DE19837556C1 - Expansionsventil - Google Patents

Abstract

Es wird ein Expansionsventil (1) angegeben mit einem Ventilelement (6), das mit einem Ventilsitz (4) zusammenwirkt, der zwischen einem ersten Anschluß (2) und einem zweiten Anschluß (3) in einem Gehäuse (5) angeordnet ist, und von einer Betätigungseinrichtung (8) in eine Richtung und von einer Rückstelleinrichtung (10) in die entgegengesetzte Richtung entlang der gleichen Achse (7) relativ zum Ventilsitz (4) bewegbar ist. DOLLAR A Man möchte bei einem derartigen Expansionsventil die Eigenschaften von der Betriebsrichtung, in der das Kältemittel durchströmt, entkoppeln. DOLLAR A Hierzu ist das Ventilelement (6) mit einer ersten Druckflächenanordnung (20, 21), die einander entgegengesetzt wirkende und im wesentlichen gleich große erste Druckflächen aufweist, auf die bei geschlossenem Ventil der Druck im ersten Anschluß (2) wirkt und mit einer zweiten Druckflächenanordnung (22, 23), die einander entgegengesetzt wirkende und im wesentlichen gleich große zweite Druckflächen aufweist, auf die bei geschlossenem Ventil der Druck im zweiten Anschluß (3) wirkt, verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Expansionsventil mit einem Ventilelement, das mit einem Ventilsitz zusammenwirkt, der zwischen einem ersten Anschluß und einem zweiten Anschluß in einem Gehäuse angeordnet ist, und von einer Betätigungseinrichtung in einer Richtung und von einer Rückstelleinrichtung in die entgegengesetzte Richtung entlang der gleichen Achse relativ zum Ventilsitz be­ wegbar ist.

Ein derartiges Expansionsventil ist aus der Firmen­ druckschrift Danfoss A/S "Thermostatic expansion valve TDE with fixed orifice", Ausgabe August 1995, bekannt. Auch DE 40 42 074 C1 zeigt ein derartiges Expansions­ ventil.

Ein derartiges thermostatisches Expansionsventil wird dazu verwendet, ein Kühlmittel in einen Verdampfer ein­ zuspritzen und zwar im allgemeinen in Abhängigkeit von der Überhitzung des Kühlmittels. Für die Steuerungs- oder Regelungsphiliosphien gibt es verschiedene Mög­ lichkeiten. Bei dem aus der genannten Firmendruck­ schrift bekannten Expansionsventil wird die Öffnung des Expansionsventils so eingestellt, daß die Überhitzung des Kühlmittels mehr oder weniger konstant bleibt.

Einige Anlagen werden im Sommerbetrieb so eingesetzt, daß Wärme von dem Innern eines Gebäudes oder Raumes nach außen transportiert wird. Im sogenannten Winterbe­ trieb wird die Anlage umgekehrt betrieben, d. h. Wärme wird von außen nach innen transportiert.

Ursprünglich hatte man hierzu zwei antiparallel ge­ schaltete Expansionsventile verwendet. Diese Lösung ist aber relativ aufwendig und treibt damit die Kosten in die Höhe. Man hat daher in der oben genannten Firmen­ druckschrift vorgeschlagen, nur ein Expansionsventil zu verwenden, das in beide Richtungen betreibbar ist. Hierbei ist es allerdings von Nachteil, daß die stati­ sche Überhitzung des Verdampfers in beiden Anwendungs­ formen unterschiedlich ist. Dies ist beispielsweise darauf zurückzuführen, daß bei der Durchströmung des Ventils mit Kältemittel in eine Richtung der Druck des Kältemittels in Öffnungsrichtung auf das Ventilelement wirkt, während dieser Druck bei der Durchströmung in die entgegengesetzte Richtung nicht vorhanden ist. Der Druck führt sogar zu einem stärkeren Schließen des Ven­ tilelements. Dies kann auf den Wirkungsgrad und auf die Kapazität der Anlage eine negative Auswirkung haben.

Weitere thermostatische Expansionsventile sind aus DE 38 29 101 A1 und DE 693 12 354 T2 bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bestimmte Ei­ genschaften von der Betriebsrichtung des Expansionsven­ tils zu entkoppeln.

Diese Aufgabe wird bei einem Expansionsventil der ein­ gangs genannten Art dadurch gelöst, daß das Ventilele­ ment mit einer ersten Druckflächenanordnung, die einan­ der entgegengesetzt wirkende und im wesentlichen gleich große erste Druckflächen aufweist, auf die bei ge­ schlossenem Ventil der Druck im ersten Anschluß wirkt und mit einer zweiten Druckflächenanordnung, die einan­ der entgegengesetzt wirkende und im wesentlichen gleich große zweite Druckflächen aufweist, auf die bei ge­ schlossenem Ventil der Druck im zweiten Anschluß wirkt, verbunden ist.

Mit dieser Ausgestaltung wird erreicht, daß das Ventil­ element gegenüber Kältemitteldruck von beiden Anschlüs­ sen her entlastet wird, so daß das Ventilelement kräf­ temäßig praktisch ausschließlich von der Betätigungs­ einrichtung und von der Rückstelleinrichtung beauf­ schlagt wird. Die Betätigungseinrichtung muß also nur noch Kräfte aufbringen, die ausreichen, um die Gegen­ kräfte der Rückstelleinrichtung zu überwinden. Anson­ sten ist das Ventilelement im Gleichgewicht. Der Druck im ersten Anschluß wirkt zwar auf eine erste Druckflä­ che und versucht somit das Ventilelement vom Ventilsitz abzuheben und das Ventil zu öffnen. Gleichzeitig wirkt der Druck im ersten Anschluß aber auch auf eine erste Druckfläche mit entgegengesetzter Wirkrichtung, d. h. der auf diese Druckfläche wirkende Druck versucht, das Ventilelement in Schließrichtung zu bewegen und das Ventil zu schließen bzw. geschlossen zu halten. Dement­ sprechend wirkt der Druck im ersten Anschluß mit glei­ chem Betrag in einander entgegengesetzte Richtungen. Er hat dementsprechend keinen Einfluß auf das Öffnungsver­ halten des Ventils, d. h. auf das Abheben des Ventilele­ ments vom Ventilsitz. In gleicher Weise wirkt der Druck im zweiten Anschluß zwar einerseits auf eine zweite Druckfläche und versucht damit, das Ventilelement vom Ventilsitz abzuheben. Gleichzeitig wirkt aber der Druck im zweiten Anschluß auch noch auf eine andere zweite Druckfläche, wobei er versucht das Ventilelement wieder an den Ventilsitz anzudrücken. Dementsprechend ist das Ventilelement im Hinblick auf die Drücke im ersten und zweiten Anschluß im Gleichgewicht. Dieser Gleichge­ wichtszustand gilt aber nicht nur dann, wenn das Ventil geschlossen ist. Er gilt auch dann, wenn das Ventilele­ ment vom Ventilsitz abgehoben wird. Die Erläuterung ist allerdings für den geschlossenen Zustand einfacher.

Vorzugsweise ist das Ventilelement mit einem Schieber verbunden, der parallel zur Achse geführt ist. Damit wird auf einfache Weise eine hin- und hergehende Bewe­ gung des Ventilelements möglich, bei der sichergestellt ist, daß das Ventilelement immer richtig zum Ventilsitz ausgerichtet ist.

Mit Vorteil sind die erste Druckflächenanordnung und die zweite Druckflächenanordnung durch einen abgedich­ tet geführten Kolben voneinander getrennt, wobei bei einer Bewegung des Ventilelements eine Relativbewegung zwischen dem Kolben und einer Dichtungsgegenfläche er­ folgt. Mit Hilfe des Kolbens, genauer gesagt mit Hilfe der vom Kolben und der Dichtungsgegenfläche gebildeten Dichtungszone wird eine druckmäßige Trennung zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluß erzielt. Damit wird einerseits die Funktion des Ventiles aufrechterhalten, das ja eine bestimmte Druckbeziehung zwischen den bei­ den Anschlüssen herstellen oder aufrechterhalten soll. Andererseits wird gewährleistet, daß der Druck der je­ weiligen Anschlüsse zu den Druckflächen der beiden Druckflächenanordnungen gelangen kann. Dadurch, daß die Dichtungszone beweglich ist, bleibt die Dichtung auch bei einer Öffnungs- oder Schließbewegung des Ventilele­ ments erhalten.

Diese Ausgestaltung erlaubt es auch, daß der Schieber ohne Dichtung gegenüber dem Gehäuse ausgebildet werden kann, so daß sich zwischen diesen beiden Teilen ein Druckausgleichskanal oder -pfad ausbilden kann. Dieser erlaubt, daß der Druck von einem Anschluß am Schieber vorbei zu der anderen Seite gelangt und den Schieber von dieser Seite aus belastet. Der Schieber kann sogar mit Spiel im Gehäuse geführt sein.

Mit Vorteil ist hierbei eine Dichtung am Kolben befe­ stigt, die an der Dichtungsgegenfläche anliegt. Die Dichtung kann dann relativ einfach ausgebildet sein, weil sie den Kolben umfangsmäßig umgibt. Derartige Kol­ bendichtungen sind an sich von anderen Anwendungsfällen bekannt.

Hierbei ist besonders bevorzugt, wenn die Dichtung als Kolbenringanordnung ausgebildet ist. Eine Kolbenring­ anordnung umgibt den Kolben ringförmig. Sie einfach zu montieren und hat im Betrieb eine hohe Zuverlässigkeit.

Vorzugsweise weist die Kolbenringanordnung mindestens eine radial nach außen vorgespannte Dichtlippe auf. Die Dichtlippe bildet dann den Kontakt zur Dichtungsgegen­ fläche und stellt sicher, daß an der Dichtungsanordnung kein Druck von einem zum anderen Anschluß gelangen kann.

Hierbei ist besonders, daß die Kolbenringanordnung zwei einander entgegengesetzt gerichtete Dichtlippen auf­ weist. Dies stellt die Dichtung in beiden Bewegungs­ richtungen des Kolbens gegenüber der Dichtungsgegenflä­ che sicher.

Hierbei ist besonders bevorzugt, daß die Dichtlippen an zwei gleichen, aber mit unterschiedlicher Richtung ein­ gebauten Lippenringen angeordnet sind. Dies vereinfacht den Aufbau. Da nur eine einzige Art von Lippenringen vorrätig gehalten werden muß. Die Dichtlippen können aus einem Material gebildet sein, das reibungsarm mit der Dichtungsgegenfläche zusammenwirkt. In Frage kommen insbesondere Kunststoffe, wie Polytetrafluorethylen (PTFE), beispielsweise Teflon.

Vorzugsweise weisen die Lippenringe radiale Stützflä­ chen auf. Die radialen Stützflächen können Seitenkräfte aufnehmen, so daß auch bei Belastungen die Dichtungs­ lippen geschont werden.

Hierbei ist besonders bevorzugt, daß die Stützflächen an Ringen ausgebildet sind, an deren Stirnseiten die Lippenringe aufeinander liegen. Die Ringe haben dement­ sprechend eine Doppelfunktion. Sie stabilisieren die beiden Lippenringe sowohl in axialer als auch in radia­ ler Richtung.

Vorzugsweise bilden die Dichtlippen mit dem Kolben in Bewegungsrichtung offene Ringtaschen. Ein Druck, der sich in Bewegungsrichtung vor dem Kolben aufbaut, führt dann dazu, daß die Dichtlippen mit einer stärkeren Kraft an die Dichtungsgegenfläche angedrückt wird. Dies verbessert die Dichtungseigenschaften, was gerade bei höheren Drücken erwünscht ist.

Mit Vorteil ist die Kolbenringanordnung durch eine Hal­ tescheibe unterstützt. Man kann die Kolbenringanordnung zwar in einer axialen Richtung problemlos an dem Kolben abstützen, beispielsweise an einem umlaufenden Vor­ sprung. In die andere Richtung wird die entsprechende Abstützung aber schwierig, wenn man bei der Montage ei­ ne übermäßige Dehnung der Kolbenringanordnung verwenden will. Hier liefert eine Stützscheibe eine gute Alterna­ tive. Die Stützscheibe kann nach dem Aufschieben der Kolbenringanordnung auf den Kolben eingesetzt werden und hält dann die Kolbenringanordnung fest. Darüber hinaus unterstützt sie die Kolbenringanordnung, d. h. sie kann radial etwas über die entsprechende Stützflä­ che am Kolben überstehen. Eine solche Haltescheibe kann aus Metall, beispielsfreie rostfreiem Stahl bestehen.

Die Kolbenringanordnung kann auch einen in Umfangsrich­ tung geteilten Kolbenring aufweisen, der sich vorzugs­ weise unter Druck radial aufweitet. Da er in Umfangs­ richtung überlappende Enden aufweist, wird eine in Um­ fangsrichtung geschlossene Dichtung erreicht.

Mit Vorteil ist der Schieber unter Ausbildung eines Druckausgleichpfades, der mit dem zweiten Anschluß in Verbindung steht, im Gehäuse geführt. Der Druckaus­ gleichspfad gestattet, daß der Druck im zweiten An­ schluß am Schieber vorbei auf die andere Seite gelangt und somit den Schieber von dieser anderen Seite her be­ lastet. Auf diese Weise kann man für den zweiten An­ schluß einen Druckausgleich über den Schieber herstel­ len, ohne daß zusätzliche Kanäle im Gehäuse erforder­ lich sind. Der Druckausgleichspfad kann beispielsweise kann dadurch gebildet sein, daß der Schieber mit einem gewissen Spiel im Gehäuse geführt ist. Man kann ihn auch dadurch bilden, daß man den Schieber an einer oder mehrere Positionen in Umfangsrichtung etwas abflacht. Schließlich kann man auf der Oberfläche des Schiebers auch axial verlaufende Vertiefungen vorsehen. Sämtliche Maßnahmen lassen sich auf dem Schieber relativ leicht realisieren. Eine entsprechende Bearbeitung des Gehäu­ ses wäre zwar ebenfalls möglich, würde aber einen höhe­ ren Fertigungsaufwand bedingen. Dennoch ist eine Bear­ beitung in der Gehäusebohrung, die den Schieber auf­ nimmt, noch weitaus einfacher als das Vorsehen von ge­ trennten Kanälen.

Vorzugsweise ist der Kolben ortsfest im Gehäuse ange­ ordnet und ragt in den Schieber hinein, wobei der Kol­ ben einen Druckraum im Schieber begrenzt, der bei ge­ schlossenem Ventil mit dem ersten Anschluß in Verbin­ dung steht. Der Druckraum hat eine Querschnittsfläche, die der Querschnittsfläche des Ventilsitzes entspricht. Wenn nun der Druck im ersten Anschluß auf das Ventile­ lement wirkt, dann wirkt er auch in entgegengesetzter Richtung auf die entsprechende Stirnseite des Druckrau­ mes. Weiter kann sich der Druck im ersten Anschluß aber nicht ausbreiten, weil er durch den Kolben mit der Dichtungsanordnung im Druckraum festgehalten wird. In gleicher Weise wirkt aber auch der Druck im zweiten An­ schluß auf zwei Stirnseiten des Schiebers, so daß der Schieber druckmäßig vollständig im Gleichgewicht ist.

Vorzugsweise ist der Kolben hierbei über eine Gelenk­ flächenanordnung an einer Spindel abgestützt. Dies er­ möglicht es, daß der Schieber im Gehäuse etwas geneigt wird, ohne daß die dichtungsmäßige Zuordnung zwischen Kolben und Schieber darunter leiden muß. Der Kolben kann immer mit seiner Achse parallel zur Achse des Schiebers bleiben. Dies ist insbesondere dann von Vor­ teil, wenn der Druckausgleichspfad durch einen mit Spiel im Gehäuse geführten Schieber gebildet ist.

Vorzugsweise weist der Kolben mit der Spindel eine zug- und druckkraftaufnehmende Verbindung auf. Da der Druck vom zweiten Anschluß am Schieber vorbei zu der Verbin­ dungsstelle gelangen kann, besteht unter ungünstigen Umständen die Gefahr, daß der Kolben von der Spindel abgehoben wird. Dies kann man durch die Verbindung ver­ hindern, die lediglich Zug- und Druckkräfte aufnimmt, jedoch eine gewisse Kippbeweglichkeit des Kolbens ge­ genüber der Spindel zuläßt.

In einer besonders einfachen Ausgestaltung kann die Verbindung durch einen Federring gebildet werden, der in einen Ringraum eingesetzt ist, der durch eine erste Ringnut am Kolben und eine zweite Ringnut an der Spin­ del umgeben ist. Wenn der Federring gegenüber einer der beiden Ringnuten ein gewisses Spiel aufweist, dann er­ möglicht dies zwar eine Kippbewegung des Kolbens gegen­ über der Spindel. Eine Zugkraft kann jedoch vom Kolben auf die Spindel oder umgekehrt übertragen werden, so daß der Kolben dagegen gesichert ist, von der Spindel abgehoben zu werden.

Mit Vorteil ist der Schieber als topfförmige Schale ausgebildet, an deren geschlossenem Ende das Ventilele­ ment angeordnet ist. Das offene Ende der Schale steht dementsprechend für die Aufnahme von verschiedenen Funktionselementen, beispielsweise für die Aufnahme des Kolbens, zur Verfügung. Der Begriff der "Schale" ist allerdings nicht so zu verstehen, daß sie einen größe­ ren Durchmesser als Tiefe aufweisen muß. Es soll ledig­ lich zum Ausdruck gebracht werden, daß das Ventilele­ ment hohl ist und in eine Richtung hin offen ist.

Vorzugsweise ist ein Hohlzylinder in die Schale einge­ setzt, der mit dem Kolben zusammen den Druckraum um­ grenzt. Der Druckraum kann dann sehr präzise gefertigt werden, ohne daß man gleichzeitig den gesamten Schieber mit der entsprechenden Genauigkeit herstellen muß. Der Hohlzylinder kann auch andere Materialeigenschaften aufweisen, beispielsweise eine höhere Festigkeit als der Schieber, so daß die im Druckraum herrschenden Drücke nicht unbedingt zu einer Verformung des Schie­ bers führen, was zu einem Verklemmen des Schiebers im Gehäuse führen könnte. Mit dieser Ausgestaltung er­ reicht man eine höhere Freiheit bei der Konstruktion des Schiebers.

Vorteilhafterweise bilden die Außenwand des Hohlzylin­ ders und eine Innenwand der Schale einen Ringraum, in dem eine Rückstellfeder angeordnet ist. Der Hohlzylin­ der und der Schieber bilden dann zusammen eine Führung für die Rückstellfeder, was die Funktionssicherheit des Expansionsventils ebenfalls vergrößert.

In einer alternativen Ausgestaltung ist am Schieber ein Kolben angeordnet, der parallel zur Bewegungsrichtung von einem Kanal durchsetzt ist. Durch den Kanal kann Druck, genauer gesagt Fluid mit dem entsprechenden Druck von einer Seite des Kolbens auf die andere gelan­ gen und für den entsprechenden Druckausgleich sorgen.

Hierbei ist besonders bevorzugt, daß der Kolben auf ei­ ner anderen Seite des Ventilsitzes als der Schieber an­ geordnet ist und mit dem Schieber über eine Stange ver­ bunden ist. Bei dieser Ausgestaltung kann der Kolben unmittelbar der Betätigungseinrichtung, beispielsweise einer Membrankapsel, benachbart angeordnet sein. Der Druck, der vom ersten Anschluß in Öffnungsrichtung auf das Ventilelement wirkt, wirkt in die entgegengesetzte Richtung auf den Kolben. Da der Kolben mit dem Ventil­ element bzw. mit dem Schieber über die Stange verbunden ist, ergibt sich dadurch das entsprechende Krätegleich­ gewicht. Der Druck im zweiten Anschluß gelangt am Schieber vorbei "unter" den Schieber, d. h. auf die dem Ventilelement abgewandte Seite des Schiebers. Der Druck im zweiten Anschluß wirkt damit auf die gesamte Quer­ schnittsfläche des Schiebers in Schließrichtung. In die umgekehrte Richtung wirkt der Druck im zweiten Anschluß auf einen Ringbereich des Schiebers, der nicht vom Ven­ tilsitz abgedeckt ist. Die fehlende Fläche wird dann von der anderen Seite des Kolbens bereit gestellt. Zu dieser Fläche kann der Druck durch den Kanal gelangen, der den Kolben durchsetzt.

In einer dritten Alternative kann der Kolben auf einer gleichen Seite des Ventilsitzes wie der Schieber und in einer gehäusefesten Führung angeordnet sein. Genau wie bei der ersten Ausgestaltung begrenzt der Kolben dann einen Druckraum, in dem der Druck im ersten Anschluß herrscht. Für den Druck am zweiten Anschluß stehen am Schieber zwei Flächen zur Verfügung, die gleich groß sind, aber mit entgegengesetzter Richtung wirken.

Vorzugsweise ist das Ventilelement einstückig mit dem Schieber ausgebildet. Es kann beispielsweise aus dem gleichen Material wie der Schieber gebildet sein und an den Schieber angeformt sein. Es kann aber auch aus ei­ nem anderen Material bestehen und durch geeignete Maß­ nahmen, beispielsweise ein Umbördeln, fest mit dem Schieber verbunden werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Hierin zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausgestaltung eines Expansionsven­ tils,

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung eines Schiebers,

Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung eines Kolbens,

Fig. 4 eine erste Ausgestaltung einer Kolbenringan­ ordnung,

Fig. 5 eine zweite Ausgestaltung der Kolbenringan­ ordnung,

Fig. 6 einen Kolben ohne Kolbenringanordnung,

Fig. 7 eine Spindel,

Fig. 8 eine erste alternative Ausgestaltung eines Kolbenrings,

Fig. 9 eine zweite alternative Ausgestaltung eines Kolbenrings,

Fig. 10 eine zweite Ausgestaltung eines Expansions­ ventils und

Fig. 11 eine dritte Ausgestaltung eines Expansions­ ventils.

Ein Expansionsventil 1 weist einen ersten Anschluß 2 und einen zweiten Anschluß 3 auf. Ein Kältemittel kann entweder vom ersten Anschluß 2 zum zweiten Anschluß 3 oder umgekehrt von zweiten Anschluß 3 zum ersten An­ schluß 2 strömen. Die Strömung wird hierbei gesteuert durch das Zusammenwirken eines Ventilsitzes 4, der im Gehäuse 5 des Expansionsventils angeordnet ist, mit ei­ nem Ventilelement 6. Das Ventilelement 6 kann hierbei entlang einer Achse 7 vom Ventilsitz 4 weg oder auf ihn zu bewegt werden. Die Steuerung des Ventilelements 6 erfolgt über ein an sich bekanntes Balgenelement 8, das über einen außerhalb der Zeichenebene gelegenen Stößel 9 auf das Ventilelement 6 wirkt. Zum Rückstellen des Ventilelements 6 an den Ventilsitz 4 ist eine Rück­ stellfeder 10 vorgesehen. Das Balgenelement 8 wird über einen schematisch dargestellten Temperaturfühler 11 gesteuert, der hierzu über eine Kapillarleitung 12 mit dem Balgenelement 8 verbunden ist. Die Anordnung des Temperaturfühlers 11 am zweiten Anschluß 3 ist al­ lerdings nicht zwingend.

Das Ventilelement 6 ist im vorliegenden Ausführungsbei­ spiel Teil eines Schiebers 13, der in einer gehäusefe­ sten Führung 14 mit Spiel angeordnet ist und entlang der Achse 7 verschiebbar ist. Der Schieber 14 ist hier­ bei auf der Seite des Ventilsitzes 4 angeordnet, die mit dem zweiten Anschluß 3 in Verbindung steht. Dement­ sprechend kann der Druck im zweiten Anschluß 3 auf die dem Ventilsitz 4 abgewandte Seite des Schiebers 13 ge­ langen.

Das Ventilelement 6 ist von einem Kanal 15 durchsetzt. Der Kanal 15 leitet den Druck im ersten Anschluß 2 in einen Druckraum 16, der von einem Hohlzylinder 17 in Umfangsrichtung und von einem Kolben 18 an seiner offe­ nen Stirnseite 19 (Fig. 2) umschlossen ist. Bei ge­ schlossenem Ventil, d. h. dann, wenn das Ventilelement 6 am Ventilsitz 4 anliegt, dringt der Druck im ersten An­ schluß 2 zwar in den Druckraum 16 vor. Aufgrund der Ab­ dichtung durch den Kolben 18 bleibt der Druck im ersten Anschluß 2 aber vom Druck im zweiten Anschluß 3 ge­ trennt. Dieser Druck befindet sich auf der anderen Sei­ te des Kolbens. Der Querschnitt des Druckraums 16 und damit seine dem Ventilelement 6 zugewandte Stirnfläche 20 ist genauso groß wie die vom Ventilsitz 4 umgebene Stirnfläche 21 des Ventilelements 6. Dementsprechend wirkt der Druck im ersten Anschluß 2 von beiden Seiten auf das Ventilelement 6 bzw. den damit verbundenen Schieber 13. Im Hinblick auf diese Druckverhältnisse befindet sich der Schieber 13 im Druck- und Kräf­ tegleichgewicht.

Der Druck im zweiten Anschluß 3 wirkt einerseits, wie oben ausgeführt, auf die "Unterseite" 22 des Schiebers 13 und zwar auf einen ringförmigen Bereich, der nicht vom Kolben 18 abgedeckt ist, andererseits in entgegen­ gesetzter Richtung auf eine gleich große ringförmige Fläche 23. Dementsprechend ist der Schieber 13 auch im Hinblick auf den Druck im zweiten Anschluß 3 im Kräf­ tegleichgewicht.

Die Angabe, daß die jeweiligen entgegengesetzt gerich­ teten Flächen, auf die der Druck im ersten Anschluß 2 bzw. im zweiten Anschluß 3 wirkt, gleich groß sein sol­ len, bedeutet nicht, daß die Gleichheit im mathemati­ schen Sinne exakt erfüllt sein muß. Kleinere Unter­ schiede, wie sie beispielsweise durch eine endliche Breite des Ventilsitzes 4 gegeben sind, sind durchaus akzeptabel. Die Gleichheit muß nur in einem Maß gegeben sein, daß die durch die unterschiedlichen Drücke her­ vorgerufenen Kräfte auf den Schieber 13 sehr klein sind, so daß die Steuerung der Bewegung des Schiebers 13 praktisch ausschließlich durch das als Betätigungs­ einrichtung wirkende Balgenelement 8 und die als Rück­ stelleinrichtung wirkende Rückstellfeder 10 erfolgt. Mit dieser Ausgestaltung wird dann das Steuerverhalten des Expansionsventils 1 unabhängig von der Durchströ­ mungsrichtung des Kältemittels. Es spielt also keine Rolle mehr, ob das Kältemittel vom ersten Anschluß 2 zum zweiten Anschluß 3 oder vom zweiten Anschluß 3 zum ersten Anschluß 2 strömt. Der jeweils höhere Druck trägt praktisch nichts zu einer Öffnung des Ventils, d. h. zu einer Verschiebung des Schiebers 13 bei.

In Fig. 2 ist dargestellt, daß das Ventilelement 6 aus mehreren Teilen besteht, nämlich einem Dichtring 24, der mit Hilfe eines Einsatzes 25 am Schieber befestigt ist. Der Einsatz 25 ist an seinem dem Dichtring 24 ab­ gewandten Ende 26 umgebogen und hält damit gleichzeitig den Hohlzylinder 17 fest. In ähnlicher Weise ist der Schieber 13 an seinem oberen Ende 27 umgebogen, um den Dichtring 24 festzuhalten. Natürlich ist es auch mög­ lich, den Schieber 13 mit dem Ventilelement 6 nicht nur, wie dargestellt, einstückig auszubilden, sondern aus dem gleichen Material, so daß Befestigungsaufgaben entfallen.

Der Hohlzylinder 17 bildet zusammen mit dem Schieber 13 einen Ringraum 42, in dem die Rückstellfeder 10 einge­ setzt ist. Damit wird die Rückstellfeder 10 über eine gewisse axiale Länge geführt.

Die Rückstellfeder 10 stützt sich (Fig. 3) an einem Stützring 28 ab, der auf einem Kolbenträger 29 aufge­ setzt ist, der wiederum den Kolben 18 trägt. Der Stütz­ ring 28 ist gegenüber dem Kolbenträger 29 bewegbar an­ geordnet.

Eine erste Ausgestaltung des Kolbens 18 ist in Fig. 4 vergrößert dargestellt, um die Dichtung zu erläutern, die mit Hilfe des Kolbens bewirkt wird.

Die radiale Innenseite des Hohlzylinders 17 bildet eine Dichtungsgegenfläche 30, an der ein Kolbenring 31 an­ liegt. Der Kolbenring 31 ist an einem axialen Ende an einer Stufe 32 auf dem Kolben 18 abgestützt. Am anderen Ende ist er durch eine Haltescheibe 33, beispielsweise aus rostfreiem Stahl, gehalten, die in den Kolben 18 federnd eingesetzt ist.

Der Kolbenring 31 weist zwei Dichtlippen 34, 35 auf, die vorzugsweise aus Kunststoff, beispielsweise Poly­ tetrafluorethylen (PTFE, Teflon) gebildet sind. Die Dichtlippen 34, 35 haben eine schräge Schnittfläche. Sie weisen in beide axiale Bewegungsrichtungen des Kol­ bens 18 (relativ zum Schieber 13 gesehen). Sie bilden jeweils einen Ringraum 36, 37, der mit dem Druck beauf­ schlagt wird, der auf dieser Seite des Kolbenringes 31 herrscht. Der Druck führt dazu, daß die Dichtlippen 34, 35 mit einer höheren Kraft gegen die Dichtungsgegenflä­ che 30 gepreßt wird und dementsprechend zu einer aus­ reichenden Abdichtung beitragen.

Bei der Darstellung in Fig. 4 ist der Kolbenring 31 einstückig ausgebildet. Fig. 5 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform, bei der der Kolbenring als Kolbenring­ anordnung 31' ausgebildet ist und aus zwei identischen Lippenringen 38 besteht, die mit entgegengesetzter Ein­ baurichtung auf den Kolben aufgesetzt sind. Die Lippen­ ringe 38 weisen im vorliegenden Fall nicht nur die Dichtlippen 34 auf, sondern auch eine radiale Stützflä­ che 39. Die radiale Stützfläche 39 ist die Umfangsflä­ che eines Ringes 40. Die beiden Lippenringe 38 liegen an ihren Ringen 40 aneinander. Mit Hilfe der Stützflä­ che 39 wird die Kolbenringanordnung 31' gegen seitliche Belastungen geschützt.

Die Fig. 8 und 9 zeigen Alternativen zum Kolbenring. Hier ist die Dichtung als geteilter Kolbenring 47, 48 ausgebildet. Der Kolbenring 47, 48 wird durch den zu­ strömenden Druck nach unten und gegen die Stufe 32 ge­ drückt und gleichzeitig radial erweitert. Diese Lösung ist sehr preisgünstig.

Aufgrund der mit Spiel behafteten Führung des Schiebers 13 in der Führung 14 kann sich die Winkelausrichtung des Schiebers 13 zur Achse 7 geringfügig ändern. Um da­ bei sicherzustellen, daß der Kolben 18 zum Schieber 13 ausgerichtet bleibt, ist der Kolbenträger 29 (Fig. 6) auf einer Spindel 41 gelagert. Die Spindel 41 ist im Gehäuse 5 einstellbar, d. h. ihre axiale Position (bezogen auf die Achse 7) läßt sich durch Verdrehen verändern.

Die Spindel 41 weist an ihrem dem Kolbenträger 29 zuge­ wandten Ende eine kegelige oder abgerundete Lagerfläche 43 auf. Der Kolbenträger weist an dem der Spindel 41 zugewandten Ende eine entsprechende Aufnahmeöffnung 44 auf, so daß er in gewissen Grenzen gegenüber der Spin­ del 41 kippen kann. Allerdings sind die Kippwinkel hier sehr klein.

Um einen axialen Zusammenhalt zwischen der Spindel 41 und dem Kolbenträger 29 zu gewährleisten, weist die Spindel 41 unterhalb der Lagerfläche 43 eine Ringnut 45 auf. In der Öffnung 44 ist eine entsprechende Ringnut 46 vorgesehen. Man kann nun einen Federring in die Ringnut 45 einsetzen. Beim Einschieben der Spindel 41 in den Kolbenträger 29 wird dieser Federring durch eine Schrägfläche in der Eingangsöffnung des Kolbenträgers 29 zusammengedrückt und der Federring rastet dann in der Nut 46 ein. Der Federring ist hier nicht darge­ stellt. Wenn der Federring ein kleines axiales Spiel in mindestens einer der beiden Ringnuten 45, 46 hat, dann erlaubt diese Verbindung die Kippbeweglichkeit. Sie ist aber andererseits in der Lage, nicht nur Druckkräfte, sondern auch Zugkräfte aufzunehmen. Derartige Zugkräfte könnten beispielsweise dann entstehen, wenn der Druck von dem zweiten Anschluß 3 unter den Kolbenträger 29 gelangt.

Fig. 10 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines Expansi­ onsventils 101. Gleiche Teile wie in Fig. 1 sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Entsprechende Tei­ le sind mit um 100 erhöhten Bezugszeichen versehen.

Das Kraftgleichgewicht auf den Schieber 113, der eben­ falls spielbehaftet in der Führung 114 geführt ist, wird bei dieser Ausgestaltung auf andere Weise erzielt.

Der Schieber 113 ist über eine Stange 49 mit einem Kol­ ben 50 verbunden, der in einem Zylinder 51 im Gehäuse 105 koaxial zur Achse 7 angeordnet ist. Die Abdichtung des Kolbens 50 gegenüber dem Zylinder 51 kann genauso erfolgen, wie es in den Fig. 4 und 5 dargestellt ist.

Sowohl der Kolben 50 als auch die Stange 49 sind von einem Kanal 115 durchsetzt. Der Schieber 113 ist nach unten, d. h. auf der dem Ventilsitz 4 abgewandten Seite offen.

Bei dieser Ausgestaltung wirkt der Druck im ersten An­ schluß 2 auf das Ventilelement 106 in dem Bereich, der nicht vom Ventilsitz 4 abgedeckt ist. Der Kolben 50 hat eine gleich große Querschnittsfläche. Der Druck im er­ sten Anschluß 2 wirkt also auch auf den Kolben 50, hier aber in entgegengesetzter Richtung. Im Hinblick auf den Druck im ersten Anschluß 2 steht der Schieber 113 mit dem Kolben 50 also im Kräftegleichgewicht.

Der Druck im zweiten Anschluß 3 wirkt einerseits auf die Ringfläche 23 außerhalb des Ventilsitzes 4. Nachdem sich dieser Druck am Schieber 113 vorbei auf die Unter­ seite des Schiebers 113 fortpflanzen kann, wirkt er in die entgegengesetzte Richtung auf die gesamte Quer­ schnittsfläche des Schiebers 113. Er pflanzt sich al­ lerdings auch durch den Kanal 115 auf die Oberseite des Kolbens 50 fort, so daß der Druck im zweiten Anschluß 3 auch über die gesamte Querschnittsfläche (Fläche des Kolbens 50 + Ringfläche 23) nach unten wirkt. Dement­ sprechend steht der Schieber 113 auch im Hinblick auf den Druck im zweiten Anschluß 3 im Gleichgewicht.

Die Rückstellfeder 10 ist (wegen der Kippbarkeit des Schiebers 113 gelenkig) auf der Spindel 141 abgestützt. Die Spannung der Rückstellfeder 10 kann entsprechend verändert werden.

Fig. 11 zeigt eine dritte Ausgestaltung eines Expansi­ onsventils 201, bei der gleiche Teile wie in Fig. 1 mit gleichen Bezugszeichen und entsprechende Teile mit um 200 erhöhten Bezugszeichen versehen sind.

Der Aufbau des Gehäuses 5 entspricht dem von Fig. 1.

Der Schieber 213 ist spielbehaftet in der Führung 214 geführt. In diese Führung 214 ist allerdings ein Ein­ satzteil 52 eingeschraubt, das den Druckraum 216 um­ schließt. In dem Druckraum 216 ist die Rückstellfeder 10 angeordnet und zwar auch hier verstellbar durch eine Spindel 241, die einen Stützring 228 trägt.

Der Schieber 213 ist der Länge nach durchsetzt von dem Kanal 215. Der Schieber 213 ragt mit seinem unteren, als Kolben 218 ausgebildeten Ende in das Einsatzteil 52 hinein. Die Dichtung des Kolbens 218 zum Einsatzteil 52 kann genauso erfolgen, wie in den Fig. 4 und 5 darge­ stellt.

Bei dieser Ausgestaltung kann der Druck vom ersten An­ schluß 2 einerseits auf eine Fläche 21 des Ventilele­ ments 206 wirken, die nicht vom Ventilsitz 4 abgedeckt ist. Der Druck kann sich durch den Kanal 215 an die entgegengesetzte Stirnseite des Schiebers 213 fort­ pflanzen. Dort steht eine genauso große Fläche 20 zur Verfügung, so daß der Schieber 213 im Hinblick auf den Druck im ersten Anschluß 2 im Gleichgewicht ist.

Der Druck im zweiten Anschluß 3 kann am Schieber 213 vorbei zu der Unterseite 22 gelangen, die außerhalb vom Kolben liegt. Auf die Oberseite 23, die gleich groß ist, wirkt der Druck im zweiten Anschluß 3 in die ent­ gegengesetzte Richtung. Dementsprechend ist der Schie­ ber 213 auch im Hinblick auf den Druck im zweiten An­ schluß 3 im Gleichgewicht.

In allen Ausgestaltungen kann der Pfad am Schieber vor­ bei nicht nur durch eine spielbehaftete Führung gebil­ det werden. Man kann auch den Schieber einseitig oder an mehreren Stellen abflachen oder mit Axialnuten ver­ sehen. Man kann selbstverständlich auch die Führung mit entsprechenden Ausnehmungen versehen.

Die Gleichgewichtsbedingung gilt nicht nur, wie erläu­ tert, im geschlossenen Zustand des Expansionsventils. Wenn das Ventilelement vom Ventilsitz abhebt, dann stellen sich an den betrachteten Flächen 20-23 zwar an­ dere Drücke ein. Diese Drücke sind aber bei den jeweils entgegengerichtet wirkenden Flächen wieder praktisch gleich groß, daß auch bei einem geöffneten Ventil ein Kraftgleichgewicht besteht.

Claims (28)

1. Expansionsventil mit einem Ventilelement, das mit einem Ventilsitz zusammenwirkt, der zwischen einem ersten Anschluß und einem zweiten Anschluß in einem Gehäuse angeordnet ist, und von einer Betätigungs­ einrichtung in eine Richtung und von einer Rück­ stelleinrichtung in die entgegengesetzte Richtung entlang der gleichen Achse relativ zum Ventilsitz bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Ven­ tilelement (6, 106, 206) mit einer ersten Druckflä­ chenanordnung (20, 21), die einander entgegenge­ setzt wirkende und im wesentlichen gleich große er­ ste Druckflächen aufweist, auf die bei geschlosse­ nem Ventil der Druck im ersten Anschluß (2) wirkt und mit einer zweiten Druckflächenanordnung (22, 23), die einander entgegengesetzt wirkende und im wesentlichen gleich große zweite Druckflächen auf­ weist, auf die bei geschlossenem Ventil der Druck im zweiten Anschluß (3) wirkt, verbunden ist.

2. Expansionsventil nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Ventilelement (6, 106, 206) mit einem Schieber (13, 113, 213) verbunden ist, der parallel zur Achse (7) geführt ist.

3. Expansionsventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Druckflächenanordnung (20, 21) und die zweite Druckflächenanordnung (22, 23) durch einen abgedichtet geführten Kolben (18, 50, 218) voneinander getrennt sind, wobei bei einer Bewegung des Ventilelements (6, 106, 206) eine Re­ lativbewegung zwischen dem Kolben (18, 50, 218) und einer Dichtungsgegenfläche (30) erfolgt.

4. Expansionsventil nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schieber (13, 113, 213) ohne Dichtung gegenüber dem Gehäuse (5, 105) ausgebildet ist.

5. Expansionsventil nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schieber (13, 113, 213) mit Spiel im Gehäuse (5, 105) geführt ist.

6. Expansionsventil nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Dichtung am Kolben (18, 118, 218) befestigt ist, die an der Dichtungs­ gegenfläche (30) anliegt.

7. Expansionsventil nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Dichtung als Kolbenringanordnung (31, 31') ausgebildet ist.

8. Expansionsventil nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kolbenringanordnung (31, 31') mindestens eine radial nach außen vorgespannte Dichtlippe (34, 35) aufweist.

9. Expansionsventil nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kolbenringanordnung (31, 31') zwei einander entgegengesetzt gerichtete Dichtlip­ pen (34, 35) aufweist.

10. Expansionsventil nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Dichtlippen (34, 35) an zwei glei­ chen, aber mit unterschiedlicher Richtung eingebau­ ten Lippenringen (38) angeordnet sind.

11. Expansionsventil nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lippenringe (38) radiale Stütz­ flächen (39) aufweisen.

12. Expansionsventil nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Stützflächen (39) an Ringen (40) ausgebildet sind, an deren Stirnseiten die Lippen­ ringe (38) aufeinander liegen.

13. Expansionsventil nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtlippen (34, 35) mit dem Kolben (18) in Bewegungsrichtung offene Ringtaschen (36, 37) bilden.

14. Expansionsventil nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenringanordnung (31) durch eine Haltescheibe (33) unterstützt ist.

15. Expansionsventil nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kolbenringanordnung einen in Um­ fangsrichtung geteilten Kolbenring (47, 48) auf­ weist.

16. Expansionsventil nach Anspruch 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich der Kolbenring (47, 48) unter Druck radial erweitert.

17. Expansionsventil nach einem der Ansprüche 2 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Schieber (13, 113, 213) unter Ausbildung eines Druckausgleichpfades, der mit dem zweiten Anschluß (2) in Verbindung steht, im Gehäuse (5, 105) geführt ist.

18. Expansionsventil nach einem der Ansprüche 3 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (18) orts­ fest im Gehäuse (5) angeordnet ist und in den Schieber (13) hinein ragt, wobei der Kolben (18) einen Druckraum (16) im Schieber (13) begrenzt, der bei geschlossenem Ventil mit dem ersten Anschluß (2) in Verbindung steht.

19. Expansionsventil nach Anspruch 18, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kolben (18) über eine Gelenkflä­ chenanordnung (43) an einer Spindel (41) abgestützt ist.

20. Expansionsventil nach Anspruch 19, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kolben (18) mit der Spindel (41) eine zug- und druckkraftaufnehmende Verbindung auf­ weist.

21. Expansionsventil nach Anspruch 20, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verbindung durch einen Federring gebildet ist, der in einen Ringraum eingesetzt ist, der durch eine erste Ringnut (46) am Kolben (18) und eine zweite Ringnut (45) an der Spindel (41) umgeben ist.

22. Expansionsventil nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Schieber (13) als topfförmige Schale ausgebildet ist, an deren geschlossenem Ende das Ventilelement (6) angeordnet ist.

23. Expansionsventil nach Anspruch 22, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Hohlzylinder (17) in die Schale eingesetzt ist, der mit dem Kolben (18) zusammen den Druckraum (16) umgrenzt.

24. Expansionsventil nach Anspruch 23, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Außenwand des Hohlzylinders (17) und eine Innenwand der Schale einen Ringraum (42) bilden, in dem eine Rückstellfeder (10) angeordnet ist.

25. Expansionsventil nach einem der Ansprüche 2 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß am Schieber (113) ein Kolben (50) angeordnet ist, der parallel zur Bewe­ gungsrichtung von einem Kanal (115) durchsetzt ist.

26. Expansionsventil nach Anspruch 25, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kolben (50) auf einer anderen Seite des Ventilsitzes (4) als der Schieber (113) angeordnet ist und mit dem Schieber (113) über eine Stange (49) verbunden ist.

27. Expansionsventil nach einem der Ansprüche 3 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (218) auf einer gleichen Seite des Ventilsitzes (4) wie der Schieber (213) und in einer gehäusefesten Führung (52) angeordnet ist.

28. Expansionsventil nach einem der Ansprüche 2 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilelement (6, 106, 206) einstückig mit dem Schieber (13, 113, 213) ausgebildet ist.