht zu 2 ist,
- 4 eine schematische Schnittdarstellung einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Expansionsventils gemäß 1,
- 5 eine schematische Schnittdarstellung der ersten Ausführungsform gemäß den 2 und 3 in einer Rohrkupplung,
- 6 eine schematische Schnittdarstellung einer alternativen Ausführungsform des Expansionsventils in einer Rohrkupplung mit einem einteiligen Dichtkörper und
- 7 eine schematische Schnittdarstellung einer weiteren alternativen Ausführungsform eines Expansionsventils in einer Rohrkupplung mit einem separaten Dichtkörper.
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In 1 ist perspektivisch ein erfindungsgemäßes Expansionsventil 11 mit einem Gehäuse 12 dargestellt. An einen ersten Gehäuseabschnitt 14 schließt sich ein weiterer Gehäuseabschnitt 16 an, an welchem ein Filtersieb 17 befestigt ist.
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Das Expansionsventil 11 wird gemäß einer Schnittdarstellung des Expansionsventils in 2 zwischen zwei Rohrenden 18, 19 eines nicht näher dargestellten Kältemittelkreislaufes eingesetzt. Die Rohrenden 18, 19 können als Anschlussrohre oder Anschlussstutzen ausgebildet sein. Die Rohrenden 18, 19 greifen an einem Dichtelement 21 an, welches an einem ersten Gehäuseabschnitt 14 ausgebildet ist. Durch eine außenliegende Verschraubung 22 sind die beiden Rohrenden 18, 19 zueinander fixiert und bilden eine dichte Verbindungsstelle 23, zu welcher das Expansionsventil 11 angeordnet und fixiert ist. Das Dichtelement 21 weist entfernt zur Verbindungsstelle 23 eine abschnittsweise gekrümmte Oberfläche auf, wodurch erzielt wird, dass die Rohrenden 18, 19 im Bereich der Verbindungsstelle 23 aufgeweitet sind, so dass eine axiale Fixierung des Expansionsventils 11 zur Verbindungsstelle 23 gegeben ist. Zusätzlich können Vorsprünge oder Vertiefungen am ersten Gehäuseabschnitt 14 oder an den Rohrenden 18, 19 vorgesehen sein, welche im Bereich der Verbindungsstelle 23 eine axiale Sicherung bilden. Die in 2 dargestellte Form des Dichtelementes 21 ermöglicht eine schnelle und einfache Montage des Expansionsventils 11. Die Dichtelemente 21 sind an die Verbindungstechnik der Rohrenden 18, 19 angepasst. Die im Dichtelement 21 vorgesehene Nut 24 dient als Angriffsfläche für ein Abziehwerkzeug, um eine einfache Demontage des Expansionsventils 11 aus den Rohrenden 18, 19 zu ermöglichen.
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Die Anordnung des Dichtelementes 21 an dem ersten Gehäuseabschnitt 14 ermöglicht eine dichte Ausgestaltung der Verbindungsstelle 23, ohne dass zusätzliche O-Ringe zur Abdichtung erforderlich sind. Darüber hinaus sind keine zusätzlichen Teile zur dichten Anordnung der Verbindungsstelle 23 und Aufnahme des Expansionsventils 11 erforderlich.
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In dem weiteren Gehäuseabschnitt 16, der einteilig zum ersten Gehäuseabschnitt 14 ausgebildet ist, ist ein Ventilsitz 26 mit einer Durchgangsöffnung 27 vorgesehen, in welcher ein Ventilschließglied 28 vorgesehen ist. Das Ventilschließglied 28 umfasst einen den Ventilsitz 26 schließenden Schließkörper 31 sowie einen eingangsdruckseitig sich erstreckenden Führungsabschnitt 32, der sich vollständig durch den einen weiteren Gehäuseabschnitt 16 erstreckt. Nahe dem Ventilsitz 26 ist gemäß 3 eingangsdruckseitig mindestens eine Querbohrung 34 vorgesehen, welche in die Durchgangsöffnung 27 mündet, wodurch eine Eingangsdruckseite oder Hochdruckseite mit einer Ausgangsdruckseite beziehungsweise Niederdruckseite verbunden ist.
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An den weiteren Gehäuseabschnitt 16 schließt sich ein Gehäuseabschnitt 36 an, der einen Aufnahmeabschnitt 37 zur Führung des Führungsabschnittes 32 des Ventilschließgliedes 28 umfasst. Der Gehäuseabschnitt 36 kann einteilig mit dem zweiten oder zumindest einen weiteren Gehäuseabschnitt 16 oder getrennt durch eine nicht näher dargestellte Schnittstelle verbunden sein. Außerhalb des weiteren Gehäuseabschnittes 36 ist am Führungsabschnitt 32 des Ventilschließgliedes 28 eine Rückstelleinrichtung 39 vorgesehen, welche durch eine Einstelleinrichtung 41 zum Ventilschließglied 38 beziehungsweise Gehäuseabschnitt 36 gehalten ist. Die Einstelleinrichtung 41 weist eine Hülse 42 auf, die am Ende des Führungsabschnittes 32 aufgepresst ist und den Arbeitsweg der Rückstelleinrichtung 39 durch die Anlage des Schließkörpers 31 im Ventilsitz 26 begrenzt. Dieser Hülse 42 gegenüberliegend ist eine weitere Hülse 43 vorgesehen, welche am Gehäuseabschnitt 36 fixiert ist. In Abhängigkeit des Abstandes der Hülse 42 und 43 wird eine Vorspannkraft der Rückstelleinrichtung 39 eingestellt. Durch Auswahl der Rückstelleinrichtung 39 wird die Öffnungskennlinie festgelegt, wobei diese in Abhängigkeit einer Federrate eines Federelementes oder der Kompressibilität eines Kraftspeicherelementes steht.
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Das Expansionsventil 11 umfasst ohne zusätzliche Teile eine Rückschlagfunktion durch die Ausgestaltung der Rückstelleinrichtung 39 zum Ventilschließglied 28. Ein Schließen des Ventilschließgliedes 28 zum Ventilsitz 26 ist auch dann sichergestellt, wenn auf der Niederdruckseite ein höherer Druck als auf der Hochdruckseite anliegt. Durch die eingestellte Vorspannkraft der Rückstelleinrichtung 39 ist ein selbstständiges Schließen des Ventilschließglieds 28 im Ventilsitz 26 sichergestellt. Bevorzugt ist das Ventilschließglied 28 mit einer Mindestkraft im Ventilsitz 26 gehalten, so dass auch bei einem Nichtbetrieb der Kältemittelanlage sichergestellt ist, dass ein kupplungsloser Verdichter in die Null-Lage gesetzt wird und dass ein Kältemittelstrom unterbunden ist.
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Die in den 1 bis 3 dargestellte Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass ein Expansionsventil 11 mit einer reduzierten Anzahl an Bauteilen ausgebildet ist, welche eine kostengünstige Herstellung und einfache Montage ermöglicht.
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In 4 ist eine alternative Ausführungsform eines Expansionsventils 11 gemäß 1 dargestellt. Das Gehäuse 12 ist zweiteilig ausgebildet. Zwischen dem ersten und weiteren Gehäuseabschnitt 14, 16 ist eine Schnittstelle 46 gebildet, welche beispielsweise gemäß 4 als Schraubverbindung dargestellt ist. Diese zweiteilige Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass sowohl für die Dichtelemente 21 als auch für den Ventilsitz 26 optimale Materialien verwendet werden können. Darüber hinaus ist durch die Zweiteiligkeit eine präzise Bearbeitung des Ventilsitzes 26 und der Durchgangsbohrung 27 sowie der Ausgestaltung des Aufnahmeabschnittes 37 erleichtert. Gleichzeitig bleiben die Vorteile eines geringen Bauraumes und einer Anpassung an die Verbindungstechnik für die Positionierung des Expansionsventils 11 zu einer Verbindungsstelle 23 eines Kältemittelkreislaufes erhalten.
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In 5 ist das erfindungsgemäße Expansionsventil 11 in einer Rohrkupplung 47 vorgesehen. Die Rohrkupplung 47 umfasst einen ersten und zweiten Flanschabschnitt 48, 49, die durch eine lösbare Verbindung 50, wie beispielsweise eine Schraubverbindung, zueinander befestigt sind. An jedem Flanschabschnitt 48, 49 ist ein Rohrende 18, 19 eingepresst, eingeschraubt, eingeschweißt oder dergleichen. Das erfindungsgemäße Expansionsventil 11 wird in den Flanschabschnitt 49 und Rohrende 19 eingesetzt, bis das Dichtelement 21 an einer entsprechenden Anlagefläche des Flanschabschnitts 49 anliegt. Im Anschluss daran wird der Flanschabschnitt 48 zum ersten Gehäuseabschnitt 14 beziehungsweise Dichtelement 21 des ersten Gehäuseabschnitts 14 positioniert. Durch das Anziehen eines Befestigungselementes, wie beispielsweise einer Spannschraube, werden die Flanschabschnitte 48, 49 aneinander gezogen und die Dichtelemente 21 liegen unter Druck an den entsprechenden Abschnitten der Flanschabschnitte 48, 49 an und bilden eine mediendichte Anordnung. Diese Verbindungstechnik wird bevorzugt bei zweiteiligen Gehäuseabschnitten des Expansionsventils 11 eingesetzt, wobei der erste Gehäuseabschnitt aus beispielsweise einem weicheren Material hergestellt ist, das bei der Montage der Flanschabschnitte 48, 49 aus härterem Material eine dichte Anordnung ermöglicht. Entsprechend den Anforderungen kann eine Materialpaarung des ersten Gehäuseabschnitts zu den Flanschabschnitten ausgewählt werden.
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In 6 ist eine alternative Ausführungsform eines ersten Gehäuseabschnittes 14 zur Anordnung in einer Rohrkupplung 47 dargestellt. Der erste Gehäuseabschnitt 14 weist einen radial nach außen sich erstreckenden, das Dichtelement 21 umgebenden Dichtkörper 51 auf. Beim Befestigen der Rohrkupplung 47 werden die Flanschabschnitte 48, 49 unter Zwischenschaltung des Dichtkörpers 51 zur Erzielung einer dichten Anlage gegeneinander gepresst. Dadurch wird die lagerichtige Positionierung des ersten Gehäuseabschnitts 14 zum Flanschabschnitt 49 unterstützt. Bei dieser Ausgestaltung ist der Dichtkörper 51 einteilig zum ersten Gehäuseabschnitt 14 angeordnet und als hartes Dichtelement ausgebildet. Zusätzlich kann eine radial den Dichtkörper 51 umlaufender Dichtring 53 in einer Kammer 54 vorgesehen sein, um eine zusätzliche Sicherung einer Schnittstelle in der Rohrkupplung 47 nach außen zu ermöglichen.
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In 7 ist eine alternative Ausführungsform eines Expansionsventils 11 zu 6 dargestellt. Der Dichtkörper 51 ist als separates Bauteil ausgebildet und in einer Nut in den ersten Gehäuseabschnitt 14 positioniert. Der Dichtkörper 51 wird in dieser Ausführungsform bevorzugt als weiches Dichtelement ausgebildet. Diese Ausführung weist den Vorteil auf, dass unterschiedliche Dichtkörper 51 eingesetzt und auch bei Alterung ausgetauscht werden können. Bei dieser Ausführungsform kann zusätzlich ein Dichtring 53 in einer Kammer 54 zur weiteren Dichtung der Trennstelle der Rohrkupplung 47 vorgesehen sein.
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Die Ausgestaltung des ersten Gehäuseabschnitts 14 mit harten oder weichen Dichtelementen 21 und/oder mit einem daran einteilig angeordneten Dichtkörper 51 oder einem austauschbar im Gehäuseabschnitt 14 angeordneten Dichtkörper 51 ermöglicht eine flexible Anpassung an die Materialien einer Rohrkupplung 47, die Ausgestaltung an eine Rohrkupplung 47, den Einsatz von zu steuernden Medien sowie an die Materialanforderungen eines Gehäuses 12 für ein Expansionsventil 11.
