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Die Erfindung betrifft einen Ventilverschließkörper für ein Mehrwegeregelventil, ein den Ventilschließkörper enthaltendes Mehrwegeregelventil, insbesondere für Kältemittel, sowie einen das Mehrwegeregelventil umfassenden Kältemittelkreislauf für ein Fahrzeug.
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In automobilen Kältemittelkreisläufen kann es verschiedene Wärmetauscher geben, durch die die Wärme vom Kältemittel an ein anderes Medium (Luft, Wasser) abgegeben werden kann. Diese werden typischerweise als direkter Kondensator, indirekter Kondensator, Gaskühler und Heizregister bezeichnet. Nach aktuellem Stand der Technik werden in Kältekreisläufen mit Wärmepumpenfunktion zwei solcher Wärmetauscher verwendet (z.B. ein Kondensator sowie ein indirekter Kondensator, womit Wärme an Luft bzw. Wasser abgegeben werden kann). Diese beiden Wärmetauscher können nach aktuellem Stand der Technik wechselweise durchströmt werden. Dabei wird der jeweils nicht durchströmte Wärmetauscher mit der Saugdruckseite des Verdichters verbunden, sodass das Kältemittel dort abgesaugt wird und dem aktiven Teil des Kältemittelkreislaufs zu Verfügung steht. Um das heiße Kältemittel dem gewünschten Wärmetauscher zuzuführen und gleichzeitig Kältemittel aus dem inaktiven anderen Wärmetauscher abzusaugen, werden Kältemittelschaltventile verwendet. Diese können als vier unabhängige Absperrventile oder in einer kombinierten Schalteinheit mit zwei verschalteten 3/2-Wegeventilen ausgeführt sein. Neben einer wechselweisen Durchströmung der Wärmetauscher können diese auch parallel durchströmt werden. Dies ist bspw. bei dem Befüllen des Systems mit Kältemittel der Fall, wobei das Kältemittel in alle Teile des Kältekreises gelangen muss.
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In den derzeit verwendeten Kältekreissystemen können die Klimatisierungsanforderungen nicht energetisch sinnvoll durch paralleles Durchströmen beider Wärmetauscher bedient werden. Dafür wären unterschiedliche Drücke in beiden Wärmetauschern erforderlich. Dies ist im aktuellen System nicht möglich. Bei automobilen Wärmepumpensystemen kann bei gleichzeitiger Durchströmung beider Wärmetauscher das Verhältnis der Massenströme zueinander nicht gezielt und präzise reguliert werden. Daher ist es nicht möglich, einen bestimmten Teil der Wärme zu nutzen und den anderen, nicht benötigten Teil an die Umgebung abzuführen.
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Aus der
DE 201 19 470 U1 geht ein Proportionalventil mit einer Speiseöffnung, einer Entlastungsöffnung und zwei Arbeitsöffnungen und mit einer Stellvorrichtung zur Einstellung einer gewünschten Druckdifferenz zwischen den an den beiden Arbeitsöffnungen herrschenden Arbeitsdrücken hervor, wobei die Stellvorrichtung ein unter Ausführung einer Stellbewegung bewegliches Steuerglied zur Steuerung der Fluidverbindung zwischen einerseits der Speiseöffnung und der Entlastungsöffnung und andererseits einer jeweiligen Arbeitsöffnung aufweist, dem die an den beiden Arbeitsöffnungen herrschenden Arbeitsdrücke zur Erzeugung entgegengesetzt wirkender fluidischer Stellkräfte aufgeschaltet sind, und wobei die Stellvorrichtung Betätigungsmittel aufweist, durch die dem Steuerglied zusätzlich eine der gewünschten Druckdifferenz entsprechende Vorgabe-Stellkraft auferlegbar ist.
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Die
DE 102 42 727 A1 betrifft ein Ventil zur Schaltung mindestens zweier unterschiedlicher Schaltstellungen für bestimmte Varianten der Ventildurchströmung. Das Ventil umfasst ein Ventilgehäuse, das wenigstens einen Zulaufanschluss und wenigstens einen Ablaufanschluss aufweist, ein in dem Ventilgehäuse vorgesehenes Schaltelement zur Einstellung der Durchströmungsvariante sowie eine Antriebseinrichtung, über welche die Stellbewegung des um eine Drehachse beweglich in dem Ventilgehäuse gelagerten Schaltelements automatisiert durchführbar ist. Das Schaltelement weist einen Axialströmungskanal auf, von dem wenigstens zwei Querströmungskanäle etwa radial abgezweigt sind.
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Die
US 2014 / 0 353 536 A1 offenbart einen Kugelhahn mit innenliegender Dichtungsanordnung für den Einsatz in Kältemittelkreisläufen von Kraftfahrzeugen, mit einem Stellantrieb, einer Welle mit Wellenlager, einer Kugel mit einem Kugeldurchgangskanal sowie ein Ventilgehäuse mit Kältemittelanschlüssen. Die Kugel ist im Ventilgehäuse schwimmend gelagert und zwischen zwei Kugeldichtsitzen angeordnet, wobei der eine Kugeldichtsitz formschlüssig am Ventilgehäuse abgestützt ist und zu diesem eine abgedichtete Anlage durch einen Dichtsitzring erfolgt, und der zweite Kugeldichtsitz durch ein Verschlussteil auf der gegenüberliegenden Seite des Ventilgehäuses formschlüssig abgestützt ist und zu diesem eine abgedichtete Anlage durch eine Dichtsitzdichtung erfolgt. Das Verschlussteil ist durch eine Verschlussteildichtung gegen das Ventilgehäuse abgedichtet.
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Aus der
DE 10 2015 015 125 A1 ist eine Fahrzeugklimaanlage mit einem als Wärmepumpenkreislauf mit Heizfunktion und als Kältekreislauf mit Kühlfunktion betreibbaren Kältemittelkreislauf bekannt. Der Kühlmittelkreislauf umfasst einen Verdampfer, einen Kältemittelverdichter, einen ersten Kältemittelkondensator/Gaskühler, ein dem Verdampfer zugeordnetes erstes Expansionsorgan, einen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager, einen Heizungswärmeübertrager zur Durchführung der Heizfunktion, ein Klimagerät, in welchem der Verdampfer und der Heizungswärmeübertrager angeordnet sind und einen in Strömungsrichtung des Kältemittels dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager nachgeschalteten zweiten Kältemittelkondensator/Gaskühler, der im Heizbetrieb Wärme an einen in den Fahrzeuginnenraum strömenden Zuluftstrom abgibt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Mehrwegeregelventil, insbesondere für einen Kältemittelkreislauf, sowie einen Kältemittelkreislauf für ein Fahrzeug mit einem solchen Mehrwegeregelventil bereitzustellen, welche die Umsetzung von verschiedenen Funktionen in einem Kältemittelkreislauf mit weniger Bauteilen, bei geringeren Kosten und geringerem Gewicht sowie kleinerem Bauraum ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Ventilschließkörper mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, eine Ventilanordnung mit einem Mehrwegeregelventil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4 und durch einen Kältemittelkreislauf für ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Die vorliegende Erfindung stellt ein Mehrwegeregelventil bereit, das einen speziell aufgebauten drehbaren Ventilschließkörper, beispielsweise eine Ventilkugel, umfasst. Der Ventilschließkörper ermöglicht einen zusätzlichen Funktionsumfang gegenüber herkömmlichen Dreiwege-Kugelventilen bei minimalem zusätzlichem Fertigungsaufwand.
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Gegenstand der Erfindung ist ein drehbarer Ventilschließkörper zum Einsatz in einem Mehrwegeregelventil, welcher vier sich im Zentrum des Ventilschließkörpers treffende Halbbohrungen aufweist. Die Halbbohrungen definieren Durchflusskanäle des Ventilschließkörpers. Die Achse einer der Halbbohrungen steht senkrecht auf einer Horizontalebene des Ventilschließkörpers, in der die Achsen der übrigen Halbbohrungen liegen. Als Horizontalebene wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Schnittebene des Ventilschließkörpers senkrecht zur Längsachse des Ventilschließkörpers bezeichnet. Ist der Ventilschließkörper eine Kugel, so ist die Horizontalebene die Äquatorialebene der Kugel. Erfindungsgemäß weist der Ventilschließkörper auf seiner Außenfläche mindestens eine Kerbe auf, die an der Mündungsöffnung einer der in der Horizontalebene liegenden Halbbohrungen ansetzt und entlang einer Linie verläuft, welche die Zentren der Mündungsöffnungen zweier benachbarter in der Horizontalebene liegender Halbbohrungen verbindet. Anders gesagt, verläuft die Kerbe auf der Außenfläche des Ventilschließkörpers in der Horizontalebene. Sie beginnt an dem Schnittpunkt der Mündungsöffnung einer der Halbbohrungen mit der Horizontalebene und erstreckt sich in Richtung einer benachbarten Halbbohrung.
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In einer Ausführungsform ist der Ventilschließkörper eine Ventilkugel und die Horizontalebene ist die Äquatorialebene der Kugel. Das Mehrwegeregelventil ist dann ein Kugelventil. In einer anderen Ausführungsform ist der Ventilschließkörper ein zylindrischer Körper. In wieder einer anderen Ausführungsform ist der Ventilschließkörper ein kegelförmiger Körper.
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Der Ventilschließkörper weist vier sich im Schnittpunkt der Längsachse des Ventilschließkörpers mit der Horizontalebene (bei einem kugelförmigen Verschließkörper im Zentrum der Kugel) treffende Halbbohrungen auf, die Durchflusskanäle definieren. Die Öffnung einer der Halbbohrungen, nachfolgend als Medieneintrittsbohrung bezeichnet, befindet sich an der Unterseite des Ventilschließkörpers, die Achsen der anderen drei Halbbohrungen, nachfolgend als Medienaustrittsbohrungen bezeichnet, liegen in der Horizontalebene des Ventilschließkörpers. Die Öffnung an der Unterseite dient als Medieneintrittsöffnung, die Öffnungen in der Horizontalebene dienen als Medienaustrittsöffnungen (Abgänge), wobei eine der Öffnungen die Hauptaustrittsöffnung ist und die beiden anderen Nebenaustrittsöffnungen sind. Erfindungsgemäß weist der Ventilschließkörper mindestens eine Kerbe auf. In einer Ausführungsform weist der Ventilschließkörper eine Kerbe auf einer Verbindungslinie zwischen den beiden Nebenaustrittsöffnungen auf, die an einer der beiden Nebenaustrittsöffnungen ansetzt. In einer anderen Ausführungsform weist der Ventilschließkörper eine Kerbe auf einer Verbindungslinie zwischen einer der beiden Nebenaustrittsöffnungen und der Hauptaustrittsöffnung auf, die an der Nebenaustrittsöffnung ansetzt. In einer weiteren Ausführungsform weist der Ventilschließkörper eine Kerbe auf einer Verbindungslinie zwischen einer der beiden Nebenaustrittsöffnungen und der Hauptaustrittsöffnung auf, die an der Hauptaustrittsöffnung ansetzt. In einer weiteren Ausführungsform weist der Ventilschließkörper mehrere in der Horizontalebene verlaufende Kerben auf. Dadurch kann bei paralleler Durchströmung der beiden Abgänge ein Teilmassenstrom durch die Kerbe sehr genau eingestellt und mit Hilfe des Ventils reguliert werden.
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In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventilschließkörpers weist eine der Halbbohrungen in der Horizontalebene einen größeren Durchmesser auf als die beiden anderen Halbbohrungen. In einer Ausführungsform ist der Durchmesser der beiden anderen Halbbohrungen gleich groß. In einer anderen Ausführungsform weisen die beiden anderen Halbbohrungen unterschiedliche Durchmesser auf.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der Durchmesser der senkrecht auf der Horizontalebene stehenden Halbbohrung mindestens so groß wie der größte Durchmesser der in der Horizontalebene liegenden Halbbohrungen. In einer Ausführungsform ist der Durchmesser der senkrecht auf der Horizontalebene stehenden Halbbohrung genauso groß wie der größte Durchmesser der in der Horizontalebene liegenden Halbbohrungen.
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Die Medieneintrittsbohrung sowie die Medienaustrittsbohrung, die in der Hauptaustrittsöffnung endet, haben in einer Ausführungsform einen maximalen Durchmesser. Dieser ist durch die strömungsmechanischen Anforderungen des Systems bestimmt (maximaler vom Verdichter geförderter Kältemittelmassenstrom, insbesondere im Kühlmodus). Die beiden anderen Bohrungen können einen kleineren (unabhängig voneinander zu wählenden) Durchmesser haben.
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Die Winkel der drei Austrittsbohrungen des Ventilschließkörpers zueinander, deren Bohrungsdurchmesser sowie Breite, Länge und Tiefe der Kerbe sind innerhalb eines bestimmten Bereichs variabel. Sie werden so gewählt, dass in einer den Ventilschließkörper enthaltenden Ventilanordnung mit zwei auf gegenüberliegenden Seiten angeordneten Austrittsöffnungen A und B die nachfolgenden Bedingungen erfüllt sind:
- 1. Alle erforderlichen Schaltzustände können eingestellt werden. Diese umfassen:
- 1) Volle Öffnung auf Seite A, geschlossen auf Seite B;
- 2) Große Öffnung auf Seite A, kleine Öffnung (zur Druckminderung oder Massenstromregulierung) auf Seite B;
- 3) Relativ große Öffnungen auf Seite A und B (zur Befüllung oder Evakuierung);
- 4) Volle Öffnung auf Seite B, geschlossen auf Seite A;
- 5) Große Öffnung auf Seite B, kleine Öffnung (zur Druckminderung oder Massenstromregulierung) auf Seite A.
- 2. Ein Umschalten des Gesamtmassenstroms von A nach B (Schaltzustand 1 nach Schaltzustand 5) und umgekehrt ist bei laufendem Verdichter möglich, wobei der Gesamt-Massenstrom niemals unterbrochen wird und in seiner Strömung möglichst wenig eingeschnürt wird.
- 3. Der Ventilschließkörper ist möglichst klein, jedoch so groß, dass die Funktionalität unter Einhaltung aller Randbedingungen gegeben ist.
- 4. Bei vollständiger Abdichtung jeweils einer Seite (Schaltzustand 1 bzw. 4) ist noch ausreichend Winkelspiel und damit Fläche für die Dichtungen vorhanden. Dies dient außerdem einer gleichmäßigen Führung des rotierenden Ventilschließkörpers.
- 5. Bei Drosselung des Massenstroms auf einer Seite (Schaltzustand 2 bzw. 5) ist auf der jeweils gegenüberliegenden Seite eine möglichst große Querschnittfläche geöffnet.
- 6. Die Bohrungen sind so angeordnet, dass der Ventilschließkörper möglichst gleichmäßig belastet ist und damit stabil bleibt.
- 7. Soweit dies nicht im Widerspruch zu einem kleinen Ventilschließkörper steht, ist der Verfahrweg von Schaltzustand 1 zu Schaltzustand 5 möglichst klein.
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Erfindungsgemäß schließt eine der Halbbohrungen des Ventilschließkörpers in der Horizontalebene mit einer der beiden anderen Halbbohrungen in der Horizontalebene einen Winkel von 90° ein und mit der anderen der beiden anderen Halbbohrungen in der Horizontalebene einen Winkel von 100°.
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Gegenstand der Erfindung ist auch eine Ventilanordnung, die einen erfindungsgemäßen Ventilschließkörper enthält, d.h. ein Mehrwegeregelventil. Das erfindungsgemäße Mehrwegeregelventil umfasst ein Gehäuse mit mindestens drei Anschlüssen, wobei ein Anschluss des Gehäuses als Medieneintrittsöffnung ausgebildet ist. Das Gehäuse weist mindestens zwei Austrittsöffnungen (A und B) auf, die an einander gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses angeordnet sind.
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In einer Ausführungsform umfasst die Ventilanordnung ein Mehrwegeregelventil mit drei Anschlüssen, das einen erfindungsgemäßen Ventilschließkörper als Stellelement und einen Aktuator zum Verstellen des Ventilschließkörpers aufweist. In einer Ausführungsform ist der Ventilschließkörper drehbeweglich gelagert.
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In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ventilanordnung verbindet der Ventilschließkörper in einer ersten Schaltstellung den ersten Anschluss mit dem zweiten Anschluss mittels einer Kanalbohrung mit großem Querschnitt und sperrt den dritten Anschluss ab und verbindet in einer zweiten Schaltstellung den ersten Anschluss mit dem zweiten Anschluss und mit dem dritten Anschluss, wobei der dritte Anschluss nur über die Kerbe mit dem ersten Anschluss verbunden ist. In einer dritten Schaltstellung verbindet der Ventilkörper den ersten Anschluss mit dem zweiten sowie dem dritten Anschluss mittels der Bohrungskanäle. In einer vierten Schaltstellung verbindet er den ersten Anschluss mit dem dritten Anschluss mittels eines Bohrungskanals und sperrt den zweiten Anschluss ab. In einer fünften Schaltstellung wird der erste Anschluss mittels der Kerbe mit dem zweiten Anschluss verbunden und die Verbindung zwischen dem ersten und dem dritten Anschluss ist mittels eines Bohrungskanals verbunden. Eine Verbindung mittels eines Bohrungskanals bedeutet dabei einen großen Durchströmquerschnitt. Eine Verbindung mittels der Kerbe bedeutet einen kleinen, jedoch fein regelbaren Durchströmquerschnitt.
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In einer speziellen Ausführungsform unterscheiden sich in der vierten und fünften Schaltstellung die Massenströme durch den zweiten Anschluss und den dritten Anschluss mindestens um den Faktor 2, bevorzugt mindestens den Faktor 3, insbesondere mindestens den Faktor 5.
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Neben der oben beschriebenen Verwendung in einem Dreiwegeventil kann der erfindungsgemäße Ventilschließkörper und mit ihm die neuartige Funktionalität auch Bestandteil eines Mehrwegeregelventils mit vier Anschlüssen sein. Eine Bauform eines Mehrwegeregelventils mit vier Anschlüssen ist beschrieben in der
DE 10 2017 211 891 A1 .
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Aus der
DE 10 2017 211 891 A1 geht eine Ventilanordnung für einen Kältemittelkreislauf hervor, die mindestens zwei Kugelventile umfasst, welche jeweils eine Ventilkugel als Stellelement und einen Aktuator zum Verstellen der zugehörigen Ventilkugel aufweisen. Die Kugelventile sind jeweils als bidirektional durchströmbares Dreiwegeventil mit drei Anschlüssen ausgeführt. Eine erste Ventilkugel des ersten Kugelventils weist eine T-förmige Bohrung auf, die ein wahlweises Durchströmen von zweien der drei Anschlüsse und ein Absperren des dritten Anschlusses oder ein simultanes Durchströmen der drei Anschlüsse erlaubt. Eine zweite Ventilkugel des zweiten Kugelventils weist eine L-förmige Bohrung auf, welche ein wahlweises Durchströmen von zweien der drei Anschlüsse und ein Absperren des dritten Anschlusses oder ein Absperren der drei Anschlüsse erlaubt. In dieser Ausführungsvariante ersetzt der erfindungsgemäße Ventilschließkörper die Ventilkugel mit der T-förmigen Bohrung.
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Das erfindungsgemäße Mehrwegeregelventil kombiniert die Vorteile eines Dreiwegeventils mit denen eines Expansionsventils. Insbesondere ermöglicht das erfindungsgemäße Mehrwegeregelventil auch das gleichzeitige Durchströmen von zwei Wärmetauschern (Kondensatoren oder Gaskühlern), in denen unterschiedliche Drücke herrschen. Das ist vorteilhaft, um das Phasengleichgewicht im Gesamtsystem beizubehalten und die gewünschten Wärmeübergänge an den Wärmetauschern bei einem gewünschten Temperaturniveau zu ermöglichen.
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Bei einem Kältemittelkreislauf mit parallel durchströmten Wärmetauschern kann so ein Expansionsventil eingespart werden. Dies macht das System einfacher und kostengünstiger. Ferner werden so auch Bauraum und Gewicht eingespart. Im Vergleich zu einem Kältemittelkreislauf mit seriell durchströmten Wärmetauschern (beide Wärmetauscher sind in Reihe geschaltet) wird bei Nutzung des erfindungsgemäßen Mehrwegeregelventils und der damit verbundenen parallelen Durchströmung der Wärmetauscher mindestens ein Absperrventil eingespart. Hinzu kommt ein geringerer Druckverlust, da die beiden Wärmetauscher jeweils nur von einem Teilmassenstrom durchströmt werden.
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Das erfindungsgemäße Mehrwegeregelventil verfügt neben einer wahlweisen Durchströmung der beiden Abgänge zusätzlich über die Möglichkeit, bei paralleler Durchströmung der beiden Abgänge einen Teilmassenstrom sehr genau einzustellen. Dies ist insbesondere interessant bei Betriebsstrategien, bei denen nur ein Teil der entstehenden Wärmeenergie genutzt wird und die Restwärme an die Umwelt abgeführt wird.
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Bei gleichzeitigem Durchströmen beider Wärmetauscher kann es vorteilhaft sein, wenn in diesen unterschiedliche Drücke herrschen. Dafür können beide Wärmetauscher seriell oder parallel verschaltet sein. Erfindungsgemäß ist insbesondere das parallele Durchströmen der Wärmetauscher vorteilhaft. Dabei ist ein Wärmetauscher durch einen möglichst hohen Öffnungsquerschnitt mit dem Verdichter verbunden. Der andere ist mit einem sehr kleinen Öffnungsquerschnitt (nur durch die Kerbe) verbunden. Beim Passieren des geringen Öffnungsquerschnitts kann der Druck des Mediums gemindert werden. Beim anschließenden Zusammentreffen von Haupt- und Teilmassenstrom aus beiden Wärmetauschern ist daher eine weitere Drosselung erforderlich, damit der Massenstrom mit dem höheren Druck auf den geringeren Druck des anderen Massenstroms gesenkt wird.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Kältemittelkreislauf für ein Fahrzeug, mit einem Verdichter, zwei Wärmetauschern, mindestens einem Verdampfer, mindestens zwei Expansionsorganen und einer erfindungsgemäßen Ventilanordnung, über welche verschiedene Betriebsarten des Kältemittelkreislaufs einstellbar sind.
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In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kältemittelkreislaufs ist der erste Anschluss der Ventilanordnung mit einer Hochdruckseite des Verdichters verbunden, der zweite Anschluss der Ventilanordnung ist mit einem ersten Wärmetauscher verbunden und der dritte Fluidanschluss der Ventilanordnung ist mit einem zweiten Wärmetauscher verbunden.
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In 5 ist ein solches System in einem Druck-Enthalpie-Diagramm dargestellt für das Kältemittel R-134a (1,1,1,2-Tetrafluorethan). Dargestellt sind Zustandsänderungen für den Gesamtmassenstrom 51, einen Hauptmassenstrom 52 und einen Nebenmassenstrom 53. Im Gesamtsystem werden folgende Zustandsänderungen durchlaufen:
- 1-2
- Das Medium wird verdichtet;
- 2
- Das Medium wird in Hauptmassenstrom a und Nebenmassenstrom b aufgeteilt;
- 2-3a
- Dem Medium wird unter hohem Druck Wärme entzogen (z.B. durch Kondensation oder Gaskühlung);
- 2-3b
- Das Medium wird in gasförmigen Zustand auf einen geringeren Druck gedrosselt;
- 3a-4a
- Das Medium wird auf den Druck des Nebenmassenstroms gedrosselt;
- 3b-4b
- Das Medium wird unter Abfuhr von Wärme bei dem in 3b eingestellten Zwischendruck verflüssigt (im Kondensator);
- 4a-5
- Haupt- und Nebenmassenstrom werden unter gleichem Druck
- 4b-5
- gemischt. Dabei ergibt sich eine Mischungsenthalpie;
- 5-6
- Das Medium wird auf das Saugdruckniveau gedrosselt;
- 6-1
- Das Medium wird unter Wärmeaufnahme verdampft.
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Beispielsweise kann das erfindungsgemäße Mehrwegeregelventil bei einem automobilen Wärmepumpensystem mit chemischem (z.B. R-1234yf: 2,3,3,3-Tetrafluorpropen) oder natürlichem Kältemittel (z.B. R-744: Kohlendioxid) zum Einsatz kommen. Besondere Vorteile zeigen sich bei einem Kältekreisbetrieb mit Wärmeüberschuss. Am Verdampfer ist eine fixe Kälteleistung (zwecks Luftentfeuchtung oder Batteriekühlung) erforderlich.
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Wird ein Teil der dort übertragenen Wärme (z.B. für eine Innenraum-Beheizung) benötigt und soll gleichzeitig der Rest der aufgenommenen Wärme an die Umgebung abgegeben werden, so müssen ein erster Wärmetauscher (beispielsweise ein Heizregister oder indirekter Kondensator) zwecks Abgabe der Wärme in die Fahrgastzelle und ein weiterer Wärmetauscher (ein Kondensator oder Gaskühler) zwecks Wärmeabgabe an die Umgebung durchströmt werden. Im ersten Wärmetauscher herrscht ein hoher Druck; im zweiten Wärmetauscher (Kondensator) herrscht im Phasengleichgewicht ein Zwischendruck, der von der Umgebungstemperatur des Fahrzeugs abhängt. Das erfindungsgemäße Mehrwegeregelventil dient hier dazu, die Kältemittelmassenströme zwischen dem erstem und dem zweiten Wärmetauscher (Kondensator/Gaskühler) sinnvoll aufzuteilen, so dass sich die gewünschten Wärmeübergänge einstellen. In einem typischen Fall fließt ein großer Hauptmassenstrom durch den ersten Wärmetauscher und ein vergleichsweise geringer Massenstrom durch den zweiten Wärmetauscher (Kondensator/Gaskühler).
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen illustriert und wird unter Bezugnahme auf die Beispiele und die Zeichnungen weiter beschrieben. Es zeigt.
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ventilanordnung;
- 2 eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventilschließkörpers;
- 3 eine Ansicht von unten einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventilschließkörpers;
- 4 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kältemittelkreislaufs; und
- 5 ein Druck-Enthalpie-Diagramm für das Kältemittel R-134a, in dem Zustandsänderungen des Kältemittels in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kältemittelkreislaufs eingetragen sind.
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1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mehrwegeregelventils 10. Der Ventilschließkörper ist eine Ventilkugel 20. Das Mehrwegeregelventil 10 ist als Kugelventil in einem Gehäuse 11 mit mindestens drei Anschlüssen 12, 13, 14 ausgeführt. Die untere Öffnung 12 am Gehäuse 11 dient dabei als Medieneintritt. Zwei auf gegenüberliegenden Seiten liegende Öffnungen 13, 14 dienen als Anschlüsse (Abgänge A und B) für die Austrittsbohrungen 22, 23, 24. Die Ventilkugel 20 weist vier Bohrungen 22, 23, 24 auf. Diese müssen in einem bestimmten Winkel zueinander liegen und laufen mittig im Inneren der Ventilkugel 20 zusammen. Die Bohrungen 22, 23, 24 dienen als Durchflusskanäle. Ferner weist die Ventilkugel 20 an einer Seite eine eingefräste Kerbe 25 auf. Die Öffnung einer Halbbohrung 22 befindet sich auf der Unterseite der Ventilkugel 20. Durch diese tritt das Medium in die Ventilkugel 20 ein. Die anderen drei Bohrungen 23, 24 liegen in einer horizontalen Ebene. An der Oberseite der Ventilkugel 20 ist eine Welle (gestrichelt angedeutet) befestigt. Diese kann die Ventilkugel 20 innerhalb der horizontal liegenden Ebene drehen. Die Welle wird durch einen Motor 15 angetrieben. Der Motor 15 kann hermetisch mit dem Gehäuse 11 des Ventils 10 verbunden sein oder mit Hilfe einer abgedichteten Wellendurchführung die Ventilkugel 20 drehen. Die Ventilkugel 20 sowie eine Ansicht von unten der Ventilkugel 20 sind in 2 bzw. 3 dargestellt.
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In 4 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kältemittelkreislaufs 40 schematisch dargestellt, inklusive einer vergrößerten Detailansicht des Mehrwegeregelventils 10. Das System umfasst neben dem erfindungsgemäßen Mehrwegeregelventil 10 einen ersten Wärmetauscher 41, einen zweiten Wärmetauscher 42 (Kondensator), einen luftdurchströmten Verdampfer 43 und/oder einen wasserdurchströmten Verdampfer 44, einen Verdichter 45, sowie zwei oder drei (wenn sowohl ein Luft-Verdampfer 43 als auch ein Wasser-Verdampfer 44 vorhanden sind) Expansionsventile 46, 47, 48. Die beiden Wärmetauscher 41 und 42 werden parallel mit dem Kältemedium durchströmt. In der vergrößerten Detailansicht wird deutlich, wie der Gesamtmassenstrom aus dem Verdichter 45 im Mehrwegeregelventil 10 aufgeteilt wird in einen Hauptmassenstrom, der durch den ersten Wärmetauscher 41 fließt, und einen Nebenmassenstrom, der über die Kerbe 25 des Mehrwegeregelventils 10 eingestellt wird und durch den zweiten Wärmetauscher 42 fließt. Der Nebenmassenstrom ist wesentlich kleiner als der Hauptmassenstrom; der Druck im ersten Wärmetauscher 41 ist höher als im zweiten Wärmetauscher 42. Über das Expansionsventil 46 wird der Hauptmassenstrom auf den Druck des Nebenmassenstroms gedrosselt. Der Hauptmassenstrom und der Nebenmassenstrom werden vereinigt und der resultierende Gesamtmassenstrom wird über ein bzw. zwei Expansionsventil(e) 47 und/oder 48 auf das Saugdruckniveau des Verdichters 45 gedrosselt und fließt über den Luft-Verdampfer 43 und/oder den Wasser-Verdampfer 44 zum Verdichter 45.
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In 5 sind als Beispiel die während des Betriebs in einem solchen Kältemittelkreislauf 40 durchlaufenen Zustandsänderungen in einem Druck-Enthalpie-Diagramm für das Kältemittel R-134a (1,1,1,2-Tetrafluorethan) dargestellt, jeweils für Gesamtmassenstrom 51, Hauptmassenstrom 52 und Nebenmassenstrom 53. Dargestellt ist ein Betriebszyklus mit den folgenden Schritten:
- 1-2
- Das Medium wird verdichtet;
- 2
- Das Medium wird in einen Hauptmassenstrom und einen Nebenmassenstrom aufgeteilt;
- 2-3a
- Dem Medium wird unter hohem Druck Wärme entzogen (z.B. durch Kondensation oder Gaskühlung);
- 2-3b
- Das Medium wird in gasförmigen Zustand auf einen geringeren Druck gedrosselt;
- 3a-4a
- Das Medium wird auf den Druck des Nebenmassenstroms gedrosselt;
- 3b-4b
- Das Medium wird unter Abfuhr von Wärme bei dem in 3b eingestellten Zwischendruck verflüssigt (im Kondensator);
- 4a-5
- Haupt- und Nebenmassenstrom werden unter gleichem Druck
- 4b-5
- gemischt. Dabei ergibt sich eine Mischungsenthalpie;
- 5-6
- Das Medium wird auf das Saugdruckniveau gedrosselt;
- 6-1
- Das Medium wird unter Wärmeaufnahme verdampft.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Mehrwegeregelventil
- 11
- Kugelventil (Ventilgehäuse)
- 12
- Anschluss für Medieneintritt
- 13
- Anschluss für Austritt A
- 14
- Anschluss für Austritt B
- 15
- Stellmotor (Aktuator)
- 20
- Ventilkugel
- 22
- Medieneintrittsbohrung
- 23
- Haupt-Medienaustrittsbohrung
- 24
- Neben-Medienaustrittsbohrung
- 25
- Kerbe zur Feinregulierung des Massenstroms
- 40
- Kältemittelkreislauf (Systemlayout)
- 41
- Wärmetauscher 1
- 42
- Wärmetauscher 2 (Kondensator)
- 43
- Luft-Verdampfer
- 44
- Wasser-Verdampfer
- 45
- Verdichter
- 46
- Expansionsventil 1
- 47
- Expansionsventil 2
- 48
- Expansionsventil 3
- 51
- Gesamtmassenstrom
- 52
- Hauptmassenstrom
- 53
- Nebenmassenstrom
