WO2024078720A1 - Expansionsventil - Google Patents

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WO2024078720A1
WO2024078720A1 PCT/EP2022/078516 EP2022078516W WO2024078720A1 WO 2024078720 A1 WO2024078720 A1 WO 2024078720A1 EP 2022078516 W EP2022078516 W EP 2022078516W WO 2024078720 A1 WO2024078720 A1 WO 2024078720A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
flow
section
control body
expansion valve
flow channel
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/078516
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hans-Carsten GÖTTSCHE-GÖTZE
Timon JANSEN
Jean KÜBBELER
Robert Sabic
Herbert SCHÖNHOFEN
Original Assignee
Pierburg Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Pierburg Gmbh filed Critical Pierburg Gmbh
Priority to PCT/EP2022/078516 priority Critical patent/WO2024078720A1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B41/00—Fluid-circulation arrangements
    • F25B41/30—Expansion means; Dispositions thereof
    • F25B41/31—Expansion valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K47/00—Means in valves for absorbing fluid energy
    • F16K47/04—Means in valves for absorbing fluid energy for decreasing pressure or noise level, the throttle being incorporated in the closure member
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2500/00—Problems to be solved
    • F25B2500/01—Geometry problems, e.g. for reducing size

Definitions

  • the invention relates to an expansion valve with a flow housing with an inlet and an outlet, an actuator, via which a control body is axially movable, a flow channel which is arranged fluidically between the inlet and the outlet, wherein the flow channel has a first flow section with at least one evaporation cross-section which can be opened or closed by means of a first control body section, and a second flow section in which a flow gap is formed between a second control body section and a correspondingly designed flow channel inner wall, wherein a flow deflection structure is arranged in the second flow section, which is fluidically arranged between the inlet and the evaporation cross-section.
  • the disclosed expansion valve comprises a control body with a first control body section, through which an evaporation cross-section can be opened or closed, wherein the control body has circumferential grooves in a second control body section, in particular a spiral groove, through which a second flow cross-section is formed in the open state of the expansion valve, at which a throttling of the fluid flowing past takes place.
  • the fluid initially flows through the relatively narrow evaporation cross-section and then through the second flow cross-section, the size of which can be varied by moving the grooves in relation to a flow edge in the flow channel inner wall.
  • Another exemplary expansion valve is disclosed in JP 2015-143543 A.
  • both the control body and the inner wall of the flow channel have circumferential grooves in which the fluid flowing past is swirled, thereby forming a turbulent flow boundary layer that ensures that the fluid flows past with relatively little noise and wear, particularly at the transitions between two surfaces at an angle to one another.
  • the invention is therefore based on the object of creating an expansion valve in which a significant turbulence of the flow occurs, in particular at the time of opening.
  • the expansion valve according to the invention has a flow housing with an inlet and an outlet, through which a fluid, in particular a coolant, flows from the inlet to the outlet.
  • the expansion valve also has a control body which can be moved in the axial direction in a stroke-like manner, wherein the movement of the control body can be generated, for example, by an actuator.
  • the expansion valve also has a flow channel which is preferably formed by the flow housing and is arranged fluidically between the inlet and the outlet, whereby the flow channel fluidically connects the inlet and the outlet.
  • the flow channel has a first
  • Control body section and a first
  • Flow channel inner wall section at least one
  • the flow channel inner wall section encloses the correspondingly designed first control body section along the circumference, whereby an axially extending
  • Evaporation gap can be formed, wherein the evaporation cross section is preferably the narrowest cross section of the evaporation gap in which the fluid relaxes and thus expands, whereby at least a part of the fluid flowing through the evaporation cross section changes its state of aggregation from liquid to gaseous, i.e. evaporates.
  • the flow channel further comprises a second flow section in which a flow gap is formed between a second control body section formed by a second subsection of the control body and the correspondingly formed flow channel inner wall, or a flow channel inner wall section that serves as a valve seat, when the second control body section is lifted off the valve seat, which preferably has an annular cross section that is larger than the evaporation cross section.
  • a flow deflection structure is arranged in the second flow section, which is arranged fluidically between the inlet and the evaporation cross section. Consequently, the fluid flows before it flows through the evaporation cross-section, through the flow deflection structure, whereby the fluid flow is deflected and thus slowed down.
  • the flow gap in which the flow deflection structure is arranged is closed when the expansion valve is closed, i.e. when the control body completely closes the flow channel, by the second control body section resting on the inner wall of the flow channel.
  • either the flow deflection structure itself or a surface adjacent to the flow deflection structure in the second flow section rests on the valve seat.
  • a surface of the control body adjacent to the flow deflection structure could rest on a corresponding surface on the inner wall of the flow channel and thereby close the flow gap.
  • the expansion valve When the expansion valve is opened, i.e. when the control body is moved in the axial direction, the flow gap in the second flow section is released, whereby the fluid flows through the flow channel and the evaporation cross section. Due to the low temperatures of a fluid used in a refrigeration circuit, a relatively high pressure suddenly forms in a conventional expansion valve, especially during the opening process of the expansion valve in front of the evaporation cross section. In the expansion valve according to the invention, the fluid flows shortly after opening, starting from the inlet, initially along the second flow section and passes the flow deflection structure.
  • the flow deflection structure causes a deflection of at least part of the fluid flow, which affects the entire flow, whereby the entire fluid flow is already diverted by means of the flow deflection structure before the actual throttle point at the evaporation cross section. is throttled or slowed down.
  • the pressure of the fluid in the flow gap is reduced before it reaches the evaporation cross-section, which means that the flow rate through the evaporation cross-section can be regulated much more precisely.
  • the flow deflection structure is arranged in such a way that, starting from a defined control body stroke, the flow deflection structure is positioned completely outside the second flow channel inner wall section in relation to the stroke direction.
  • this defined control body stroke is exceeded, the distance between the second flow channel inner wall section and the control body becomes smaller than the distance between the second flow channel inner wall section and the flow deflection structure, so that the latter is no longer within the narrowest cross-section and therefore no longer has a relevant influence on the flow. Accordingly, no more turbulence is generated in the flow gap, but rather there is a largely straight-line flow through the flow gap without additional pressure losses.
  • the flow deflection structure therefore only has a significant effect on the fluid flow shortly after the expansion valve opens when the flow gap is relatively small.
  • the flow deflection structure is formed by at least one circumferential recess in the control body and/or the flow channel inner wall.
  • the circumferential recess is preferably a triangular groove-like depression either in the control body or in the flow channel inner wall, whereby alternatively both the control body and the flow channel inner wall can each have a circumferential recess.
  • the circumferential recess causes a widening of the flow gap in the flow direction and a In relation to the widening, the flow gap is narrowed, whereby at least a partial flow of the fluid flowing through the flow gap flows into the recess and is thereby slightly diverted in relation to the main flow direction along the flow gap at the inlet edge of the recess, where the flow gap begins to widen.
  • the flow gap begins to widen.
  • the outlet edge arranged at the fluidic end of the recess, there is another slight diversion. This multiple diversion of the flow creates turbulence, which throttles or slows down the flow and thus reduces the pressure.
  • the surface opposite the recess can have a corresponding raised structure which projects into the recess at least when the valve is closed and slightly open, whereby a labyrinth-like gap is formed in the region of the flow deflection structure, which causes a deflection of the entire flow.
  • a first circumferential recess and a second circumferential recess are formed in the control body.
  • the flow deflection structure thus has two recesses, whereby the number of flow deflections is doubled. Furthermore, the recesses in the control body can be produced more easily than in the flow housing, so that the additional manufacturing costs for the recesses are relatively low.
  • the recess has a V-shaped cross-section, whereby a relatively acute angle is formed at the base of the recess, which causes a relatively strong flow deflection.
  • the V-shaped cross-section forms preferably an isosceles triangle whose line of symmetry is arranged perpendicular to the lateral surface of the control body, whereby the deflection angles at the leading edge and the trailing edge of the recess are equal.
  • the two recesses are arranged adjacent to one another in relation to the flow direction, thereby forming a stepped structure.
  • the first recess is thus arranged upstream of the second recess, so that the exit edge of the first recess forms the entry edge of the second recess.
  • the flow is deflected relatively strongly at this edge, so that with the respective deflections at the base of each recess, three relatively strong deflections of the flow occur, each of approximately 90°, whereby the pre-throttling effect is significantly stronger than with just one recess.
  • closed circumferential chambers are formed by the two recesses when the expansion valve is closed.
  • the circumferential chambers are formed by the flow deflection structure being completely in contact with the opposite corresponding surface, whereby the circumferential recesses are completely closed by the contacting surface. This is particularly advantageous when the flow deflection structure is arranged at the beginning of the flow gap from a fluidic point of view.
  • At least a partial section of the second control body section in the second flow section is convex, wherein the second control body section in the region of the flow deflection structure does not have to be convex, but only has a
  • the surface adjacent to the flow deflection structure can be convex and, for example, when the expansion valve is closed, lies sealingly against the corresponding flow channel inner wall so that the expansion valve is closed.
  • the control body in the second control body section is not completely conical.
  • the contour of the entire second control body section is designed such that a conical surface enclosing the second control body section touches the second control body section at least two points closest to the flow channel inner wall, namely the point on the convex partial section closest to the second flow channel inner wall section and the point on the flow deflection structure closest to the second flow channel inner wall section, the conicity of the enclosing surface corresponding to the conicity of the second flow channel inner wall section forming the valve seat. Due to the convex contact surface, the second control body section only touches the preferably conical flow channel inner wall along one line, which ensures a relatively high level of tightness of the expansion valve in the closed state. In this case, in the area of the flow deflection structure, the control body should advantageously not rest against the inner wall of the flow channel.
  • the flow deflection structure has a sharp edge at at least one deflection point.
  • a sharp-edged flow deflection structure causes flow separation, which can cause relatively strong turbulence in the flow and thus result in a pressure loss, which further reduces the pressure of the fluid.
  • the flow channel in the first flow section is cylindrical, wherein the first control body section is also cylindrical in a corresponding manner.
  • this first flow section in which the evaporation cross section is also formed, an evaporation gap with a constant evaporation cross section is formed by the two cylindrical surfaces of the control body and the flow channel in the closed and slightly open state of the expansion valve. Consequently, the evaporation cross section remains constant shortly after the expansion valve opens for a certain stroke length, which is preferably 5% to 20% of the control body stroke, which corresponds approximately to the stroke length within which the flow deflection structure exerts a significant influence on the flow in the second flow section.
  • the flow deflection structure extends over at least 30% of the length of the second control body section.
  • the length of the second control body section essentially corresponds to the length of the second flow section.
  • control body and the flow channel in the second flow section are essentially conical, with the conicity of the control body essentially corresponding to the conicity of the flow channel. Consequently, the second control body section lies flat on the second flow channel inner wall section and thereby closes the flow gap in the second flow section.
  • the conicity means that with increasing stroke of the control body, the flow cross section of the The flow gap in the second flow section increases continuously, allowing the flow rate to be regulated. Furthermore, the angle of the cone determines how many millimeters of flow gap are opened or closed per millimeter of control body stroke.
  • a conical third control body section is connected downstream of the first control body section, whereby the evaporation cross section is increased proportionally with increasing valve stroke by increasing the distance between the conical control body surface and the flow channel inner wall, whereby the flow channel inner wall itself can be cylindrical or conical.
  • a convex fourth control body section follows downstream of the conical third control body section, i.e., with respect to the flow direction, a spherical control body section follows after the conical third control body section, which increases the evaporation cross section in an integral manner with increasing valve stroke, whereby the flow rate of the fluid increases disproportionately with increasing valve stroke.
  • Figure 1 is a partial view of the flow housing of the expansion valve in the closed state in a sectional view, the section running through the control body axis,
  • FIG 2 is an enlarged detailed view of the flow channel of the expansion valve shown in Figure 1 in the slightly opened state
  • Figure 3 is an enlarged detailed view of the flow deflection structure of the flow channel shown in Figure 2.
  • Fig. 1 shows a section of an expansion valve 10 for the refrigeration circuit of a battery-electric vehicle in the closed state.
  • the expansion valve 10 has a flow housing 12 with a cylindrical inlet 14 and a conical outlet 16.
  • the expansion valve 10 also has a control body 20 which is arranged to be axially movable in a corresponding opening 121 of the flow housing 12.
  • the control body 20 can be moved, for example, by means of an actuator and carries out a control body stroke h.
  • a flow channel 30 with a flow channel inner wall 124 is formed in the flow housing 12, the flow channel 30 having a plurality of differently shaped sections and extending between the inlet 14 and the outlet 16.
  • FIG. 2 shows a detailed view of the expansion valve 10 according to the invention in a slightly opened state, with the control body 20 being raised by a stroke hl of approximately 10% of the total control body stroke h.
  • Figure 2 shows in particular the flow channel 30 with a first Flow section 301 and a second flow section 302.
  • an evaporation gap 21 is arranged, which is formed between a cylindrical first control body section 201 and a hollow cylindrical flow channel inner wall section 125.
  • An evaporation cross section 24 is also formed by an evaporation edge 240 arranged at the upstream end of the first flow section 301 and the control body 20, which represents the narrowest cross section of the flow channel 30, wherein the liquid coolant flowing through the flow channel 30 is expanded when flowing through the evaporation cross section 24 and is thereby evaporated.
  • the cylindrical first control body section 201 and the cylindrical flow channel inner wall section 125 thus form an evaporation gap 21 with a constant cross-section, whereby the evaporation cross-section 24 is constant over a stroke that corresponds approximately to the axial length of the cylindrical first control body section 201.
  • the cylindrical first flow section 301 and the cylindrical first control body section 201 extend in the axial direction over approximately 10% of the control body stroke h.
  • a third conical control body section 203 Downstream of the first control body section 201 there is a third conical control body section 203 which tapers in the downstream direction, whereby the evaporation cross section 24, when the third control body section 203 is at the level of the evaporation edge 240 with respect to the stroke direction of the control body 20, is increased proportionally with increasing stroke, whereby the flow rate flowing through the evaporation cross section 24 can be increased.
  • a fourth convex control body section 204 Downstream of the third conical control body section 203 there is a fourth convex control body section 204, as shown in Fig. 1, which, when it is at the level of the evaporation cross section 24 with respect to the stroke direction of the control body 20, becomes a disproportionate enlargement of the evaporation cross section 24 and thus to a disproportionate increase in the flow rate.
  • a second flow section 302 is arranged upstream of the first flow section 301.
  • the flow housing 12 has a conically shaped flow channel inner wall 124 with an opening angle in relation to the control body axis R of approximately 45°.
  • a second control body section 202 is essentially conically formed in a corresponding manner, so that the second control body section 202 and the flow channel inner wall 124 form a flow gap 22 which extends in the flow direction in the open state of the expansion valve 10 from the inlet 14 to the evaporation cross section 24.
  • a flow deflection structure 40 is arranged, which extends over 40% of the length L of the first control body section 201 and is formed by two circumferential recesses 43, 46 adjacent to one another in relation to the flow direction, wherein the flow deflection structure is arranged in terms of flow between the inlet 14 and the evaporation cross section 24.
  • Each recess 43, 46 has a V-shaped cross section with an angle of 90°, so that due to the inclination of the surface of the first control body section 202 of approximately 45° in relation to the control body axis R, a step structure 210 made up of two successive cylindrical sections 211, 212 of different diameters is formed by the two recesses 43, 46.
  • the second control body section Downstream of the flow deflection structure 40, i.e. between the flow deflection structure 40 and the first control body section 201, the second control body section is convex and consequently has a spherically shaped section which, in the closed state, rests on the flow channel inner wall 124 in the second flow section 302. rests, whereby the control body 20 closes the flow channel 30, as shown in Fig. 1.
  • the flow deflection structure 40 with the two recesses 43, 46 rests on the flow channel inner wall 124 in the closed state, so that the recesses 43, 46 are closed and therefore form circumferential chambers 431, 461.
  • the points of the flow deflection structure 40 and the convex partial section 205 closest to the second flow channel inner wall section 124 lie on a line M which corresponds in terms of flatness and angle to the contour of the second flow channel inner wall section 124.
  • the flow deflection structure 40 causes a deflection and turbulence of the refrigerant flow K flowing through the flow gap 22.
  • Refrigerant flow K flows through the inlet 14 into the flow gap 22 and passes the flow deflection structure 40.
  • a first slight deflection of the refrigerant flow K flowing directly past the inlet edge 41 takes place, with the sharp inlet edge 41 causing flow separations that cause turbulence in the flow.
  • the refrigerant flows in the direction of a base 44 of the first recess 43, at which a relatively strong deflection of the refrigerant flow K by approximately 90° takes place, whereupon the refrigerant flows in the direction of the intermediate edge 42 designed as a sharp edge 45, which forms the outlet edge of the first recess 43 and also the inlet edge of the second recess 46.
  • the intermediate edge 42 the coolant flow K is again deflected relatively strongly by approximately 90°, whereby the deflection and the flow separation caused by the sharp edge 42 cause strong turbulences, which continue from the flow deflection structure into the gap.
  • the coolant flows Refrigerant to a base 48 of the second recess 46, where a third relatively strong deflection of approximately 90° takes place.
  • the refrigerant then flows in the direction of the outlet edge 47 of the second recess 46, where a further slight deflection of the refrigerant flow K takes place.
  • the refrigerant flow K is thus diverted three times relatively strongly, creating a pre-throttling effect that leads to a first pressure reduction before the refrigerant flow K reaches the evaporation cross-section 24, where the actual throttling and thus the evaporation of the refrigerant flow K takes place.
  • the pre-throttling effect of the flow diverting structure 40 decreases due to the ever-increasing flow cross-section in the flow gap 22.
  • the narrowest flow gap 22 is located outside the flow diverting structure 40, whereby its influence on the flow in the flow gap 22 is almost completely eliminated, since the flow diverting structure 40 is arranged in an area through which the flow is significantly lower and in which there is therefore a lower flow velocity.
  • the turbulences T caused by the recesses 43, 46 have no significant influence on the cold flow K as soon as the distance b between the second control body section 202 and the second flow channel inner wall section 124 becomes smaller than the distance of the recesses 43, 46 to the second
  • Flow channel inner wall section 124 whereby the cold flow K forms a laminar flow, so that when the expansion valve 10 is fully open, no significant effect emanates from the flow deflection structure 40.
  • the high pressure that prevails as a result of the low temperatures of the coolant when the expansion valve 10 is opened can be reduced relatively significantly by the turbulence T in the recesses 43, 46 caused by the flow deflection structure 40, so that the pressure of the cold flow K in front of the evaporation cross section 24 is significantly reduced.
  • the control effort is reduced because the flow rate through the evaporation cross section 24 can be regulated much more precisely.
  • wear is reduced because significantly less harmful cavitation can occur in the flow channel 30.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Expansionsventil (10) mit einem Strömungsgehäuse (12) mit einem Einlass (14) und einem Auslass (16), einem axial bewegbaren Regelkörper (20), einem Strömungskanal (30) der strömungstechnisch zwischen dem Einlass (14) und dem Auslass (16) angeordnet ist, wobei der Strömungskanal (30) einen ersten Strömungsabschnitt (301) aufweist, in dem zwischen einem ersten Regelkörperabschnitt (201) und einem ersten Strömungskanalinnenwandabschnitt (125) mit mindestens einem Verdampfungsquerschnitt (24) gebildet ist, und einen zweiten Strömungsabschnitt (302) aufweist, in dem zwischen einem zweiten Regelkörperabschnitt (202) und einer korrespondierend ausgebildeten Strömungskanalinnenwand (124) ein Strömungsspalt (22) gebildet ist, wobei in dem zweiten Strömungsabschnitt (302) eine Strömungsumlenkstruktur (40) angeordnet ist, die strömungstechnisch zwischen dem Einlass (14) und dem Verdampfungsquerschnitt (22) angeordnet ist, wobei der Strömungsspalt, in dem die Strömungsumlenkstruktur (40) angeordnet ist, im geschlossenen Zustand des Expansionsventils (10) durch Auflage des zweiten Regelkörperabschnitts (202) auf der Strömungskanalinnenwand (124) geschlossen ist. Die Strömungsumlenkstruktur (40) bewirkt eine Vordrosselung des Fluids vor Erreichen des Verdampfungsquerschnitts (24), wodurch der Druck vor dem Verdampfungsquerschnitt (24) gesenkt wird.

Description

B E S C H R E I B U N G
Expansionsventil
Die Erfindung betrifft ein Expansionsventil mit einem Strömungsgehäuse mit einem Einlass und einem Auslass, einem Aktor, über den ein Regelkörper axial bewegbar ist, einem Strömungskanal, der strömungstechnisch zwischen dem Einlass und dem Auslass angeordnet ist, wobei der Strömungskanal einen ersten Strömungsabschnitt mit mindestens einem Verdampfungsquerschnitt aufweist, der mittels eines ersten Regelkörperabschnitts freigebbar oder verschließbar ist, und einen zweiten Strömungsabschnitt aufweist, in dem zwischen einem zweiten Regelkörperabschnitt und einer korrespondierend ausgebildeten Strömungskanalinnenwand ein Strömungsspalt gebildet ist, wobei in dem zweiten Strömungsabschnitt eine Strömungsumlenkstruktur angeordnet ist, die strömungstechnisch zwischen dem Einlass und dem Verdampfungsquerschnitt angeordnet ist.
Ein derartiges Expansionsventil ist beispielsweise in der WO 2006/093149 Al. Das offenbarte Expansionsventil umfasst einen Regelkörper mit einem ersten Regelkörperabschnitt, durch den ein Verdampfungsquerschnitt freigebbar oder verschließbar ist, wobei der Regelkörper in einem zweiten Regelkörperabschnitt umlaufende Nuten, insbesondere eine Spiralnut aufweist, durch die im geöffneten Zustand des Expansionsventils ein zweiter Strömungsquerschnitt gebildet ist, an dem eine Drosselung des vorbeiströmenden Fluids erfolgt. Das Fluid strömt zunächst durch den relativ engen Verdampfungsquerschnitt und anschließend durch den zweiten Strömungsquerschnitt, dessen Größe durch Verschieben der Nuten im Verhältnis zu einer Strömungskante in der Strömungskanalinnenwand variiert werden kann. Ein weiteres beispielhaftes Expansionsventil ist in der JP 2015-143543 A offenbart. Hier weist sowohl der Regelkörper als auch die Strömungskanalinnenwand umlaufende Nuten auf, in denen das vorbeiströmende Fluid verwirbelt wird, wodurch eine turbulente Strömungsgrenzschicht gebildet wird, die ein relativ geräusch- und verschleißarmes Vorbeiströmen des Fluids insbesondere an den Übergängen zwischen zwei im Winkel zueinanderstehenden Flächen sicherstellt.
Beide in den genannten Schriften offenbarte Expansionsventile nutzen somit umlaufende Nuten in dem Regelkörper und/oder der Strömungskanalinnenwand, um den Querschnitt zu variieren oder Verwirbelungen des vorbeiströmenden Fluids zu erzeugen. Der Effekt der Nuten tritt jedoch erst dann auf, wenn das Ventil bereits geöffnet ist und sich eine kontinuierliche Strömung ausgebildet hat.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Expansionsventil zu schaffen, bei dem insbesondere zum Zeitpunkt des Öffnens eine signifikante Verwirbelung der Strömung auftritt.
Diese Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Expansionsventil mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Expansionsventil weist ein Strömungsgehäuse mit einem Einlass und einem Auslass auf, durch welches ein Fluid insbesondere ein Kältemittel von dem Einlass zu dem Auslass strömt. Das Expansionsventil weist ferner einen Regelkörper auf, der in axialer Richtung hubartig bewegbar ist, wobei die Bewegung des Regelkörpers beispielsweise durch einen Aktor erzeugt werden kann. Das Expansionsventil weist weiterhin einen Strömungskanal auf, der vorzugsweise durch das Strömungsgehäuse gebildet ist und strömungstechnisch zwischen dem Einlass und dem Auslass angeordnet ist, wodurch der Strömungskanal den Einlass und den Auslass fluidisch verbindet. Somit kann das Fluid bei geöffnetem Ventil vom Einlass zum
Auslass durch eben diesen Strömungskanal innerhalb des
Strömungsgehäuses strömen. Der Strömungskanal weist einen ersten
Strömungsabschnitt auf, in dem zwischen einem ersten
Regelkörperabschnitt und einem ersten
Strömungskanalinnenwandabschnitt mindestens ein
Verdampfungsquerschnitt gebildet ist. Der erste
Strömungskanalinnenwandabschnitt umschließt dazu den korrespondierend ausgebildeten ersten Regelkörperabschnitt entlang des Umfangs, wodurch zwischen dem ersten Regelkörperabschnitt und dem ersten Strömungskanalinnenwandabschnitt ein sich axial erstreckender
Verdampfungsspalt ausbildbar ist, wobei der Verdampfungsquerschnitt vorzugsweise der engste Querschnitt des Verdampfungsspaltes ist, in dem das Fluid entspannt und somit expandiert, wodurch zumindest ein Teil des durch den Verdampfungsquerschnitt strömenden Fluids seinen Aggregatzustand von flüssig zu gasförmig ändert, d.h. verdampft.
Der Strömungskanal weist ferner einen zweiten Strömungsabschnitt auf, in dem zwischen einem durch einen zweiten Teilabschnitt des Regelkörpers gebildeten zweiten Regelkörperabschnitt und der korrespondierend ausgebildeten Strömungskanalinnenwand, bzw. einem Strömungskanalinnenwandabschnitt, der als Ventilsitz dient, beim vom Ventilsitz abgehobenen zweiten Regelkörperabschnitt ein Strömungsspalt gebildet wird, der vorzugsweise einen ringförmigen Querschnitt aufweist, der größer ist als der Verdampfungsquerschnitt. In dem zweiten Strömungsabschnitt ist eine Strömungsumlenkstruktur angeordnet, die strömungstechnisch zwischen dem Einlass und dem Verdampfungsquerschnitt angeordnet ist. Folglich strömt das Fluid, bevor es durch den Verdampfungsquerschnitt strömt, durch die Strömungsumlenkstruktur, wodurch der Fluidstrom umgelenkt und dadurch gebremst wird. Der Strömungsspalt, in dem die Strömungsumlenkstruktur angeordnet ist, ist im geschlossenen Zustand des Expansionsventils, d.h., wenn der Regelkörper den Strömungskanal vollständig verschließt, durch Auflage des zweiten Regelkörperabschnitts auf der Strömungskanalinnenwand geschlossen. Hierbei liegt entweder die Strömungsumlenkstruktur selbst oder eine an die Strömungsumlenkstruktur angrenzende Fläche im zweiten Strömungsabschnitts am Ventilsitz an. Beispielsweise könnte eine an die Strömungsumlenkstruktur angrenzende Fläche des Regelkörpers an einer korrespondierenden Fläche der Strömungskanalinnenwand anliegen und dadurch den Strömungsspalt verschließen.
Wenn das Expansionsventil geöffnet wird, d.h., wenn der Regelkörper in axialer Richtung bewegt wird, wird der Strömungsspalt im zweiten Strömungsabschnitt freigegeben, wodurch das Fluid durch den Strömungskanal und den Verdampfungsquerschnitt strömt. Aufgrund der niedrigen Temperaturen eines in einem Kältekreis eingesetzten Fluids, bildet sich in einem herkömmlichen Expansionsventil insbesondere während des Öffnungsvorgangs des Expansionsventils vor dem Verdampfungsquerschnitt schlagartig ein relativ hoher Druck aus. In dem erfindungsgemäßen Expansionsventil strömt das Fluid kurz nach dem Öffnen ausgehend von dem Einlass zunächst entlang des zweiten Strömungsabschnitts und passiert dabei die Strömungsumlenkstruktur. Insbesondere kurz nach dem Öffnen des Expansionsventils, wenn der Strömungsspalt noch relativ klein ist, bewirkt die Strömungsumlenkstruktur eine Umlenkung zumindest eines Teils der Fluidströmung, die sich auf die gesamte Strömung auswirkt, wodurch die gesamte Fluidströmung mittels der Strömungsumlenkstruktur bereits vor der eigentlichen Drosselstelle an dem Verdampfungsquerschnitt vorgedrosselt bzw. gebremst wird. Infolgedessen wird der Druck des Fluids in dem Strömungsspalt bereits vor Erreichen des Verdampfungsquerschnitts reduziert, wodurch die Durchflussmenge durch den Verdampfungsquerschnitt deutlich präziser reguliert werden kann.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Strömungsumlenkstruktur derart angeordnet, dass ab einem definierten Regelkörperhub die Strömungsumlenkstruktur in Bezug auf die Hubrichtung vollständig außerhalb des zweiten Strömungskanalinnenwandabschnitts positioniert ist. Bei Überschreiten dieses definierten Regelkörperhubs wird der Abstand des zweiten Strömungskanalinnenwandabschnitts zum Regelkörper kleiner als der Abstand des zweiten Strömungskanalinnenwandabschnitts zur Strömungsumlenkstruktur, so dass diese nicht mehr innerhalb des engsten Querschnitts liegt und somit keinen relevanten Einfluss auf die Strömung mehr ausübt. Entsprechend werden keine Turbulenzen mehr im Strömungsspalt erzeugt, sondern es liegt eine weitestgehend geradlinige Strömung durch den Strömungsspalt ohne zusätzliche Druckverluste vor. Somit wirkt die Strömungsumlenkstruktur nur kurz nach dem Öffnen des Expansionsventils bei einem relativ kleinen Strömungsspalt in signifikanter Weise auf die Fluidströmung.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Strömungsumlenkstruktur durch mindestens eine umlaufende Ausnehmung in dem Regelkörper und/oder der Strömungskanalinnenwand gebildet. Die umlaufende Ausnehmung ist vorzugsweise eine dreiecksnutartige Vertiefung entweder in dem Regelkörper oder in der Strömungskanalinnenwand, wobei alternativ sowohl der Regelkörper als auch die Strömungskanalinnenwand jeweils eine umlaufende Ausnehmung aufweisen können. Die umlaufende Ausnehmung bewirkt in Strömungsrichtung eine Aufweitung des Strömungsspalts und eine sich in Bezug auf die Aufweitung anschließende Verengung des Strömungsspalts, wodurch zumindest ein Teilstrom des durch den Strömungsspalt strömenden Fluids in die Ausnehmung strömt und dadurch in Bezug auf die Hauptströmungsrichtung entlang des Strömungsspalts an der Eintrittskante der Ausnehmung, an der der Strömungsspalt sich aufzuweiten beginnt, leicht umgelenkt wird. An der tiefsten Stelle der Ausnehmung, an der der Strömungsspalt sich wieder zu verengen beginnt, erfolgt eine weitere, starke Umlenkung der Strömung. An der am strömungstechnischen Ende der Ausnehmung angeordneten Austrittskante erfolgt letztlich eine weitere leichte Umlenkung. Diese Mehrfachumlenkung der Strömung erzeugt Turbulenzen, die die Strömung drosseln, bzw. bremsen und somit den Druck reduzieren. Um den Umlenkungseffekt noch weiter zu steigern, kann die der Ausnehmung gegenüberliegende Fläche eine korrespondierende erhabene Struktur aufweisen, die zumindest im geschlossenen und leicht geöffneten Zustand des Ventils in die Ausnehmung hineinragt, wodurch im Bereich der Strömungsumlenkstruktur ein labyrinthartiger Spalt gebildet ist, der eine Umlenkung der gesamten Strömung bewirkt.
Besonders bevorzugt ist in dem Regelkörper eine erste umlaufende Ausnehmung und eine zweite umlaufende Ausnehmung gebildet. Die Strömungsumlenkstruktur weist somit zwei Ausnehmungen auf, wodurch die Anzahl der Strömungsumlenkungen verdoppelt ist. Ferner lassen sich die Ausnehmungen in dem Regelkörper einfacher herstellen als in dem Strömungsgehäuse, sodass die zusätzlichen Fertigungskosten für die Ausnehmungen relativ gering ausfallen.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Ausnehmung einem V-förmigen Querschnitt auf, wodurch an einem Grund der Ausnehmung ein relativ spitzer Winkel entsteht, der eine relativ starke Strömungsumlenkung bewirkt. Der V-förmige Querschnitt bildet vorzugsweise ein gleichschenkliges Dreieck, dessen Symmetrielinie lotrecht zu der Mantelfläche des Regelkörpers angeordnet ist, wodurch die Umlenkwinkel an der Eintrittskante und der Austrittskante der Ausnehmung gleich sind.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die beiden Ausnehmungen in Bezug auf die Strömungsrichtung aneinander angrenzend angeordnet, wodurch eine Stufenstruktur gebildet ist. Die erste Ausnehmung ist somit stromaufwärts der zweiten Ausnehmung angeordnet, sodass die Austrittskante der ersten Ausnehmung die Eintrittskante der zweiten Ausnehmung bildet. Auf diese Weise wird die Strömung an dieser Kante relativ stark umgelenkt, sodass mit den jeweiligen Umlenkungen am Grund jeder Ausnehmung drei relativ starke Umlenkungen der Strömung um jeweils ca. 90° erfolgen, wodurch der Vordrosselungseffekt deutlich stärker ist als mit nur einer Ausnehmung.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind durch die beiden Ausnehmungen in geschlossenem Zustand des Expansionsventil geschlossene umlaufende Kammern gebildet. Die umlaufenden Kammern werden dadurch gebildet, dass die Strömungsumlenkstruktur vollständig an der gegenüberliegenden korrespondierenden Fläche anliegt, wodurch die umlaufenden Ausnehmungen durch die anliegende Fläche vollständig verschlossen werden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Strömungsumlenkstruktur aus strömungstechnischer Sicht zu Anfang des Strömungsspaltes angeordnet ist.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist zumindest ein Teilabschnitt des zweiten Regelkörperabschnitts im zweiten Strömungsabschnitt konvex ausgebildet, wobei der zweite Regelkörperabschnitt im Bereich der Strömungsumlenkstruktur nicht konvex ausgebildet sein muss, sondern nur eine an die Strömungsumlenkstruktur angrenzende Fläche konvex ausgebildet sein kann, die beispielsweise im geschlossenen Zustand des Expansionsventils an der korrespondierenden Strömungskanalinnenwand dichtend anliegt, sodass das Expansionsventil verschlossen ist. Dazu ist der Regelkörper im zweiten Regelkörperabschnitt nicht vollständig konisch ausgebildet. Vielmehr ist die Kontur des gesamten zweiten Regelkörperabschnitts derart ausgebildet, dass eine den zweiten Regelkörperabschnitt umschließende konische Fläche den zweiten Regelkörperabschnitt in mindestens zwei der Strömungskanalinnenwand am nächsten liegenden Punkten berührt, nämlich dem zu dem zweiten Strömungskanalinnenwandabschnitt nächsten Punkt auf dem konvexen Teilabschnitt sowie dem zu dem zweiten Strömungskanalinnenwandabschnitt nächsten Punkt der Strömungsumlenkstruktur, wobei die Konizität der umschließenden Fläche der Konizität des den Ventilsitz bildenden zweiten Strömungskanalinnenwandabschnitts entspricht. Aufgrund der konvexen Auflagefläche berührt der zweite Regelkörperabschnitt die vorzugsweise konische Strömungskanalinnenwand lediglich entlang einer Linie, wodurch eine relativ hohe Dichtigkeit des Expansionsventils im geschlossenen Zustand sichergestellt ist. Im Bereich der Strömungsumlenkstruktur sollte der Regelkörper in diesem Fall vorteilhafterweise nicht an der Strömungskanalinnenwand anliegen.
Vorzugsweise weist die Strömungsumlenkstruktur an mindestens einer Umlenkstelle eine scharfe Kante auf. Eine scharfkantige Strömungsumlenkstruktur bewirkt Strömungsabrisse, die relativ starke Turbulenzen in der Strömung verursachen können und somit in einem Druckverlust resultieren, wodurch der Druck des Fluids zusätzlich abgesenkt wird.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Strömungskanal im ersten Strömungsabschnitt zylindrisch ausgebildet, wobei auch der erste Regelkörperabschnitt in korrespondierender Weise zylindrisch ausgebildet ist. In diesem ersten Strömungsabschnitt, in dem auch der Verdampfungsquerschnitt gebildet ist, wird durch die beiden zylindrischen Flächen des Regelkörpers sowie des Strömungskanals in geschlossenem sowie in leicht geöffnetem Zustand des Expansionsventils ein Verdampfungsspalt mit konstantem Verdampfungsquerschnitt gebildet. Folglich bleibt der Verdampfungsquerschnitt kurz nach dem Öffnen des Expansionsventils für eine gewisse Hublänge, die vorzugsweise 5 % bis 20 % des Regelkörperhubs beträgt, konstant, wobei dies in etwa der Hublänge entspricht, innerhalb der die Strömungsumlenkstruktur einen signifikanten Einfluss auf die Strömung im zweiten Strömungsabschnitt ausübt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erstreckt sich die Strömungsumlenkstruktur über mindestens 30 % der Länge des zweiten Regelkörperabschnitts. Die Länge des zweiten Regelkörperabschnitts entspricht im Wesentlichen der Länge des zweiten Strömungsabschnitts. Eine Erstreckung der Strömungsumlenkstruktur über mindestens 30 % der Länge des zweiten Regelkörperabschnitts resultiert in einer mehrmaligen relativ starken Strömungsumlenkung, wodurch der Effekt der Vordrosselung zu einem ausreichend starken Druckabfall vor dem Verdampfungsquerschnitt führt.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung sind der Regelkörper und der Strömungskanal im zweiten Strömungsabschnitt im Wesentlichen konisch ausgebildet, wobei die Konizität des Regelkörpers im Wesentlichen der Konizität des Strömungskanals entspricht. Folglich liegt der zweite Regelkörperabschnitt flächig auf dem zweiten Strömungskanalinnenwandabschnitt auf und verschließt dadurch den Strömungsspalt im zweiten Strömungsabschnitt. Die Konizität führt dazu, dass mit steigendem Hub des Regelkörpers der Strömungsquerschnitt des Strömungsspalts im zweiten Strömungsabschnitt kontinuierlich zunimmt, wodurch die Durchflussmenge reguliert werden kann. Ferner bestimmt der Winkel der Koni wie viele Millimeter Strömungsspalt pro Millimeter Regelkörperhub freigegeben bzw. geschlossen werden
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung schließt sich stromabwärts des ersten Regelkörperabschnitts ein konischer dritter Regelkörperabschnitt an, wodurch der Verdampfungsquerschnitt mit zunehmendem Ventilhub in proportionaler Weise vergrößert wird, indem der Abstand zwischen der konischen Regelkörperfläche und der Strömungskanalinnenwand vergrößert wird, wobei die Strömungskanalinnenwand selbst zylindrisch oder konisch sein kann. Dadurch kann der Druck des Fluids, die Durchflussmenge und der Verdampfungsanteil des Fluids reguliert werden.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung schließt sich stromabwärts des konischen dritten Regelkörperabschnitts ein konvexer vierter Regelkörperabschnitt an, d.h., dass sich in Bezug auf die Strömungsrichtung nach dem konischen dritten Regelkörperabschnitt ein balliger Regelkörperabschnitt anschließt, der mit zunehmendem Ventilhub den Verdampfungsquerschnitt in integraler Weise vergrößert, wodurch die Durchflussmenge des Fluids mit zunehmendem Ventilhub überproportional ansteigt.
Auf diese Weise wird ein Ventil mit einer deutlich flacheren Öffnungscharakteristik geschaffen, da vor allem bei geringen Hubänderungen kurz nach dem Öffnen deutlich kleinere Durchflüsse folgen, so dass eine genauere Regelung in diesem Öffnungsbereich ermöglicht wird, ohne im voll geöffneten Bereich Strömungsverluste zu erzeugen. Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Expansionsventils anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Teilansicht des Strömungsgehäuses des Expansionsventils im geschlossenen Zustand in einer Schnittdarstellung, wobei der Schnitt durch die Regelkörperachse verläuft,
Figur 2 eine vergrößerte Detailansicht des Strömungskanals des in Figur 1 gezeigten Expansionsventils im leicht geöffneten Zustand, und
Figur 3 eine vergrößerte Detailansicht der Strömungsumlenkstruktur des in Figur 2 gezeigten Strömungskanals.
Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt eines Expansionsventils 10 für den Kältekreis eines batterieelektrischen Fahrzeugs in geschlossenem Zustand. Das Expansionsventil 10 weist ein Strömungsgehäuse 12 mit einem zylindrischen Einlass 14 und einem konischen Auslass 16 auf. Das Expansionsventil 10 weist ferner einen Regelkörper 20 auf, der in einer korrespondierenden Öffnung 121 des Strömungsgehäuses 12 axial bewegbar angeordnet ist. Der Regelkörper 20 ist beispielsweise mittels eines Aktors bewegbar und führt einen Regelkörperhub h aus. In dem Strömungsgehäuse 12 ist ein Strömungskanal 30 mit einer Strömungskanalinnenwand 124 ausgebildet, wobei der Strömungskanal 30 mehrere unterschiedlich geformte Abschnitte aufweist und sich zwischen Einlass 14 und Auslass 16 erstreckt.
Fig. 2 zeigt eine Detailansicht des erfindungsgemäßen Expansionsventils 10 in leicht geöffnetem Zustand, wobei der Regelkörper 20 um einen Hub hl von ca. 10 % des gesamten Regelkörperhubs h angehoben ist. Figur 2 zeigt insbesondere den Strömungskanal 30 mit einem ersten Strömungsabschnitts 301 und einem zweiten Strömungsabschnitts 302. In dem ersten Strömungsabschnitts 301 ist ein Verdampfungsspalt 21 angeordnet, der zwischen einem zylindrischen ersten Regelkörperabschnitt 201 und einem hohlzylindrischen Strömungskanalinnenwandabschnitt 125 gebildet ist. Durch eine an dem stromaufwärtigen Ende des ersten Strömungsabschnitts 301 angeordnete Verdampfungskante 240 und den Regelkörper 20 ist ferner ein Verdampfungsquerschnitt 24 gebildet, der den engsten Querschnitt des Strömungskanals 30 darstellt, wobei das durch den Strömungskanal 30 strömende flüssige Kältemittel beim Durchströmen des Verdampfungsquerschnitts 24 entspannt und dadurch verdampft wird. Der zylindrische erste Regelkörperabschnitt 201 sowie der zylindrische Strömungskanalinnenwandabschnitt 125 bilden somit einen Verdampfungsspalt 21 mit konstantem Querschnitt, wodurch der Verdampfungsquerschnitt 24 über einen Hub, der in etwa der axialen Länge des zylindrischen ersten Regelkörperabschnitts 201 entspricht, konstant ist. Der zylindrische erste Strömungsabschnitts 301 sowie der zylindrische erste Regelkörperabschnitt 201 erstrecken sich dabei in axialer Richtung über ca. 10 % des Regelkörperhubs h.
Stromabwärts des ersten Regelkörperabschnitts 201 schließt sich ein dritter konischer Regelkörperabschnitt 203 an, der sich in stromabwärtiger Richtung verjüngt, wodurch der Verdampfungsquerschnitt 24, wenn sich der dritte Regelkörperabschnitt 203 in Bezug auf die Hubrichtung des Regelkörpers 20 auf Höhe der Verdampfungskante 240 befindet, mit zunehmendem Hub proportional vergrößert wird, wodurch die Durchflussmenge, die durch den Verdampfungsquerschnitt 24 strömt, erhöht werden kann. Stromabwärts des dritten konischen Regelkörperabschnitts 203 schließt sich ein vierter konvexer Regelkörperabschnitt 204 an, wie in Fig. 1 gezeigt ist, der, wenn er sich in Bezug auf die Hubrichtung des Regelkörpers 20 auf Höhe des Verdampfungsquerschnitts 24 befindet, mit zunehmendem Hub zu einer überproportionalen Vergrößerung des Verdampfungsquerschnitts 24 und somit zu einer überproportionalen Zunahme der Durchflussmenge führt.
Stromaufwärts des ersten Strömungsabschnitts 301 ist ein zweiter Strömungsabschnitts 302 angeordnet. In dem zweiten Strömungsabschnitts 302 weist das Strömungsgehäuse 12 eine konisch geformte Strömungskanalinnenwand 124 mit einem Öffnungswinkel in Bezug auf die Regelkörperachse R von ca. 45° auf. Ein zweiter Regelkörperabschnitt 202 ist im Wesentlichen in korrespondierender Weise konisch ausgebildet, sodass der zweite Regelkörperabschnitt 202 und die Strömungskanalinnenwand 124 einen Strömungsspalt 22 bilden, der sich in Strömungsrichtung im geöffneten Zustand des Expansionsventils 10 von dem Einlass 14 bis zu dem Verdampfungsquerschnitt 24 erstreckt. An einem stromaufwärtigen Ende des zweiten Regelkörperabschnitts 202 ist eine Strömungsumlenkstruktur 40 angeordnet, die sich über 40 % der Länge L des ersten Regelkörperabschnitts 201 erstreckt und durch zwei in Bezug auf die Strömungsrichtung aneinander angrenzende umlaufende Ausnehmungen 43, 46 gebildet ist, wobei die Strömungsumlenkstruktur strömungstechnisch zwischen Einlass 14 und Verdampfungsquerschnitt 24 angeordnet ist. Jede Ausnehmung 43, 46 weist einen V-förmigen Querschnitt mit einem Winkel von 90° auf, sodass infolge der Neigung der Oberfläche des ersten Regelkörperabschnitts 202 von etwa 45° in Bezug auf die Regelkörperachse R durch die beiden Ausnehmungen 43, 46 eine Stufenstruktur 210 aus zwei aufeinanderfolgenden zylindrischen Abschnitten 211, 212 unterschiedlichen Durchmessers gebildet ist.
Stromabwärts der Strömungsumlenkstruktur 40, d.h. zwischen der Strömungsumlenkstruktur 40 und dem ersten Regelkörperabschnitt 201 ist der zweite Regelkörperabschnitt konvex ausgebildet und weist folglich einen ballig geformten Teilabschnitt auf, der in geschlossenem Zustand im zweiten Strömungsabschnitt 302 auf der Strömungskanalinnenwand 124 aufliegt, wodurch der Regelkörper 20 den Strömungskanal 30 verschließt, wie in Fig. 1 gezeigt ist. Die Strömungsumlenkstruktur 40 mit den beiden Ausnehmungen 43, 46 liegt im geschlossenen Zustand auf der Strömungskanalinnenwand 124 auf, sodass die Ausnehmungen 43, 46 geschlossen sind und daher umlaufende Kammern 431, 461 bilden. Dazu liegen die dem zweiten Strömungskanalinnenwandabschnitt 124 am nächsten gelegenen Punkte der Strömungsumlenkstruktur 40 und des konvexen Teilabschnitts 205 auf einer Linie M, die hinsichtlich der Ebenheit und des Winkels der Kontur des zweiten Strömungskanalinnenwandabschnitts 124 entspricht.
Im leicht geöffneten Zustand, wie in Fig. 3 gezeigt ist, bewirkt die Strömungsumlenkstruktur 40 eine Umlenkung und Verwirbelung des durch den Strömungsspalt 22 strömenden Kältemittelstroms K. Der
Kältemittelstrom K strömt durch den Einlass 14 in den Strömungsspalt 22 und passiert dabei die Strömungsumlenkstruktur 40. An der scharfkantigen Eintrittskante 41 der ersten Ausnehmung 43 findet eine erste leichte Umlenkung des unmittelbar an der Eintrittskante 41 vorbeiströmenden Kältemittelstroms K statt, wobei die scharfe Eintrittskante 41 Strömungsabrisse verursacht, die Turbulenzen in der Strömung verursachen. Von der Eintrittskante 41 aus strömt das Kältemittel in Richtung eines Grundes 44 der ersten Ausnehmung 43, an dem eine relativ starke Umlenkung des Kältemittelstroms K um ca. 90° stattfindet, woraufhin das Kältemittel in Richtung der als scharfe Kante 45 ausgebildeten Zwischenkante 42, die die Austrittskante der ersten Ausnehmung 43 und auch die Eintrittskante der zweiten Ausnehmung 46 bildet, strömt. An der Zwischenkante 42 findet eine erneute relativ starke Umlenkung des Kältemittelstroms K um ca. 90° statt, wobei auch hier die Umlenkung sowie die von der scharfen Kante 42 verursachten Strömungsabrisse starke Turbulenzen verursachen, die sich aus der Strömungsumlenkstruktur in den Spalt fortsetzen. Von dort aus strömt das Kältemittel zu einem Grund 48 der zweiten Ausnehmung 46 an dem eine dritte relativ starke Umlenkung um ca. 90° stattfindet. Anschließend strömt das Kältemittel in Richtung der Austrittskante 47 der zweiten Ausnehmung 46 an der eine weitere leichte Umlenkung des Kältemittelstroms K stattfindet.
Der Kältemittelstrom K wird somit dreimal relativ stark umgelenkt, wodurch ein Vordrosselungseffekt entsteht, der zu einer ersten Druckabsenkung führt, bevor der Kältemittelstrom K den Verdampfungsquerschnitt 24 erreicht, an dem die eigentliche Drosselung und somit die Verdampfung des Kältemittelstroms K stattfindet. Mit zunehmendem Regelkörperhub h nimmt der Vordrosselungseffekt der Strömungsumlenkstruktur 40 aufgrund des immer größer werdenden Strömungsquerschnitts im Strömungsspalt 22 ab. Sobald die Austrittskante 47 der zweiten Ausnehmung 46 oberhalb der Trennkante 32 zwischen Einlass 14 und Strömungskanal 30 positioniert ist, befindet sich der engste Strömungsspalt 22 außerhalb der Strömungsumlenkstruktur 40, wodurch deren Einfluss auf die Strömung im Strömungsspalt 22 beinahe vollständig entfällt, da die Strömungsumlenkstruktur 40 in einem Bereich angeordnet ist, welcher deutlich geringer durchströmt wird und in dem somit eine geringere Strömungsgeschwindigkeit vorliegt. Die durch die Ausnehmungen 43, 46 verursachten Turbulenzen T haben entsprechend keinen nennenswerten Einfluss auf den Kältestrom K, sobald der Abstand b zwischen dem zweiten Regelkörperabschnitt 202 und dem zweiten Strömungskanalinnenwandabschnitt 124 kleiner wird als der Abstand der Ausnehmungen 43, 46 zur zweiten
Strömungskanalinnenwandabschnitt 124, wodurch der Kältestrom K eine laminare Strömung bildet, sodass bei voll geöffnetem Expansionsventil 10 kein nennenswerter Effekt von der Strömungsumlenkstruktur 40 ausgeht. Durch die in den Fig. 1-3 gezeigte Ausführung des erfindungsgemäßen Expansionsventils 10 kann der infolge der niedrigen Temperaturen des Kältemittels herrschende hohe Druck beim Öffnen des Expansionsventils 10 durch die von der Strömungsumlenkstruktur 40 verursachten Turbulenzen T in den Ausnehmungen 43, 46 relativ stark reduziert werden, sodass der Druck des Kältestroms K vor dem Verdampfungsquerschnitt 24 deutlich reduziert ist. Infolgedessen reduziert sich der Regelungsaufwand, da die Durchflussmenge durch den Verdampfungsquerschnitt 24 erheblich genauer reguliert werden kann. Ferner wird der Verschleiß reduziert, da deutlich weniger schädliche Kavitation in dem Strömungskanal 30 auftreten kann.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E ansionsventil (10) mit
- einem Strömungsgehäuse (12) mit einem Einlass (14) und einem Auslass (16),
- einem axial bewegbaren Regelkörper (20),
- einem Strömungskanal (30) der strömungstechnisch zwischen dem Einlass (14) und dem Auslass (16) angeordnet ist, wobei der Strömungskanal (30)
• einen ersten Strömungsabschnitt (301) aufweist, in dem zwischen einem ersten Regelkörperabschnitt (201) und einem ersten Strömungskanalinnenwandabschnitt (125) mindestens ein Verdampfungsquerschnitt (24) gebildet ist, und
• einen zweiten Strömungsabschnitt (302) aufweist, in dem zwischen einem zweiten Regelkörperabschnitt (202) und einer korrespondierend ausgebildeten zweiten Strömungskanalinnenwandabschnitt (124), der als Ventilsitz dient, beim vom Ventilsitz zumindest teilweise abgehobenem Regelkörper ein Strömungsspalt (22) gebildet ist, wobei in dem zweiten Strömungsabschnitt (302) eine Strömungsumlenkstruktur (40) angeordnet ist, die strömungstechnisch zwischen dem Einlass (14) und dem Verdampfungsquerschnitt (22) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsspalt, in dem die Strömungsumlenkstruktur (40) angeordnet ist, im geschlossenen Zustand des Expansionsventils (10) durch Auflage des zweiten Regelkörperabschnitts (202) auf der Strömungskanalinnenwand (124) geschlossen ist. Expansionsventil (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsumlenkstruktur (40) derart angeordnet ist, dass bei einem definierten Regelkörperhub die Strömungsumlenkstruktur (40) in Bezug auf die Hubrichtung vollständig außerhalb des Querschnitts des zweiten Strömungskanalinnenwandabschnitts (124) positioniert ist. Expansionsventil (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsumlenkstruktur (40) durch mindestens eine umlaufende Ausnehmung (43) in dem Regelkörper (20) und/oder der Strömungskanalinnenwand (124) gebildet ist. Expansionsventil (10) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste umlaufende Ausnehmung (43) und eine zweite umlaufende Ausnehmung (46) in dem Regelkörper (20) gebildet ist. Expansionsventil (10) gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (43, 46) einen V-förmigen Querschnitt aufweist. Expansionsventil (10) gemäß Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Ausnehmungen (43, 46) in Bezug auf die
Strömungsrichtung aneinander angrenzend angeordnet sind, wodurch eine Stufenstruktur (210) gebildet ist. Expansionsventil (10) gemäß einem der Ansprüche 4-6, dadurch gekennzeichnet, dass durch die beiden Ausnehmungen (43, 46) in geschlossenem Zustand des Expansionsventils (10) geschlossene umlaufende Kammern (431, 461) gebildet sind. Expansionsventil (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teilabschnitt (205) des zweiten Regelkörperabschnitts (201) im zweiten Strömungsabschnitt (302) konvex ausgebildet ist. Expansionsventil (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsumlenkstruktur (40) an mindestens einer Umlenkstelle eine scharfe Kante (45) aufweist. Expansionsventil (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (30) im ersten Strömungsabschnitt (301) zylindrisch ausgebildet ist, wobei auch der erste Regelkörperabschnitt (201) in korrespondierender Weise zylindrisch ausgebildet ist. Expansionsventil (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Strömungsumlenkstruktur (40) über mindestens 30 % der Länge (L) des ersten Regelkörperabschnitts (201) erstreckt. Expansionsventil (10) gemäß einem der Ansprüche 1-7 oder 9-11, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelkörper (20) und der Strömungskanal (30) im zweiten Strömungsabschnitt (302) im Wesentlichen konisch ausgebildet sind. Expansionsventil (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich stromabwärts des ersten Regelkörperabschnitts (201) ein konischer dritter Regelkörperabschnitt (203) anschließt. Expansionsventil (10) gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass sich stromabwärts des konischen dritten Regelkörperabschnitts (203) ein konvexer vierter Regelkörperabschnitt (204) anschließt. Expansionsventil (10) gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Erstreckung des zylindrischen ersten Strömungsabschnitts (301) und des zylindrischen ersten Regelkörperabschnitts (201) 5 % bis 20 % eines Regelkörperhubs (h) beträgt.
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