DE10219667A1

DE10219667A1 - Expansionsventil

Info

Publication number: DE10219667A1
Application number: DE10219667A
Authority: DE
Inventors: Jean-Jacques Robin
Original assignee: Egelhof Fa Otto; Otto Egelhof GmbH and Co KG
Current assignee: Egelhof Fa Otto; Otto Egelhof GmbH and Co KG
Priority date: 2002-05-02
Filing date: 2002-05-02
Publication date: 2003-11-13

Abstract

Expansionsventil mit elektronischer Regelung, insbesondere für mit CO¶2¶ als Kältemittel betriebene Fahrzeugklimaanlagen, mit einem Ventilgehäuse mit einer Zuflussöffnung und einer Abflussöffnung, einer elektrisch betätigten Einrichtung zum Verschieben eines Ventilglieds, insbesondere in Öffnungsrichtung, in Bezug auf einen zwischen Zuflussöffnung und Abflussöffnung angeordneten, eine Durchflussöffnung für das Kältemittel aufweisenden Ventilsitz und einer in Gegenrichtung wirkenden Rückstelleinrichtung, insbesondere Rückstellfeder, wobei zur Verringerung der Baugröße und des zur Betätigung erforderlichen Stromes zusätzlich zu der von Ventilglied und Ventilsitz gebildeten ersten Drosselstelle mindestens eine weitere, mit der ersten Drosselstelle in Reihe angeordnete Drosselstelle zwischen der Zuflussöffnung und der Abflussöffnung des Expansionsventils vorgesehen ist, deren Durchtrittsquerschnitt gekoppelt mit dem Durchtrittsquerschnitt der ersten Drosselstelle verstellbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Expansionsventil mit elektronischer Regelung, insbesondere für mit CO₂ als Kältemittel betriebene Fahrzeugklimaanlagen, mit einem Ventilgehäuse mit einer Zuflussöffnung und einer Abflussöffnung, einer elektrisch betätigten Einrichtung zum Verschieben eines Ventilglieds, insbesondere in Öffnungsrichtung, in Bezug auf einen zwischen Zuflussöffnung und Abflussöffnung angeordneten, eine Durchflussöffnung für das Kältemittel aufweisenden Ventilsitz und einer in Gegenrichtung wirkenden Rückstelleinrichtung, insbesondere Rückstellfeder.
Bei Verwendung von CO₂ als Kältemittel ist nicht nur der Eingangsdruck am Expansionsventil relativ hoch, sondern es bestehen auch große Unterschiede im Eingangsdruck abhängig von der Temperatur der Umgebung. So liegt der Eingangsdruck im Herbst bei ca. 60 bar, im Sommer dagegen zwischen 120 und 130 bar, während der Verdampfungsdruck ca. 35 bis 40 bar beträgt. Da der Eingangsdruck üblicherweise in Öffnungsrichtung auf das Ventilglied wirkt, muss die üblicherweise in Schließrichtung wirkende Feder entsprechend stark ausgebildet sein. Dies führt aber andererseits dazu, dass eine zum Öffnen des Expansionsventils vorgesehene Magnetspule entsprechend groß ausgebildet sein muss. Neben der damit verbundenen erheblichen Baugröße und dem großen Gewicht ist auch der Stromverbrauch entsprechend groß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Expansionsventil der eingangs genannten Art anzugeben, welches diese Nachteile nicht aufweist. Insbesondere sollen die Größe und das Gewicht sowie der Stromverbrauch der Magnetspule verringert werden.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass zusätzlich zu der von Ventilglied und Ventilsitz gebildeten ersten Drosselstelle mindestens eine weitere, mit der ersten Drosselstelle in Reihe angeordnete Drosselstelle zwischen der Zuflussöffnung und der Abflussöffnung des Expansionsventils vorgesehen ist, deren Durchtrittsquerschnitt gekoppelt mit dem Durchtrittsquerschnitt der ersten Drosselstelle verstellbar ist.

Aufgrund der Hintereinanderschaltung von mindestens zwei Drosselstellen ist die Druckdifferenz an jeder einzelnen Drosselstelle geringer als bei nur einer Drosselstelle. Die Regelgenauigkeit kann dadurch erhöht werden. Zudem verringert sich der Unterschied in der Druckdifferenz zwischen Sommer und Winter. Die auf das Ventilglied wirkende Druckkraft ist entsprechend geringer, so dass sowohl die Schließfeder als auch die Magnetspule entsprechend kleiner dimensioniert werden können. Damit können Gewicht und Baugröße eingespart sowie der Stromverbrauch verringert werden.

Beträgt der Eingangsdruck beispielsweise 120 bar und der Verdampfungsdruck 40 bar, so ergibt sich bei nur einer Drosselstelle eine Druckdifferenz im Sommer von 80 bar, während sich im Herbst bei einem Eingangsdruck von beispielsweise 60 bar eine Druckdifferenz von lediglich 20 bar ergibt. Beim erfindungsgemäßen Expansionsventil teilt sich die Druckdifferenz dagegen auf, so dass an der ersten Drosselstelle ein Druckabfall beispielsweise von 120 bar auf 80 bar und an der zweiten Drosselstelle von 80 bar auf 40 bar im Sommer vorliegt, während im Herbst ein Druckabfall von 60 bar auf 50 bar an der ersten Drosselstelle und von 50 bar auf 40 bar an der zweiten Drosselstelle gegeben ist. Damit beträgt die Druckdifferenz sowohl an der ersten als auch an der zweiten Drosselstelle im Sommer 40 bar und im Herbst 10 bar. Der Unterschied zwischen Sommer und Herbst beläuft sich also nur auf 30 bar.

Durch die Kopplung der Verstellung des Durchtrittsquerschnittes an den Drosselstellen kann sichergestellt werden, dass alle Drosselstellen im gewünschten Verhältnis geöffnet und geschlossen werden, so dass sich der Druckabfall über das gesamte Expansionsventil in der gewünschten Weise verteilt.

Das erfindungsgemäße Expansionsventil kann nach einer Ausgestaltung der Erfindung auch als servogeregeltes Ventil ausgebildet sein, mit einer die erste Drosselstelle überbrückenden Massenstromführung mit gegenüber dem Hauptmassenstrom verringertem Durchfluss und einem in diesem Parallelzweig angeordneten Regelventil. In bekannter Weise können dadurch die bei der Regelung auftretenden Kräfte am Regelventil klein gehalten werden. Auch bei der Ausbildung als Servoventil ergibt sich durch die erfindungsgemäße Reihenanordnung von Drosselstellen und der damit verbundenen geringeren Druckdifferenz an den einzelnen Drosselstellen eine höhere Regelungsgenauigkeit.

Die Kopplung der Querschnittsverstellung der Drosselstellen kann nach einer Ausgestaltung der Erfindung als mechanische Kopplung ausgebildet sein. Dabei ist die Anordnung bevorzugt so getroffen, dass der Öffnungsquerschnitt der Drosselstellen stets ungefähr gleich ist. Dadurch ergibt sich auch eine im Wesentlichen gleiche Verteilung des Druckabfalls auf die in Reihe angeordneten Drosselstellen. Ebenfalls bevorzugt wird die Anordnung jedoch so vorgenommen, dass die weitere Drosselstelle bei vollständig geschlossener erster Drosselstelle eine Voröffnung aufweist, also nicht völlig schließt. Dies gewährleistet einen sicheren Anlauf des Kältekreises. Durch eine Einstellbarkeit der Größe der Voröffnung kann die Anlage für den jeweils vorliegenden Anwendungsfall justiert werden.

Die mechanische Kopplung der Querschnittsverstellung hat den Vorteil, einfach realisierbar zu sein. Beispielsweise kann die Kopplung durch ein beiden Drosselstellen gemeinsames Ventilglied, insbesondere einen in einem Zylinder verschiebbar geführten Kolben, realisiert werden. Dies ist konstruktiv unaufwendig und gewährleistet einen funktionssicheren Betrieb.

Bei dieser Ausgestaltung des Kolbens ist es bevorzugt, wenn eine Stirnfläche des Kolbens auf die im Boden des Zylinders vorgesehene Durchflussöffnung einer Drosselstelle und die Seitenwand des Kolbens auf die in der Wand des Zylinders vorgesehene Durchflussöffnung der anderen Drosselstelle wirkt. Auch dies ist wieder konstruktiv einfach und erleichtert die Dimensionierung des Expansionsventils. Die Durchflussöffnung in der Zylinderwand kann insbesondere durch mindestens zwei über den Umfang des Zylinders verteilt angeordnete Bohrungen gleichen Durchmessers gebildet sein. Damit wird eine gleichmäßige Verteilung des auf den Kolben wirkenden Druckes erreicht.

Der auf der Seite der Drosselstellen gelegene Kolbenraum kann nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung mit dem gegenüberliegenden Kolbenraum über eine weitere Drossel verbunden sein, wobei der im übrigen abgedichtete gegenüberliegende Kolbenraum mit einem Regelventil in Strömungsverbindung steht, welches andererseits mit dem ersten Kolbenraum in Strömungsverbindung steht. Auf diese Weise kann vorteilhaft eine Servoregelung des Expansionsventils realisiert werden.

Die Drossel zwischen den beiden Kolbenräumen ist beispielsweise durch eine den Kolben durchsetzende Drosselbohrung gebildet. Sie kann aber auch durch eine geeignete Querschnittsdifferenz zwischen Außenumfang des Kolbens und Innenumfang des Zylinders gebildet sein. Im zweiten Fall wird also die Toleranz zwischen Kolben und Zylinder als Drossel ausgenutzt, während im ersten Fall zwischen Kolben und Zylinder eine Abdichtung vorgesehen ist, so dass die beiden Kolbenräume nur über die Drosselbohrung miteinander in Verbindung stehen. Beide Varianten haben sich als geeignet herausgestellt, wobei eine Drosselbohrung allerdings eher zum Verstopfen neigt.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Kopplung der Querschnittsverstellung der Drosselstellen als fluidische Kopplung ausgebildet. Dies kann insbesondere dadurch verwirklicht werden, dass die beiden Drosselstellen in Art eines Stromregelventiles ausgebildet sind, mit einem extern regelbaren Ventil an der ersten Drosselstelle und einem in Abhängigkeit der Druckverhältnisse sich automatisch einstellenden Ventil an der zweiten Drosselstelle. Durch das sich automatisch einstellende Ventil an der zweiten Drosselstelle kann der Differenzdruck zwischen Eingang und Ausgang der ersten Drosselstelle annähern konstant gehalten werden. Dadurch kann sichergestellt werden, dass das Ventil an der ersten Drosselstelle stets unter dem gleichen Differenzdruck arbeitet.

Die Anordnung kann so getroffen sein, dass das automatisch sich einstellende Ventil in Strömungsrichtung vor dem extern geregelten Ventil oder hinter dem extern geregelten Ventil angeordnet ist. Durch einen geeigneten hydraulischen Anschluss ergibt sich in beiden Fällen am extern geregelten Ventil eine geringe Druckdifferenz mit den zuvor genannten Vorteilen.

Die weitere Drosselstelle wird insbesondere durch einen in einem entsprechenden Zylinder angeordneten Doppelkolben gebildet, dessen einer äußerer Kolbenraum mit der Niederdruckseite der ersten Drosselstelle, dessen anderer äußerer Kolbenraum mit der Hochdruckseite der ersten Drosselstelle und dessen mittlerer Kolbenraum einerseits mit einer Seite der ersten Drosselstelle und andererseits mit der Zufluss- oder der Abflussöffnung des Ventilgehäuses verbunden ist, wobei zwischen der Verbindung des mittleren Kolbenraums mit der einen Seite der ersten Drosselstelle und der Verbindung des mittleren Kolbenraums mit der Zu- oder Abflussöffnung des Ventilgehäuses die weitere Drosselstelle vorgesehen ist, und wobei eine im Sinne einer Vergrößerung des mit der Niederdruckseite der ersten Drosselstelle verbundenen äußeren Kolbenraum zwischen Doppelkolben und Zylinder wirkende Feder vorgesehen ist.

Eine derartige Anordnung bewirkt, dass der Druckabfall an der ersten Drosselstelle unabhängig vom Eingangsdruck stets gleich ist, und zwar unabhängig davon, ob die automatisch geregelte Drosselstelle in Strömungsrichtung vor oder hinter der extern geregelten Drosselstelle angeordnet ist. Im ersten Fall wird der mittlere Kolbenraum mit der Zuflussöffnung, im zweiten Fall mit der Abflussöffnung des Ventilgehäuses verbunden. Über die Vorspannkraft der Feder kann die Druckdifferenz eingestellt werden. Damit ist es möglich, an der ersten Drosselstelle eine Druckdifferenz von beispielsweise lediglich 10 bar einzustellen, die sowohl im Sommer bei einem Eingangsdruck von 120 bar als auch im Herbst bei einem Eingangsdruck von 60 bar erhalten bleibt. Die Eingangs genannten Probleme werden daher besonders gut gelöst.

Nach einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist der Doppelkolben als Hohlkolben ausgebildet und auf einem in dem Zylinder fest angeordneten Rohrstück verschiebbar angeordnet, welches in seinem Mantel mindestens eine Durchtrittsöffnung aufweist, die mit mindestens einer im Bereich zwischen den beiden Kolbenteilen angeordneten Durchtrittsöffnung in der Wand des Doppelkolbens eine Drosselstelle bildet. Dies ist eine besondere platzsparende Anordnung.

Ebenso platzsparend ist es, wenn nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung der eine Kolbenteil auf seiner dem anderen Kolbenteil abgewandten Seite einen Abschnitt mit verringertem Außenumfang aufweist und wenn das Rohrstück mit dem auf der Seite dieses Abschnitts gelegenen Zylinderboden dichtend verbunden ist, wobei dieser Zylinderboden in dem vom Rohrstück umfassten Bereich eine Durchtrittsöffnung aufweist, die mit einem von der Außenseite des Zylinderbodens angreifenden Ventilglied die erste Drosselstelle bildet, wobei bevorzugt der den Abschnitt mit verringertem Außenumfang des zweiten Kolbenteils umgebende Kolbenraum mit der Außenseite der zweiten Drosselstelle und der zwischen dem ersten Kolbenteil und dem Zylinder gebildete Kolbenraum mit dem Inneren des zylinderfesten Rohres in Verbindung steht. Damit kann in Art eines Stromregelventils der Druckabfall in der gewünschten Weise so realisiert werden, dass an der ersten Drosselstelle stets die gleiche Druckdifferenz vorliegt. Ein zur Betätigung des Ventilglieds dieser Drosselstelle vorgesehener Elektromagnet kann dadurch, ebenso wie die in entgegengesetzte Richtung wirkende Rückstellfeder, verhältnismäßig klein dimensioniert werden. Auch dieses Ventil kann, ebenso wie die anderen Stromregelventile gemäß der Erfindung, grundsätzlich als Servoventil ausgebildet werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Es zeigen, jeweils in schematischer Darstellung:
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erste Variante eines erfindungsgemäßen Expansionsventils,
Fig. 2 eine Seitenansicht eines Details des Expansionsventils von Fig. 1,
Fig. 3 einen Querschnitt durch eine zweite Variante eines erfindungsgemäßen Expansionsventils und
Fig. 4 einen Querschnitt durch eine dritte Variante eines erfindungsgemäßen Expansionsventils
Das in Fig. 1 stark vereinfacht dargestellte Expansionsventil umfasst ein Ventilgehäuse 1 mit einer Zuflussöffnung 2 und einer Abflussöffnung 3. In dem Gehäuse 1 ist eine zylindrische Aufnahme 4 ausgebildet, in welcher ein Kolben 5 verschiebbar geführt ist.
In die Zylinderaufnahme 4 mündet einerseits ein mit der Zuflussöffnung 2 verbundener Zuflusskanal 6, und zwar im unteren Drittel des Zylindermantels 7. Andererseits mündet in die Zylinderaufnahme 4 ein mit der Abflussöffnung 3 verbundener Abflusskanal 8, und zwar in die untere Bodenfläche 9 des Zylinders. Der Abflusskanal 8 geht innerhalb der Zylinderaufnahme 4 in einen Rohrstutzen 10 über, dessen Mündungsrand den Ventilsitz 11 einer zusammen mit der gegenüberliegenden Stirnseite 12 des Kolbens 5 gebildeten ersten Drosselstelle 13 darstellt. Eine zweite Drosselstelle 14 wird von der Mantelfläche 15 des Kolbens 5 zusammen mit der Mündung 16 des Zuflusskanals 6 gebildet. Die Anordnung ist dabei so vorgenommen, dass bei auf dem Ventilsitz 11 der ersten Drosselstelle 13 aufsitzendem Kolben 5 die zweite Drosselstelle 14 noch geringfügig geöffnet ist. Über geeignete Maßnahmen, beispielsweise über eine in der Zylinderaufnahme 4 verschiebbare, den Kolben 5 umgebende Hülse kann diese Voröffnung der zweiten Drosselstelle 14 einstellbar ausgebildet sein.
Wie man in Fig. 1 erkennt, ist der Kolben 5 topfartig ausgebildet, wobei der Boden des Topfes auf der Seite der ersten Drosselstelle 13 gelegen ist und zusammen mit der Zylinderaufnahme 4 auf dieser Seite einen ersten Kolbenraum 17 begrenzt. Im auf der anderen Seite des Kolbens 5 gelegenen zweiten Kolbenraum 18 ist eine Druckfeder 19 angeordnet, die sich einerseits an der oberen Bodenfläche 20 der Zylinderaufnahme 4 und andererseits im Innern des Topfkolbens 5 abstützt. Von der Feder 19 wird der Kolben 5 gegen den Ventilsitz 11 der ersten Drosselstelle 13 gedrängt.
Im Boden 21 des topfartig ausgebildeten Kolbens 5 ist eine Drosselbohrung 21 vorgesehen, durch welche der erste Kolbenraum 17 mit dem zweiten Kolbenraum 18 verbunden ist. Über eine Ringdichtung 22 sind die beiden Kolbenräume 17 und 18 im Übrigen gegeneinander abgedichtet.
An den zweiten Kolbenraum 18 ist eine Leitung 23 angeschlossen, die zu einem Regelventil 24 führt, dessen andere Seite über eine Leitung 25 an den Abflusskanal 8 angeschlossen ist. Das hier nur schematisch dargestellte Regelventil 24 dient zur Servosteuerung des Expansionsventils und kann beispielsweise über eine Magnetspule betätigbar sein.
Die Funktionsweise des dargestellten Expansionsventils ist wie folgt:
Bei geschlossenem Expansionsventil, das heißt, bei auf dem Ventilsitz 11 aufsitzendem Kolben 5 ist die als Hauptdrossel wirkende Drosselstelle 13 geschlossen. Die als Vordrossel wirkende Drosselstelle 14 zwischen Mündung 16 des Zuflusskanals 6 und Mantelfläche 15 des Kolbens 5 ist dagegen geringfügig geöffnet. Kältemittel hohen Drucks strömt daher gemäß Pfeil I durch die Zuflussöffnung 2 und den Zuflusskanal 6 durch die Drosselstelle 14 und gelangt in den ersten Kolbenraum 17. Von hier strömt das Kältemittel über die Drosselbohrung 21 in den zweiten Kolbenraum 18. Da bei geschlossenem Expansionsventil das Regelventil 24 geschlossen ist, kann das Kältemittel aus dem Kolbenraum 18 nicht abfließen, so dass sich hier bei geschlossenem Expansionsventil der gleiche Druck aufbaut wie im ersten Kolbenraum 17 und vor der zweiten Drosselstelle 14. Auf der anderen Seite der ersten Drosselstelle 13, also im Abflusskanal 8 herrscht niedriger Druck.
Wird nun das Expansionsventil durch Öffnen des Regelventils 24 geöffnet, so fließt Kältemittel aus dem zweiten Kolbenraum 18 über das Regelventil 24 in den Abflusskanal 8 und von dort gemäß Pfeil II aus dem Expansionsventil heraus. Aufgrund der Abnahme des Drucks p_k im zweiten Kolbenraum 18 überwiegt der Druck p_zw im ersten Kolbenraum 17. Sobald diese Differenz so groß ist, dass die Kraft der Feder 19 überwunden wird, verschiebt sich der Kolben 5 im Sinne einer Verkleinerung des zweiten Kolbenraums 18. Das heißt, der Kolben 5 hebt vom Ventilsitz 11 ab und gibt die erste Drosselstelle 13 frei. Nun fließt das Kältemittel über die erste Drosselstelle 13 in den Abflusskanal 8 und gemäß Pfeil II aus dem Expansionsventil heraus. Damit ergibt sich ein Druckgefälle zwischen Eingangsdruck p_e, Druck p_zw, im ersten Kolbenraum 17 und Ausgangsdruck p_a. Der Druck p_k im zweiten Kolbenraum 18 liegt zwischen dem Druck p_zw und p_a, so dass sich insgesamt folgendes Druckgefälle ergibt:

p_e > p_zw > p_k > p_a.
Dieses Druckgefälle wird über das Regelventil 24 kontrolliert.
Beispielsweise ergibt sich bei einer Autoklimaanlage im Sommer ein Eingangsdruck p_e in Höhe von 120 bar, ein Druck p_zw im ersten Kolbenraum 17 von 80 bar, ein Druck p_k im zweiten Kolbenraum 18 von 50 bar und ein Ausgangsdruck p_a, also Verdampfungsdruck, in Höhe von 40 bar. Die Druckdifferenz an den beiden Drosselstellen 13 und 14 beträgt daher jeweils 40 bar, während bei herkömmlichen Drosselventilen eine Druckdifferenz von 80 bar vorläge. Aufgrund dieser verhältnismäßig geringen Druckdifferenz ist das dargestellte Expansionsventil über das Regelventil 24 gut regelbar. Außerdem kann die Rückstellfeder 19 relativ klein ausgelegt werden, da die Druckdifferenz zwischen dem Druck p_zw im ersten Kolbenraum 17 und dem Druck p_k im zweiten Kolbenraum 18 nur 30 bar beträgt, während sie bei einem herkömmlichen Ventil 80 bar betrüge.
Im Herbst ergibt sich beispielsweise ein Eingangsdruck p_e von 60 bar, ein Druck p_zw, im ersten Kolbenraum 17 von 50 bar, ein Druck p_k im zweiten Kolbenraum 18 von 45 bar und ein Verdampfungsdruck p_a von 40 bar. Die Druckdifferenz an den beiden Drosselstellen 13 und 14 beträgt im Herbst also lediglich jeweils 10 bar, die Druckdifferenz zwischen erstem Kolbenraum 17 und zweitem Kolbenraum 18,5 bar. Bei bekannten Drosselventilen läge die Druckdifferenz im Herbst zwischen Eingangsdruck p_e und Ausgangsdruck p_a bei 20 bar.
Der Unterschied zwischen der Druckdifferenz im Sommer und der Druckdifferenz im Herbst beträgt in diesem Beispiel also 60 bar bei bekannten Expansionsventilen, während beim dargestellten erfindungsgemäßen Expansionsventil der Unterschied in der Druckdifferenz zwischen Sommer und Herbst an jeder Drossel 13, 14 lediglich 30 bar beträgt. Die Unterschiede zwischen Sommer und Herbst sind also bei dem erfindungsgemäßen Expansionsventil deutlich geringer, so dass die Auslegung des Expansionsventils einschließlich des Regelventils 24 vereinfacht und dessen Funktion verbessert ist.
In Fig. 2 ist die geringe Voröffnung der Drosselstelle 14 bei geschlossenem Expansionsventil, also bei auf dem Ventilsitz 11 aufsitzendem Kolben 5 erkennbar. Die Größe der Voröffnung der Drosselstelle 14 kann beispielsweise durch eine den Kolben 5 umgebende Schraubhülse einstellbar ausgebildet sein. Bevorzugt sind, anders als in Fig. 1 dargestellt, zwei Mündungen 16 in die Zylinderaufnahme 4 vorgesehen, die durch einen Ringraum 26 miteinander verbunden sind. Der Querschnitt der Mündungen 16 kann beispielsweise zusammen 2 mm² betragen.
Während bei dem in Fig. 1 dargestellten Expansionsventil eine mechanische Kopplung der Querschnittsverstellung der beiden Drosselstellen 13 und 14 vorliegt, die durch Verwendung des Kolbens 5 als gemeinsames Ventilglied für beide Drosselstellen verwirklicht ist, zeigt Fig. 3 ein in Art eines Stromregelventils ausgebildetes Expansionsventil mit fluidischer Kopplung der Querschnittsverstellung. In einem Gehäuse 31 mit einer Zuflussöffnung 32 und einer Abflussöffnung 33 ist eine Zylinderaufnahme 34 vorgesehen, in welcher ein Doppelkolben 35 verschiebbar geführt ist. Die Zuflussöffnung 32 ist über einen Zuflusskanal 36 an die Zylindermantelfläche 37 der Zylinderaufnahme 34 angeschlossen, während die Abflussöffnung 33 über einen Abflusskanal 38 in eine in der unteren Bodenfläche 39 der Zylinderaufnahme 4 vorgesehene Durchtrittsöffnung 40 mündet.
Die Außenseite der Durchtrittsöffnung 40 zwischen Zylinderaufnahme 34 und Abflusskanal 38 bildet einen Ventilsitz 41, der mit einem Ventilglied 42 zusammenwirkt. Das Ventilglied 42 ist Teil eines Ankers 43 eines in bekannter Weise ausgebildeten Magnetventils 44, welches unterhalb der Kolbenzylinderanordnung 34, 35 angeordnet ist. Mit diesem ist die zwischen Ventilsitz 41 und Ventilglied 42 ausgebildete erste Drosselstelle 45 beeinflussbar.
Der Doppelkolben 35 ist als Hohlkolben ausgebildet und sitzt auf einem Rohr 46, welches an der unteren Bodenfläche 39 der Zylinderaufnahme 34 um die Durchtrittsöffnung 40 herum angeordnet und dichtend befestigt ist. Das Rohr 46 weist in seinem Mantel zwei Durchtrittsöffnungen 48 auf, die mit Durchtrittsöffnungen 49 in der Wand des Doppelkolbens 35 kommunizieren. Die Durchtrittsöffnungen 49 in der Wand des Doppelkolbens 35 sind dabei in dem Bereich zwischen den beiden Kolbenteilen 50 und 51 des Doppelkolbens 35 angeordnet. Die Durchtrittsöffnungen 48 und 49 bilden gemeinsam eine zweite Drosselstelle 52. Die Durchtrittsöffnungen 49 stehen ihrerseits mit dem Zuflusskanal 36 in Verbindung.
Über Ringdichtungen 53 und 54 sind die beiden Kolbenteile 50 und 51 jeweils in der Zylinderaufnahme 34 abgedichtet. Dadurch werden zwei äußere Kolbenräume 55 und 56 sowie ein zwischen den beiden Kolbenteilen 50, 51 liegender Kolbenraum 57 gebildet, über welchen die Durchtrittsöffnungen 49 mit dem Zuflusskanal 36 verbunden sind.
Der dem Magnetventil 44 zugewandte Kolbenteil 51 weist zudem auf Seiten des Magnetventils 44 einen Abschnitt 58 mit verringertem Außenumfang auf, der auf dem Rohr 46 geführt und gegenüber diesem durch eine Ringdichtung 59 abgedichtet ist. Dadurch wird der untere äußere Kolbenraum 56 vom oberen äußeren Kolbenraum 55 und vom Innenraum 60 des Rohres 46 getrennt. Über die Öffnung 61 am anderen Rohrende steht der Innenraum 60 des Rohres 46 mit dem oberen äußeren Kolbenraum 55 in Verbindung.
In dem unteren äußeren Kolbenraum 56 ist eine Druckfeder 62 angeordnet, die sich einerseits am unteren Boden 39 der Zylinderaufnahme 34und andererseits an dem im Umfang nicht verringerten Abschnitt des zweiten Kolbenteils 51 abstützt. Dieser äußere Kolbenraum 56 ist außerdem über einen Verbindungskanal 63 mit dem Abflusskanal 38 verbunden.
Die Funktionsweise dieser zweiten Variante eines erfindungsgemäßen Expansionsventils ist wie folgt:
Bei geschlossenem Magnetventil 44 strömt Kältemittel gemäß Pfeil III über die Zuflussöffnung 32 und den Zuflusskanal 36 in den Ringraum 57. Von dort gelangt das Kältemittel über die die zweite Drosselstelle 52 bildenden Durchflussöffnungen 49 und 48 in den Innenraum 60 des Rohres 46. Von dort strömt das Kältemittel über die Öffnung 61 am oberen Ende des Rohres 46 in den oberen äußeren Kolbenraum 55. Im Raum 60 und im oberen äußeren Kolbenraum 55 herrscht daher der hohe Eingangsdruck p_e. Im unteren äußeren Kolbenraum 56 herrscht dagegen aufgrund der Verbindung 63 zu dem Abflusskanal 38 der niedere Ausgangsdruck p_a. Über die Druckfeder 62 wird die bestehende Druckdifferenz ausgeglichen, so dass sich der Doppelkolben 35 nicht verschiebt.
Wird das Magnetventil 44 geöffnet, strömt Kältemittel aus dem Raum 60 in den Abflusskanal 38 und tritt gemäß Pfeil IV über die Abflussöffnung 33 aus dem Ventil aus. Daraufhin sinkt der Druck sowohl im Raum 60 als auch im oberen äußeren Kolbenraum 55, so dass der Doppelkolben 35 von der Feder 62 nach oben verschoben wird. Damit stellt sich ein Druckgefälle ausgehend vom Eingangsdruck p_e über den Druck p_zw im Raum 60 zum Ausgangsdruck p_a im Abflusskanal 38 ein. Die Druckdifferenz zwischen dem Druck p_zw, im Raum 60 und dem Ausgangsdruck p_a kann über die Feder 62 eingestellt werden. Diese Druckdifferenz ist aufgrund der Verbindung zwischen dem oberen äußeren Kolbenraum 55 und dem Raum 60 sowie der Verbindung zwischen dem unteren äußeren Kolbenraum 56 und dem Abflusskanal 38 stets gleich, was zum einen den Vorteil hat, dass die Druckdifferenz an der ersten Drosselstelle 45 klein gehalten werden kann, so dass das Magnetventil 44 vorteilhafterweise klein ausgelegt werden kann. Zum anderen hat dies den Vorteil, dass trotz unterschiedlicher Eingangsdrücke p_e, also bei Sommer- und Winterbetrieb, eine gute Regelung möglich ist.
Die in Fig. 4 dargestellte Variante eines erfindungsgemäßen Expansionsventils stimmt im Wesentlichen mit der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Variante überein, wobei hier allerdings das Expansionsventil mehr im Detail dargestellt ist. Außerdem ist hier der Kolben 5 im Inneren einer Schraubhülse 27 angeordnet, die die Zylinderaufnahme 4 aufweist und über ein Schraubgewinde 28 in das Gehäuse 1 eingeschraubt ist. Durch Verdrehen der Schraubhülse 27 kann die Voröffnung der zweiten Drosselstelle 14 eingestellt werden.
Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass der Abflusskanal 8 nicht in einen Rohrstutzen 10 ausmündet, sondern über eine Durchflussöffnung 29 mit dem unteren Kolbenraum 17 in Verbindung steht. Die Durchtrittsöffnung 29 bildet dabei zugleich den Ventilsitz 11, der mit einem Nadelfortsatz 30 am unteren Ende des Kolbens 5 als erste Drosselstelle 13 zusammenwirkt. Die Drosselbohrung 21 ist bei dieser Variante außerdem durch eine entsprechend ausgebildete Toleranz zwischen dem Kolben 5 und der Zylinderaufnahme 4 ersetzt.
Die Servosteuerung ist bei dieser Variante dadurch realisiert, dass die Einschraubhülse 27 an ihrem oberen Ende eine Pilotbohrung 64 aufweist, in welche das als Nadelventil ausgebildete Ventilglied 65 des als Magnetventil ausgebildeten Regelventils 24 eingreift. Die Verbindungsleitung 23 entfällt dadurch. Das Ende des Ventilglieds 65 ist in einem am oberen Ende der Schraubhülse 27 vorgesehenen Ansatz 66 verschiebbar geführt, in welchem dadurch ein Ventilraum 67 gebildet wird, der über Durchflussöffnungen 68 mit einem die Schraubhülse 27 umgebenden Raum 69 verbunden ist, der seinerseits über die Verbindungsleitung 25 mit dem Abflusskanal 8 verbunden ist.
Die Funktionsweise dieses Expansionsventils stimmt der des in den Fig. 1 und 2 dargestellten Expansionsventils überein. Über die Voröffnung der zweiten Drosselstelle 14 strömt Kältemittel hohen Drucks gemäß Pfeil I in den ersten Kolbenraum 17 und von hier über den Toleranzfreiraum zwischen Kolben 5 und Zylinderaufnahme 4 in den oberen Kolbenraum 18. Solange das Magnetventil 24 geschlossen ist, kann das Kältemittel nicht weiterströmen, so dass sich im Kolbenraum 18 der gleiche Druck aufbaut wie im unteren Kolbenraum 17 und im Zuflusskanal 6. Nach Öffnen des Magnetventils 24 kann das Kältemittel aus dem oberen Kolbenraum 18 über den Ventilraum 67, die Bohrungen 68, den Raum 69 und die Verbindungsleitung 25 in den Abflusskanal 8 und von dort gemäß Pfeil II aus dem Expansionsventil 2 herausströmen. Der Kolben 5 hebt vom Ventilsitz 11 ab und gibt die erste Drosselstelle 13 frei, so dass das Kältemittel nun auch über die erste Drosselstelle 13 in den Abflusskanal 8 und aus dem Expansionsventil heraus fließt. Damit ergibt sich wieder das Druckgefälle zwischen Eingangsdruck p_e, Druck p_zw im ersten Kolbenraum 17, Druck p_k im oberen Kolbenraum 18 und Ausgangsdruck p_a, welches über das Magnetventil 24 kontrollierbar ist.
Durch die zusätzliche Drosselstelle wird bei allen Varianten des erfindungsgemäßen Expansionsventil eine geringere Druckdifferenz an der extern geregelten ersten Drosselstelle erreicht, woraus sich die oben beschriebenen Vorteile ergeben.
Zudem ist die Druckdifferenz an den Drosselstellen geringeren Schwankungen in Abhängigkeit von der Außentemperatur ausgesetzt, so dass die Auslegung des Ventils erleichtert ist. Bezugszeichenliste 1 Gehäuse
2 Zuflussöffnung
3 Abflussöffnung
4 Zylinderaufnahme
5 Kolben
6 Zuflusskanal
7 Zylindermantelfläche
8 Abflusskanal
9 untere Zylinderbodenfläche
10 Rohrstutzen
11 Ventilsitz
12 Kolbenstirnseite
13 erste Drosselstelle
14 zweite Drosselstelle
15 Kolbenmantelfläche
16 Mündung von 6
17 unterer Kolbenraum
18 oberer Kolbenraum
19 Druckfeder
20 obere Zylinderbodenfläche
21 Drosselbohrung
22 Ringdichtung
23 Leitung
24 Regelventil
25 Leitung
26 Ringraum
27 Schraubhülse
28 Gewinde
29 Durchflussöffnung
30 Nadelfortsatz
31 Gehäuse
32 Zuflussöffnung
33 Abflussöffnung
34 Zylinderaufnahme
35 Doppelkolben
36 Zuflusskanal
37 Zylindermantelfläche
38 Abflusskanal
39 untere Zylinderbodenfläche
40 Durchflussöffnung
41 Ventilsitz
42 Ventilglied
43 Anker
44 Magnetventil
45 erste Drosselstelle
46 Rohr
47 obere Zylinderbodenfläche
48 Durchflussöffnung
49 Durchflussöffnung
50 oberer Kolbenteil
51 unterer Kolbenteil
52 zweite Drosselstelle
53 Ringdichtung
54 Ringdichtung
55 oberer äußerer Kolbenraum
56 unterer äußerer Kolbenraum
57 Ringraum
58 Abschnitt von 51
59 Ringdichtung
60 Innenraum von 46
61 Öffnung
62 Druckfeder
63 Verbindungskanal
64 Pilotbohrung
65 Ventilglied
66 Ansatz an 27
67 Ventilraum
68 Durchflussöffnung
69 Raum
I Pfeil
II Pfeil
III Pfeil
IV Pfeil

Claims

1. Expansionsventil mit elektronischer Regelung, insbesondere für mit CO₂ als Kältemittel betriebene Fahrzeugklimaanlagen, mit einem Ventilgehäuse (1) mit einer Zuflussöffnung (2) und einer Abflussöffnung (3), einer elektrisch betätigten Einrichtung zum Verschieben eines Ventilglieds (5), insbesondere in Öffnungsrichtung, in Bezug auf einen zwischen Zuflussöffnung (2) und Abflussöffnung (3) angeordneten, eine Durchflussöffnung für das Kältemittel aufweisenden Ventilsitz (11) und einer in Gegenrichtung wirkenden Rückstelleinrichtung, insbesondere Rückstellfeder (19), dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu der von Ventilglied (5) und Ventilsitz (11) gebildeten ersten Drosselstelle (13) mindestens eine weitere, mit der ersten Drosselstelle (13) in Reihe angeordnete Drosselstelle (14) zwischen der Zuflussöffnung (2) und der Abflussöffnung (3) des Expansionsventils vorgesehen ist, deren Durchtrittsquerschnitt gekoppelt mit dem Durchtrittsquerschnitt der ersten Drosselstelle (13) verstellbar ist.

2. Expansionsventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil als servogeregeltes Ventil ausgebildet ist, mit einer die erste Drosselstelle (13) überbrückenden Massenstromführung (23, 25) mit gegenüber dem Hauptmassenstrom verringerten Durchfluss und einem in diesem Parallelzweig angeordneten Regelventil (24).

3. Expansionsventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplung der Querschnittsverstellung der Drosselstellen (13, 14) als mechanische Kopplung ausgebildet ist.

4. Expansionsventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungsquerschnitt der Drosselstellen (13, 14) stets ungefähr gleich groß ist.

5. Expansionsventil nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Drosselstelle (14) bei vollständig geschlossener erster Drosselstelle (13) eine Voröffnung aufweist.

6. Expansionsventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der Voröffnung einstellbar ist.

7. Expansionsventil nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein gemeinsames Ventilglied (5) für die beiden Drosselstellen (13, 14) vorgesehen ist, insbesondere ein in einem Zylinder (4) verschiebbar geführter Kolben (5).

8. Expansionsventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stirnfläche (12) oder ein Nadelfortsatz (30) des Kolbens (5) auf die im Boden (9) des Zylinders vorgesehene Durchflussöffnung der ersten Drosselstelle (13) und die Mantelfläche (15) des Kolbens (5) auf die in der Mantelfläche (7) des Zylinders vorgesehene Durchflussöffnung (16) der zweiten Drosselstelle wirkt, wobei die Durchflussöffnung (16) in der Zylindermantelfläche (7) bevorzugt durch mindestens zwei über den Umfang des Zylinders (4) verteilt angeordnete Bohrungen gleichen Durchmessers gebildet ist, die über einen Ringraum (26) miteinander verbunden sind.

9. Expansionsventil nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der auf der Seite der ersten Drosselstelle (13) gelegene untere Kolbenraum (17) mit dem gegenüberliegenden oberen Kolbenraum (18) über eine Drossel (21) verbunden ist, und dass der im übrigen abgedichtete obere Kolbenraum (18) mit einem Regelventil (24) in Strömungsverbindung steht.

10. Expansionsventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die die beiden Kolbenräume (17, 18) verbindende Drossel durch eine den Kolben (5) durchsetzende Drosselbohrung (21) gebildet ist.

11. Expansionsventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die die beiden Kolbenräume (17, 18) verbindende Drossel durch eine geeignete Querschnittsdifferenz zwischen Außenumfang des Kolbens (5) und Innenumfang des Zylinders (4) gebildet ist.

12. Expansionsventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplung der Querschnittsverstellung der Drosselstellen (45, 52) als fluidische Kopplung ausgebildet ist, insbesondere durch Ausbildung des Expansionsventils in Art eines Stromregelventils.

13. Expansionsventil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Drosselstelle (14) durch einen in einem entsprechenden Zylinder (34) angeordneten Doppelkolben (35) gebildet ist, dessen einer äußerer Kolbenraum (56) mit der Niederdruckseite der ersten Drosselstelle (45), dessen anderer äußerer Kolbenraum (55) mit der Hochdruckseite der ersten Drosselstelle (45) und dessen mittlerer Kolbenraum (57, 60) einerseits mit einer Seite der ersten Drosselstelle (45) und andererseits mit der Zu- oder der Abflussöffnung (32) des Ventilgehäuses (1) verbunden ist, wobei zwischen der Verbindung des mittleren Kolbenraums (57, 60) mit der einen Seite der ersten Drosselstelle (45) und der Verbindung des mittleren Kolbenraums (57, 60) mit der Zu- oder der Abflussöffnung (32) des Ventilgehäuses (1) die zweite Drosselstelle (52) vorgesehen ist, und wobei eine im Sinne einer Vergrößerung des mit der Niederdruckseite der ersten Drosselstelle (45) verbundenen äußeren Kolbenraums (56) zwischen Doppelkolben (35) und Zylinder (34) wirkende Feder (62) vorgesehen ist.

14. Expansionsventil nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Doppelkolben (35) als Hohlkolben ausgebildet und auf einem in dem Zylinder (34) fest angeordneten Rohr (46) verschiebbar angeordnet ist, welches in seinem Mantel mindestens eine Durchtrittsöffnung (48) aufweist, die mit mindestens einer im Bereich zwischen den beiden Kolbenteilen (50, 52) angeordneten Durchtrittsöffnung (49) in der Wand des Doppelkolbens (35) die zweite Drosselstelle (57) bildet.

15. Expansionsventil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Kolbenteil (51) auf seiner dem anderen Kolbenteil (50) abgewandten Seite einen Abschnitt (58) mit verringertem Außenumfang aufweist und dass das Rohrstück (46) mit dem auf der Seite dieses Abschnitts (58) gelegenen Zylinderboden (39) dichtend verbunden ist, wobei dieser Zylinderboden (39) in dem vom Rohrstück (46) umfassten Bereich eine Durchflussöffnung (40) aufweist, die mit einem von der Außenseite des Zylinderbodens angreifenden Ventilglied (42) die erste Drosselstelle (45) bildet.

16. Expansionsventil nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der den Abschnitt (58) mit verringertem Außenumfang des zweiten Kolbenteils (51) umgebende äußere Kolbenraum (56) mit der Außenseite der ersten Drosselstelle (45) und der zwischen dem ersten Kolbenteil (50) und dem Zylinder (34) gebildete äußere Kolbenraum (55) mit dem Inneren (60) des Rohres (46) in Verbindung steht.

17. Expansionsventil nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Einrichtung zum Verschieben des Ventilglieds (42) der ersten Drosselstelle (45) oder des Regelventils (24) ein Elektromagnet (44) vorgesehen ist.

18. Expansionsventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsrichtung durch das Ventil derart gewählt ist, dass der Strömungsdruck in Schließrichtung auf das Ventilglied der ersten Drosselstelle wirkt.