[0001] Die Erfindung betrifft ein Differenzdruckventil (Delta-P-Ventil), insbesondere für
ein Expansionsorgan einer Kraftfahrzeugklimaanlage, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
[0002] In Fig. 5 ist ein bekanntes Differenzdruckventil 101 als Prinzipskizze dargestellt.
Hierbei wird der Durchfluss von Kältemittel durch eine Drosselstelle 102 mit Hilfe
eines Ventilstifts 103 mit einem konischen Kopf 104 in Verbindung mit einer in der
Zeichnung schematisch angedeuteten Feder 105 geregelt. Die Drücke in den durch die
Drosselstelle 102 getrennten Räumen oder Strömungskanälen sind durch HD (Hochdruckseite)
und SD (Saugdruckseite) bezeichnet, wobei die normale Strömungsrichtung von der Hochdruckseite
HD zur Saugdruckseite SD verläuft. Der Kopf 104 ist hierbei saugdruckseitig angeordnet
und der Schaft des Ventilstifts 103 durchdringt die Drosselöffnung. Die Feder 105
ist hochdruckseitig angeordnet.
[0003] Nachteilig bei diesem bekannten Differenzdruckventil ist, dass ein nahezu linearer
Zusammenhang zwischen dem freien Strömungsquerschnitt und der anliegenden Druckdifferenz
besteht, welcher nicht in allen Anwendungsfällen erwünscht ist.
[0004] Aus der Patentschrift
US 4,375,753 ist ein thermisch strombetätigtes Expansionsorgan bekannt, in welchem eine Ventilnadel
mit Hilfe einer thermisch bedingten Verformung von Bimetallscheiben, die elektrisch
beheizbar sind, betätigbar ist. Ein derartiges Ventil ist relativ kompliziert aufgebaut
und lässt auch in Hinblick auf die Durchflusskennlinie noch Wünsche offen.
[0005] Es ist Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Differenzdruckventil zur Verfügung
zu stellen.
[0006] Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Differenzdruckventil mit den Merkmalen des Anspruchs
1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unter ansprüche.
[0007] Erfindungsgemäß ist ein Differenzdruckventil vorgesehen, insbesondere für ein Expansionsorgan
einer Kraftfahrzeugklimaanlage, zur Regelung eines Durchflusses eines Fluids in Abhängigkeit
einer Druckdifferenz, die zwischen der Hochdruckseite und der Saugdruckseite des Differenzdruckventils
anliegt, wobei das Differenzdruckventil ein Drosselelement, das den Durchfluss durch
eine Drosselstelle regelt, aufweist, und wobei das Drosselelement durch mindestens
einen Materialstreifen gebildet ist, der in einem Kanal angeordnet ist. Hierbei ist
der Materialstreifen bevorzugt elastisch verformbar, wobei er sich in Abhängigkeit
der Druckdifferenz verbiegen kann, so dass bei keiner oder geringer Druckdifferenz
der Kanal durch den Materialstreifen verschlossen ist, während der Kanal bei ansteigender
Druckdifferenz immer weiter freigegeben wird.
[0008] Bevorzugt besteht der Materialstreifen zumindest teilweise aus einem Metallblech
und/oder einem Bimetall, so dass insbesondere in letzterem Fall die Öffnungs- und
Schließcharakteristik des Differenzdruckventils auch eine temperaturabhängige Komponente
aufweist. In diesem Zusammenhang ist der Begriff "Bimetall" nicht auf eine Kombination
zweier metallischer Materialien mit unterschiedlichem thermischen Ausdehnungskoeffizienten
beschränkt. Vielmehr kann es sich bei dem verwendeten Material/den verwendeten Materialien
beispielsweise um Kunststoffe oder auch um Formgedächtnismaterialien handeln.
[0009] Das erfindungsgemäße Differenzdruckventil ermöglicht durch die flexible Gestaltbarkeit
der Materialstreifen, insbesondere in Hinblick auf Abmessungen, d.h. insbesondere
der freien Länge im Kanal, Biegesteifigkeit und Bimetailcharakteristik, bei hohen
Druckdifferenzen auf Grund des überproportional großen Strömungsquerschnitts auch
eine größere Kälteleistung, so dass eine Kennlinie möglich ist, die (nahezu) vollständig
im Bereich optimaler Betriebspunkte (COP = Coefficient of performance) verläuft. Dabei
kann das Differenzdruckventil kostengünstiger sein als herkömmliche Differenzdruckventile.
[0010] Der Materialstreifen ist bevorzugt mit seinem einen Ende fest an einer Kanalwand
angebracht, während das andere, freie Ende in den Kanal ragt und bei der Druckdifferenz,
die ein vollständiges Öffnen des Differenzdruckvenfiils bewirkt, also bei maximalem
Fluidstrom, in Richtung Kanalwand gebogen wird, an der das freie Ende oder ein größerer
Bereich des Materialstreifens gegebenenfalls dann auch anliegen kann.
[0011] Der Kanal ist vorzugsweise zumindest im Bereich, in welchem der Materialstreifen
angeordnet ist, mit einem rechteckförmigen Querschnitt ausgebildet.
[0012] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind zwei Materialstreifen vorgesehen, die
an einander gegenüberliegenden Kanalwänden angebracht sind, wobei sie im geschlossen
Zustand mit ihren freien Enden aneinander anliegen. Diese Ausgestaltung ermöglicht
eine Verkürzung des Bauraums im Vergleich zu der Ausführungsform mit nur einem Materialstreifen,
die jedoch gegebenenfalls kostengünstiger herstellbar ist. Möglich ist es selbstverständlich
nicht nur, dass die Enden der beiden Materialstreifen im Ruhezustand dichtend bzw.
im Wesentlichen dichtend aneinander anliegen, sondern auch, dass im Ruhezustand ein
geringer Restdurchlassquerschnitt zwischen den beiden Enden der Materialstreifen verbleibt.
[0013] Das freie Ende liegt im geschlossen Zustand des Differenzdruckventils bevorzugt unter
Vorspannung an der gegenüberliegenden Kanalwand oder an einem entsprechenden freien
Ende eines zweiten Materialstreifens an, so dass ein gewisser Differenzdruck vorhanden
sein muss, um das Differenzdruckventil zu öffnen. Eine leichte Vorspannung reicht
jedoch aus, um ein sicheres Schließen zu ermöglichen und damit ein Rückströmen von
Fluid bei ungünstigen Druckverhältnissen zu verhindern. Es ist jedoch auch keinerlei
Vorspannung denkbar, bzw. ist auch ein verbleibender Restdurchlassquerschnitt im Ruhezustand
denkbar.
[0014] Der Materialstreifen ist so im Kanal angebracht, dass das freie Ende desselben in
Richtung Saugdruckseite ragt, so dass bei einer Rückströmung das Ventil automatisch
schließt, im ganz oder teilweise geöffneten Zustand jedoch der Strömungswiderstand
relativ gering ist.
[0015] Die flexible gesamte Materialstreifenlänge, d.h. bei zwei Materialstreifen die Summe
der einzelnen Materialstreifenlängen, ist bevorzugt mindestens zweimal so groß wie
die Kanalbreite. Diese Längenverhältnisse ermöglichen eine gute Funktion und ein sicheres
Schließen des Differenzdruckventils.
[0016] Der Drosselquerschnitt ist bevorzugt bei großen Druckdifferenzen überproportional
größer als bei kleinen Druckdifferenzen, so dass bei maximalem Leistungsbedarf auch
ausreichend viel Fluid das Differenzdruckventil durchströmen kann.
[0017] Derartige Differenzdruckventile können beispielsweise als Expansionsorgan bei Kraftfahrzeug-Klimaanlagen
verwendet werden. Ebenfalls ist eine Verwendung bei Wärmepumpen möglich, die nur in
einer Richtung durchströmt werden sollen, wobei hier die in die Ventilfunktion integrierte
Bimetallcharakteristik besondere Vorteile bietet.
[0018] Im Folgenden wird die Erfindung anhand zweier Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme
auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigen:
- Fig. 1
- eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Differenzdruckventils gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel in geschlossener Stellung,
- Fig. 2
- das Differenzdruckventil von Fig. 1 in geöffneter Stellung,
- Fig. 3
- eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Differenzdruckventils gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel in geschlossener Stellung,
- Fig. 4
- das Differenzdruckventil von Fig. 3 in geöffneter Stellung, und
- Fig. 5
- eine Prinzipskizze eines herkömmlichen Differenzdruckventüs.
[0019] Ein als Expansionsorgan in einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage dienendes Differenzdruckventil
1 weist zur Regelung des Kältemitteldurchflusses (Kältemittel vorliegend R744) eine
Drosselstelle 2 mit einem Drosselelement 3 auf, wobei die Drosselstelle 2 durch einen
Kanal 4 mit rechteckförmigem Querschnitt und zwei an gegenüberliegenden Kanalwänden
mit ihrem einen Ende 5a angebrachte Blechstreifen 6 gebildet ist. Bei den Blechstreifen
6 handelt es sich vorliegend um Bimetall-Blechstreifen. Hierbei sind die Blechstreifen
6 derart an der Kanalwand angebracht, dass sie bei Temperaturen des Kältemittels,
bei denen normalerweise das Differenzdruckventil 1 geschlossen ist, unter Vorspannung
mit dem anderen, freien Ende 5b aneinander anliegen und den Kanal 4 dicht verschließen.
Bei höheren Temperaturen, die üblicherweise mit größeren Druckdifferenzen in Folge
eines größeren Kältemitteldurchsatzes verbunden sind, nehmen die Blechstreifen 6 in
Folge ihrer Bimetallcharakteristik eine Form ein, die zumindest den mittleren Bereich
des Kanals 4 freigibt. Unterstützt wird die Öffnungscharakteristik noch durch die
anliegende Druckdifferenz zwischen Hochdruckseite HD und Saugdruckseite SD. Es ist
jedoch auch denkbar, dass die Bimetallcharakteristik bei hohen Temperaturen eine verschließende
Wirkung aufweist.
[0020] Steigt bei Betrieb die Druckdifferenz zwischen Saugdruckseite SD und Hochdruckseite
HD, so verbiegen sich die Blechstreifen 6 elastisch, wobei bei einem Temperaturanstieg
zusätzlich eine Verformung der Blechstreifen 6 in Folge der Bimetallcharakteristik
erfolgt, und die Drosselstelle 2 öffnet sich allmählich. Mit weiter steigender Druckdifferenz
und damit verbundenem vergrößerten Fluidmassenstrom wird die Drosselöffnung weiter
freigegeben, so dass sich ein nicht linearer Zusammenhang zwischen der Druckdifferenz
und dem freigegebenen Strömungsquerschnitt, welcher in Zusammenhang mit der Durchflussmenge
steht, ergibt.
[0021] Gemäß dem in Fig. 3 und 4 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel ist nur ein Bimetall-Blechstreifen
6 vorgesehen, welcher mit seinem einen Ende 5a an einer Kanalwand angebracht ist und
mit dem anderen, freien Ende 5b im geschlossen Zustand an der gegenüberliegenden Kanalwand
anliegt. Irn geöffneten Zustand gibt der Blechstreifen 6 den Kanal 4 in Abhängigkeit
der Temperatur und des Differenzdrucks zwischen Hochdruckseite HD und Saugdruckseite
SD frei. Die Funktion entspricht somit im Wesentlichen der des ersten Ausführungsbeispiels.
[0022] Gemäß einer Variante können, wenn auf die Temperaturabhängigkeit verzichtet werden
kann, auch Blechstreifen aus anderen Materialien verwendet werden, die keine Bimetallcharakteristik
aufweisen. Dies trifft natürlich auch auf das erste Ausführungsbeispiel zu.
1. Differenzdruckventil, insbesondere für ein Expansionsorgan einer Kraftfahrzeugklimaanlage,
zur Regelung eines Durchflusses eines Fluids in Abhängigkeit einer Druckdifferenz,
die zwischen der Hochdruckseite (hiD) und der Saugdruckseite (SD) des Differenzdruckventils
(1) anliegt, wobei das Differenzdruckventil (1) ein Drosselelement (3), das den Durchfluss
durch eine Drosselstelle (2) regelt, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Drosselelement (3) durch mindestens einen Materialstreifen (6) gebildet ist,
der in einem Kanal (4) angeordnet ist.
2. Differenzdruckventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialstreifen (6) zumindest teilweise aus einem Metallblech und/oder einem
Bimetall besteht.
3. Differenzdruckventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialstreifen (6) mit seinem einen Ende (5a) fest an einer Kanalwand angebracht
ist.
4. Differenzdruckventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (4) zumindest im Bereich, in welchem der Materialstreifen (6) angeordnet
ist, einen rechteckförmigen Querschnitt aufweist.
5. Differenzdruckventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Materialstreifen (6) vorgesehen sind, die an gegenüberliegenden Kanalwänden
angebracht sind, wobei sie im geschlossen Zustand mit ihren freien Enden (5b) aneinander
anliegen.
6. Differenzdruckventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das freie Ende (5b) im geschlossen Zustand des Differenzdruckventils (1) unter Vorspannung
an der gegenüberliegenden Kanalwand oder an einem entsprechenden freien Ende (5b)
eines zweiten Materialstreifens (6) anliegt.
7. Differenzdruckventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das freie Ende (5b) des Materialstreifens (6) in Richtung Saugdruckseite (SD) ragt.
8. Differenzdruckventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die flexible gesamte Materialstreifenlänge mindestens zweimal so groß wie die Kanalbreite
ist.
9. Differenzdruckventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der effektive Drosselquerschnitt bei großen Druckdifferenzen überproportional größer
als bei kleinen Druckdifferenzen ist.
10. Verwendung eines Differenzdruckventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche als
Expansionsorgan einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage.