DE102017208179A1

DE102017208179A1 - Ventil zur Steuerung eines Fluidstroms

Info

Publication number: DE102017208179A1
Application number: DE102017208179.1A
Authority: DE
Inventors: Thomas Demmer; Haixiang Wang; Rob Hickey
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-03-07
Filing date: 2017-05-16
Publication date: 2018-09-13
Also published as: WO2018162292A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ventil (1), insbesondere Expansionsventil, zur Steuerung eines Fluidstroms, aufweisend ein Ventilgehäuse (20), mit einer ersten, zweiten und dritten Öffnung (12, 14, 16), und ein Ventilmittel (20). Es wird vorgeschlagen, dass das Ventilmittel (20) translatorisch, insbesondere entlang der Längsachse des Ventils (1), und rotatorisch, insbesondere um die Längsachse rotatorisch, beweglich innerhalb des Ventilgehäuses (10) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ventil, insbesondere ein Expansionsventil, nach Gattung des Hauptanspruchs.
Es sind bereits Ventile zur Regelung eines Fluidstroms bekannt. Auch ist bekannt zur Regelung von mehr als einem Fluidstrom eine entsprechende Anzahl an Ventilen einzusetzen.
Offenbarung der Erfindung
Vorteilhaft ist, dass ein erfindungsgemäßes Ventil den Fluidstrom für beispielsweise zwei Verdampfer so einstellen kann, dass ein kontinuierlicher Betrieb mit gewünschten Kälteleistungen und gewünschter Überhitzung dargestellt werden kann. Dabei kann eine Ventilposition angefahren werden, die für zwei Verdampfer gleichzeitig die gewünschten gleichmäßigen Fluidströme, insbesondere Kältemittelströme, bereitstellt. Ist eine geeignete Ventilposition eingestellt, so muss das Ventil solange nicht bewegt werden, wie die Kälteleistungen oder Temperaturen an den Verdampfern sich nicht ändern, wodurch Energie gespart werden kann und der Verschleiß des Ventilantriebs reduziert wird.
Ein erfindungsgemäßes Ventil ermöglicht insbesondere durch eine mechanische Kopplung einer translatorischen Bewegung und einer Drehbewegung eine unabhängige Expansionsregelung für zwei Verdampfer mit nur einem Ventilantrieb, was insbesondere Kosten einspart. Die mechanische Kopplung der beiden Bewegungen und die Ausformung des sich drehenden Ventilmittels ist so gestaltet, dass sich die Öffnungsquerschnitte an den Ausgängen als Funktion der Ventilantriebsposition derartig überlagern, dass alle gewünschten Kombinationen an Fluidströmungen, insbesondere Kältemittelströmungen an den beiden Ausgängen ermöglicht sind.
Besonders vorteilhaft ist, dass das Ventilmittel translatorisch, insbesondere entlang der Längsachse des Ventils, und rotatorisch, insbesondere um die Längsachse drehbar, beweglich innerhalb des Ventilgehäuses angeordnet ist. Es lassen sich zwei Fluidströme regeln. Das Ventil besitzt eine erste, eine zweite und eine dritte Öffnung, wobei eine der Öffnungen als Eingang und zwei der Öffnungen als Ausgang fungieren. Vorzugsweise sind die erste und die zweite Öffnung als Radialbohrung und die dritte Öffnung als Axialbohrung innerhalb des Ventilgehäuses ausgebildet.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ergeben sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Merkmale.
Vorteilhaft ist, dass das Ventilmittel ein erstes Ventilglied und ein zweites Ventilglied umfasst. Eine vorteilhafte einfach herstellbare Ausgestaltung ergibt sich.
Als vorteilhaft ist anzusehen, dass das erste Ventilglied eine rotationssymmetrische Grundform, insbesondere eine zylinderförmige oder kugelförmige Grundform, aufweist. Vorzugsweise ist das Ventilglied als Hohlzylinder ausgebildet. Eine einfache Regelung der Durchströmung der ersten und der zweiten Öffnung ist gegeben. Ferner ist eine solche Form einfach herstellbar. Die Regelung der Durchströmung ist hierbei abhängig von der Überdeckung der Öffnungen durch das erste Ventilglied regelbar.
Von Vorteil ist, dass das erste Ventilglied mindestens eine Ausnehmung aufweist. Die Ausnehmung reguliert oder unterbricht abhängig von ihrer Ausbildung und der Ventilposition, insbesondere der Drehposition, des Ventilglieds gegenüber der ersten und der zweiten Öffnung, einen Fluidstrom durch die erste und/oder die zweite Öffnung. Das Ventilglied bestimmt somit abhängig von der Position der Ausnehmung in Bezug auf die Öffnung den Durchströmungsquerschnitt der Öffnung. Die Ausnehmung ist insbesondere zumindest in einem Teilbereich durchgängig ausgebildet. Die Ausnehmung umfasst eine Durchbrechung. Vorzugsweise kann das erste Ventilglied mehrere Ausnehmungen umfassen. Ferner können die Ausnehmungen teilweise durchgängig, oder lediglich in einem Teilbereich durchgängig ausgebildet sein.
Als vorteilhaft ist anzusehen, dass das zweite Ventilglied einen nadelförmigen Teilabschnitt aufweist, der in die dritte Öffnung entsprechend eines Kolbens einführbar ist. Abhängig von der Position des zweiten Ventilglieds gegenüber der dritten Öffnung reguliert oder unterbricht dieses einen Fluidstrom durch die dritte Öffnung. Besonders vorteilhaft ist, dass das zweite Ventilglied eine Stiftform, insbesondere eine Nadelform, aufweist. Das zweite Ventilglied und die dritte Öffnung bilden ein Nadelventil.
Von Vorteil ist, dass das zweite Ventilglied einen Nadelkopf aufweist. Der Nadelkopf verschließt in einer ersten Stellung/Position des Ventilmittels, in Bezug auf die Längsachse, die dritte Öffnung formschlüssig. In weiteren Positionen, bzw. Stellungen reguliert er dir Durchströmung der dritten Öffnung mit einem Fluidstrom. Abhängig von der axialen Position des zweiten Ventilglieds in Bezug auf die dritte Öffnung ist ein Durchströmungsquerschnitt freigebbar. Der Durchströmungsquerschnitt ist über die axiale Verschiebung des Ventilglieds veränderbar.
Besonders vorteilhaft ist, dass sich das zweite Ventilglied entlang der Rotationsachse des ersten Ventilglieds erstreckt. Vorteilhaft ist, dass der Ventilgehäuse einen Durchströmungsbereich aufweist, in dem das Ventilmittel beweglich angeordnet ist, wobei die Öffnungen in den Durchströmungsbereich münden.
Von Vorteil ist, dass das erste Ventilglied mit dem zweiten Ventilglied verbunden, insbesondere einstückig, vorzugsweise einteilig, ausgebildet ist.
Vorteilhaft ist, dass das erste Ventilglied topfförmig, insbesondere hülsenförmig ausgebildet ist, wobei das Ventilglied einen Mantel, und einen Boden aufweist, wobei der Boden den Mantel mit dem Ventilschaft verbindet. Eine bestmögliche Durchströmung des Ventilmittels ist gewährleistet. Besonders vorteilhaft ist, dass der Ventilschaft teilweise innerhalb des ersten Ventilglieds ausgebildet, insbesondere angeordnet, ist. Vorzugsweise kann der Boden auch lediglich ein oder mehrere Verbindungselemente, insbesondere Speichen umfassen.
Von Vorteil ist, dass mindestens eine der Ausnehmungen in dem ersten Ventilglied in dem radialen Außenumfang, insbesondere in dem Mantel des ersten Ventilglieds ausgebildet, ist. Vorteilhaft ist, dass mindestens eine weitere Ausnehmung als Schlitz oder Nut, die entlang des Außenumfangs des Ventilglieds verläuft, ausgebildet ist. Die weitere Ausnehmung kann insbesondere in die Ausnehmung münden, insbesondere durch diese hindurch verlaufen.
Als vorteilhaft ist anzusehen, dass die erste und die zweite Öffnung senkrecht zu der Längsachse des Ventilschafts in dem Ventilgehäuse ausgebildet sind. Vorzugsweise verlaufen die erste und zweite Öffnung zumindest in einem Teilbereich radial innerhalb des Ventilgehäuses. Besonders vorteilhaft ist, dass die dritte Öffnung in Verlängerung zu dem Ventilschaft, insbesondere in Längsrichtung des Ventils, ausgebildet ist.
Als vorteilhaft ist anzusehen, dass ein Aktor vorgesehen ist, der eine Rotationsbewegung zur Verfügung stellt. Ein Getriebe, vorzugsweise ein Schraubenantrieb, ist vorgesehen. Das Getriebe wandelt die Rotationsbewegung des Aktors, insbesondere gleichzeitig, in eine Rotations- und Translationsbewegung um. Es ist somit nur ein Aktor zur Verstellung des ersten und des zweiten Ventilglieds notwendig. Es ist nur ein Aktor zur Regelung von zwei oder mehr Fluidströmen notwendig.
Besonders vorteilhaft ist, dass die Rotations- und Translationsbewegung des Ventilmittels in einem festen Verhältnis zueinander stehen. Es wird eine optimale Regelbarkeit der Fluidströme erreicht.
Vorteilhaft ist, dass der Aktor als elektrischer Ventilantrieb, insbesondere als Schrittmotor, Bürstenmotor oder bürstenloser Motor ausgebildet ist.
Als vorteilhaft anzusehen ist, dass das Ventilmittel so ausgebildet ist, dass ein erster Fluidstrom aus einer der Öffnungen abgebildet über den Drehwinkel bis zu einem Maximum ansteigt und dann unterbrochen wird, wohingegen ein zweiter Fluidstrom aus einer weiteren Öffnung abgebildet über den gleichen Drehwinkel mehrfach ansteigt, insbesondere bis auf ein Maximum ansteigt, und anschließend unterbrochen wird. Es können somit zwei Fluidströme auf einfach Weise geregelt werden. Von Vorteil ist, dass der zweite Fluidstrom über den Drehwinkel abgebildet, sägezahnartig ausgebildet ist, wobei vorzugsweise zwischen den Sägezähnen Pausen ausgebildet sind, in denen der Fluidstrom durch eine Öffnung unterbrochen ist.
Von Vorteil ist, dass das Ventil einen Drucksensor aufweist. Der Drucksensor ist in das Ventilmittelgehäuse integriert. Der Drucksensor erfasst den (Nieder-)Druck des Fluids in einem der Öffnungen, insbesondere der zweiten oder dritten Öffnung. Der Drucksensor gibt ein Drucksignal aus, welches in der Elektronik des Ventils verarbeitet wird. In Abhängigkeit von dem erfassten Druck wird die Drehposition des Ventilmittels so geregelt, dass es zu keiner Überhitzung in einem oder beiden der nachgeschalteten Verdampfer kommt. Die Durchströmung wird druckabhängig reguliert. Es wird kein zusätzlicher Drucksensor außerhalb des Ventils benötigt, wodurch die Anzahl der Komponenten im System und Verbindungsleitungen reduziert werden kann, was die Komplexität des Systems vorteilhaft reduziert.
Ausführungsbeispiele sind in den Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine Explosionsdarstellung des erfindungsgemäßen Ventils 1,
2a bis 2h mehrere Ausgestaltungen des Ventilgehäuses und des Ventilmittels,
3 zeigt das Verhältnis des Öffnungsquerschnitts der zweiten und der dritten Öffnung gegenüber der Drehposition des Ventilantriebs,
4 eine vergrößerte Ansicht des zweiten Ventilglieds
5a bis 5f Positionen des zweiten Ventilglieds gegenüber der dritten Öffnung und die
6a bis 6e mehrere sich unterscheidende Positionen des Ventilmittels gegenüber den Öffnungen.

1 zeigt eine Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen Ventils 1. Das Ventil 1 weist ein Ventilgehäuse 10 auf. Das Ventilgehäuse 10 weist mindestens eine Öffnung 12 auf. Vorzugsweise weist der Ventilgehäuse 10 eine erste Öffnung 12, eine zweite Öffnung 14 und dritte Öffnung 16 auf. Die Öffnungen sind insbesondere als Bohrungen ausgeführt. Insbesondere sind die erste Öffnung 12 als Eingang und die zweite Öffnung 14 und dritte Öffnung 16 jeweils als Ausgang ausgebildet. Die erste und die zweite Öffnung 12, 14 sind senkrecht zur Längsachse des Ventils 1 innerhalb des Ventilgehäuses 10 ausgebildet. Die erste und zweite Öffnung 12, 14 sind insbesondere als Radialbohrungen ausgeführt.
Ferner weist das Ventil 1 ein Ventilmittel 20 auf. Das Ventilmittel 20 ist beweglich gegenüber dem Ventilgehäuse 10 ausgebildet. Insbesondere ist das Ventilmittel 20 zu einem Teil innerhalb des Ventilgehäuses 10 angeordnet. Der Ventilgehäuse 10 weist zur Aufnahme des Ventilmittels 20 eine Ausnehmung 18 auf. Die Ausnehmung 18 bildet den Durchströmungsbereich 18. Das Ventilmittel 20 ist so ausgebildet, dass es gegenüber dem Ventilgehäuse 10 radial und tangential bewegt werden kann. Die Öffnungen 12, 14, 16 münden in den, bzw. führen zu dem Durchströmungsbereich 18. Die Ausnehmung ist zu einer Oberfläche des Ventilgehäuses 10 offen.
Das Ventilmittel 20 weist zumindest ein erstes Ventilglied 22 und ein zweites Ventilglied 24 auf. Das erste Ventilglied 22 weist eine rotationssymmetrische, insbesondere zylindrische, Grundform auf. Das erste Ventilglied 22 weist insbesondere die Grundform eines Hohlzylinders auf. Weiterhin weist das erste Ventilglied 22 eine Ausnehmung auf. Die Ausnehmung wird abhängig von ihrer Stellung, bzw. Position gegenüber dem Ventilgehäuse 10 von einem Fluid durchströmt. Sie ist so ausgebildet, dass sie den Fluidstrom durch die erste Öffnung 12 und die zweite Öffnung 14 regulieren bzw. unterbinden kann. Die Ausnehmung in dem ersten Ventilglied 22 sind in Überdeckung der ersten und/oder zweiten Öffnung 12, 14 bringbar. In Abhängigkeit von der Position der Ausnehmung in Bezug auf die erste und/oder zweite Öffnung 12, 14 ist ein den Durchfluss bestimmender Durchströmungsquerschnitt freiggebbar.
Die erste Öffnung 12 und die zweite Öffnung 14 befinden sich an jeweils einer Seite des Ventilgehäuses 10. Der Durchströmungsquerschnitt der beiden Öffnungen 12, 14 wird durch die Form und Position des ersten Ventilglieds 22 gesteuert. Das erste Ventilglied 22 ist relativ gegenüber dem Ventilgehäuse 20 drehbar. Es gibt die Öffnungen 12, 14 dem Fluid teilweise und/oder vollständig frei. Auch ein vollständiges Verschließen ist abhängig von der Drehposition, insbesondere der Position des Ventilmittels 20 gegenüber den Öffnungen, möglich. Die Außenwand des ersten Ventilglieds 22 liegt an der Innenwand des Ventilgehäuses 10 an.
Sobald ein Teil der Außenwand des ersten Ventilglieds 22 ohne Ausnehmung über einer der Öffnungen 12, 14, in der Innenwand des Ventilgehäuses 10, liegt, ist diese Öffnung 12, 14 vollständig verschlossen. Wird eine Ausnehmung in der Außenwand des ersten Ventilglieds 22, insbesondere durch Drehen über die Öffnung 12, 14 im Ventilgehäuse 10 gelegt, bzw. positioniert, so kann ein gewünschter Öffnungsquerschnitt freigegeben werden. Der Öffnungsquerschnitt ist davon abhängig wie stark die Öffnung von dem Ventilglied 22 verdeckt ist. Das Fluid kann durch die Öffnungen strömen.
Die dritte Öffnung 16 befindet sich auf der Unterseite des Ventilgehäuses 10. Der Öffnungs-Querschnitt der dritten Öffnung 16 wird über das zweite Ventilglied 24 geregelt. Das zweite Ventilglied 24 weist beispielsweise die Form eines Kolbens, insbesondere die Form eines Stifts, vorzugsweise die Form einer Nadel auf. Das zweite Ventilglied 24 und die dritte Öffnung 16 bilden ein Nadelventil und/oder ein Sitzventil. Das zweite Ventilglied 24 wirkt entsprechend eines Kolbens. Das zweite Ventilglied 24 ist translatorisch beweglich angeordnet. Die translatorische Bewegung bewirkt ein Einführen des zweiten Ventilglieds 24 zumindest teilweise in die dritte Öffnung 16. Abhängig von der Ausbildung des zweiten Ventilglieds 24 und der axialen Position gegenüber der dritten Öffnung 16 wird ein Fluidstrom reguliert oder unterbrochen. Die dritte Öffnung 16 ist in Verlängerung zu dem Ventilschaft 26, insbesondere in Längsrichtung des Ventils 1, ausgebildet. Das zweite Ventilglied 24 weist einen Ventilkopf 25 auf. Der Ventilkopf 25 bildet das freie Ende des Ventilglieds 25.
Das Ventilmittel 20 umfasst ferner einen Ventilschaft 26. Der Ventilschaft 26 verläuft entlang der Rotationsachse des ersten Ventilglieds 22. Der Ventilschaft 26 geht vorzugsweise in das zweite Ventilglied 24 über. Wobei das zweite Ventilglied 24 ebenfalls entlang der Rotationsachse des ersten Ventilglieds 22 verläuft. Das Ventilmittel 20 ist vorzugsweise einstückig, insbesondere einteilig ausgebildet. Vorzugsweise verläuft zumindest ein Teil des Ventilschafts 26 innerhalb des ersten Ventilglieds 22.
Das Ventil 1 umfasst ferner einen Flansch 40. Der Flansch 40 führt das Ventilmittel 20. Der Flansch 40 weist eine Ausnehmung auf, innerhalb der das Ventilmittel 20, insbesondere der Ventilschaft 26 zumindest zu einem Teil angeordnet ist. Der Flansch 40 verschließt den Durchströmungsbereich 18 und verhindert einen Fluidstrom, bzw. ein Austreten des Fluids aus dem Durchströmungsbereich 18 in die Umgebung des Ventils 1. Der Flansch 40 setzt sich aus mehreren zylinderförmigen Elementen zusammen, die unterschiedliche Radien aufweisen. Der Flansch 40 ist an dem der dritten Öffnung 16 gegenüberliegende Seite des Ventilgehäuses 10 ausgebildet.
Ein Fixierelement 42 fixiert den Flansch 40 an dem Ventilgehäuse 10. Hierzu greift der Flansch 40 in eine durchgehende Ausnehmung des Fixierelements 42 ein. Das Fixiermittel 42 ist mittels Schrauben an dem Ventilgehäuse 10 angebracht. Das Fixierelement 42 weist eine Ausnehmung auf, in die der Flansch 40 eingreift. Sie verhindert eine radiale oder axiale Bewegung des Flansches 40 gegenüber dem Ventilgehäuse 10.
Eine Wellenführung 46 führt den Ventilschaft 26. Die Wellenführung wirkt mit dem Flansch 40 und dem Ventilschaft 26 zusammen. Die Wellenführung ist an dem Flansch 40 angeordnet. Vorzugsweise bildet der Flansch 40 einen Anschlag für den Ventilschaft 26.
Das Ventilmittel 20 ist über einen Aktor 50 und ein Getriebe 60 so angetrieben, dass es sich gleichzeitig translatorisch und rotatorisch bewegen kann. Die Drehbewegung und die translatorische Bewegung stehen in einem festen Verhältnis zueinander. Das Verhältnis ist durch das Getriebe 60 vorgegeben. Der Aktor 50 ist insbesondere als elektrischer Ventilantrieb ausgebildet. Der Ventilantrieb ist als Motor ausgebildet. Der Motor erzeugt abhängig von seiner Bestromung eine Drehbewegung. Der Ventilantrieb 50 weist einen Stator 52 und einen Rotor 54 auf. Der Rotor 54 wirkt mit dem Getriebe 60 zusammen. Der Rotor 54 weist einen zylinderförmigen Magneten auf. Der Stator 52 weist mindestens eine, vorzugsweise drei Wicklungen, die bei einer entsprechenden Bestromung, ein Magnetfeld erzeugen, welches den Rotor 54 in eine Drehbewegung versetzt, auf. Zwischen dem Stator 52 und dem Rotor 54 ist eine Dichtkappe 70 ausgebildet. Die Dichtkappe 70 ist topfförmig ausgebildet. Die Dichtkappe 70 ist in Richtung des Flansches 40 geöffnet. Innerhalb der Dichtkappe 70 ist der Rotor 54 angeordnet. Der Rotor 54 ist fest, insbesondere drehfest mit dem zweiten Getriebeteil 64 verbunden.
Der Ventilantrieb 50 ist insbesondere als Bürstenmotor, bürstenloser Motor, Schrittmotor usw. ausgebildet.
Das Getriebe 60 ist als Schraubenantrieb 60, der die rotatorische Bewegung des Ventilantriebs 50 in eine Drehbewegung und translatorische Bewegung umwandelt, ausgebildet. Der Schraubenantrieb 60 weist einen ersten Getriebeteil 62 mit einem Außengewinde und einen zweiten Getriebeteil 64 mit einem Innengewinde auf. Die beiden Getriebeteile bilden den Schraubenantrieb 60. Der erste Getriebeteil 62 ist fest, insbesondere drehfest mit dem Ventilschaft 26 verbunden.
Der Schraubenantrieb 60 des Ventils 1 ist so gestaltet, dass das erste Ventilglied 22 mindestens zwei, vorzugsweise mehr als zwei, Umdrehungen ausführt, während das zweite Ventilglied 24 von einem ersten Endpunkt, in dem der Öffnungsquerschnitt der dritten Öffnung 16 maximal ist, translatorisch zu einem weiteren Endpunkt, in dem die dritte Öffnung 16 verschlossen ist, bewegt wird.
Ferner weist das Ventil 1 eine erste Feder 80, die mit einem Federhaltestück 84 zusammenwirkt, auf. Die erste Feder 80 und das Federhaltestück 84 sind zwischen dem ersten Getriebeteil 62 und dem zweiten Getriebeteil 64 angeordnet.
Eine zweite Feder 82, die mit einem Federhaltestück 86 zusammenwirkt, ist zwischen dem Rotor 54 und der Dichtkappe 70 angeordnet.
Die 2a bis 2h zeigen verschiedene Ausführungsformen des Ventilmittels 20 sowie des Ventilgehäuses 10.
Die 2a und 2b zeigen, dass die erste Öffnung 12 und die zweite Öffnung 14 des Ventilgehäuses 10 in Axialrichtung betrachtet auf der gleichen Höhe liegen. Die Öffnungen 12, 14 sind in Umfangsrichtung zueinander beabstandet. Die dritte Öffnung 16 liegt im unteren Bereich des Ventilgehäuses 10.
2c und 2d zeigen, dass die erste Öffnung 12 und die zweite Öffnung 14 des Ventilgehäuses 10 in tangentialer Richtung versetzt, insbesondere beabstandet zueinander in dem Ventilgehäuse 10 ausgebildet sind. Die Öffnungen 12, 14 sind in Umfangsrichtung zueinander beabstandet. Die dritte Öffnung 16 liegt im unteren Bereich des Ventilgehäuses 10.
Die 2e bis 2h zeigen verschiedene Ausführungsformen des Ventilmittels 20. Das erste Ventilglied 22 weist eine zylinderförmige Grundform auf. Das erste Ventilglied 22 ist topförmig ausgebildet. Es weist einen Mantel 23a und einen Boden 23b auf. Der Boden 23b verbindet den Mantel 23a mit dem Ventilschaft 26, bzw. dem zweiten Ventilglied 24. Die topfförmige, bzw. hülsenförmige, bzw. hohlzylinderförmige Grundform des ersten Ventilglieds 22 ist in Richtung der dritten Öffnung 16 geöffnet. Der Boden 23b ist insbesondere als kreisrunde Scheibe ausgebildet. Vorzugsweise kann der Boden auch durch mindestene eine Speiche gebildet werden. Auch kann der Boden Ausnehmungen aufweisen. Der Mantel 23a weist zumindest eine Ausnehmung 23c auf. Die Ausnehmung 23c ist vorzugsweise durchgängig ausgebildet. Gemäß einer ersten Ausführungsform, die in 2e gezeigt ist, weist der Mantel 23a zwei kreisrunde Ausnehmungen 23c auf. Gemäß einer zweiten Ausführungsform, die in 2f gezeigt ist, weist der Mantel 23a zwei Ausnehmungen 23c mit Rundungen auf.
Die zwei oder mehr Ausnehmungen 23c sind in Umfangsrichtung, insbesondere gleichmäßig, beabstandet zueinander angeordnet.
Gemäß einer dritten und vierten Ausführungsform, die in 2g und 2h gezeigt sind, weist der Mantel 23a eine Ausnehmung 23c auf. Die Ausnehmung erstreckt sich über einen größeren Bereich des Mantels 23a. Insbesondere über mehr als 90 Grad, vorzugsweise mehr als 180 Grad. In Axialrichtung erstreckt sich die Ausnehmung über mindesten die Hälfte, vorzugsweise 2/3 der Höhe des ersten Ventilglieds 22.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist eine weitere Ausnehmung 23d an der Oberfläche des Mantels 23a ausgebildet. Die weitere Ausnehmung 23d ist insbesondere als Nut, vorzugsweise als seitlich eingefräste Schlitze ausgebildet. Die weitere Ausnehmung 23d verläuft in Umfangsrichtung zumindest teilweise entlang der Oberfläche des ersten Ventilglied 22. Die Ausnehmung ist im Außenumfang des ersten Ventilglieds 22, insbesondere des Mantels ausgebildet. Die weitere Ausnehmung 23d mündet insbesondere in eine der Ausnehmungen 23c. Die Ausnehmungen 23c, 23d sorgen für eine sehr feine Einstellbarkeit des Öffnungsquerschnitts der Öffnungen 12, 14, 16. Die erste Öffnung 12 kann so gestaltet sein, dass das Fluid entweder von unten oder von der Seite in den Durchströmungsbereich 18 einströmen kann. Die Ventilmittel 20 gemäß 2a und 2d weisen ebenfalls weitere Ausnehmungen 23d auf.
Vorzugsweise entspricht das Ventilmittel 20 aus den 2a bis 2d einem der in den 2e bis 2h gezeigten Ventilmittel 20.
3 zeigt beispielhaft, wie sich die Öffnungsquerschnitte der zweiten Öffnung 14 und dritten Öffnung 16, insbesondere der beiden Ausgänge, als Funktion der Drehposition des Ventilantriebs 50 ergeben.
Es ergibt sich für das Nadelventil, bestehend aus der dritten Öffnung 16 und dem zweiten Ventilglied 24, die Charakteristik gemäß Verlauf 92, während das erste Ventilglied 22 und die zweite Öffnung 14 die Charakteristik gemäß Verlauf 90 aufweist.
Die X-Achse zeigt die Drehposition des Antriebs. Weist das erste Ventilglied 22 beispielsweise eine Ausnehmung auf, so entspricht 1 einer Drehung um 180 Grad und 2 einer Drehung um 360 Grad, usw. 2, 4, 6 usw. entspricht der gleichen Drehposition, wohingegen sich die axiale Position des Ventilmittels unterscheidet. Weist das erste Ventilglied 22 zwei Ausnehmungen auf, so entspricht 4 einer Drehung um 360 Grad. Die y-Achse zeigt den Öffnungsquerschnitt, bzw. Durchströmungsquerschnitt einer Öffnung. 1 entspricht einer maximalen Öffnung und 0 entspricht einer geschlossenen Öffnung.
Es ist erkennbar, dass für jede von mehreren diskreten Stufen des Öffnungsquerschnitts der zweiten Öffnung 14, der Öffnungsquerschnitt der dritten Öffnung 16 über einen weiten Verstellbereich hinweg beliebig variiert werden kann, inklusive der Absperrung der zweiten Öffnung 14, während der Öffnungsquerschnitt der dritten Öffnung 16 sich nur geringfügig verändert.
Andererseits kann der Öffnungsquerschnitt der dritten Öffnung 16 durch Verstellen des Ventilmittels 20 über die Änderung der Drehposition, insbesondere eine Drehung über ca. 360 Grad, eine höhere oder niedrigere Stufe des Öffnungsquerschnitts eingenommen werden, wobei der Öffnungsquerschnitt der zweiten Öffnung 14 insbesondere gleich bleibt, wenn der gleiche Punkt auf dem benachbarten Sägezahn angesteuert wird. Wenn insbesondere eine Drehung um zirka 360 erfolgt, bleibt der Öffnungsquerschnitt der zweiten Öffnung 14 gleich wohingegen sich der Öffnungsquerschnitt der dritten Öffnung ändert. Der Öffnungsquerschnitt der zweiten Öffnung 14 ist über die Drehposition des Ventilantriebs 50 ist Sägezahnförmig ausgebildet.
Alternativ zur gezeigten Sägezahncharakteristik des Durchströmungsquerschnitts der zweiten Öffnung 14 kann auch eine andere oszillierende Charakteristik durch die Gestaltung des zweiten Ventilglieds 24 des Ventilmittels 20 sinnvoll sein. Alternativ zur linearen Charakteristik der dritten Öffnung 16 kann auch eine andere Kennlinienform verwendet werden. Abhängig von der Ausbildung der Ausnehmung 23c im ersten Ventilglied 22 ergibt sich die Ausbildung des Verlaufs 90. Ist die Ausnehmung 23c in Umfangsrichtung symmetrisch ausgebildet ergibt sich insbesondere ein Verlauf 90 mit einer Trapezform.
Beispielsweise kann die dritte Öffnung 16 für die Steuerung der Kühlleistung an einem Verdampfer für die Batteriekühlung genutzt werden, während die zweite Öffnung 14 für die Steuerung der Überhitzung an einem Verdampfer für die Kabinenkühlung genutzt wird, vorzugsweise im Kältekreislauf eines Elektrofahrzeugs. Dies wäre möglicherweise vorteilhaft, da die Kühlleistung für die Batterie wegen ihrer großen thermischen Masse nur sehr selten variiert werden muss. Das bedeutet, dass nicht so häufig zwischen zwei Sägezähnen gesprungen werden muss, wodurch der Einfluss der Batteriekühlungssteuerung auf die Kabinenkühlung minimal gehalten werden kann.
In 4 ist eine vergrößerte Ansicht des zweiten Ventilglieds 24 und der dritten Öffnung 16 gezeigt. Die dritte Öffnung 16 ist insbesondere zylinderförmig ausgebildet. Auf dem dem Durchströmungsbereich zugerichteten Ende, bzw. dem Ende, welches in den Durchströmungsbereich 18 mündet, ist die dritte Öffnung 16 kegelstumpfförmig ausgebildet. Vorzugsweise ist der dem zweiten Ventilglied 24 zugerichtete Bereich der dritten Öffnung 16 korrespondierend zu dem zweiten Ventilglied 24 ausgebildet. Die dritte Öffnung 16 weist zumindest gegen Ende einen zunehmenden Radius in Richtung des Durchströmungsbereichs 18 auf. Das zweite Ventilglied weist einen Nadelkopf 25 auf. Der Kopf 25 ist korrespondierend zu der dritten Öffnung 16 ausgebildet. Der Kopf 25 kann zumindest teilweise, insbesondere vollständig, durch axiale Verschiebung in die dritte Öffnung 16 eingeführt werden. Der Kopf 25 weist einen kegelförmigen und/oder kegelstumpfförmigen Bereich auf.
Die 5a bis 5f zeigen mehrere Positionen des zweiten Ventilglieds 24 gegenüber der dritten Öffnung 16. Es zeigen:

• 5a wie das zweite Ventilglied 24 die dritte Öffnung 16 verschließt,
• 5b den verkleinerten Öffnungsquerschnitt bei Expansion (reduzierter Durchfluss),
• 5c bis 5e den vergrößerten Öffnungsquerschnitt bei Expansion (erhöhter Durchfluss) und
• 5f den maximalen Öffnungsquerschnitt bei Expansion (maximaler Durchfluss).

In 5e und 5f ist die erste Öffnung 12 oder die zweite Öffnung 14 beispielshaft gezeigt. Die Öffnung 12, 14 wird durch das zweite Ventilglied 24 verdeckt.
Der Nadelkopf 25 weist drei Bereiche auf. Im ersten Bereich, der an der Spitze des Ventilglieds 24 ausgebildet ist, weist er eine kegelstumpfförmige Ausbildung auf. An diese schließt sich ein Bereich an, in dem der Durchmesser in Richtung weg von der Spitze zunimmt. Der Durchmesser nimmt jedoch schwächer zu als in dem ersten Bereich. In einem dritten Bereich nimmt der Durchmesser stärker zu als in dem zweiten Bereich.
6 zeigt das Ventilmittel 20 und das Ventilgehäuse 10 in unterschiedlichen Ventilpositionen.
6a zeigt eine Position des Ventilmittels 10 gegenüber den Öffnungen 12, 14, 16, die einen ersten und zweiten Fluidstrom von der ersten Öffnung 12 über den Durchströmungsbereich 18 zu der zweiten Öffnung 14 und der dritten Öffnung 16 ermöglicht.
6b zeigt eine Position des Ventilmittels 10 gegenüber den Öffnungen 12, 14, 16, die einen ersten Fluidstrom von der ersten Öffnung 12 über den Durchströmungsbereich 18 zu der zweiten Öffnung 14 ermöglicht. Durch die dritte Öffnung 16 fließt kein Fluidstrom.
6c zeigt eine Position des Ventilmittels 10 gegenüber den Öffnungen 12, 14, 16, die einen ersten und zweiten Fluidstrom von der ersten Öffnung 12 über den Durchströmungsbereich 18 zu der zweiten Öffnung 14 und der dritten Öffnung 16 ermöglicht. Der Fluidstrom durch die erste Öffnung erfolgt über die weitere Ausnehmung 23d im Mantel 23a des ersten Ventilglieds 22.
6d zeigt eine Position des Ventilmittels 10 gegenüber den Öffnungen 12, 14, 16, die einen ersten Fluidstrom von der ersten Öffnung 12 über den Durchströmungsbereich 18 zu der dritten Öffnung 16 ermöglicht. Durch die zweite Öffnung 14 fließt kein Fluidstrom.
6e zeigt eine Position des Ventilmittels 10 gegenüber den Öffnungen 12, 14, 16, die einen ersten und zweiten Fluidstrom von der ersten Öffnung 12 über den Durchströmungsbereich 18 zu der zweiten Öffnung 14 und der dritten Öffnung 16 ermöglicht. Der Fluidstrom durch die erste Öffnung erfolgt über die weitere Ausnehmung 23d im Mantel 23a des ersten Ventilglieds 22. Der Fluidstrom durch die dritte Öffnung 16 ist größer als der Fluidstrom durch die dritte Öffnung 16 entsprechend 6c. Der Fluidstrom durch die zweite Öffnung 14 ist in 6c und 6e gleich.
Unter Steuerung wird auch Regelung verstanden.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem Fluidstrom um einen Kältemittelsstrom insbesondere in einem Fahrzeug. Das Ventil dient vorzugsweise zur Regelung und Steuerung eines Kältemittels.

Claims

Ventil (1), insbesondere Expansionsventil, zur Steuerung eines Fluidstroms, aufweisend ein Ventilgehäuse (10) mit einer ersten Öffnung (12), einer zweiten Öffnung (14) und einer dritten Öffnung (16), und ein Ventilmittel (20), dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilmittel (20) translatorisch und rotatorisch, beweglich innerhalb des Ventilgehäuses (10) angeordnet ist.
Ventil (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilmittel (20) ein erstes Ventilglied (22) und ein zweites Ventilglied (24) umfasst.
Ventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ventilglied (22) eine rotationssymmetrische Grundform, insbesondere eine zylinderförmige Grundform, aufweist.
Ventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ventilglied (22) mindestens eine Ausnehmung (23c, 23d) aufweist, die abhängig von ihrer Ausbildung und der Position, insbesondere der Drehposition, des Ventilglieds (22) in Bezug auf die erste Öffnung (12) und/oder die zweite Öffnung (14), einen Fluidstrom durch die erste Öffnung (12) und/oder die zweite Öffnung (14) reguliert oder unterbricht.
Ventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Ventilglied (24) eine Stiftform, insbesondere eine Nadelform, aufweist, die zusammen mit der dritten Öffnung (16) ein Nadelventil oder Sitzventil bildet.
Ventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Ventilglied (24) einen, insbesondere konischen, Nadelkopf (25) aufweist, wobei der Nadelkopf (25) in einer ersten Stellung des Ventilmittels (20) in Bezug auf die Längsachse die dritte Öffnung (16) formschlüssig verschießt.
Ventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das zweite Ventilglied (24) entlang der Rotationsachse des ersten Ventilglieds (22) erstreckt.
Ventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ventilglied (22) mit dem zweiten Ventilglied (24) verbunden, insbesondere einstückig oder vorzugsweise auch formschlüssig verbunden, ausgebildet ist.
Ventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ventilglied (22) topförmig ausgebildet ist, wobei das Ventilglied (22) einen Mantel (23a), und einen Boden (23b) aufweist, wobei der Boden (23b) den Mantel (23a) mit dem Ventilschaft verbindet.
Ventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Ausnehmung (23c, 23d) in dem Mantel (23a) des ersten Ventilglieds (22) ausgebildet ist, und dass insbesondere die Ausnehmung zumindest in einem Teilbereich durchgängig durch den Mantel (23a) verläuft.
Ventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Ausnehmung (23c, 23d) als Schlitz oder Nut, die entlang des Außenumfangs des Mantels (23a) des Ventilglieds (22) verläuft, ausgebildet ist.
Ventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Aktor (50) vorgesehen ist, der eine Rotationsbewegung zur Verfügung stellt, und das insbesondere ein Getriebe (60), vorzugsweise ein Schraubenantrieb, vorgesehen ist, der die Rotationsbewegung des Aktors (50), insbesondere gleichzeitig, in eine Rotations- und Translationsbewegung umwandelt.
Ventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotations- und Translationsbewegung des Ventilmittels (20) in einem festen Verhältnis zueinander stehen, vorzugsweise so, dass sich das erste Ventilglied mindestens zwei Umdrehungen ausführt, während das zweite Ventilglied von einem ersten Endpunkt bis zu einem zweiten Endpunkt translatorisch bewegt wird.
Ventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilmittel (20) so ausgebildet ist, dass ein erster Fluidstrom über eine der Öffnungen (12, 14, 16) abgebildet über den Drehwinkel bis zu einem Maximum ansteigt und dann unterbrochen wird, wohingegen ein zweiter Fluidstrom aus einer weiteren Öffnung (12, 14, 16) abgebildet über den gleichen Drehwinkel mehrfach ansteigt, insbesondere bis auf ein Maximum ansteigt, und anschließend unterbrochen wird.
Ventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Fluidstrom über den Drehwinkel abgebildet, sägezahnartig ausgebildet ist, wobei insbesondere zwischen den Sägezähnen Pausen ausgebildet sind, in denen der Fluidstrom durch zumindest eine der Öffnungen (12, 14, 16) unterbrochen ist.