DE102016224283A1

DE102016224283A1 - Expansionsventil

Info

Publication number: DE102016224283A1
Application number: DE102016224283.0A
Authority: DE
Inventors: Sven Spieth; Matthias Storz; Björn Großmann; Sandra Tippmann; Thomas Gindele
Original assignee: Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV; Liebherr Hausgeraete Ochsenhausen GmbH; Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Current assignee: Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV; Liebherr Hausgeraete Ochsenhausen GmbH; Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Priority date: 2016-12-06
Filing date: 2016-12-06
Publication date: 2018-06-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Expansionsventil (100) zum Vermindern eines Drucks eines durch das Expansionsventil (100) entlang eines Fluidströmungspfads hindurchfließenden Fluids, wobei das Expansionsventil (100) aufweist: wenigstens einen Fluideinlass (101) und wenigstens einen Fluidauslass (102), ein erstes Ventilelement (10) mit zumindest einer ersten Kanalstruktur (11), ein zweites Ventilelement (20a, 20b) mit zumindest einer zweiten Kanalstruktur (22a, 22b) und einer dritten Kanalstruktur (23a, 23b), wobei das erste Ventilelement (10) und das zweite Ventilelement (20a, 20b) relativ zueinander bewegbar sind, wobei in einer ersten Stellung der Ventilelemente (10; 20a, 20b) die erste Kanalstruktur (11) und die zweite Kanalstruktur (22a, 22b) zueinander ausgerichtet sind und einen ersten Fluidströmungspfad mit einem ersten Strömungswiderstand zwischen dem Fluideinlass (101) und dem Fluidauslass (102) bilden, und wobei in einer zweiten Stellung der Ventilelemente (10; 20a, 20b) die erste Kanalstruktur (11) und die dritte Kanalstruktur (23a, 23b) zueinander ausgerichtet sind und einen zweiten Fluidströmungspfad mit einem zweiten von dem ersten Strömungswiderstand verschiedenen Strömungswiderstand zwischen dem Fluideinlass (101) und dem Fluidauslass (102) bilden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Expansionsventile zum Vermindern eines Drucks eines durch das Expansionsventil entlang eines Fluidströmungspfads hindurchfließenden Fluids.
Expansionsventile können beispielsweise in Kältekreisläufen eingesetzt werden. 8 zeigt einen solchen Kältekreislauf 81, wie er im Stand der Technik bekannt ist. Der Kältekreislauf 81 weist einen Verflüssiger 82 und einen Verdampfer 83 auf. Zwischen dem Verflüssiger 82 und dem Verdampfer 83 befindet sich eine lokale Verengung 84a, 84b des Strömungsquerschnitts, die zu einer Verminderung des Fluiddrucks führt und eine Volumenzunahme bzw. Expansion des durchströmenden Fluids bewirkt. Diese lokale Verengung 84a, 84b wird funktionell als Drossel- oder Expansionsventil bezeichnet.
Im einfachsten Fall wirkt ein Stück Rohr mit sehr kleinem Innendurchmesser als ungeregeltes, nicht verstellbares Expansionsorgan, das dann typischerweise als Drosselkapillare 84b bezeichnet wird. Kostengünstige Drosselkapillaren werden bevorzugt bei Anlagen mit kleiner Kälteleistung, wie Haushalts-Kühl-Gefrierkombinationen, eingesetzt.
Aufwendigere, regelbare Expansionsventile 84a sind stetig veränderbare Ventile, die eine Einstellung des durchströmenden Fluids erlauben. Diese werden bevorzugt bei Anlagen mit größerer Kälteleistung eingesetzt.
Eine grundsätzliche Problematik bei Expansionsventilen für kleine Kälteleistungen ist der kontinuierlich zu dosierende kleine Massenstrom an Kältemittel, der außerordentliche Anforderungen an die Präzision eines stetig verstellbaren Ventils stellt.
Oftmals behilft man sich deshalb dadurch, dass kein stetig verstellbares Ventil sondern ein Schaltventil eingesetzt wird, das dann zeitweise komplett auf bzw. zu ist, d.h. im Sinne einer Pulsweitenmodulation betrieben wird. Dieses Vorgehen wird aber energetisch als auch im Hinblick auf das Systemverhalten als nicht so günstig bewertet.
Ein Expansionsventil für kleine Kälteleistungen kann auch als Mikroexpansionsventil bezeichnet werden.
In der DE 10 2011 004 109 A1 wird beispielsweise ein Expansionsventil mit einer stufenlos regelbaren Lochblende beschrieben. Der Durchfluss durch die Blende wird mittels einer exzentrischen Abdeckscheibe geregelt, die den Öffnungsquerschnitt der Blende stufenlos variieren kann. Hierbei werden jedoch sehr hohe Anforderungen an die Präzision der Blende sowie an die Präzision des stufenlosen Antriebs gestellt, was zu erhöhten Produktionskosten führt.
Als eine Alternative zur vorgenannten Lochblende sind Kanäle bekannt, durch die das Fluid strömt. Bei der Lochblende kommt die Verlangsamung und somit die Expansion des Fluids hauptsächlich durch an der Blendenkante verursachte Wirbelströme zustande. Bei Kanälen hingegen entstehen beim Durchströmen des Fluids zusätzlich Reibungsverluste entlang der Wand der Kanäle, da die Kanäle im Vergleich zur Blende eine wesentlich längere Erstreckung aufweisen, sodass sich das Fluid über die gesamte Länge des Kanals ausbreiten kann und dabei aufgrund der Reibungsverluste verlangsamt wird.
Ein Expansionsventil mit Kanälen wird beispielsweise in der DE 31 08 051 A1 vorgeschlagen. Hier wird ein in diskreten Schaltstufen schaltbares Expansionsventil beschrieben. Es werden mehrere Scheiben übereinander gelegt, wobei sich zwischen den Scheiben radial verlaufende Kanäle ausbilden, durch die das Fluid strömen kann. In der Mitte der Scheiben ist ein Kolben angeordnet, der in axialer Richtung beweglich ist, um einen Durchfluss des Fluids durch die einzelnen Kanäle zu ermöglichen. Durch die in axialer Richtung aufeinander geschichteten einzelnen Scheiben in Kombination mit dem in axialer Richtung bewegbaren Kolben weist dieses Expansionsventil einen komplizierten Aufbau sowie eine große axiale Bauhöhe auf. Für Geräte mit kleinen Kälteleistungen, bei denen in der Regel nur ein sehr geringer Bauraum zur Verfügung steht, ist dieses Expansionsventil daher weniger gut geeignet.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Expansionsventile dahingehend zu verbessern, dass diese einen einfachen Aufbau sowie kleine Abmessungen besitzen, und dabei gleichzeitig präzise die Durchflussrate eines Fluids regulieren können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Expansionsventil mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Expansionsventil ist ausgebildet, um einen Druck eines durch das Expansionsventil entlang eines Fluidströmungspfads hindurchfließenden Fluids zu vermindern. Das Expansionsventil weist hierfür, unter anderem, wenigstens einen Fluideinlass, durch den das Fluid in das Expansionsventil einströmen kann, und wenigstens einen Fluidauslass, durch den das Fluid aus dem Expansionsventil herausströmen kann, auf. Das Expansionsventil weist außerdem ein erstes Ventilelement mit zumindest einer ersten Kanalstruktur auf. Ferner weist das Expansionsventil ein zweites Ventilelement mit zumindest einer zweiten Kanalstruktur und einer dritten Kanalstruktur auf. Erfindungsgemäß sind das erste Ventilelement und das zweite Ventilelement relativ zueinander bewegbar, wobei in einer ersten Stellung der Ventilelemente die erste Kanalstruktur und die zweite Kanalstruktur zueinander ausgerichtet sind und einen ersten Fluidströmungspfad mit einem ersten Strömungswiderstand zwischen dem Fluideinlass und dem Fluidauslass bilden. In einer zweiten Stellung der Ventilelemente sind die erste Kanalstruktur und die dritte Kanalstruktur zueinander ausgerichtet und bilden einen zweiten Fluidströmungspfad mit einem zweiten von dem ersten Strömungswiderstand verschiedenen Strömungswiderstand zwischen dem Fluideinlass und dem Fluidauslass.
Mit dem erfindungsgemäßen Expansionsventil können also mindestens zwei unterschiedliche Schaltstellungen eingenommen werden. Je nach Schaltstellung ergibt sich hierbei ein unterschiedlicher Fluidströmungspfad. Die Fluidströmungspfade weisen unterschiedliche Strömungswiderstände auf. Ein Strömungswiderstand kann sich beispielsweise aus einer Länge der durchströmten Kanalstruktur, dem nicht notwendigerweise entlang der Kanallänge einheitlichen Querschnitt der durchströmten Kanalstruktur, einer Änderung des durchströmten Querschnitts oder des Kanalverlaufs, einer geometrischen Querschnittsform, einer Rauigkeit der Oberfläche der Wandungen der durchströmten Kanalstruktur, oder aus einer Kombination dieser Parameter ergeben. Die unterschiedlichen Strömungswiderstände drosseln den Durchfluss des Fluids unterschiedlich stark. Die Drosselwirkung kann mittels einer Variation der vorgenannten Parameter eingestellt werden. Das erfindungsgemäße Expansionsventil kann in einer Schaltstellung eine vollständige Drosselung bewirken, sodass der Durchfluss des Fluids vom Fluideinlass zum Fluidauslass nahezu vollständig blockiert ist. Das erfindungsgemäße Expansionsventil kann in einer anderen Schaltstellung beispielsweise keine signifikante Drosselung aufweisen, sodass das Fluid nahezu ungehindert vom Fluideinlass zum Fluidauslass strömen kann. Das Expansionsventil kann jede beliebige Drosselstufe, d.h. zwischen vollständiger Blockierung und vollständiger Durchflussermöglichung, bereitstellen. Dies ist, wie zuvor erwähnt, mittels einer Variation der Kanalstruktur-Parameter möglich. Wenn das Fluid das erfindungsgemäße Expansionsventil durchströmt, kommt es neben der Drosselung der Durchflussmenge zum Druckabfall des Fluiddrucks, d.h. das Fluid entspannt sich. Das Fluid kann dabei zumindest teilweise verdampfen, wobei gleichzeitig die Temperatur des Fluids sinken kann. Der Betrag des Druckabfalls wird, ebenso wie der Betrag der Drosselung der Durchflussmenge, durch die Drosselstufen, d.h. durch den Strömungswiderstand, der einzelnen Kanalstrukturen bestimmt. Die Erfindung schafft somit die Integration unterschiedlicher Flusswiderstände mitsamt eines schaltbaren Verteilers innerhalb eines einzigen Expansionsventils. Dies kann den benötigten Bauraum gegenüber Verteilerschaltungen mit separaten Drosseln bzw. Kapillaren erheblich reduzieren. Außerdem werden im Vergleich zu bekannten stufenlos einstellbaren Lochblenden wesentlich geringere Anforderungen an die benötigte Präzision des Antriebs gestellt, was wiederum die Herstellungskosten erheblich reduziert.
Vorstellbare Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen genannt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachstehend erläutert. Es zeigen:

1A eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Expansionsventils in einer Explosionsdarstellung und in einer ersten Schaltstellung,
1B das Expansionsventil der ersten Ausführungsform in einem zusammengesetzten Zustand und einer ersten Schaltstellung,
1C die erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Expansionsventils in einer Explosionsdarstellung und in einer zweiten Schaltstellung,
1D das Expansionsventil der ersten Ausführungsform in einem zusammengesetzten Zustand und einer zweiten Schaltstellung,
2A eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Expansionsventils in einer Explosionsdarstellung und in einer ersten Schaltstellung,
2B das Expansionsventil der zweiten Ausführungsform in einem zusammengesetzten Zustand und einer ersten Schaltstellung,
3A ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Expansionsventils gemäß der ersten Ausführungsform in einer Explosionsdarstellung und in einer ersten Schaltstellung, wobei die Kanalstrukturen des zweiten Ventilelements in Reihe geschaltet sind,
3B das Expansionsventil aus 3A in einem zusammengesetzten Zustand,
4A ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Expansionsventils gemäß der zweiten Ausführungsform in einer Explosionsdarstellung und in einer ersten Schaltstellung, wobei die Kanalstrukturen des zweiten Ventilelements in Reihe geschaltet sind,
4B das Expansionsventil aus 4A in einem zusammengesetzten Zustand,
5A ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Expansionsventils gemäß der ersten Ausführungsform in einer Explosionsdarstellung und in einer ersten Schaltstellung, wobei die Kanalstrukturen des zweiten Ventilelements parallel zueinander schaltbar sind,
5B das Expansionsventil aus 5A in einem zusammengesetzten Zustand,
6A ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Expansionsventils gemäß der zweiten Ausführungsform in einer Explosionsdarstellung und in einer ersten Schaltstellung, wobei die Kanalstrukturen des zweiten Ventilelements parallel zueinander schaltbar sind,
6B das Expansionsventil aus 6A in einem zusammengesetzten Zustand,
7 ein schematisches Blockschaltbild für eine Art der Verschaltung einzelner Flusswiderstände, und
8 einen Kältekreislauf aus dem Stand der Technik mit einer Fluid-Expansionsstelle wie sie im Stand der Technik verwendet wird.

Im Folgenden werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die Figuren näher beschrieben, wobei Elemente mit derselben oder ähnlichen Funktion mit denselben Bezugszeichen versehen sind. Außerdem gilt alles, was mit Bezug auf ein bestimmtes Ausführungsbeispiel erwähnt wurde, gleichsam auch für alle anderen Ausführungsbeispiele. Im Folgenden werden, um das Lesen der Beschreibung zu vereinfachen, viele Merkmale unter Bezugnahme auf die 1A bis 1D erklärt werden. Es versteht sich jedoch von selbst, dass all diese Merkmale gleichsam auch für die in den übrigen 2A bis 7 dargestellten Ausführungsbeispiele gelten.
Wenn nachfolgend von Fluid gesprochen wird, kann damit sowohl eine Flüssigkeit als auch ein Gas gemeint sein. Auch Mischformen aus teilweise gasförmigen und flüssigen Zuständen des Fluids können hierbei gemeint sein. Generell kann das Fluid, im Sinne der vorliegenden Offenbarung, in allen vorkommenden Aggregatszuständen vorliegen. Beispielsweise kann das Fluid in Strömungsrichtung vor dem Expansionsventil in einem im Wesentlichen flüssigen Aggregatszustand vorliegen, während es in Strömungsrichtung nach dem Expansionsventil (evtl. mit einem nachgeschalteten Verdampfer) in einem im Wesentlichen gasförmigem Zustand vorliegen kann. Das Fluid kann ein Kältemittel, wie z.B. R600a oder R134a, sein.
Die 1A und 1B zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Expansionsventils 100. Das Expansionsventil 100 weist wenigstens einen Fluideinlass 101 und wenigstens einen Fluidauslass 102 auf.
Das Expansionsventil 100 weist außerdem ein erstes Ventilelement 10 mit zumindest einer ersten Kanalstruktur 11 auf. Ferner weist das Expansionsventil 100 ein zweites Ventilelement 20 auf. Das zweite Ventilelement 20 kann, wie hier beispielhaft gezeigt, aus zwei Teilen 20a, 20b bestehen. Weitere Ausführungsformen sehen vor, dass das zweite Ventilelement 20 einteilig ausgebildet ist. Das zweite Ventilelement 20 weist zumindest eine zweite Kanalstruktur 22a, 22b und eine dritte Kanalstruktur 23a, 23b auf.
Kanalstrukturen im Allgemeinen, und die abgebildeten Kanalstrukturen 11, 22a, 22b, 23a, 23b im Speziellen, sind in dem jeweiligen Ventilelement 10, 20 vorgesehene Strukturen, z.B. in Form von Ausnehmungen, die einen Strömungspfad für ein durchströmendes Fluid bereitstellen.
Das erste Ventilelement 10 und das zweite Ventilelement 20 sind relativ zueinander bewegbar. Wie insbesondere in 1B zu erkennen ist, sind in einer ersten Stellung der Ventilelemente 10, 20 die erste Kanalstruktur 11 und die zweite Kanalstruktur 22a, 22b zueinander ausgerichtet und bilden einen ersten Fluidströmungspfad 110 mit einem ersten Strömungswiderstand zwischen dem Fluideinlass 101 und dem Fluidauslass 102.
Die 1C und 1D zeigen eine zweite Stellung der Ventilelemente 10, 20. In dieser zweiten Stellung der Ventilelemente 10, 20 sind die erste Kanalstruktur 11 und die dritte Kanalstruktur 23a, 23b zueinander ausgerichtet und bilden einen zweiten Fluidströmungspfad 111 mit einem zweiten von dem ersten Strömungswiderstand verschiedenen Strömungswiderstand zwischen dem Fluideinlass 101 und dem Fluidauslass 102.
In 1C ist beispielsweise zu sehen, dass die dritte Kanalstruktur 23b in einer kreisförmig umlaufenden Kanalstruktur 55 mündet, die sich bis zu dem Fluidauslass 102 erstreckt.
Dementsprechend strömt das Fluid durch die dritte Kanalstruktur 23b und die umlaufende Kanalstruktur 55, die in 1D zeichnungsbedingt teilweise verdeckt ist, bis zu dem Fluidauslass 102.
Auch die zweite Kanalstruktur 22a, 22b mündet in die umlaufende Kanalstruktur 55. Die umlaufende Kanalstruktur 55 verbindet sozusagen die in dem zweiten Ventilelement 20 ausgebildeten Kanalstrukturen 22a, 22b, 23a, 23b untereinander und bildet eine gemeinsame Zuführung zu dem Fluidauslass 102. Der Betrag des Gesamtströmungswiderstands für das durchströmende Fluid kann sich hierbei zusammensetzen aus a) dem Strömungswiderstand der ersten Kanalstruktur 11 des ersten Ventilelements 10, b) dem Strömungswiderstand der jeweiligen Kanalstruktur 22a, 22b, 23a, 23b des zweiten Ventilelements 20 und c) dem Strömungswiderstand der umlaufenden Kanalstruktur 55.
In den 1B und 1D sind also verschiedene Schaltstellungen des Expansionsventils 100 gezeigt. Mittels der zuvor genannten Relativbewegung zwischen dem ersten Ventilelement 10 und dem zweiten Ventilelement 20 können diese Schaltstellungen erreicht werden. Das Expansionsventil 100 kann also zwischen verschiedenen Schaltstellungen bzw. Schaltstufen hin- und herschalten.
Wie insbesondere in den 1A und 1C zu sehen ist, kann das zweite Ventilelement 20 außerdem, neben den zweiten und dritten Kanalstrukturen 22a, 22b; 23a, 23b, auch noch weitere Kanalstrukturen 24a, 24b; 25a, 25b aufweisen. Diese werden nachfolgend näher beschrieben.
Die einzelnen Kanalstrukturen können unterschiedliche, nicht notwendigerweise entlang der Kanallänge gleichbleibende, Strömungsquerschnitte aufweisen, d.h. eine Kanalstruktur kann einen variablen Strömungsquerschnitt aufweisen. Gemäß denkbarer Ausführungsformen der Erfindung können die Strömungsquerschnitte der einzelnen Kanalstrukturen entweder konstant oder eben variabel sein.
Ein variabler Strömungsquerschnitt kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass sich der geometrische Querschnitt der jeweiligen Kanalstruktur über dessen Kanallänge hinweg zumindest einmal ändert. So kann eine Kanalstruktur mit variablem Strömungsquerschnitt beispielsweise an einer ersten Stelle einen ersten Strömungsquerschnitt und an einer zweiten Stelle einen von dem ersten Strömungsquerschnitt unterschiedlichen zweiten Strömungsquerschnitt aufweisen.
Beispielsweise kann eine Kanalstruktur dabei derart ausgebildet sein, dass der Strömungsquerschnitt entlang der Fluidströmungsrichtung zu- oder abnimmt. Gemäß einem weiteren denkbaren Beispiel könnte die Kanalstruktur am Anfang und am Ende einen ersten Strömungsquerschnitt aufweisen und dazwischen einen zweiten (kleineren oder größeren) Strömungsquerschnitt, z.B. in Form einer Einschnürung und dergleichen, aufweisen.
Der Strömungsquerschnitt einer Kanalstruktur kann die Durchflussrate eines durch diese Kanalstruktur hindurchströmenden Fluids beeinflussen. Das heißt beispielsweise, dass bei gleicher Kanallänge ein kleineres Volumen einer Kanalstruktur einen kleineren Strömungsquerschnitt dieser Kanalstruktur bedingt, der dem durchströmenden Fluid einen größeren Strömungswiderstand entgegensetzt, wodurch die Durchflussrate des Fluids gedrosselt werden kann.
Neben dem Strömungsquerschnitt kann auch die Formgebung einer Kanalstruktur dessen Strömungswiderstand maßgeblich beeinflussen. So sind gemäß der Erfindung Kanalstrukturen denkbar, die eine runde Form aufweisen. Diese können beispielsweise mittels Bohren hergestellt werden. Es ist aber auch denkbar, dass die Kanalstrukturen eine rechteckige Form aufweisen. Diese können beispielsweise mittels Fräsen hergestellt werden. Prinzipiell sind auch weitere geometrische Formen der Kanalstrukturen denkbar, wie z.B. dreieckig, rund, halbrund, oder vieleckig. Beispielsweise kann eine dreieckig geformte Kanalstruktur einen höheren Strömungswiderstand aufweisen als eine viereckig geformte Kanalstruktur.
Ganz unabhängig davon, ob die unterschiedlichen Strömungsquerschnitte nun mittels einer Variation des geometrischen Querschnitts und/oder mittels einer Variation der geometrischen Form der Kanalstrukturen erzielt werden, stellen unterschiedliche Strömungsquerschnitte dem Fluid unterschiedliche Strömungswiderstände entgegen und drosseln somit die Durchflussrate des Fluids unterschiedlich stark. Dementsprechend können Kanalstrukturen mit unterschiedlichen Strömungsquerschnitten auch als unterschiedliche Drosselstufen zum Drosseln der Durchflussrate bezeichnet werden.
Gleichzeitig bewirkt die Drosselung auch ein Absinken des Drucks des durchströmenden Fluids, d.h. der Druck des Fluids am Fluidauslass 102 wird abgesenkt gegenüber dem Druck des Fluids am Fluideinlass 101. Beim Durchströmen des Fluids durch das Expansionsventil 100 entspannt sich das Fluid. Es kann dabei außerdem, zumindest teilweise, verdampfen.
Die Durchflussrate Q wird im Wesentlichen charakterisiert durch den durch einen bestimmten Strömungsquerschnitt hindurchfließenden Volumenstrom eines Fluids, gemäß der bekannten Formel $Q = \dot{V} = \frac{d V}{d t}$
Der Massenstrom ṁ hängt dabei über die Beziehung $\dot{m} = \frac{d m}{d t} = ρ \cdot \dot{V}$
mit der Durchflussrate Q zusammen, wobei p die Dichte des Fluids ist.
Wie zuvor erwähnt, können also die einzelnen Kanalstrukturen als Drosselstufen bezeichnet werden, mittels derer das erfindungsgemäße Expansionsventil 100 die Durchflussrate bzw. den Massenstrom des durchfließenden Fluids drosseln kann.
Gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung kann beispielsweise die zweite Kanalstruktur 22a, 22b einen ersten Strömungsquerschnitt aufweisen, und die dritte Kanalstruktur 23a, 23b kann einen von dem ersten Strömungsquerschnitt unterschiedlichen zweiten Strömungsquerschnitt aufweisen. Somit weist das Expansionsventil 100 also zumindest zwei unterschiedliche Drosselstufen auf.
Die Drosselstufen können erfindungsgemäß Drosselraten zwischen nahezu 100% und nahezu 0% aufweisen. Der Relativwert der Drosselraten bezieht sich hierbei auf die Drosselung der Durchflussrate des Fluids zwischen Fluideingang 101 und Fluidausgang 102 bezogen auf eine Zeitspanne Δt.
Eine Drosselrate von 100% bedeutet beispielsweise, dass die Durchflussrate des Fluids von Fluideinlass 101 zu Fluidauslass 102 innerhalb dieser Zeitspanne Δt nahezu Null oder gleich Null ist. Das Expansionsventil 100 sperrt also den Durchfluss des Fluids. Das Expansionsventil 100 kann somit also eine „Stopp-Funktion“ bereitstellen, bei der ein Durchfluss des Fluids gestoppt ist. Aufgrund von, dem Fachmann bekannten, oftmals auftretenden Leckagen von Ventilen kann die Durchflussrate hierbei auch nur nahezu bei 0%, d.h. etwas oberhalb von 0%, liegen. Beispielsweise kann eine Durchflussrate hier zwischen 0% und 5% bei eventuell auftretenden Leckagen liegen.
Eine Drosselrate von nahezu 0% hingegen bedeutet, dass der Durchfluss des Fluids nahezu nicht gedrosselt wird, d.h. die Durchflussrate des Fluids von Fluideinlass 101 zu Fluidauslass 102 in der Zeitspanne Δt liegt bei nahezu 100%. Aufgrund von, dem Fachmann bekannten, Strömungs- und Reibungsverlusten innerhalb der durchströmten Kanalstrukturen wird die Durchflussrate hierbei im Regelfall nur nahezu bei 100%, d.h. immer etwas unterhalb von 100%, liegen können. Beispielsweise kann eine Durchflussrate hier zwischen 95% und 100% liegen.
Das Expansionsventil 100 kann somit also eine „Offen-Funktion“ oder auch „Freifluss-Funktion“ bereitstellen, bei der ein Durchfluss des Fluids nahezu ungehindert möglich ist. In diesem Fall findet also keine signifikante Drosselung innerhalb des Expansionsventils 100 statt.
Wie eingangs erwähnt, weist das erfindungsgemäße Expansionsventil 100 mindestens zwei Drosselstufen auf, d.h. der Strömungswiderstand des ersten Strömungspfads in der ersten Schaltstellung unterscheidet sich von dem Strömungswiderstand des zweiten Strömungspfads in der zweiten Schaltstellung. Mindestens einer der beiden Strömungswiderstände kann hierbei derart ausgelegt sein, dass das Expansionsventil 100 in der jeweiligen Schaltstellung keine signifikante Drosselung aufweist. Das heißt, mindestens einer der beiden Strömungspfade (erste Schaltstellung oder zweite Schaltstellung) bildet eine zuvor erwähnte „Offen-Funktion“ bzw. Freifluss-Funktion‟.
Eine solche „Offen-Funktion“ kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass die den ersten Fluidströmungspfad bildenden erste und zweite Kanalstrukturen 11; 22a, 22b oder die den zweiten Fluidströmungspfad bildenden erste und dritte Kanalstrukturen 11; 23a, 23b als eine durch das erste und das zweite Ventilelement 10; 20 durchgehende Öffnung, z.B. eine Bohrung mit demselben Durchmesser, ausgebildet sind, wobei diese Öffnung keine signifikante Drosselung aufweist. Das bedeutet, dass das Expansionsventil 100 eine Drosselrate von nahezu 0% aufweist, oder eine Drosselrate zwischen 0% und maximal 5% aufweisen kann.
Eine zuvor erwähnte „Stopp-Funktion“ kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass die erste Kanalstruktur 11 im ersten Ventilelement 10 mit keiner der Kanalstrukturen 22a, 22b, 23a, 23b des zweiten Ventilelements 20 ausgerichtet ist. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass das erste Ventilelement 10 in eine (nicht explizit dargestellte) dritte Schaltstellung verfahren wird, die beispielsweise zwischen der ersten Schaltstellung (1B) und der zweiten Schaltstellung (1D) liegen kann. Die erste Kanalstruktur 11 des ersten Ventilelements 10 mündet somit nicht mehr in eine weitere Kanalstruktur im zweiten Ventilelement 20 sondern direkt auf der Oberfläche 28 ( 1A, 1D) des zweiten Ventilelements 20. Das Fluid wird somit nicht mehr zu dem Fluidauslass 102 geleitet, d.h. der Durchfluss des Fluids wird dadurch gesperrt bzw. unterbrochen.
Wenn im Sinne der vorliegenden Offenbarung davon die Rede ist, dass ein Fluidstrom zwischen dem Fluideinlass 101 und dem Fluidauslass 102 unterbrochen ist, so bedeutet dies, dass der Fluidstrom mittels der Stellung der Ventilelemente 10, 20 zueinander bewusst unterbrochen werden soll, unabhängig davon ob ein ungewollter bzw. parasitärer Durchfluss des Fluids aufgrund von möglichen Leckagen an Ventilen und dergleichen vorhanden ist. Der Durchfluss des Fluids, der unterbrochen werden soll, ist der direkte Durchfluss durch die Kanalstrukturen.
Das erste Ventilelement 10 kann relativ zu dem zweiten Ventilelement 20 beispielsweise mittels eines Schrittmotors bewegt werden. Dabei wird eines der beiden Ventilelemente 10, 20 mittels des Schrittmotors angetrieben und gegenüber dem anderen der beiden Ventilelemente 10, 20 bewegt.
Außerdem kann ein Getriebe vorgesehen sein, dass den Antrieb des Schrittmotors entsprechend untersetzt bzw. übersetzt.
Wenn die Stoppfunktion in der dritten Schaltstellung, wie oben erwähnt, zwischen der ersten und der zweiten Schaltstellung liegt, hat dies besondere Vorteile hinsichtlich einer möglichen Energieeinsparung. Man stelle sich vor, eine Ausgangsstellung des mit dem Schrittmotor verbundenen Ventilelements 10, 20 sei die dritte Schaltstellung. Dann müsste der Schrittmotor das Ventilelement 10, 20 nicht über den gesamten Weg von der ersten Schaltstellung zu der zweiten Schaltstellung (bzw. zurück) verfahren, sondern es reicht in diesem Fall aus, das Ventilelement 10, 20 lediglich von der dritten Schaltstellung zu der ersten bzw. zweiten Schaltstellung zu verfahren. Da die dritte Schaltstellung zwischen der ersten und der zweiten Schaltstellung liegt, muss der Schrittmotor also lediglich den halben Weg zurücklegen.
In dem in den 1A bis 1D gezeigten Ausführungsbeispiel könnte das erste Ventilelement 10 von dem Schrittmotor angetrieben werden. Eine alternative Ausführungsform, bei der das zweite Ventilelement 20 angetrieben werden kann, wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 2A und 2B beschrieben.
Zunächst soll allerdings die erste Ausführungsform weiter beschrieben werden. Wie insbesondere in den 1A und 1C anschaulich dargestellt ist, ist das zweite Ventilelement 20 in diesem Ausführungsbeispiel zweiteilig ausgebildet, d.h. das zweite Ventilelement weist einen ersten Teil 20b und einen zweiten Teil 20a auf.
Der erste Teil 20b des zweiten Ventilelements 20 weist hierbei zumindest einen Abschnitt 22b, 23b der zweiten und dritten Kanalstrukturen 22a, 22b; 23a, 23b auf. Das heißt, diese Abschnitte 22b, 23b der Kanalstrukturen sind in dem ersten Teil 20b des zweiten Ventilelements 20 ausgebildet.
Der erste Teil 20b des zweiten Ventilelements 20 kann außerdem mindestens einen Fluidauslass 102 aufweisen. Die Abschnitte 22b, 23b der zweiten und dritten Kanalstrukturen sind innerhalb des ersten Teils 20b des zweiten Ventilelements 20 jeweils mit dem Fluidauslass 102 verbunden, beispielsweise mittels der umlaufenden Kanalstruktur 55. Es ist aber auch denkbar, dass mehrere Fluidauslässe in dem zweiten Ventilelement 20 bzw. in dem ersten Teil 20b des zweiten Ventilelements 20 angeordnet sind.
Vorteilhafter Weise ist zwischen dem ersten Teil 20b des zweiten Ventilelements 20 und dem zweiten Teil 20a des zweiten Ventilelements 20 eine Dichtung angeordnet, die die in dem ersten Teil 20b des zweiten Ventilelements 20 ausgebildeten zweiten und dritten Kanalstrukturen 22b, 23b fluidisch gegeneinander abdichtet. Hierbei kann es sich insbesondere um eine Teflondichtung handeln, da diese besonders temperaturbeständig, druckbeständig und altersbeständig ist.
Eine Abdichtung der beiden Teile 20a, 20b des Ventilelements 20 kann aber auch beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die beiden Teile 20a, 20b miteinander verklebt, verschraubt oder z.B. mittels Reib- oder Laserschweißen miteinander verschweißt werden.
Die Ventilelemente 10, 20 können prinzipiell diverse geometrische Formen aufweisen, d.h. die Ventilelemente 10, 20 können beispielsweise in Form eines Zylinders, eines Würfels, einer Kugel, einer Halbkugel, einer Pyramide, eines Prismas und dergleichen ausgebildet sein.
Die in den jeweiligen Ventilelementen 10, 20 ausgebildeten Kanalstrukturen 11, 22a, 22b, 23a, 23b können sich hierbei zumindest abschnittsweise in einer radialen Richtung und/oder zumindest abschnittsweise in einer axialen Richtung erstrecken. Wenn die beiden Ventilelemente 10, 20 beispielsweise entlang einer Drehachse relativ zueinander drehbar sind, so können sich eine axiale Richtung und eine radiale Richtung auf diese Drehachse beziehen.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sehen vor, dass das erste Ventilelement 10 und das zweite Ventilelement 20 jeweils zylinderförmige Ventilelemente sind, wobei sich die erste Kanalstruktur 11 in dem ersten Ventilelement 10 zumindest abschnittsweise in axialer und/oder radialer Richtung erstreckt und/oder wobei sich die zweite und dritte Kanalstruktur 22a, 22b; 23a, 23b in dem zweiten Ventilelement 20 zumindest abschnittsweise 22b, 23b in radialer und/oder axialer Richtung erstrecken.
Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung sehen vor, dass das erste Ventilelement 10 und das zweite Ventilelement 20 jeweils kreiszylinderförmige Ventilelemente sind und das erste Ventilelement 10 in axialer Richtung konzentrisch mit dem zweiten Ventilelement 20 ausgerichtet ist.
Dies soll nachfolgend unter Bezugnahme auf die 1A bis 1D näher erläutert werden. Wie in diesen Figuren zu sehen ist, sind das erste Ventilelement 10 und das zweite Ventilelement 20 hier jeweils beispielhaft als zylinderförmige Ventilelemente abgebildet.
Hierbei soll erwähnt werden, dass sich ein Zylinder, per Definition, dadurch auszeichnet, dass eine ebene Kurve in einer Ebene entlang einer Geraden, die nicht in dieser Ebene enthalten ist, um eine feste Strecke verschoben wird. Je zwei sich entsprechenden Punkte der Kurven und der verschobenen Kurve werden durch eine Strecke verbunden. Die Gesamtheit dieser parallelen Strecken bildet die zugehörige Zylinder-Fläche. Die Kurve bzw. die dabei entstehende Mantelfläche kann beliebige Formen aufweisen.
In dem abgebildeten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine spezielle Form eines Zylinders, nämlich um einen Kreiszylinder, d.h. das erste Ventilelement 10 und das zweite Ventilelement 20 sind jeweils kreiszylinderförmig ausgebildet, wobei das erste Ventilelement 10 in axialer Richtung 33 (1A) konzentrisch mit dem zweiten Ventilelement 20 ausgerichtet ist.
In dem abgebildeten Ausführungsbeispiel erstreckt sich die erste Kanalstruktur 11 in dem ersten zylinderförmigen Ventilelement 10 zumindest abschnittsweise in axialer Richtung 33 (1A). Die erste Kanalstruktur 11 erstreckt sich hierbei vollständig durch das erste Ventilelement 10 hindurch. Dies kann fertigungstechnisch beispielsweise dadurch realisiert werden, dass eine Bohrung in axialer Richtung 33 durch das erste Ventilelement 10 in selbiges eingebracht wird.
In einer anderen denkbaren Ausführungsform könnte sich die erste Kanalstruktur 11 in radialer Richtung 34 in dem ersten Ventilelement 10 erstrecken. Dies ist in 1A beispielhaft mit der in Strichlinien dargestellten ersten Kanalstruktur 11' angedeutet. Dies kann fertigungstechnisch beispielsweise dadurch realisiert werden, dass eine Bohrung in radialer Richtung 34 durch das erste Ventilelement 10 in selbiges eingebracht wird. Denkbar wäre auch, dass die in Strichlinien dargestellte radial verlaufende erste Kanalstruktur 11' von der Unterseite 12 des ersten Ventilelements 10 in selbiges mittels trennenden Verfahren hineingefräst, -gesägt, -gelasert oder -geschnitten wird und/oder mittels umformenden Verfahren eingeprägt, abgeformt wird und/oder direkt mit urformenden Verfahren wie Spritzguss erzeugt wird.
Es wäre auch denkbar, dass sich die erste Kanalstruktur 11 sowohl abschnittsweise in radialer Richtung 34 als auch abschnittsweise in axialer Richtung 33 erstreckt.
Alternativ oder zusätzlich erstrecken sich die zweite und dritte Kanalstruktur 22a, 22b, 23a, 23b in dem zweiten Ventilelement 20 zumindest abschnittsweise in radialer Richtung 34 (1A). Genauer gesagt erstrecken sich die in dem ersten Teil 20b des zweiten Ventilelements 20 angeordneten Abschnitte 22b, 23b der Kanalstrukturen 22a, 22b, 23a, 23b zumindest abschnittsweise in radialer Richtung 34. Dies kann fertigungstechnisch beispielsweise dadurch realisiert werden, dass diese Abschnitte 22b, 23b von oben in das zweite Ventilelement 20 mittels trennenden Verfahren hineingefräst, -gesägt, -gelasert oder -geschnitten werden und/oder mit umformenden Verfahren eingeprägt, abgeformt werden und/oder direkt mit urformenden Verfahren wie Spritzguss erzeugt werden. Dies sind relativ einfache Verfahrensschritte, die die Herstellung erleichtern und somit die Stückkosten erheblich reduzieren können.
Ebenso wäre es denkbar, dass die zweite Kanalstruktur 22a, 22b und/oder die dritte Kanalstruktur 23a, 23b sich zumindest abschnittsweise in axialer Richtung 33 durch das zweite Ventilelement 20 bzw. den ersten Teil 20b des zweiten Ventilelements 20 hindurch erstreckt. Dabei könnte die zweite Kanalstruktur 22a, 22b einen von der dritten Kanalstruktur 23a, 23b unterschiedlichen Strömungsquerschnitt aufweisen.
Das erste Ventilelement 10 weist eine dem zweiten Ventilelement 20 zugewandte Fläche 12 auf (1A und 1C). Das erste Ventilelement 10 und das zweite Ventilelement 20 sind relativ zueinander bewegbar, und zwar in der abgebildeten und parallel zu dieser Fläche 12 verlaufenden Ebene E₁. Die beiden Ventilelemente 10, 20 können beispielsweise in dieser Ebene E₁ translatorisch zueinander bewegbar sein und somit gegeneinander verschoben werden.
Das erste Ventilelement 10 und das zweite Ventilelement 20 sind in den abgebildeten Ausführungsbeispielen rotatorisch relativ zueinander bewegbar, sodass eine Bewegung von der ersten Stellung der Ventilelemente 10, 20 (1B) zu der zweiten Stellung der Ventilelemente 10, 20 (1D) mittels einer Rotation des ersten Ventilelements 10 relativ zu dem zweiten Ventilelement 20 ausführbar ist. Hierbei kann, z.B. mittels eines Schrittmotors, entweder das erste Ventilelement 10 gegenüber dem zweiten Ventilelement 20 gedreht werden, oder das zweite Ventilelement 20 gegenüber dem ersten Ventilelement 10 gedreht werden.
Wie in den 1A bis 1D zu erkennen ist, kann das Expansionsventil 100 eine Abdeckung 30 aufweisen. Die Abdeckung 30 weist eine Ausnehmung 31 auf. Die Abdeckung 30 ist unbeweglich mit dem zweiten Ventilelement 20 verbunden. Das erste Ventilelement 10 ist innerhalb dieser Abdeckung 30, bzw. innerhalb der Ausnehmung 31, relativ zu dem zweiten Ventilelement 20, und somit auch relativ zu der Abdeckung 30, bewegbar angeordnet. In diesem Fall kann also das erste Ventilelement 10 in dem Expansionsventil 100 beweglich, insbesondere rotatorisch beweglich, angeordnet sein.
Hierfür weist das Expansionsventil 100 eine Achse 41 auf, die beispielsweise drehfest an dem zweiten Ventilelement 20 und/oder an der Abdeckung 30 angeordnet sein kann. Das erste Ventilelement 10 ist mittels einer entsprechenden Aufnahme 42 beweglich, insbesondere drehbar, an dieser Achse 41 gelagert.
Wie in 1A zu sehen ist, ist die Achse 41 mittig, d.h. im Zentrum des zweiten Ventilelements 20, angeordnet. Auch die Aufnahme 42 des ersten Ventilelements 10 ist mittig in dem ersten Ventilelement 10 angeordnet. Das heißt, das erste Ventilelement 10 und das zweite Ventilelement 20 sind konzentrisch um diese Achse 41 angeordnet. Somit sind das erste Ventilelement 10 und das zweite Ventilelement 20 konzentrisch zueinander angeordnet.
Es ist aber auch denkbar, dass die Achse 41 außermittig, d.h. nicht im Zentrum des zweiten Ventilelements 20, angeordnet ist. Dann wäre zwar das erste Ventilelement 10 weiterhin konzentrisch zu der Achse 41 angeordnet. Das erste Ventilelement 10 und das zweite Ventilelement 20 wären dann jedoch nicht mehr konzentrisch, sondern exzentrisch, zueinander angeordnet.
Es wäre auch denkbar, dass die Aufnahme 42 in dem ersten Ventilelement 10 außermittig, d.h. nicht im Zentrum des ersten Ventilelements 10, angeordnet ist. Dann wäre das erste Ventilelement 10 nicht konzentrisch sondern exzentrisch zu der Achse 41 angeordnet.
In dem in 1A abgebildeten Ausführungsbeispiel ist eine dem zweiten Ventilelement 20 zugewandte Unterseitenfläche 27 der Abdeckung 30 mit einer Oberfläche 28 des zweiten Ventilelements 20 gekoppelt, z.B. verklebt. In diesem Fall ist also die Abdeckung 30 auf dem zweiten Ventilelement 20 angeordnet. Das zweite Ventilelement 20 kann sozusagen zusammen mit der Abdeckung 30 ein Gehäuse, insbesondere ein fluiddichtes Gehäuse, bilden.
Es wäre aber ebenso denkbar, dass eine Innenwand 26 der Abdeckung 30 mit einer lateral umlaufenden Außenwand 29a, 29b des zweiten Ventilelements 20 gekoppelt ist. In diesem Fall würde das zweite Ventilelement 20 innerhalb der Ausnehmung 31 der Abdeckung 30 Platz finden. Das zweite Ventilelement 20 kann auch in diesem Fall zusammen mit der Abdeckung 30 ein Gehäuse, insbesondere ein fluiddichtes Gehäuse, bilden. Vorzugsweise wäre dann noch ein zusätzlicher (hier nicht abgebildeter) Deckel mit der Unterseitenfläche 27 der Abdeckung 30 gekoppelt.
In der Abdeckung 30 kann beispielsweise der Fluideinlass 101 angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich zu dem Fluideinlass 101 in der Abdeckung 30 kann in dem zweiten Ventilelement 20, und/oder in dem nicht dargestellten Deckel, ein Fluideinlass 101' vorgesehen sein. In 1A ist dieser optionale Fluideinlass 101' mit Strichlinien angedeutet. Der Fluideinlass 101 kann auch seitlich in der Abdeckung 30 angeordnet sein. Es sollte jedoch mindestens ein Fluideinlass vorhanden sein, der es ermöglicht, das Fluid in die Ausnehmung 31 der Abdeckung 30 einzuleiten, um das Fluid zu den Kanalstrukturen der beiden Ventilelemente 10, 20 zu leiten.
Wenn die Abdeckung 30 mit dem zweiten Ventilelement 20 verbunden ist, bildet die Ausnehmung 31 der Abdeckung 30 eine Fluidkammer 32 (1B) aus. Das Fluid kann somit also durch den Fluideinlass 101 in die durch die Ausnehmung der Abdeckung 30 gebildete Fluidkammer 32 einströmen. Mittels dieser Abdeckung 30 kann somit gewährleistet werden, dass das Fluid in die Kanalstrukturen 11, 22a, 22b, 23a, 23b geleitet wird.
In diesem Ausführungsbeispiel ist außerdem zu erkennen, dass das erste Ventilelement 10 vor dem zweiten Ventilelement 20 angeordnet ist, bezogen auf die Strömungsrichtung des Fluids von dem Fluideinlass 101 zu dem Fluidauslass 102. Somit strömt das Fluid zunächst in die in dem ersten Ventilelement 10 ausgebildete erste Kanalstruktur 11 und von dort aus dann, je nach Schaltstellung des Expansionsventils 100, in zumindest einer der in dem zweiten Ventilelement 20 angeordneten Kanalstrukturen 22a, 22b, 23a, 23b.
In den 2A und 2B ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Expansionsventils 100 abgebildet.
Hier weist das Expansionsventil 100 ebenfalls eine Abdeckung 30 auf, jedoch mit dem Unterschied, dass die Abdeckung 30 hier unbeweglich mit dem ersten Ventilelement 10 verbunden ist und das zweite Ventilelement 20 innerhalb der Abdeckung 30 relativ zu dem ersten Ventilelement 10 bewegbar angeordnet ist.
Hierfür ist eine Achse 41 drehfest an dem ersten Ventilelement 10 und/oder dem Gehäuse 30 angeordnet. Das zweite Ventilelement 20 ist ebenfalls zweiteilig ausgebildet, wobei der erste Teil 20b und der zweite Teil 20a jeweils mittels einer entsprechenden Aufnahme 42 beweglich, insbesondere drehbar, an dieser Achse 41 gelagert sind.
Wie in 2A zu sehen ist, ist die Achse 41 mittig, d.h. im Zentrum des ersten Ventilelements 10, angeordnet. Auch die Aufnahme 42 des zweiten Ventilelements 20 ist mittig in dem zweiten Ventilelement 20 angeordnet. Das heißt, das erste Ventilelement 10 und das zweite Ventilelement 20 sind konzentrisch um diese Achse 41 angeordnet. Somit sind das erste Ventilelement 10 und das zweite Ventilelement 20 konzentrisch zueinander angeordnet.
Es ist aber auch denkbar, dass die Achse 41 außermittig, d.h. nicht im Zentrum des ersten Ventilelements 10, angeordnet ist. Dann wäre zwar das zweite Ventilelement 20 weiterhin konzentrisch zu der Achse 41 angeordnet. Das erste Ventilelement 10 und das zweite Ventilelement 20 wären dann jedoch nicht mehr konzentrisch, sondern exzentrisch, zueinander angeordnet.
Es wäre auch denkbar, dass die Aufnahme 42 in dem zweiten Ventilelement 20 außermittig, d.h. nicht im Zentrum des zweiten Ventilelements 20, angeordnet ist. Dann wäre das zweite Ventilelement 20 nicht konzentrisch sondern exzentrisch zu der Achse 41 angeordnet.
Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform (1A bis 1D) ist das zweite Ventilelement 20 hier vor dem ersten Ventilelement 10 angeordnet, bezogen auf die Strömungsrichtung des Fluids von dem Fluideinlass 101 zu dem Fluidauslass 102.
Wie zuvor erwähnt, ist das zweite Ventilelement 20 zweiteilig ausgebildet, wobei ein erster Teil 20b des zweiten Veritilelements 20 die zweite und dritte Kanalstruktur 22a, 22b; 23a, 23b aufweist, und ein zweiter Teil 20a des zweiten Ventilelements 20 eine geschlossene Abdeckung der zweiten und dritten Kanalstrukturen 22a, 22b; 23a, 23b bildet.
Ferner bildet in dieser Ausführungsform die erste Kanalstruktur 11 gleichzeitig den Fluidauslass 102 des Expansionsventils 100.
2B zeigt ein zusammengesetztes Expansionsventil 100 und den sich durch das Expansionsventil 100 hindurch ergebenden Fluidströmungspfad 112. Das Fluid tritt durch den Fluideinlass 101 in das Expansionsventil 100 ein, strömt dann durch die in dem zweiten Ventilelement 20 ausgebildeten Kanalstrukturen 22a, 22b, 23a, 23b und tritt dann durch den Fluidauslass 101, der von der in dem ersten Ventilelement 10 ausgebildeten ersten Kanalstruktur 11 gebildet wird, wieder aus dem Expansionsventil 100 aus.
In dem in 2B abgebildeten Ausführungsbeispiel befindet sich das Expansionsventil 100 in einer ersten Schaltstellung. Genauer gesagt befinden sich die beiden Ventilelemente 10, 20 in einer ersten Stellung relativ zueinander, wobei in dieser ersten Stellung die erste Kanalstruktur 11 und die zweite Kanalstruktur 22a, 22b zueinander ausgerichtet sind und einen ersten Fluidströmungspfad 112 mit einem ersten Strömungswiderstand zwischen dem Fluideinlass 101 und dem Fluidauslass 102 bilden.
In einer zweiten Schaltstellung, die hier nicht explizit dargestellt ist, wäre das zweite Ventilelement 20 im Gegensatz zu der in 2B abgebildeten ersten Schaltstellung beispielsweise um 180° gedreht. In diesem Fall würden die erste Kanalstruktur 11 und die dritte Kanalstruktur 23a, 23b zueinander ausgerichtet sein und einen zweiten Fluidströmungspfad mit einem zweiten von dem ersten Strömungswiderstand verschiedenen Strömungswiderstand zwischen dem Fluideinlass 101 und dem Fluidauslass 102 bilden.
Mit Ausnahme der soeben beschrieben strukturellen Unterschiede des in den 2A und 2B abgebildeten Ausführungsbeispiels gilt für diese Ausführungsform ansonsten dasselbe wie für die zuvor mit Bezug auf die 1A bis 1D beschriebenen Ausführungsbeispiele.
Daher soll nachfolgend für alle in den 1A bis 2B dargestellten Ausführungsformen die gemeinsame Funktionsweise näher erläutert werden. Sowohl bei dem Expansionsventil 100 gemäß der ersten Ausführungsform (1A bis 1D) als auch bei dem Expansionsventil 100 gemäß der zweiten Ausführungsform (2A, 2B) handelt es sich um eine Verschaltung der Kanalstrukturen, die im Folgenden auch als Individualschaltung bezeichnet werden kann.
Diese Individualschaltung zeichnet sich unter anderem dadurch aus, dass in der ersten und zweiten Stellung der Ventilelemente 10, 20 jeweils genau eine der zweiten und dritten Kanalstrukturen 22a, 22b; 23a, 23b des zweiten Ventilelements 20 mit dem Fluidauslass 102 fluidisch gekoppelt ist, um einen einzigen Fluidströmungspfad 111, 112 zwischen dem Fluideinlass 101 und dem Fluidauslass 102 zu bilden.
Das heißt, es ist immer genau eine der zweiten und dritten Kanalstrukturen 22a, 22b; 23a, 23b des zweiten Ventilelements 20 zu der in dem ersten Ventilelement 10 ausgebildeten ersten Kanalstruktur 11 ausgerichtet.
Zur näheren Erläuterung soll hierfür nochmals auf 1A verwiesen werden. Wie eingangs erwähnt, kann das zweite Ventilelement 20 neben der zweiten und dritten Kanalstruktur 22a, 22b, 23a, 23b auch noch weitere Kanalstrukturen 24a, 24b, 25a, 25b aufweisen. Das erste Ventilelement 10 hingegen weist lediglich eine Kanalstruktur, nämlich die erste Kanalstruktur 11, auf.
Die beiden Ventilelemente 10, 20 werden, z.B. mittels eines zuvor erwähnten Schrittmotors, relativ zueinander bewegt, und zwar derart, dass die erste Kanalstruktur 11 des ersten Ventilelements 10 immer nur zu einer einzigen Kanalstruktur 22a, 22b, 23a, 23b, 24a, 24b, 25a, 25b des zweiten Ventilelements 20 ausgerichtet ist.
Die einzelnen Kanalstrukturen 22a, 22b, 23a, 23b, 24a, 24b, 25a, 25b des zweiten Ventilelements 20 weisen unterschiedliche Strömungsquerschnitte auf. Darüber hinaus münden alle Kanalstrukturen 22a, 22b, 23a, 23b, 24a, 24b, 25a, 25b, bzw. zumindest deren sich radial erstreckenden Abschnitte 22b, 23b, 24b, 25b in eine gemeinsame Kanalstruktur 55.
Somit ergibt sich die Drosselung der Durchflussrate zum einen durch die individuelle Länge und den individuellen, nicht notwendigerweise über die Kanallänge gleichbleibenden bzw. geometrisch variablen, Strömungsquerschnitt jeder einzelnen Kanalstruktur 22a, 22b, 23a, 23b, 24a, 24b, 25a, 25b, und zum anderen durch die Länge und den Strömungsquerschnitt der gemeinsamen Kanalstruktur 55. Es bilden sich somit kanalindividuelle Fluidströmungspfade mit individuellen Drosselraten aus.
Je länger der vom Fluid zurückgelegte Fluidströmungspfad ist, desto mehr spielt ein weiteres Kriterium eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der individuellen Drosselrate. Das durch eine Kanalstruktur hindurch strömende Fluid erfährt an der Oberfläche der Wände der jeweiligen Kanalstruktur eine Reibung, die das Fluid zusätzlich abbremst. Die einzelnen Kanalstrukturen können daher erfindungsgemäß mit einer bestimmten Oberflächenrauigkeit versehen werden. In Versuchen hat sich gezeigt, dass mit dem Einstellen der Oberflächenrauigkeit Unterschiede in der Drosselrate von bis zu 10% erkennbar waren, im Vergleich zu fluidisch glatten Oberflächenbeschaffenheiten der Kanalstrukturen.
Neben dieser soeben beschrieben Individualschaltung sehen weitere Ausführungsbeispiele eine Reihenschaltung und/oder eine Parallelschaltung der Kanalstrukturen vor. Eine Reihenschaltung der Kanalstrukturen der ersten Ausführungsform (1A bis 1D) soll nachfolgend mit Bezug auf die 3A und 3B beschrieben werden.
Die Reihenschaltung kennzeichnet sich unter anderem dadurch, dass die zweite Kanalstruktur 22a, 22b und die dritte Kanalstruktur 23a, 23b innerhalb des zweiten Ventilelements 20 zumindest abschnittsweise 22b, 23b miteinander verbunden sind, wobei sich in der zweiten Stellung der Ventilelemente 10, 20 der zweite Fluidströmungspfad aus der zweiten und der damit verbundenen dritten Kanalstruktur zusammensetzt 22b, 23b, und der zweite Fluidströmungspfad einen Gesamtströmungswiderstand aufweist, der sich aus dem Strömungswiderstand der zweiten Kanalstruktur 22b und dem Strömungswiderstand der damit verbundenen dritten Kanalstruktur 23b zusammensetzt.
Auch hier ist das zweite Ventilelement 20 wieder zweiteilig ausgebildet. In dem ersten Teil 20b sind mehrere, hier beispielhaft insgesamt fünf, verschiedene Kanalstrukturen 22b, 23b, 24b, 25b, 26b ausgebildet. Die einzelnen Kanalstrukturen 22b, 23b, 24b, 25b, 26b sind alle untereinander fluidisch verbunden, sodass diese eine lange Kette bzw. eine Reihenschaltung von mehreren Kanalstrukturen bilden.
Das Expansionsventil 100 weist jedoch nur einen gemeinsamen Fluidauslass 102 auf, der mit der ersten bzw. letzten Kanalstruktur 22b aus der Reihenschaltung verbunden ist. Je nachdem in welcher Kanalstruktur 22b, 23b, 24b, 25b, 26b das Fluid letztlich eintritt, muss das Fluid unterschiedlich lange Wege bis zum Fluidauslass 102 durchlaufen.
Der Gesamtströmungswiderstand setzt sich hierbei aus den einzelnen Strömungswiderständen der jeweils durchlaufenen Kanalstrukturen zusammen. Dabei können die einzelnen Kanalstrukturen 22b, 23b, 24b, 25b, 26b außerdem unterschiedliche, nicht notwendigerweise über die Kanallänge gleichbleibende bzw. geometrisch variable, Strömungsquerschnitte aufweisen.
In dem zweiten Teil 20a des zweiten Ventilelements 20 sind entsprechend viele, hier also ebenfalls fünf, Kanalstrukturen 22a, 23a, 24a, 25a, 26a ausgebildet, die zu den in dem ersten Teil 20b des zweiten Ventilelements 20 ausgebildeten Kanalstrukturen 22b, 23b, 24b, 25b, 26b ausgerichtet sind.
Das erste Ventilelement 10 ist drehbar gegenüber dem zweiten Ventilelement 20 und weist die erste Kanalstruktur 11 auf. Die erste Kanalstruktur 11 kann nun in verschiedenen Schaltstufen wahlweise zu einer der in dem zweiten Ventilelement 20 ausgebildeten Kanalstrukturen 22a, 22b, 23a, 23b, 24a, 24b, 25a, 25b, 26a, 26b ausgerichtet werden. Je nach ausgewählter Schaltstufe bildet sich ein unterschiedlich langer Fluidströmungspfad aus, den das durchströmende Fluid zurücklegen muss, um zu dem Fluidauslass 102 zu gelangen.
Eine dieser mehreren möglichen Schaltstellungen ist beispielhaft in 3B zu sehen. Hier ist das erste Ventilelement 10 gegenüber dem zweiten Ventilelement 20 derart ausgerichtet, dass die erste Kanalstruktur 11 zu der sechsten Kanalstruktur 26a, 26b ausgerichtet ist.
Der sich dabei ergebende Fluidströmungspfad ist mit dem strichlinierten Pfeil 121 eingezeichnet. Das Fluid tritt also durch den Fluideinlass 101 in das Expansionsventil 100 ein, strömt dann durch die erste Kanalstruktur 11, die zu der sechsten Kanalstruktur 26a, 26b ausgerichtet ist, durch alle weiteren Kanalstrukturen 25b, 24b, 23b hindurch, um dann nach Durchströmen der ersten Kanalstruktur 22b in den Fluidauslass 102 zu münden.
Das Fluid mäandert sich sozusagen durch die gesamte Reihenschaltung von Kanalstrukturen hindurch und wird dabei entsprechend gedrosselt.
Eine Reihenschaltung der zweiten Ausführungsform (2A und 2B) soll nachfolgend mit Bezug auf die 4A und 4B beschrieben werden.
Auch diese Reihenschaltung kennzeichnet sich unter anderem dadurch, dass die zweite Kanalstruktur 22a, 22b und die dritte Kanalstruktur 23a, 23b innerhalb des zweiten Ventilelements 20 zumindest abschnittsweise 22b, 23b miteinander verbunden sind, wobei sich in der zweiten Stellung der Ventilelemente 10, 20 der zweite Fluidströmungspfad aus der zweiten und der damit verbundenen dritten Kanalstruktur 22b, 23b zusammensetzt, und der zweite Fluidströmungspfad einen Gesamtströmungswiderstand aufweist, der sich aus dem Strömungswiderstand der zweiten Kanalstruktur 22b und dem Strömungswiderstand der damit verbundenen dritten Kanalstruktur 23b zusammensetzt.
Auch hier ist das zweite Ventilelement 20 wieder zweiteilig ausgebildet. In dem ersten Teil 20b sind mehrere, hier beispielhaft insgesamt fünf, verschiedene Kanalstrukturen 22a, 22b, 23a, 23b, 24a, 24b, 25a, 25b, 26a, 26b ausgebildet. Die einzelnen Kanalstrukturen 22a, 22b, 23a, 23b, 24a, 24b, 25a, 25b, 26a, 26b, beziehungsweise Abschnitte 22b, 23b, 24b, 25b, 26b davon, sind alle untereinander fluidisch verbunden, sodass diese eine lange Kette bzw. eine Reihenschaltung von mehreren Kanalstrukturen bilden.
Im Gegensatz zu der zuvor beschriebenen Reihenschaltung ist hier jedoch zu beachten, dass jede Kanalstruktur einen radialen Abschnitt 22b, 23b, 24b, 25b, 26b sowie einen axialen Abschnitt 22a, 23a, 24a, 25a, 26a aufweist. In der in 4A abgebildeten Schnittansicht sind lediglich die axialen Abschnitte 22a und 26a der zweiten bzw. sechsten Kanalstruktur zu erkennen. Die axialen Abschnitte 23a, 24a, 25a der übrigen Kanalstrukturen sind in dieser Schnittansicht verdeckt und daher lediglich mit Strichlinien angedeutet.
Das Expansionsventil 100 weist wiederum nur einen gemeinsamen Fluidauslass 102 auf, der gleichzeitig auch die erste Kanalstruktur 11 des ersten Ventilelements 10 bildet.
Das zweite Ventilelement 20 ist drehbar gegenüber dem ersten Ventilelement 10 und kann nun wahlweise in verschiedene Schaltstufen gedreht werden, wobei in jeder Schaltstufe eine andere der Kanalstrukturen 22a, 22b, 23a, 23b, 24a, 24b, 25a, 25b, 26a, 26b des zweiten Ventilelements 20 zu der ersten Kanalstruktur 11 des ersten Ventilelements 10 ausgerichtet wird. Genauer gesagt wird, je nach Schaltstufe, ein axialer Abschnitt 22a, 23a, 24a, 25a, 26a der jeweiligen Kanalstruktur des zweiten Ventilelements 20 zu der ersten Kanalstruktur 11 des ersten Ventilelements 10 ausgerichtet.
Das Fluid tritt hierbei immer durch den radialen Abschnitt 22b der zweiten Kanalstruktur 22 in das zweite Ventilelement 20 ein. Je nachdem welche Schaltstellung ausgewählt ist, muss das Fluid die entsprechenden weiteren Kanalstrukturen 23a, 23b, 24a, 24b, 25a, 25b, 26a, 26b zusätzlich zur zweiten Kanalstruktur 22a, 22b durchlaufen. Das Fluid muss also unterschiedlich lange Wege bis zum Fluidauslass 102 durchlaufen. Je nach ausgewählter Schaltstufe bildet sich also ein unterschiedlich langer Fluidströmungspfad aus, den das durchströmende Fluid zurücklegen muss, um zu dem Fluidauslass 102 zu gelangen.
Der Gesamtströmungswiderstand setzt sich hierbei aus den einzelnen Strömungswiderständen der jeweils durchlaufenen Kanalstrukturen zusammen. Dabei können die einzelnen Kanalstrukturen 22a, 22b, 23a, 23b, 24a, 24b, 25a, 25b, 26a, 26b außerdem unterschiedliche, nicht notwendigerweise über die Kanallänge gleichbleibende bzw. geometrisch variable, Strömungsquerschnitte aufweisen.
Eine dieser mehreren möglichen Schaltstellungen ist beispielhaft in 4B zu sehen. Hier ist das zweite Ventilelement 11 gegenüber dem ersten Ventilelement 10 derart angeordnet, dass die zweite Kanalstruktur 22a, 22b zu der ersten Kanalstruktur 11 ausgerichtet ist.
Der sich dabei ergebende Fluidströmungspfad ist mit dem strichlinierten Pfeil 122 eingezeichnet. Dabei strömt das Fluid durch den radialen Abschnitt 22b der zweiten Kanalstruktur in das zweite Ventilelement 20 hinein und strömt durch den axialen Abschnitt 22a der zweiten Kanalstruktur 20 zu der ersten Kanalstruktur 11, die gleichzeitig der Fluidauslass 102 ist.
In einer, nicht explizit dargestellten, weiteren Schaltstellung wäre das zweite Ventilelement 20 beispielsweise um 180° gegenüber der in 4B abgebildeten Schaltstellung gedreht. In diesem Fall würde der axiale Abschnitt 26a der sechsten Kanalstruktur zu der ersten Kanalstruktur 11 (= Fluidauslass 102) ausgerichtet sein. Das Fluid würde dann durch den radialen Abschnitt 22b der zweiten Kanalstruktur in das zweite Ventilelement 20 eintreten und dann entlang aller weiteren in Reihe geschalteter Kanalstrukturen 23a, 23b, 24a, 24b, 25a, 25b, 26a, 26b strömen, um schließlich durch den axialen Abschnitt 26a der sechsten Kanalstruktur in die erste Kanalstruktur 11 (= Fluidauslass 102) zu münden.
Das Fluid mäandert sich sozusagen durch die gesamte Reihenschaltung von Kanalstrukturen hindurch und wird dabei entsprechend gedrosselt.
Alternativ oder zusätzlich kann mit dem erfindungsgemäßen Expansionsventil 100 auch eine Parallelschaltung der Kanalstrukturen realisiert werden, wie dies in den 5A bis 6B exemplarisch gezeigt ist.
Die Parallelschaltung zeichnet sich unter anderem dadurch aus, dass das erste Ventilelement 10 mindestens eine vierte Kanalstruktur 14 aufweist, und wobei in der ersten Stellung der Ventilelemente 10, 20 zusätzlich die dritte Kanalstruktur 23a, 23b des zweiten Ventilelements 20 und die vierte Kanalstruktur 14 des ersten Ventilelements 10 zueinander ausgerichtet sind und einen dritten Fluidströmungspfad mit einem dritten Strömungswiderstand zwischen dem Fluideinlass 101 und dem Fluidauslass 102 bilden.
Der Betrag des dritten Strömungswiderstands kann von dem Betrag des ersten und/oder zweiten Strömungswiderstands abweichen. Das heißt, der dritte Fluidströmungspfad kann eine dritte Drosselstufe bereitstellen.
Das heißt, in der ersten Schaltstellung sind also die erste Kanalstruktur 11 des ersten Ventilelements 10 und die zweite Kanalstruktur 22a, 22b des zweiten Ventilelements 20 zueinander ausgerichtet, und gleichzeitig sind die zweite Kanalstruktur 14 des ersten Ventilelements 10 und die dritte Kanalstruktur 23a, 23b des zweiten Ventilelements 20 zueinander ausgerichtet.
Eine Parallelschaltung der ersten Ausführungsform (1A bis 1D) soll nachfolgend mit Bezug auf die 5A und 5B beschrieben werden.
In dem hier abgebildeten Ausführungsbeispiel weist das erste Ventilelement 10 mindestens eine weitere Kanalstruktur 14 auf. Das erste Ventilelement 10 weist hier sogar drei weitere Kanalstrukturen, nämlich eine siebte Kanalstruktur 14, eine achte Kanalstruktur 14' und eine neunte Kanalstruktur 14" auf.
Das zweite Ventilelement 20 entspricht im Wesentlichen der mit Bezug auf die 1A bis 1D beschriebenen Ausführungsform. Die in dem zweiten Ventilelement 20 ausgebildeten Kanalstrukturen, nämlich eine zweite Kanalstruktur 22a, 22b, eine dritte Kanalstruktur 23a, 23b, eine vierte Kanalstruktur 24a, 24b und eine fünfte Kanalstruktur 25a, 25b, münden in eine gemeinsame Kanalstruktur 55, die zu dem gemeinsamen Fluidauslass 102 führt.
Die einzelnen Kanalstrukturen 11, 14, 14', 14" des ersten Ventilelements 10 können zu den Kanalstrukturen, und insbesondere zu den axialen Abschnitten 22a, 23a, 24a, 25a, der Kanalstrukturen in dem zweiten Ventilelement 20 ausgerichtet werden. So werden unterschiedliche Schaltstellungen ermöglicht, wobei je nach Schaltstellung eine unterschiedliche Anzahl der vier Kanalstrukturen 11, 14, 14', 14" des ersten Ventilelements 10 zu den vier Kanalstrukturen 22a, 23a, 24a, 25a des zweiten Ventilelements 20 ausgerichtet sind.
5B zeigt beispielhaft eine Schaltstellung, in der alle vier Kanalstrukturen 11, 14, 14', 14" des ersten Ventilelements 10 zu den vier Kanalstrukturen 22a, 23a, 24a, 25a des zweiten Ventilelements 20 ausgerichtet sind. Der sich dabei ergebende Fluidfluss ist mit dem Pfeil 123 eingezeichnet.
Das Fluid strömt also durch alle vier Kanalstrukturen 11, 14, 14', 14" des ersten Ventilelements 10, sowie durch alle dazu ausgerichteten vier Kanalstrukturen 22a, 23a, 24a, 25a des zweiten Ventilelements 20. Hierbei handelt es sich sozusagen um die größte Schaltstufe, bei der alle Kanalstrukturen gleichzeitig aktiv sind. Dementsprechend kann die Durchflussrate des Fluids bei dieser Schaltstellung am größten sein, da das Fluid durch alle Kanalstrukturen gleichzeitig strömen kann.
Der Gesamtströmungswiderstand setzt sich hierbei jedoch auch wieder aus den einzelnen Flusswiderständen der jeweils durchlaufenen Kanalstrukturen zusammen. Dabei können die einzelnen Kanalstrukturen 22a, 22b, 23a, 23b, 24a, 24b, 25a, 25b, 26a, 26b außerdem unterschiedliche, nicht notwendigerweise über die Kanallänge gleichbleibende bzw. geometrisch variable, Strömungsquerschnitte aufweisen.
Eine Stoppfunktion könnte hier beispielsweise durch Drehung des ersten Ventilelements 10 um 180° im Vergleich zu der in 5B gezeigten Schaltstellung erreicht werden. Dabei würde keine der Kanalstrukturen 11, 14, 14', 14" des ersten Ventilelements 10 zu irgend einer der Kanalstrukturen 22a, 22b, 23a, 23b, 24a, 24b, 25a, 25b, 26a, 26b des zweiten Ventilelements 20 ausgerichtet sein.
All den bisher beschriebenen Ausführungsformen ist gemein, dass das Expansionsventil 100 genau einen Fluidauslass 102 aufweist und die zweite und dritte Kanalstruktur 22a, 22b; 23a, 23b des zweiten Ventilelements 20 mit diesem einen Fluidauslass 102 fluidisch koppelbar sind. Auch wenn nicht explizit in den Figuren dargestellt, wäre es jedoch auch möglich, dass die erfindungsgemäßen Expansionsventile 100 nicht genau einen, sondern mindestens einen Fluidauslass 102 aufweisen, d.h. die Expansionsventile 100 können auch einen zweiten, dritten, oder beliebig viele Fluidauslässe 102 aufweisen.
Ein solcher Fall ist exemplarisch in der in den 6A und 6B abgebildeten Parallelschaltung der zweiten Ausführungsform (2A und 2B) dargestellt, wobei das erste Ventilelement 10 mindestens eine vierte Kanalstruktur 14 aufweist und die erste und die vierte Kanalstruktur 11, 14 jeweils einen Fluidauslass 102, 102', 102", 102"' des Expansionsventils 100 bilden.
In dem hier abgebildeten Ausführungsbeispiel weist das erste Ventilelement 10 mindestens eine weitere Kanalstruktur 14 auf. Das erste Ventilelement 10 weist hier sogar drei weitere Kanalstrukturen, nämlich eine siebte Kanalstruktur 14, eine achte Kanalstruktur 14' und eine neunte Kanalstruktur 14" auf.
Das zweite Ventilelement 20 entspricht im Wesentlichen der mit Bezug auf die 2A und 2B beschriebenen Ausführungsform. Die in dem zweiten Ventilelement 20 ausgebildeten Kanalstrukturen, nämlich eine zweite Kanalstruktur 22a, 22b, eine dritte Kanalstruktur 23a, 23b, eine vierte Kanalstruktur 24a, 24b und eine fünfte Kanalstruktur 25a, 25b, weisen einen sich radial erstreckenden Abschnitt 22b, 23b, 24b, 25 auf, durch den das Fluid in das zweite Ventilelement 20 einströmen kann, sowie einen axialen Abschnitt 22a, 23a, 24a, 25a, der zu mindestens einer der in dem ersten Ventilelement 10 angeordneten Kanalstrukturen 11, 14, 14', 14" ausgerichtet werden kann.
So werden unterschiedliche Schaltstellungen ermöglicht, wobei je nach Schaltstellung eine unterschiedliche Anzahl der vier Kanalstrukturen 22a, 23a, 24a, 25a des zweiten Ventilelements 20 zu den vier Kanalstrukturen 11, 14, 14', 14" des ersten Ventilelements 10 ausgerichtet sind.
6B zeigt das Expansionsventil 100 beispielhaft in der in 6A besser sichtbaren Schaltstellung, in der alle vier Kanalstrukturen 22a, 23a, 24a, 25a des zweiten Ventilelements 20 zu den vier Kanalstrukturen 11, 14, 14', 14" des ersten Ventilelements 10 ausgerichtet sind. Der sich dabei ergebende Fluidfluss ist mit den Pfeilen 124, 124', 124", 124"' eingezeichnet. Das Fluid verlässt das Expansionsventil 100 durch alle freigeschalteten Fluidauslässe 11, 14, 14', 14", was wiederum mit den den Fluidfluss kennzeichnenden Pfeilen 124', 124", 124'" dargestellt ist.
Genauer gesagt strömt das Fluid zunächst durch den Fluideinlass 101 in das Expansionsventil 100 hinein. Es verteilt sich dann auf alle vier Kanalstrukturen 22a, 22b, 23a, 23b, 24a, 24b, 25a, 25b in dem zweiten Ventilelement 20, was mit den Pfeilen 124, 124', 124", 124"' dargestellt ist. Das heißt, ein erster Teil 124 des Fluidstroms tritt bei der ersten Kanalstruktur 22a, 22b ein, ein zweiter Teil 124' des Fluidstroms tritt bei der zweiten Kanalstruktur 23a, 23b ein, ein dritter Teil 124" des Fluidstroms tritt bei der dritten Kanalstruktur 24a, 24b ein, und ein vierter Teil 124'" des Fluidstroms tritt bei der vierten Kanalstruktur 25a, 25b ein.
Das Fluid strömt also durch alle vier radialen Abschnitte 22b, 23b, 24b, 25b der vier Kanalstrukturen des zweiten Ventilelements 20 in das zweite Ventilelement 20 hinein. Dann strömt das Fluid in die axialen Abschnitte 22a, 23a, 24a, 25a der Kanalstrukturen des zweiten Ventilelements 20, die in der abgebildeten Schaltstellung alle zu jeweils einer Kanalstruktur 11, 14, 14', 14" des ersten Ventilelements 10 ausgerichtet sind. Das Fluid verlässt das Expansionsventil 100 durch die jeweiligen Kanalstrukturen 11, 14, 14', 14" des ersten Ventilelements 10, da diese gleichzeitig die mehreren Fluidauslässe 102, 102', 102", 102"' des Expansionsventils bilden.
Bei der in 6B abgebildeten Schaltstufe handelt es sich sozusagen um die größte Schaltstufe, bei der alle Kanalstrukturen gleichzeitig aktiv sind. Dementsprechend kann die Durchflussrate des Fluids bei dieser Schaltstellung am größten sein, da das Fluid durch alle Kanalstrukturen gleichzeitig strömen kann.
Der Gesamtströmungswiderstand setzt sich hierbei auch wieder aus den einzelnen Strömungswiderständen der jeweils durchströmten Kanalstrukturen zusammen. Dabei können die einzelnen Kanalstrukturen 22a, 22b, 23a, 23b, 24a, 24b, 25a, 25b, 26a, 26b außerdem unterschiedliche, nicht notwendigerweise über die Kanallänge gleichbleibende bzw. geometrisch variable, Strömungsquerschnitte aufweisen.
Eine Stoppfunktion könnte hier beispielsweise durch Drehung des zweiten Ventilelements 20 um 180° im Vergleich zu der in 6A gezeigten Schaltstellung erreicht werden. Dabei würde keine der Kanalstrukturen 22a, 22b, 23a, 23b, 24a, 24b, 25a, 25b, 26a, 26b des zweiten Ventilelements 20 zu irgend einer der Kanalstrukturen 11, 14, 14', 14" des ersten Ventilelements 10 ausgerichtet sein.
Erfindungsgemäß sind bei dem hier vorgeschlagenen Expansionsventil 100 die einzelnen Stellungen der Ventilelemente 10, 20 zueinander in diskreten Stufen schaltbar.
Das Expansionsventil 100 könnte prinzipiell auch eine Kombination einer Parallelschaltung mit einer Reihenschaltung aufweisen. Ein solcher Fall ist beispielhaft in Form eines schematischen Blockdiagramms in 7 gezeigt.
Der durch das Expansionsventil 100 verlaufende Fluidstrom führt zunächst durch eine Kanalstruktur 22 mit einem ersten Strömungswiderstand 71 und anschließend in eine Parallelschaltung von Kanalstrukturen 23, 24, 25 mit einem zweiten Strömungswiderstand 72, einem dritten Strömungswiderstand 73 und einem vierten Strömungswiderstand 74. Die Strömungswiderstände 71, 72, 73, 74 können gleich groß oder unterschiedlich sein. Die Kanalstruktur 22 ist mit der Parallelschaltung der Kanalstrukturen 23, 24, 25 in Reihe geschalten. Der Gesamtströmungswiderstand setzt sich hierbei auch wieder aus den einzelnen Strömungswiderständen der jeweils durchströmten Kanalstrukturen 22, 23, 24, 25 zusammen.
Das Expansionsventil 100 kann aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sein, d.h. das Expansionsventil 100 kann beispielsweise Metall, Kunststoff, Glas oder Keramik aufweisen.
Die einzelnen Teile, d.h. das erste Ventilelement 10, das zweite Ventilelement 20 und die Abdeckung 30 können miteinander verschraubt, verklemmt, verklebt oder verschweißt sein.
Die Kanalstrukturen, und hierbei insbesondere die radial verlaufenden Kanalstrukturen 22b, 23b, 24b, 25b, 26b können Mikrokanalstrukturen sein. Diese Mikrokanalstrukturen können Strömungsquerschnitte im Bereich von Quadratmillimetern oder Quadratmikrometern aufweisen. Die Mikrokanalstrukturen können beispielsweise mittels Präzisionsfräsen in das jeweilige Ventilelement 10, 20 eingebracht werden oder mittels Spritzguss oder Prägen erzeugt werden. Es ist auch denkbar, dass die Mikrokanalstrukturen unter Anwendung von Ätzprozessen in das jeweilige Ventilelement 10, 20 eingebracht werden, zum Beispiel wenn das jeweilige Ventilelement 10, 20 Silizium oder andere auf Ätzmittel reaktive Materialien enthält.
Das erfindungsgemäße Expansionsventil 100 kann außerdem Mittel zum Binden von Feuchtigkeit aufweisen. Als ein solches Mittel zum Binden von Feuchtigkeit kann beispielsweise Zeolith eingesetzt werden. Vorzugsweise wird das Zeolith in Form von Schüttgut oder als Sintermaterial eingesetzt.
Die Mittel zum Binden von Feuchtigkeit können beispielsweise in Fluidströmungsrichtung vor dem Fluideinlass 101 angeordnet werden. Vorzugsweise werden die Mittel zum Binden von Feuchtigkeit zwischen dem Fluideinlass 101 und dem ersten bzw. zweiten Ventilelement 10, 20 angeordnet. Die Mittel zum Binden von Feuchtigkeit können beispielsweise in der Ausnehmung 31 der Abdeckung 30 angeordnet sein.
Die Mittel zum Binden von Feuchtigkeit können aber auch in einem oder mehreren der Kanalstrukturen 11, 14, 22, 23, 24, 25, 26 des ersten und/oder zweiten Ventilelements 10, 20 angeordnet werden, insbesondere dann, wenn die Mittel zum Binden von Feuchtigkeit in Form von losem Schüttgut vorliegen.
Die Mittel zum Binden von Feuchtigkeit sind vorteilhaft, um eventuell vorhandene Feuchtigkeit im Kältemittel zu binden und so eine ungewollte Eisbildung an anderer Stelle im Kältekreislauf zu verhindern..
Des Weiteren kann das erfindungsgemäße Expansionsventil 100 mindestens einen Partikelfilter aufweisen. Der Partikelfilter ist vorteilhaft in Strömungsrichtung nach dem Mittel zum Binden von Feuchtigkeit angeordnet. Vorzugsweise filtert der Partikelfilter Partikel, die von dem Mittel zum Binden von Feuchtigkeit stammen, also beispielsweise Zeolithpartikel.
Das erfindungsgemäße Expansionsventil 100 kann beispielsweise in einem Kältekreislauf zwischen zwei Wärmeübertragern anordenbar sein. Derartige Wärmeübertrager können beispielsweise sogenannte Verdampfer oder Verflüssiger sein. Das Expansionsventil kann beispielsweise zwischen einem solchen Verdampfer und einem Verflüssiger angeordnet sein. Das Expansionsventil 100 kann aber auch zwischen mindestens zwei Verdampfern angeordnet sein, denen mindestens ein Verflüssiger nachgeschaltet ist.
Außerdem ist ein Haushaltskältegerät, insbesondere ein Kühl- und/oder Gefriergerät, mit einem erfindungsgemäßen Expansionsventil 100 denkbar. Hierbei sind vorzugsweise Kühl- und/oder Gefriergeräte mit einer Kälteleistung von weniger als 1000 Watt gemeint. Beispielsweise kann es sich hierbei um Kühlschränke, Gefrierschränke, oder um Kühl-Gefrierkombinationen handeln.
Prinzipiell kann das erfindungsgemäße Expansionsventil 100 in jeder Art von Kältemaschine, insbesondere in Kompressionskältemaschinen, einsetzbar sein. Vorzugsweise ist das Expansionsventil 100 aber in Kältemaschinen mit Massenströmen kleiner 3 kg/h einsetzbar.
Nachfolgend soll das erfindungsgemäße Expansionsventil 100 sowie das Konzept der vorliegenden Erfindung nochmals in anderen Worten beschrieben werden:
Ein Gegenstand der Erfindung ist ein Ventil 100, das einen Fluidstrom von nahezu 100% Maximaldurchfluss auf nahezu 0% Durchfluss in diskreten Stufen drosseln kann. Die primäre Anwendung wird als Mikroexpansionsventil 100 in Kältekreisläufen im unteren Kälteleistungsbereich gesehen, da es die eingangs erwähnte Problematik der Kältemitteldosierung bei geringen Masseströmen löst.
Zwei Umsetzungsformen A und B werden mit Bezug auf die Figuren nochmals näher beschrieben. Ein zum Betrieb möglicher Antrieb ist in den Figuren nicht gezeigt. Zum Drehen der Drehscheibe (erstes Ventilelement 10 bzw. zweites Ventilelement 20) kann beispielsweise ein Schrittmotor eingesetzt werden.
Umsetzungsform A
Bei Umsetzungsform A (1A bis 1D) befinden sich im hier zweiteiligen Ventilsitz (zweites Ventilelement 20 mit erstem Teil 20a und zweitem Teil 20b) N Einlässe (axiale Abschnitte 22a, 23a, 24a, 25a) zu individuellen mikrofluidischen Kanalstrukturen (radiale Abschnitte 22b, 23b, 24b, 25b), deren jeweilige Auslässe wiederum zu einem einzigen gemeinsamen Hauptauslass (Fluidauslass 102) zusammengefasst sind.
Auf dem Ventilsitz 20 befindet sich eine drehbare Scheibe (erstes Ventilelement 10). Durch Drehpositionierung des Verteilers (erste Kanalstruktur 11) in der Drehscheibe 10 kann einerseits der Durchfluss durch das Ventil 100 komplett unterbunden oder andererseits jeweils eine der mikrofluidischen Kanalstrukturen 22b, 23b, 24b, 25b freigeschalten werden. Da sich die Kanalstrukturen 22b, 23b, 24b, 25b geometrisch unterscheiden und somit unterschiedlichen Strömungswiderstand besitzen, stellt jede Kanalstruktur 22b, 23b, 24b, 25b eine bestimmte Drosselstufe dar. Eine Struktur im Ventilsitz 20 kann dabei auch so ausgeführt sein, dass keine signifikante Drosselung stattfindet (Durchlass).
Umsetzungsform B
Bei Umsetzungsform B (2A und 2B) befinden sich in der hier zweiteiligen Drehscheibe (zweites Ventilelement 20 mit erstem Teil 20a und zweitem Teil 20b) N Einlässe (radiale Abschnitte 22b, 23b, 24b, 25b) zu individuellen mikrofluidischen Kanalstrukturen (radiale Abschnitte 22b, 23b, 24b, 25b), deren jeweilige Auslässe (axiale Abschnitte 22a, 23a, 24a, 25a) sich an der Gleitfläche 12 zwischen Drehscheibe 20 und Ventilsitz (erstes Ventilelement 10) befinden, d.h. die mikrofluidischen Kanalstrukturen 22b, 23b, 24b, 25b befinden sich komplett in der Scheibe 20.
Der Ventilsitz 10 selbst enthält den Hauptauslass 11, 102. Durch Drehpositionierung der Scheibe 20 auf dem Ventilsitz 10 kann einerseits der Durchfluss durch das Ventil 100 komplett unterbunden oder andererseits jeweils eine der mikrofluidischen Kanalstrukturen 22b, 23b, 24b, 25b freigeschalten werden. Eine Kanalstruktur/Drehposition kann dabei auch so ausgeführt sein, dass keine signifikante Drosselung stattfindet (Durchlass).
Funktionelle Abgrenzung
Fluidik allgemein
Unterscheidet man funktionell

• Wegeventile (Schaltventile): Ventile mit mehreren Schaltstellungen, die das Fluid komplett sperren, freigeben oder zwischen verschiedenen Anschlüssen verschalten.
• Stromventile: Ventile, die den Durchflussquerschnitt reduzieren oder ganz absperren. Im einfachsten Fall ändert sich hier der Durchfluss in Abhängigkeit der Druckdifferenz:
- ￮ Blendenventil (kurze Blendenstrecke) ■ Starr ■ Verstellbar
- o Drosselventil (längere Drosselstrecke) ■ Starr ■ Verstellbar

So kann die vorliegende Erfindung als Wegeventil mit integrierten, verschieden ausgeführten, starren Drosseln betrachtet werden.

Während verstellbare Stromventile typischerweise den effektiven Querschnitt nur lokal eingegrenzt an einer Stelle verändern (vergl. Nadelventil), werden im vorliegenden Fall mikrofluidische Kanalstrukturen „geschalten“, d.h. abhängig von der Schaltstufe werden ggf. auch unterschiedliche Fluidpfade durchströmt. Vergleicht man die vorliegende Erfindung beispielsweise mit einem Nadelventil, so ergeben sich die in Tabelle 1 dargestellten Unterschiede. Tabelle 1: Vergleich Nadelventil mit vorliegender Erfindung.

Nadelventil	Vorliegende Erfindung
Stetiger Schaltverlauf	N diskrete Schaltstufen
Mechanische Präzision und Positioniergenauigkeit des Stellglieds bestimmen die erzielbare Durchflussgenauigkeit.	Lediglich die Präzision der mikrofluidischen Kanalstrukturen bestimmt die erzielbare Durchflussgenauigkeit.
Begrenzter Dynamikbereich: Es ist nicht praktikabel sehr kleine und größere Durchflüsse in einem Ventil abzubilden:	Unbegrenzter Dynamikbereich: Das Stellglied kann - unabhängig vom zu realisierenden Durchfluss - die Schaltpositionen immer gleich Anfahren, da die Veränderung des Durchflusses komplett durch den jeweiligen mikrofluidischen Kanal realisiert wird.
Kleiner Durchfluss erfordert präzise Mechanik da kleinster Ventilspalt, diese präzise Mechanik ist für größere Durchflüsse jedoch zu langsam.

Mit anderen Worten - mit einer relativ groben Ventilaktorik können auch geringe Massenströme präzise gedrosselt werden.
Kältetechnik
In der Kältetechnik werden als „kleine“ (Expansions-)Ventile bevorzugt folgende Ventiltypen eingesetzt:

• Wegeventile basierend auf drehbaren Scheiben (nur an/aus)
• Wegeventile allgemein (nur an/aus bzw. Pulsweitenmodulation)
• Nadelventile (stetige Verstellbarkeit)
• Stromventile basierend auf drehbaren Scheiben (zumindest als Patent)

Weitere technische Ausführungsformen
Zugrundeliegendes Wegeventil
Die Umsetzungsformen A und B können als Kombination eines (makroskopischen) Wegeventils basierend auf einer Drehscheibe und (mikroskopischer) mikrofluidischer Kanälen zur Drosselung verstanden werden.
Alternativ wäre es jedoch auch möglich jedes beliebige andere (translatorische, rotatorische,...) Wegeventil als Grundlage zu verwenden, solange die notwendige Anzahl an Schaltstufen zur Verfügung gestellt wird.
Antrieb
Es wird vorgeschlagen einen Schrittmotor zum Antrieb der Drehscheibe 10, 20 zu verwenden. Grundsätzlich könnten hier auch andere Antriebsformen zum Einsatz kommen.
Verschaltung der Kanalstrukturen
Grundsätzlich können die mikrofluidischen Kanalstrukturen, ähnlich einem elektrischen Widerstandsnetzwerk, auf unterschiedliche Weise verschalten werden:

a) Individuell (siehe 1A bis 1D sowie 2A und 2B)
b) Seriell (siehe 3A, 3B, 4A, 4B)
c) Parallel (siehe 5A, 5B, 6A, 6B)
d) sowie Kombinationen aus a)-c) (siehe 7)

Bei beiden Umsetzungsformen A und B werden die Kanalstrukturen entsprechend a) individuell verschalten.
Anordnungen der Kanalstrukturen in Bezug auf die Drehscheibe
Die Umsetzungsformen A und B unterscheiden sich in Bezug auf die Anordnung der Kanalstrukturen:

• Geschlossene Kanalstruktur unterhalb der Drehscheibe (Umsetzungsform A)
• Geschlossene Kanalstruktur in der Drehscheibe (Umsetzungsform B)

Grundsätzlich können die mikrofluidischen Kanalstrukturen dabei auch wie folgt angeordnet sein:

• Offene Kanalstruktur auf der Unterseite der Drehscheibe (rotierend auf dem Ventilsitz)
• Offene Kanalstruktur an der Oberseite des Ventilsitzes (Drehscheibe gleitet darüber)

Mögliche Zusatzfunktionalitäten / speziell Kältetechnik

• Steuerung/Regelung durch Geräteelektronik
• Ventil enthält „Bypass“, der beim Vakuumziehen in der Fertigung geöffnet wird (besser/schneller Vakuum im Kältekreislauf herstellen, Vermeidung von langen Vakuumierzeiten bzw. von zweiseitigem Vakuumziehen auf Hoch- und Niederdruckseite.
• Integration des Trockners: Ventil enthält Stoffe z.B. Zeolith, die in gesinterter Form oder Schüttgut Feuchtigkeit aufnehmen können und somit die Funktion des Trockners übernehmen:
- o Stoffe können eine Filterfunktion für Partikel erfüllen.
- o Stoffe können im Ventil oder im Rohranschluss platziert sein.
- o Stoffe können so ausgeführt sein, dass sie wechselbar sind ohne das Ventil auszutauschen.
• Vor- bzw. nachgeschaltete Teil- oder Grunddrosselung:
- ￮ Ventil enthält z.B. Sinterkörper (ggf. als Teil des Trockners). Der Sinterkörper kann eine Teil- oder Grunddrosselung übernehmen, damit die Kanäle größer ausgelegt werden können und um das Verschmutzungsproblem zu umgehen.
- ￮ Dasselbe könnten natürlich auch erreicht werden, indem z.B. der Ein- oder Ausgang des Ventils bereits verengt ist bzw. ein Filter, Sinterkörper, Vorkapillare, etc. hinzugefügt wird.
• Ventil enthält Partikelfilter
- ￮ Partikelfilter kann tauschbar angeordnet sein, so dass das Ventil nicht ausgetauscht werden muss.
• Verschweißter Ventilkörper
• Positionierung des Ventils im Kältekreislauf
- ￮ Art der Befestigung
• Fluid
- ￮ Kältemittel kann gas/flüssig oder dampfförmig sein

Im Folgenden sind denkbare Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Expansionsventils 100 nochmals stichpunktartig zusammengefasst:

• Drosselventil 100 für Fluide, das einen Fluidstrom blockiert oder drosselt,
• wobei das Drosselventil 100 mikrostrukturierte Elemente 22a, 22b, 23a, 23b, 24a, 24b, 25a, 25b, 26a, 26b enthält,
• wobei die Drosselung in diskreten Abstufungen erfolgt,
• wobei der einströmende Fluidstrom durch ein Stellglied blockiert oder auf einen oder mehrere Mikrokanäle verschaltet wird,
• wobei die Mikrokanäle innerhalb des Ventils wieder in einen einzigen ausströmenden Fluidstrom münden,
• wobei die Drosselfunktion hauptsächlich durch den Strömungswiderstand des Mikrokanals erzeugt wird,
• wobei zusätzlich zur Drosselung der verschaltbaren Mikrokanäle ein Teil der Drosselung (Grunddrosselung) durch einen bei Durchfluss immer durchströmte vor- oder nachgeschaltete Komponente (Widerstand) erzeugt wird,
• wobei jeweils kein oder nur ein Mikrokanal aktiv ist (Individualschaltung),
• wobei es sich bei dem Ventil um ein Drehventil handelt,
• wobei die Mikrokanäle in die Drehscheibe integriert sind:
- ￮ Scheibe mit Kanälen ist drehbar, oder
• wobei die Mikrokanäle unterhalb der Drehscheibe liegen:
- ￮ Kanäle sind nicht drehbar.

Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
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 102011004109 A1 [0008]
DE 3108051 A1 [0010]

Claims

Expansionsventil (100) zum Vermindern eines Drucks eines durch das Expansionsventil (100) entlang eines Fluidströmungspfads (110, 111, 112, 121, 122, 123) hindurchfließenden Fluids, wobei das Expansionsventil (100) aufweist: wenigstens einen Fluideinlass (101) und wenigstens einen Fluidauslass (102), ein erstes Ventilelement (10) mit zumindest einer ersten Kanalstruktur (11), ein zweites Ventilelement (20) mit zumindest einer zweiten Kanalstruktur (22a, 22b) und einer dritten Kanalstruktur (23a, 23b), wobei das erste Ventilelement (10) und das zweite Ventilelement (20) relativ zueinander bewegbar sind, wobei in einer ersten Stellung der Ventilelemente (10, 20) die erste Kanalstruktur (11) und die zweite Kanalstruktur (22a, 22b) zueinander ausgerichtet sind und einen ersten Fluidströmungspfad mit einem ersten Strömungswiderstand zwischen dem Fluideinlass (101) und dem Fluidauslass (102) bilden, und wobei in einer zweiten Stellung der Ventilelemente (10, 20) die erste Kanalstruktur (11) und die dritte Kanalstruktur (23a, 23b) zueinander ausgerichtet sind und einen zweiten Fluidströmungspfad mit einem zweiten von dem ersten Strömungswiderstand verschiedenen Strömungswiderstand zwischen dem Fluideinlass (101) und dem Fluidauslass (102) bilden.
Expansionsventil (100) nach Anspruch 1, wobei die zweite Kanalstruktur (22a, 22b) einen ersten variablen oder konstanten Strömungsquerschnitt aufweist, und wobei die dritte Kanalstruktur (23a, 23b) einen von dem ersten Strömungsquerschnitt unterschiedlichen zweiten variablen oder konstanten Strömungsquerschnitt aufweist.
Expansionsventil (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei in einer dritten Stellung der Ventilelemente (10, 20) die in dem ersten Ventilelement (10) vorgesehene erste Kanalstruktur (11) nicht zu einer der in dem zweiten Ventilelement (20) vorgesehenen Kanalstrukturen (22a, 22b; 23a, 23b) ausgerichtet ist, und ein Fluidstrom zwischen dem Fluideinlass (101) und dem Fluidauslass (102) dadurch unterbrochen ist.
Expansionsventil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die den ersten Fluidströmungspfad bildenden erste und zweite Kanalstrukturen (11; 22a, 22b) oder die den zweiten Fluidströmungspfad bildenden erste und dritte Kanalstrukturen (11; 23a, 23b) als eine durch das erste und das zweite Ventilelement (10, 20) durchgehende Öffnung ohne signifikante Drosselung ausgebildet sind.
Expansionsventil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die erste Kanalstruktur (11) in dem ersten Ventilelement (10) zumindest abschnittsweise in axialer Richtung (33) und/oder in radialer Richtung (34) erstreckt, und/oder wobei sich die zweite und dritte Kanalstruktur (22a, 22b; 23a, 23b) in dem zweiten Ventilelement (20) zumindest abschnittsweise (22b, 23b) in radialer Richtung (34) und/oder in axialer Richtung (33) erstrecken.
Expansionsventil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Ventilelement (10) in axialer Richtung (33) konzentrisch mit dem zweiten Ventilelement (20) ausgerichtet ist.
Expansionsventil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Ventilelement (10) eine dem zweiten Ventilelement (20) zugewandte Fläche (12) aufweist und das zweite Ventilelement (20) relativ zu dem ersten Ventilelement (10) in einer Ebene (E₁) parallel zu dieser Fläche (12) bewegbar ist.
Expansionsventil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Ventilelement (10) und das zweite Ventilelement (20) rotatorisch relativ zueinander bewegbar sind, sodass eine Bewegung von der ersten Stellung der Ventilelemente (10, 20) zu der zweiten Stellung der Ventilelemente (10, 20) mittels einer Rotation des ersten Ventilelements (10) relativ zu dem zweiten Ventilelement (20) ausführbar ist.
Expansionsventil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die einzelnen Stellungen der Ventilelemente (10, 20) zueinander in diskreten Stufen schaltbar sind.
Expansionsventil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Expansionsventil (100) eine Abdeckung (30) aufweist, wobei die Abdeckung (30) unbeweglich mit dem zweiten Ventilelement (20) verbunden ist und das erste Ventilelement (10) innerhalb der Abdeckung (30) relativ zu dem zweiten Ventilelement (20) bewegbar angeordnet ist.
Expansionsventil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Ventilelement (10) vor dem zweiten Ventilelement (20) angeordnet ist, bezogen auf die Strömungsrichtung des Fluids von dem Fluideinlass (101) zu dem Fluidauslass (102).
Expansionsventil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite Ventilelement (20) zweiteilig (20a, 20b) ausgebildet ist, wobei ein erster Teil (20b) des zweiten Ventilelements zumindest einen Abschnitt (22b, 23b) der zweiten und dritten Kanalstrukturen (22a, 22b; 23a, 23b) sowie den Fluidauslass (102) aufweist, wobei diese Abschnitte (22b, 23b) der zweiten und dritten Kanalstrukturen innerhalb des ersten Teils (20b) des zweiten Ventilelements jeweils mit dem Fluidauslass (102) verbunden sind.
Expansionsventil (100) nach Anspruch 12, wobei zwischen dem ersten Teil (20b) des zweiten Ventilelements (20) und dem zweiten Teil (20a) des zweiten Ventilelements (20) eine Dichtung angeordnet ist, die die in dem ersten Teil (20b) des zweiten Ventilelements (20) ausgebildeten zweiten und dritten Kanalstrukturen (22a, 22b; 23a, 23b) fluidisch gegeneinander abdichtet.
Expansionsventil (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Expansionsventil (100) eine Abdeckung (30) aufweist, wobei die Abdeckung (30) unbeweglich mit dem ersten Ventilelement (10) verbunden ist und das zweite Ventilelement (20) innerhalb der Abdeckung (30) relativ zu dem ersten Ventilelement (10) bewegbar angeordnet ist.
Expansionsventil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite Ventilelement (20) vor dem ersten Ventilelement (10) angeordnet ist, bezogen auf die Strömungsrichtung des Fluids von dem Fluideinlass (101) zu dem Fluidauslass (102).
Expansionsventil (100) nach Anspruch 15, wobei das zweite Ventilelement (20) zweiteilig (20a, 20b) ausgebildet ist, wobei ein erster Teil (20b) des zweiten Ventilelements (20) die zweite und dritte Kanalstruktur (22a, 22b; 23a, 23b) aufweist, und ein zweiter Teil (20a) des zweiten Ventilelements (20) eine geschlossene Abdeckung der zweiten und dritten Kanalstrukturen (22a, 22b; 23a, 23b) bildet.
Expansionsventil (100) nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei die erste Kanalstruktur (11) den Fluidauslass (102) des Expansionsventils (100) bildet.
Expansionsventil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der ersten und zweiten Stellung der Ventilelemente (10, 20) jeweils genau eine der zweiten und dritten Kanalstrukturen (22a, 22b; 23a, 23b) des zweiten Ventilelements (20) mit dem Fluidauslass (102) fluidisch gekoppelt ist, um einen einzigen Fluidströmungspfad zwischen dem Fluideinlass (101) und dem Fluidauslass (102) zu bilden.
Expansionsventil (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei die zweite Kanalstruktur (22a, 22b) und die dritte Kanalstruktur (23a, 23b) innerhalb des zweiten Ventilelements (20) zumindest abschnittsweise (22b, 23b) miteinander verbunden sind, wobei sich in der zweiten Stellung der Ventilelemente (10, 20) der zweite Fluidströmungspfad aus der zweiten und der damit verbundenen dritten Kanalstruktur zusammensetzt (22b, 23b), und der zweite Fluidströmungspfad einen Gesamtströmungswiderstand aufweist, der sich aus dem Strömungswiderstand der zweiten Kanalstruktur (22b) und dem Strömungswiderstand der damit verbundenen dritten Kanalstruktur (23b) zusammensetzt.
Expansionsventil (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei das erste Ventilelement (10) mindestens eine vierte Kanalstruktur (14) aufweist, und wobei in der ersten Stellung der Ventilelemente (10, 20) zusätzlich die dritte Kanalstruktur (23a, 23b) und die vierte Kanalstruktur (14) zueinander ausgerichtet sind und einen dritten Fluidströmungspfad mit einem dritten Strömungswiderstand zwischen dem Fluideinlass (101) und dem Fluidauslass (102) bilden.
Expansionsventil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Expansionsventil (100) genau einen Fluidauslass (102) aufweist und die zweite und dritte Kanalstruktur (22a, 22b; 23a, 23b) des zweiten Ventilelements (20) mit diesem einen Fluidauslass (102) fluidisch koppelbar sind.
Expansionsventil (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei das erste Ventilelement (10) mindestens eine vierte Kanalstruktur (14) aufweist und die erste und die vierte Kanalstruktur (11, 14) jeweils einen Fluidauslass (102, 102') des Expansionsventils (100) bilden.
Expansionsventil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Expansionsventil (100) in einem Kältekreislauf zwischen zwei Wärmeübertragern anordenbar ist.
Expansionsventil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Expansionsventil (100) Mittel zum Binden von Feuchtigkeit aufweist.
Expansionsventil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Expansionsventil (100) mindestens einen Partikelfilter aufweist.
Haushaltskältegerät, insbesondere Kühl- und/oder Gefriergerät, mit einem Expansionsventil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.