DE10162785B4

DE10162785B4 - Ventilkombination für einen Fluidkreislauf mit zwei Druckniveaus, insbesondere für einen kombinierten Kälteanlagen/Wärmepumpenkreislauf

Info

Publication number: DE10162785B4
Application number: DE10162785A
Authority: DE
Inventors: Marion Lorenz-Börnert
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Hanon Systems Corp
Priority date: 2001-12-17
Filing date: 2001-12-17
Publication date: 2005-03-17
Anticipated expiration: 2021-12-18
Also published as: GB2383114A; GB0223418D0; US6976500B2; DE10162785A1; FR2834552A1; US20030131883A1; FR2834552B1; GB2383114B

Abstract

Ventilkombination für einen Fluidkreislauf mit zwei Druckniveaus, insbesondere für einen kombinierten Kälteanlagen/Wärmepumpenkreislauf, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilkombination ein Passivventil (1) und ein Aktivventil (2) aufweist, wobei das Aktivventil (2) mit Mitteln zur aktiven Beeinflussung der Schaltstellung eines Schließkörpers (6) versehen ist und einen Fluidstrom mit hohem Druck reguliert und das Passivventil (1) einen Fluidstrom mit niedrigem Druck reguliert und dass das Passivventil (1) und das Aktivventil (2) derart in den Kälteanlagen/Wärmepumpenkreislauf eingebunden sind, dass die Druckdifferenz zwischen dem hohen und dem niedrigen Fluiddruck und die Schaltstellung (A, B) des Aktivventils (2) die Schaltstellung des Passivventils (1) bewirken.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ventilkombination für einen Fluidkreislauf mit zwei Druckniveaus, insbesondere für einen kombinierten Kälteanlagen/Wärmepumpenkreislauf.
Mehrwegeventile werden beispielsweise in Fluidkreisläufen immer dann eingesetzt, wenn die Volumenströme geteilt oder vereinigt werden müssen oder bei unterschiedlichen Betriebszuständen verschiedene Fluidkreislaufstränge durchströmt und andere Stränge vom Kreislauf ausgeschlossen bzw. abgetrennt werden.
Für Fluidkreisläufe mit verschiedenen Druckniveaus ergeben sich besondere Anforderungen bezüglich der Hoch- und der Niederdruckbeständigkeit derartiger Ventile. Als Beispiel für einen solchen Kreislauf ist ein kombinierter Kälteanlagen/Wärmepumpenkreislauf zu nennen, wo beispielsweise mit Kohlendioxid als Kältemittel in einem Betriebszustand der Kältemittelkreislauf als Kälteanlage und in einem anderen Betriebszustand der Kältemittelkreislauf als Wärmepumpe geschaltet ist. Je nach Schaltung werden verschiedene Stränge dieses Kältemittelkreislaufes mit unterschiedlichen Druckniveaus von Kältemittel durchströmt.
Um diese Multifunktionalität eines Kältemittelkreislaufes für die erwähnten Kälteanlagen- und Wärmepumpenschaltungen zu ermöglichen, ist es erforderlich, Mehrwegeventile in den Kältemittelkreislauf zu integrieren. Ein solches Mehrwegeventil stellt dann die Weiche für den Kältemittelstrom dar, ob der Kreislauf als Kälteanlage oder als Wärmepumpe betrieben wird.
Ein Mehrwegeventil wird bei derartigen bekannten Schaltungen nach dem Verdichter der Kälteanlage platziert, das heißt, dass das Mehrwegeventil dem Hochdruck- und Temperaturniveau des Kältemittels standhalten muss. Aus diesem Grunde sind besondere Anforderungen bezüglich der Druck- und Temperaturbeständigkeit an ein solches Mehrwegeventil zu stellen. Um den beispielhaft erwähnten Kreislauf auch als Wärmepumpe zu schließen, ist ein weiteres Mehrwegeventil erforderlich, damit die Kältemittelströme nach der Kreislaufdurchströmung wieder den gemeinsam in Wärmepumpen- und Kälteanlagenschaltung durchströmten Komponenten zugeführt werden können.

Nach dem Stand der Technik wird ein Mehrwegeventil, welches auch bei hohen Temperaturen und hohen Fluiddrücken arbeitet, in der WO 88/04745 offenbart. Dort wird der Hochdruckstrom im Ventilkörper über einen Schaltkörper je nach dessen Schaltstellung in verschiedene Zweige des Kreislaufes geleitet. Die Schaltstellung des Schaltkörpers wird durch ein Niederdrucksteuersystem mit Kolben und damit in Verbindung stehenden Ventilschäften gewährleistet.

Dieses Mehrwegeventil wird nach außen hin durch um den Ventilschaft angeordnete Dichtungen abgedichtet. Die Schaltstellung des Ventils und damit die Funktion des Kältemittelkreislaufes wird durch das Niederdrucksteuersystem bestimmt. Dazu wird der Niederdrucksteuerzylinder mit Druck beaufschlagt. Der entsprechende druckbeaufschlagte Niederdrucksteuerzylinder verschiebt den Kolben, welcher mit dem Ventilschaft und dem Schaltkörper in Verbindung steht. Bei Erreichen der Schaltstellung gibt der Schaltkörper einen Weg für das Kältemittel frei, und ein anderer wird verschlossen.

Als besonders nachteilig an diesem System ist hervorzuheben, dass ein zusätzliches Fluidsystem, das Niederdrucksteuersystem, erforderlich ist, um den Schaltkörper in die Schaltstellungen des Mehrwegeventils zu bewegen.

Durch das zusätzliche Niederdrucksystem ergeben sich weiterhin Leckagemöglichkeiten und damit Störanfälligkeiten für das Gesamtsystem. Zudem ist eine Ruhestellung des Schaltkörpers nicht definiert vorgegeben. Das heißt, dass bei einem Ausfall des Niederdrucksteuersystems das gesamte System ausfällt, weil der Fluidkreislauf ohne das Mehrwegeventil nicht funktionsfähig ist.

Nach der JP-Abstract 101 48 269 A ist zudem ein Zweiwegeventil, kombiniert aus zwei Einzelventilen, bekannt.

Darüber hinaus ist dem Stand der Technik mit der Schrift EP 1061314 A2 ein Mehrwegeventil bekannt, das gemäß dem Oberbegriff der Erfindung für eine kombinierte Kälteanlagen/Wärmepumpenschaltung einsetzbar ist.

Gegenstand dieses Patents ist ein 4/2-Wegeventil mit Ventilelementen, welche als Hohlzylinder ausgestaltet sind. Die konstruktive Ausgestaltung eines Schalt- oder Schließkörpers im Sinne des vorgenannten Dokuments ist nicht vorgesehen. Anstelle des Schließkörpers werden zylindrische Hohlelemente gegen federnd gelagerte Abdichtplatten bewegt. Diese Abdichtplatten verschließen je nach Stellung der Hohlelemente den Strömungsweg durch den Hohlzylinder hindurch. Die verschiedenen Wege werden somit durch die Stellung der zylindrischen Elemente geschaltet. Je nach Stellung werden in dem Gehäuse verschiedene Fluidströmungswege freigegeben, wodurch letztlich die Möglichkeit einer 4/2-Durchströmung eröffnet wird.

Die Schaltung der hohlzylindrischen Ventilelemente erfolg dabei über ein Magnetventil. Bei dem Mehrwegeventil nach der EP 1061314 A2 die Bewegung des Hohlzylinderventils durch einen zweiten Fluidkreislauf erzeugt, welcher mittels eines elektromagnetisch bewegten Steuerkolben gesteuert wird. Durch diesen Steuerkolben wird ein Hochdruck erzeugt, der das Hohlzylinderventilelement in eine bestimmte Schaltstellung bewegt und damit die Durchströmung des Mehrwegeventils durch zwei voneinander getrennte Fluidpassagen gestattet.

Auch dieser Konstruktion aus dem Stand der Technik ist zueigen, dass sie sehr aufwendig über verschiedene Hilfsmittel oder Hilfskreisläufe und eine große Anzahl an zu dichtenden Flächen die Funktionen der Kombination von Kälteanlage und Wärmepumpe in einem Kältemittelkreislauf realisiert. Die Nachteile dieses Mehrwegeventils liegen in der Komplexität der Konstruktion, im zu hohen Gewicht und dem durch die große Anzahl von Einzelkomponenten zu hohem Preis.

Weiterhin steigen durch den magnetischen Antrieb der Ventile die Kosten für die Isolierklassen, weil die Magnetventile sich beim Betrieb aufheizen. Dieser Effekt soll so gering wie möglich gehalten werden, da eine zusätzlich eingetragene Wärmemenge im Kälteanlagenbetrieb, beispielsweise zu einer Verringerung der Leistungszahl führt. Um einer Erwärmung von Magneten entgegenzuwirken, werden die Magnete im allgemeinen größer ausgelegt. Dies wiederum wirkt aber dem Bestreben nach dem Einsatz von kleinen Bauteilen und niedrigen Kosten entgegen.

Andere Mehrwegeventile nach dem Oberbegriff der Erfindung, welche über Schrittmotoren belegt werden, sind schwer abdichtbar. Dies ist insbesondere ein Problem bei Kreisläufen mit Hochdruckkältemitteln, wie Kohlendioxid.

Insgesamt sind die Kosten für Magnetventile als Mehregeventile für Kältemittelkreisläufe nach dem Oberbegriff der Erfindung noch sehr hoch.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfache und robuste Konstruktion einer Ventilkombination zu realisieren, welches geeignet ist, in Kältemittelkreisläufen mit zum Teil sehr hohen Drücken eingesetzt zu werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Ventilkombination aus einem Passivventil und einem Aktivventil aufgebaut ist, wobei das Aktivventil mit Mitteln zur aktiven Beeinflussung der Schaltstellung eines Schließkörpers versehen ist und den Fluidstrom mit hohem Druck reguliert und das Passivventil den Fluidstrom mit niedrigem Druck steuert und derart in den Kälteanlagen/Wärmepumpenkreislauf eingebunden sind, dass die Druckdifferenz zwischen dem hohen und dem niedrigen Fluiddruck und die Schaltstellung A, B des Aktivventils die Schaltstellung des Passivventils bewirken.

Innerhalb der Ventilkombination können aber das Passivventil und das Aktivventil konstruktiv als getrennte Bauteile ausgeführt werden, besonders vorteilhaft ist jedoch die Ausbildung der erfindungsgemäßen Ventilkombination als eine bauliche und kompakte Einheit.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
1: 4/2-Mehrwegeventil im Kälteanlagenbetrieb in Schaltstellung A,
2: 4/2-Mehrwegeventil im Wärmepumpenbetrieb in Schaltstellung B,
3: Wärmepumpenschaltung des Kältemittelkreislaufes mit Außenluft als Wärmequelle,
4: Kälteanlagenschaltung des Kältemittelkreislaufes mit Außenluft als Wärmequelle,
5: 5/2-Mehnnregeventil im Kälteanlagenbetrieb in Schaltstellung A
6: 5/2-Mehrwegeventil in Vollmaterialausführung im Wärmepumpenbetrieb in Schaltstellung B
7: Kälteanlagenschaltung mit Glykolwärmeübertrager
8: Wärmepumpenschaltung mit Glykolwärmeübertrager
9: Kälteanlagen-/Wärmepumpenschaltung mit Glykolwärmeübertrager und getrennten 3/2 Mehrwegeventilen
Gemäß 1 wird nach einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein Mehrwegeventil 17 dargestellt, welches aus zwei funktionalen Komponenten besteht und ein Passivventil 1 sowie ein Aktivventil 2 aufweist. Das Aktivventil 2 ist mit Mitteln zur aktiven Beeinflussung der Schaltstellung eines Schließkörpers 6 versehen und reguliert den Fluidstrom mit hohem Druck. Das Passivventil 1 reguliert den Fluidstrom mit niedrigem Druck.
Beide Komponenten des Mehrwegeventils, das Passivventil 1 und das Aktivventil 2, sind durch Kanäle 15, 16 miteinander verbunden. Die Schaltstellung des Aktivventils 2 und die Druckdifferenz zwischen hohem und niedrigem Fluiddruck im Kreislauf bewirken die Schaltstellung des Passivventils 1.
Das Passivventil 1 hat zwei Schaltstellungen und eine dazwischen befindliche Ruhestellung. Diese Ruhestellung wird bei ausgeglichener Druckdifferenz selbsttätig eingenommen, unabhängig von der Schaltstellung des Aktivventils 2. Bevorzugt weist das Passivventil 1 zwei Schließkörper 3, 4 auf, welche durch einen Ventilschaft 5 miteinander verbunden sind. Jeder Schließkörper 3, 4 steht seinerseits mit einem Federelement 13 in Verbindung. Die beiden Federelemente wirken derart auf die Stellung der miteinander verbundenen Schließkörper 3, 4 ein, dass bei ausgeglichener Druckdifferenz im Fluidkreislauf die Schließkörper eine mittlere Ruhestellung einnehmen. In dieser Stellung sind beide Strömungswege durch die Passung der Schließkörper 3, 4 verschlossen. Es kommt dabei aber nicht auf die Dichtheit sondern lediglich auf eine Erhöhung der Strömungswiderstände für den Fluidkreislauf an, weil es durch den Druckaufbau bei Beginn der Verdichtung dann erst zur Abdichtung an den Dichtflächen kommt.
Das Passivventil 1 ist nach dieser bevorzugten Ausführungsform völlig symmetrisch aufgebaut und besitzt keinen zusätzlichen Antrieb zur Bewegung der Schließkörper 3, 4.
Die Schließkörper 3, 4 des Passivventils 1 weisen weiterhin Dichtflächen 7 auf, die einander zugewandt sind und denen gegenüberliegend korrespondierende Flächen im Passivventilkärper zugeordnet sind.
Das Aktivventil 2 weist einen Schließkörper 6 mit je einem Ventilschaft 5 zu beiden Seiten des Schließkörpers 6 auf. Eine Seite des Ventilschaftes 5 steht mit einem Federelement 11 in Verbindung, welches den Schließkörper 6 in einer ersten Schaltstellung A hält, wobei die andere Seite des Ventilschaftes 5 mit einer Magnetsteuerung 12 in Verbindung steht, welche den Schließkörper bei Aktivierung der Magnetsteuerung 12 entgegen der Federkraft des Federelementes 11 in eine zweite Schaltstellung B gemäß 2 bringt. Das Federelement 11 ist dabei derart dimensioniert, dass der Schließkörper 6 des Aktivventils 2 nach Aktivierung der Magnetsteuerung 12 auch nach der Abschaltung der Magnetsteuerung 12 durch die Druckdifferenz der Fluidströme in der Schaltstellung B gehalten wird.
Die Bewegung des Schließkörpers 6 des Aktivventils 2 lässt sich vorteilhaft magnetisch erreichen. Hierdurch kann eine Kapselung des Bauteils erreicht werden und insbesondere hohe Kältemitteldrücke sind somit gut beherrschbar. Die Abdichtung zwischen Magnetsteuerung 12 und Ventilkörper des Aktivventils 2 erfolgt bevorzugt durch Schweißen und Kleben. Als lösbare Verbindungen können auch metallische Dichtungen zum Einsatz kommen. Ein Ventilsitz des Schließkörpers 6 ist direkt in der Magnetsteuerung 12 integriert und der zweite Ventilsitz ist direkt im Gehäuse des Aktivventils 2 integriert, so dass die Baulänge des Aktivventils 2 sehr klein gehalten werden kann. Durch die metallisch dichte Ausführung des Magnettubus bzw. der Magnetsteuerung 12 lässt sich das erfindungsgemäße Mehrwegeventil 17 hermetisch dicht ausführen.
Gleichfalls vorteilhaft ausgeführt ist der Antrieb des Schließkörpers 6 durch einen Schrittmotor.
Die Dichtflächen 7 des Schließkörpers 6 des Aktivventils 2 sind dabei einander abgewandt am Schließkörper 6 angeordnet. Wiederum sind den Dichtflächen 7 gegenüberliegend korrespondierende Flächen im Aktivventilkörper angeordnet.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Federelemente 11, 13 an verschiedene Fluiddruckdifferenzen anpassbar durch eine Regulierung der Federkräfte.
Besonders bevorzugt wird zwischen dem Passivventil 1 und dem Aktivventil 2 eine Isolierschicht 14 angeordnet, um die beiden Ventile thermisch voneinander zu trennen.
Der Steuersinn des Aktivventils 2 ist dabei prinzipiell beliebig. Bevorzugt arbeitet das Aktivventil 2 im Kälteanlagenbetrieb in der Schaltstellung A und im Wärmepumpenbetrieb in der Schaltstellung B.
Im Folgenden wird gemäß 3 der Wärmepumpenbetrieb der kombinierten Kälteanlage/Wärmepumpe unter Nutzung der Außenluft als Wärmequelle beschrieben. Das erfindungsgemäße 4/2-Mehrwegeventil 17 gemäß 1 ist dabei mit seinem Anschluss 8 mit dem Verdichter 18 des Kältemittelkreislaufes verbunden. Das Kältemittelsystem befindet sich in einem ausgeglichenen Druck. Der Verdichter 18 arbeitet nicht. Somit befinden sich die Schließkörper 3, 4 des Passivventils 1 in der Ruhelage.
Das Aktivventil 2 des Mehrwegeventils 17 wird durch die Magnetsteuerung 12 aktiviert. Daraufhin bewegt sich der Schließkörper 6 in die Schaltstellung B, gemäß 1, auf die rechte Seite des Aktivventils 2.
Nach Einschalten des Wärmepumpenbetriebes verdichtet der Verdichter 18 den Kältemitteldampf auf einen höheren Druck. Das verdichtete Kältemittel passiert das Aktivventil 2 über den Anschluss 8, den Hochdruckanschluss des Mehrwegeventils 17 zum Verdichter 18 hin, durchströmt den Kanal 16 und verlässt das Mehrwegeventil 17 über den Ausgang 0a bei hohem Druck. Der Kältemitteldampf gelangt anschließend in den Innenwärmeübertrager 20, wo er seine Wärmeenergie zur Erwärmung des Fahrzeuginnenraumes abgibt.
Das Kältemittel wird nun nach Entspannung im Entspannungsorgan 21 und Wärmeübertragung im inneren Wärmeübertrager 19b in den Außenwärmeübertrager 23 des Wärmepumpenkreislaufes geleitet. Danach gelangt das verdampfte Kältemittel in das Passivventil 1 des Mehrwegeventils 17 und zwar an den Eingang 10b. Das dampfförmige Kältemittel gelangt über den Kanal 15 in das Passivventil 1 des Mehrwegeventils 17 zum Niederdruckausgang 9 und anschließend zum Akkumulator 19a und Innerer Wärmeübertrager 19b und zum Verdichter 18.
In diesem Betriebszustand sind die Schließkörper 3, 4 des Passivventils 1 ausgelenkt. Durch den Hochdruck des Kältemittels im Kanal 16 verschließt der Schließkörper 3 das Passivventil 1 für den Hochdruckkältemittelstrom, und der Niederdruckkältemittelstrom kann vom Eingang 10b bei niedrigem Druck über den Kanal 15 kommend am Schließkörper 4 vorbei in den Niederdruckausgang 9 zum Akkumulator 19a und inneren Wärmeübertrager 19b den Kreislauf zum Verdichter 18 hin schließen.
Im Wärmepumpenbetrieb wird der Schließkörper 6 durch die aktivierte Magnetsteuerung 12 gegen die Federkraft des Federelementes 11 in die Schaltstellung B bewegt. Nach dem Einschalten des Verdichters 18 unterstützt der aufgebaute Hochdruck des Kältemittels und die damit verbundene Druckkraft auf den Schließkörper 6 die einmal eingenommene Schaltposition B auch dann, wenn die Magnetsteuerung 12 abgeschaltet wird. Dadurch wird vorteilhaft erreicht, dass der Schließkörper 6 in dieser Schaltstellung gehalten wird. Die Magnetsteuerung kann somit vorteilhaft für den Kurzzeitbetrieb ausgelegt werden.
Damit ist verbunden, dass weniger Wärmeenergie über die Magnetsteuerung 12 in den Kältemittelkreislauf eingetragen wird, bzw. dass der Magnet kleiner ausgelegt werden kann. Dies führt wiederum zu niedrigeren Kosten und zu geringerem Platzbedarf für die Komponente.
Der Schließkörper 6 geht bei deaktivierter Magnetsteuerung 12 und weitgehendem Druckausgleich (Druckdifferenz kleiner 5 bar) in seine Schaltstellung A aufgrund der Federkraft des Federelementes 11 zurück.
Da das Aktivventil 2 wegen des nötigen Druckausgleiches nicht in beliebig kurzer Zeit umgeschaltet werden kann, steht für die Rückstellung des Passivventils 1 immer ausreichend Zeit zur Verfügung. Der Wechsel der Schaltstellung des Aktivventils 2 von B nach A ist nur nach weitgehendem Abbau der Druckdifferenz möglich.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Schließkörper 3, 4 und der Ventilschaft 5 des Passivventils 1 aus Montagegründen lediglich fünfteilig aufgebaut, wobei die Ventilsitze im Passivventil 1 aus PTFE- oder EPDM-Compound oder anderen CO₂ beständigen Dichtmaterialien bestehen.
Die inneren Abdichtungen des Passivventils 1 und des Aktivventils 2, die Dichtflächen 7 werden als Dichtungen z.B. mit PTFE oder anderen Dichtmaterialien gegen Metall ausgeführt. Dabei sind die Dichtmaterialien bevorzugt auf den Schließkörpern 3, 4, 6 angeordnet. Hierdurch ist eine kosteneffiziente, relativ anspruchslose Bearbeitung der Gehäusesitzflächen möglich. Es werden somit keine hohen Anforderungen an den Gehäusewerkstoff gestellt, so dass Aluminium eingesetzt werden kann.
Im Kälteanlagenbetrieb des Kältemittelkreislaufes gemäß 4 wird das Kältemittel nach der Verdichtung im Verdichter 18 über den Kanal 15 zum Ausgang 10b des Aktivventils 2 des Mehrwegeventils 17 geleitet. Von dort gelangt das Kältemittel in den Außenwärmeübertrager 23, wo das Kältemittel einen Teils seiner Wärmeenergie an die Außenluft abgibt.
Das Aktivventil 2 ist in diesem Modus nicht durch die Magnetsteuerung 12 aktiviert.
Das Federelement 11 drückt somit den Schließkörper 6 in die Schaltstellung A. Nach anschließender Entspannung im Entspannungsorgan 21 wird das Kältemittel bei niedrigem Druck im Innenwärmeübertrager 20 unter Wärmeaufnahme aus dem Innenraum des Fahrzeuges verdampft. Der Kältemitteldampf gelangt dann zum Eingang 10a des Mehrwegeventils 17.
Durch den Hochdruck des Kältemittels im Kanal 15 wird der Schließkörper 4 des Passivventils 1 in die Schließstellung gedrückt. Hierdurch wird die Kältemittelpassage über den Eingang 10a, den Kanal 16, vorbei am Schließkörper 3 zum Niederdruckausgang 9 des Mehrwegeventils 17 zum Akkumulator 19a und Inneren Wärmeübertrager 19b hin möglich.
Der vom Verdichter erzeugte Hochdruck unterstützt die Schaltstellung A des Schließkörpers 6, so dass die Federkraft des Federelementes 11 gering bemessen sein kann.
Nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform gemäß 5 ist ein Mehrwegeventil 28 mit fünf Anschlüssen ausgebildet. Das 5/2-Mehrwegeventil 28 weist gleichfalls die zwei Funktionselemente Passivventil 1 und Aktivventil 2 auf, wobei das Passivventil 1 im Vergleich zum 4/2 Wegeventil 17 gemäß 1 oder 2 mit einem weiteren Anschluss versehen wurde.
Das Passivventil 1 weist einen Anschluss 24 für den Glykolwärmeübertrager auf und ist gleichfalls in bekannter Weise mit einem Anschluss 9 zum Akkumulator 19a und Innerer Wärmeübertrager 19b versehen. Das Aktivventil 2 weist den bekannten Anschluss 8 für den Verdichter 18 auf und darüber hinaus ist ein Anschluss 26 für den Außenwärmeübertrager 23 vorgesehen.
Aktivventil 2 und Passivventil 1 werden verbunden über den Kanal 16, von welchem ein Anschluss 25 für eine Verbindung zum Innenwärmeübertrager 20 abgeht. Die thermische Kopplung von Aktiv- und Passivventil 2, 1 wird durch eine Ausnehmung 27 zur Verringerung des Wärmetransports vermindert.
Die Schaltstellung A des in 5 dargestellten 5/2-Mehrwegeventils 28 entspricht der Stellung der Schließkörper im Kälteanlagenbetrieb.
In 6 wird das 5/2-Mehrwegeventil in der Schaltstellung B der Schließkörper im Wärmepumpenbetrieb dargestellt. Das dargestellte Mehrwegeventil 28 weist alternativ keine Aussparung 27 auf und ist in Vollmaterial zum Beispiel aus schlecht wärmeleitendem Material ausgeführt.
In 7 ist ein kombinierter Kälteanlagen-/Wärmepumpenkreislauf als Verfahrensschaltbild dargestellt. Die Stellung des 5/2-Mehrwegeventiles 28 ermöglicht den Kälteanlagenbetrieb der Vorrichtung. Das Kältemittel wird im Verdichter 18 komprimiert, gelangt über den Hochdruckanschluss 8 des Mehrwegeventils 28 zum Anschluss 26 und weiter in den Außenwärmeübertrager 23, wo es Wärmeenergie an die Umgebung abgibt.
Anschließend durchströmt das Kältemittel den inneren Wärmeübertrager 19b, bevor es im Entspannungsorgan 21 expandiert. Das Kältemittel verdampft anschließend unter Wärmeaufnahme aus dem Fahrzeuginnenraum im Innenwärmeübertrager 20 und gelangt anschließend über Anschluss 25 und das 5/2 Mehrwegeventil 28 in den Akkumulator 19a und den inneren Wärmeübertrager 19b zum Verdichter 18, wo der Kreislauf mit der Verdichtung des Kältemitteldampfes von neuem beginnt.
Im Kälteanlagenbetrieb steht der Glykolwärmeübertrager 22 unter Hochdruck, wird jedoch nicht vom Kreislauf durchströmt. Erfindungsgemäß wird durch den am Anschluss 24 des 5/2 Mehrwegeventils anliegenden Hochdruck und dessen Wirkung auf den Schließkörper 4 der Strömungspfad für das Kältemittel vom Anschluss 25 zum Niederdruckausgang 9 geschaltet.
Dieses bevorzugte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen 5/2 Mehrwegeventils 28 ermöglicht im Wärmepumpenbetrieb nach 8 die Einbindung des Glykolkreislaufes eines Fahrzeuges und die Nutzung dieses Glykolkreislaufes als Wärmequelle für den Betrieb des Kältemittelkreislaufes als Wärmepumpe.
Dabei wird das Kältemittel wiederum im Verdichter 18 komprimiert und gelangt über den Hochdruckanschluss 8 des 5/2-Mehrwegeventil 28 in Schaltstellung B für den Wärmepumpenbetrieb über den Anschluss 25 in den Innenwärmeübertrager 20, wo Wärmeenergie an den Fahrzeuginnenraum abgegeben wird. Das Kältemittel entspannt sich im Entspannungsorgan 21 und gelangt zum Glykolwärmeübertrager 22, wo das Kältemittel unter Wärmeaufnahme aus dem Glykolkreislauf des Fahrzeuges verdampft. Über den Anschluss 24 des Mehrwegeventils 28 und den Anschluss 9 gelangt der Kältemitteldampf zum Akkumulator 19a und über den inneren Wärmeübertrager 19b zum Verdampfer 18; der Kreislauf des Kältemittels ist wiederum geschlossen.
Die spezielle Ausbildung des 5/2-Mehrwegeventiles 28 gestattet die Einbindung des Glykolwärmeübetragers 22, wobei sich der Außenwärmeübertrager 23 und der innere Wärmeübertrager 19b im Wärmepumpenbetrieb auf niedrigem Druckniveau befinden nicht von Kältemittel durchströmt werden.
Gemäß 9 wird die erfindungsgemäße Ventilkombination als baulich getrennte Ausführung von Passivventil 1 und Aktivventil 2 realisiert. Die Komponenten Passivventil 1 und Aktivventil 2 werden dabei als 3/2 Mehrwegeventile ausgeführt. Die dargestellte Kälteanlagen-/Wärmepumpenschaltung zeigt das Aktivventil 2 mit seinen Anschlüssen 8, 26 und 25. Im Wärmepumpenbetrieb strömt der verdichtete Kältemitteldampf über Anschluss 8 nach Anschluss 25 zum Innenwärmeübertrager 20, über das Entspannungsorgan 21 und den Glykolwärmeübertrager 22 zum Anschluss 24 des Passivventils 1 und von dort über den Anschluss 9, den Kältemittelsammler 19a und den inneren Wärmeübertrager 19b zum Verdichter 18.
Der Strömungspfad im Passivventil 1 wird durch den bei Anschluss 25 anliegenden Hochdruck geschalten.
Für den Kälteanlagenbetrieb wird das Aktivventil 2 derart geschaltet, dass der verdichtete Kältemitteldampf vom Anschluss 8 zum Anschluss 26 geleitet wird und über den Außenwärmeübertrager 23, den inneren Wärmeübertrager 19b zum Entspannungsorgan 21 gelangt.
Die in allen Schaltbildern dargestellten Entspannungsorgane 21 sind als beidseitig durchströmbare Entspannungsorgane ausgeführt oder aber als eine Kombination von zwei einseitig durchströmbaren Entspannungsorganen aufzufassen.
Nach der Entspannung des Kältemittels erfolgt die Verdampfung im Innenwärmeübertrager 20 und der Kreislauf wird über den Strömungspfad des Passivventils 1 vom Anschluss 25 zum Anschluss 9 und den Sammler 19a, den inneren Wärmeübertrager 19b zum Verdichter 18 hin geschlossen.
Der Strömungspfad im Passivventil 1 wird durch den bei Anschluss 24 anliegenden Hochdruck geschalten.
Sehr vorteilhaft werden bei dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel die Vorzüge der kompakten Bauweise mit der wechselseitigen funktionalen Beeinflussung von Aktiv- und Passivventil vereint. Die erfindungsgemäße Trennung von Aktivventil und Passivventil ermöglicht eine noch bessere Ausnutzung des knappen zur Verfügung stehenden Raumangebotes in Kraftfahrzeugen.

1: Passivventil
2: Aktivventil
3: Schließkörper
4: Schließkörper
5: Ventilschaft
6: Schließkörper
7: Dichtflächen
8: Hochdruckanschluss Kompressor
9: Niederdruckausgang zum Akkumulator/Innerer Wärmeübertrager
10a,b: Eingang/Ausgang des Mehrwegeventils 17
11: Federelement
12: Magnetsteuerung
13: Federelemente
14: Isolierschicht
15: Kanal
16: Kanal
17: 4/2 Mehrwegeventil
18: Verdichter
19a: Akkumulator
19b: Innerer Wärmeübertrager
20: Innenwärmeübertrager
21: Entspannungsorgan
22: Glykolwärmeübertrager
23: Außenwärmeübertrager
24: Anschluss Glykolwärmeübertrager
25: Anschluss Innenwärmeübertrager
26: Anschluss Außenwärmeübertrager
27: Ausnehmung
28: 5/2-Mehrwegeventil
A: Schaltstellung des Aktivventils bei deaktivierter Magnetsteuerung
: sowie bei Druckausgleich
B: Schaltstellung des Aktivventils bei aktivierter Magnetsteuerung
: unabhängig vom Druck oder nach aktivierter Magnetsteuerung und
: Druckdifferenz (Wärmepumpenbetrieb)

Claims

Ventilkombination für einen Fluidkreislauf mit zwei Druckniveaus, insbesondere für einen kombinierten Kälteanlagen/Wärmepumpenkreislauf, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilkombination ein Passivventil (1) und ein Aktivventil (2) aufweist, wobei das Aktivventil (2) mit Mitteln zur aktiven Beeinflussung der Schaltstellung eines Schließkörpers (6) versehen ist und einen Fluidstrom mit hohem Druck reguliert und das Passivventil (1) einen Fluidstrom mit niedrigem Druck reguliert und dass das Passivventil (1) und das Aktivventil (2) derart in den Kälteanlagen/Wärmepumpenkreislauf eingebunden sind, dass die Druckdifferenz zwischen dem hohen und dem niedrigen Fluiddruck und die Schaltstellung (A, B) des Aktivventils (2) die Schaltstellung des Passivventils (1) bewirken.
Ventilkombination nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Passivventil (1) zwei Schaltstellungen in Abhängigkeit der Schaltstellung des Aktivventils (2) aufweist und dass das Passivventil (1) weiterhin eine Ruhestellung bei ausgeglichener Druckdifferenz aufweist.
Ventilkombination nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Passivventil (1) zwei Schließkörper (3, 4) verbunden durch einen Ventilschaft (5) aufweist und dass weiterhin jeder Schließkörper (3, 4) mit einem Federelement (13) in Verbindung steht, durch welche die Schließkörper (3, 4) bei ausgeglichener Druckdifferenz eine mittlere Ruhestellung einnehmen.
Ventilkombination nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtflächen (7) der Schließkörper (3, 4) des Passivventils (1) einander zugewandt sind.
Ventilkombination nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktivventil (2) einen Schließkörper (6) mit je einem Ventilschaft (5) zu beiden Seiten des Schließkörpers (6) aufweist und dass eine Seite des Ventilschaftes (5) mit einem Federelement (11) in Verbindung steht, welche den Schließkörper (6) in der ersten Schaltstellung (A) hält und dass die andere Seite des Ventilschaftes (5) mit einer Magnetsteuerung (12) in Verbindung steht, welche den Schließkörper (6) bei Aktivierung entgegen der Federkraft des Federelements (11) in die zweite Schaltstellung (B) bringt.
Ventilkombination nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (11) derart dimensioniert ist, dass der Schließkörper (6) des Aktivventils (2) nach Aktivierung der Magnetsteuerung (12) auch nach der Abschaltung der Magnetsteuerung (12) durch die Druckdifferenz der Fluidströme in der Schaltstellung (B) gehalten wird.
Ventilkombination nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtflächen (7) des Schließkörpers (6) des Aktivventils (2) einander abgewandt am Schließkörper angeordnet sind.
Ventilkombination nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Ventilkombination das Mehrwegeventil (17), vier Anschlüsse (8, 9, 10a, 10b) aufweisend und zwei Strömungspfade in jeder Schaltstellung ermöglichend, eingesetzt wird.
Ventilkombination nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Ventilkombination das Mehrwegeventil (28), fünf Anschlüsse (8, 9, 24, 25, 26) aufweisend und zwei Strömungspfade in jeder Schaltstellung ermöglichend, eingesetzt wird.
Ventilkombination nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktivventil (2) und das Passivventil (1) als einzelne Komponenten als 3/2 Mehrwegeventile ausgeführt sind.
Ventilkombination nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Passivventil (1) und das Aktivventil (2) durch eine Isolierschicht (14) thermisch voneinander getrennt sind.
Ventilkombination nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Passivventil (1) und das Aktivventil (2) durch eine Ausnehmung (27) thermisch voneinander getrennt sind.
Ventilkombination nach einem der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente (11, 13) an verschiedene Fluiddruckdifferenzen anpassbar sind.