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Die Erfindung betrifft ein bidirektionales elektronisches Expansionsorgan für den Einsatz in Kältemittelkreisläufen, insbesondere bei Kraftfahrzeugklimaanlagen mit einer integrierten Wärmepumpenfunktion.
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Um eine Wärmepumpenfunktion in Kältemittelkreisläufen von Kraftfahrzeugklimaanlagen zu integrieren, wird beispielsweise die Strömungsrichtung des Kältemittels im Kreislauf gewechselt und der Wärmeübertrager im Luftströmungspfad des Kältemittelkreislaufes dient als Kondensator und erwärmt die der Fahrzeugkabine zuzuführende Luft.
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Da herkömmliche Expansionsventile konstruktiv auf den Einbau in einer Strömungsrichtung des Kältemittels ausgerichtet und optimiert sind, ergeben sich beim Strömungsrichtungswechsel Probleme.
Somit wird beispielsweise eine parallele Leitungsführung mit parallel angeordnetem zusätzlichen Expansionsorgan vorgesehen, um je nach Durchflussrichtung die bestimmungsgemäße Funktion der Expansionsorgange sicherzustellen. Nachteilig dabei ist der zusätzliche apparative und regelungstechnische Aufwand für das Betreiben einer parallelen Leitungsführung.
Eine weitere alternative Realisierung der Strömungsrichtungsumkehr des Kältemittels im Kreislauf nach dem Stand der Technik erfolgt unter teilweiser Behebung der vorgenannten Probleme dadurch, dass eine Reihenschaltung von zwei separaten, aber entgegengesetzt angeordneten, Expansionsventilen vorgesehen wird.
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In der
EP 3 009 773 A1 und der
EP 1 674 807 A2 werden Klimaanlagen mit einem Kältemittelkreislauf, einem Kompressor und Expansionsventilen beschrieben.
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Nachteilig an den bekannten Strategien der Behebung dieser Probleme nach dem Stand der Technik ist, dass zusätzlicher apparativer und steuerungstechnischer Aufwand erforderlich ist, um die Wärmepumpenfunktionalität durch Strömungsrichtungswechsel des Kältemittels in Kraftfahrzeugklimaanlagen zu realisieren.
Die Verwendung von separaten und voneinander unabhängigen Expansionsventilen erfordern separate Steuerungen mit Treiberstufen sowie jeweils eine geeignete elektrische Zuleitung mit entsprechenden Steckverbindungen. Darüber hinaus entsteht ein erhöhter Montageaufwand und die zusätzlichen Komponenten führen zu einem höheren Bauraumbedarf und zu einer Erhöhung des Gesamtgewichtes und erhöhen damit insgesamt die Kosten für die Klimaanlage.
Die Verwendung zusätzlicher Komponenten in Form von zusätzlichen in Reihe oder parallel geschalteten Expansionsventilen erhöhen zudem auch nachteilig die Leckagemöglichkeiten beziehungsweise das Leckagerisiko durch das Bauteil selbst und durch dessen Einbindung in den Kreislauf mit zusätzlichen Verbindungsstellen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, ein Expansionsorgan zur Verfügung zu stellen, welches gegenüber den im Stand der Technik bekannten Komponenten mit reduziertem Montageaufwand und geringerem Bauraumbedarf auskommt und dabei die Funktionalität der Strömungsrichtungsumkehr des Kältemittels im Kreislauf bietet.
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Die Aufgabe wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Insbesondere wird die Aufgabe durch ein bidirektionales elektronisches Expansionsorgan gelöst, welches konzeptionsgemäß zwei Expansionsventile in einem Bauteil vereint. Die Expansionsventile besitzen jeweils einen Ventilsitz und ein korrespondierendes Verschlussteil sowie einen jeweiligen Stellantrieb zur Bewegung des Verschlussteils relativ zum Ventilsitz. Die beiden Expansionsventile werden vom Kältemittel nacheinander durchströmt und sind in Reihe geschaltet. Bidirektional durchströmbar bedeutet im Sinne der Erfindung, dass die Komponente Expansionsorgan in beide Richtungen bei voller Funktionalität durchströmbar ausgebildet ist. Für das bidirektional durchströmbare elektronische Expansionsorgan ist eine gemeinsame Steuereinheit für die beiden das Expansionsorgan bildenden Expansionsventile vorgesehen, wobei die Steuereinheit beide Expansionsventile unabhängig voneinander steuern kann.
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Vorteilhaft sind die beiden Expansionsventile in entgegengesetzter Durchströmungsrichtung zueinander angeordnet, sodass jedes Expansionsventil in eine Durchströmungsrichtung optimal durchströmt wird. Dabei ist in Durchströmungsrichtung das erste Expansionsventil jeweils in optimaler Ausrichtung angeordnet.
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Bevorzugt sind die Stellantriebe der Expansionsventile aus einem Schrittmotor und einer davon angetriebenen Stellspindel ausgebildet.
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Besonders vorteilhaft werden die Stellspindeln der Expansionsventile in einem versetzten Winkel zueinander und mit versetzten Achsen zueinander angeordnet und von einem gemeinsamen Gehäuse umgeben. Das gemeinsame Gehäuse, bevorzugt als rohrförmiges Gehäuse ausgeführt, gibt die sequenzielle Durchströmung der Expansionsventile durch seine konstruktive Ausgestaltung vor.
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Bevorzugt wird das in Durchströmungsrichtung erste Expansionsventil mittels der Steuereinheit die Expansion des durchströmenden Fluids bewirkend angesteuert und das entsprechende Verschlusselement entsprechend positioniert. Somit wird in Durchströmungsrichtung das Kältemittel bereits im ersten Expansionsventil des Expansionsorgans entspannt. Das zweite Expansionsventil in Durchströmungsrichtung ergänzt das erste Expansionsventil beispielsweise beim vollständigen Absperren der Fluidpassage zur Erhöhung der Dichtheitsfunktion des Expansionsorgans als Absperrorgan mit doppeltem Verschlusselement. Vorteilhaft wird somit das Expansionsorgan derart angesteuert, dass in geschlossenem Zustand des Expansionsorgans beide Expansionsventile geschlossen sind und somit eine besonders sichere, weil doppelte, Verschlussfunktion durch zwei in Reihe geschaltete Expansionsventile gewährleistet ist.
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Nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuereinheit des Expansionsorgans derart ausgebildet, dass eine Kompensation des Getriebespieles der bei der Expansion wirksamen Stellspindel des wirksamen Expansionsventils durch die Regelung der anderen Stellspindel erfolgt. Auf diese Weise kann in besonders vorteilhafter und einfacher Ausgestaltung allein steuerungs- beziehungsweise regelungstechnisch und ohne weiteren apparativen Aufwand ein allgemeines oder sogar individuelles Getriebespiel sowie gegebenenfalls auch weitere mechanische oder elektrische Fehlergrößen bei der Expansion durch die Steuerung des nachgeschalteten Expansionsventils ausgeglichen werden.
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Die Steuereinheit des Expansionsorgans wird vorteilhaft über eine BUS-Anbindung in die Steuerung eines Kältemittelkreislaufes mit einer Kälteanlagen- und Wärmepumpenfunktion eingebunden, sodass eine wechselseitige Durchströmung des Expansionsorgans funktionsgemäß je nach Betriebsmodus erfolgt.
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Bevorzugt ist der Stellantrieb der Expansionsventile als Schrittmotor mit einer Spule ausgebildet.
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Bevorzugt erfolgt die Verwendung eines Expansionsorgans in einer Kraftfahrzeugklimaanlage, welche insbesondere für die Nutzung einer Wärmepumpenfunktion durch eine Strömungsrichtungsumkehr des Kältemittels im Kältemittelkreislauf charakterisiert ist.
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Das bidirektionale elektronische Expansionsorgan vereint somit alle geforderten Funktionen für eine Durchströmung von Kältemitteln mit wechselnder Strömungsrichtung. Konzeptionsgemäß sind zwei Ventile in einer speziellen Anordnung der Stellantriebe in einem gemeinsamen Ventilgehäuse angeordnet und mit einer integrierten Elektronik ausgestattet. Dabei sind die Hardware und die Software für die Steuerung in eine Komponente integriert.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung sind zwei separate elektromotorische Antriebe mit jeweils einer Spindel vorgesehen, welche in bekannter Weise die Verschlussteile, beziehungsweise die Ventilköpfe, in Wechselwirkung mit dem und relativ zum Ventilsitz bewegen, um die Expansion des Kältemittels in bekannter Weise zu bewirken.
Die einzelnen Expansionsventile dienen zusätzlich auch zum dichten Schließen des Ventils. Besonders vorteilhaft ist herauszustellen, dass mit dem bidirektionalen elektronischen Expansionsorgan ein sicheres und dichtes Schließen des Kreislaufes in beiden Durchflussrichtungen realisierbar ist. Weiterhin vorteilhaft ist, dass eine Optimierung der Expansion des Kältemittels durch die Kompensation von Fehlern, wie insbesondere unterschiedlicher Getriebespindelspiele der in Reihe geschalteten Expansionsorgane, möglich ist. Steuerungstechnisch besonders vorteilhaft ist die Integration der Elektronik mit einer BUS-Anbindung an das Steuerungssystem der Klimaanlage und bei einer Anwendung des Expansionsorgans im Kraftfahrzeug letztlich der Anbindung an das Fahrzeugsteuerungssystem.
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Die Vorteile der Lösung bestehen in einem verminderten Bauraumbedarf für die Komponente des Expansionsorgans durch die Integration von zwei Expansionsventilen als Unterkomponenten in einer übergeordneten Komponente des Expansionsorgans, was insgesamt zu einer Komponente mit reduziertem Gewicht führt, die zudem einfacher zu montieren ist.
Weiterhin wird die Gefahr der Leckage durch die Integration von zwei Unterkomponenten in einem Gehäuse, welches nach außen dicht ist, minimiert. Zusätzlich von Vorteil ist der EMV-optimierte Betrieb durch die Integration der Ansteuerung der Ventile direkt und zentral in das Expansionsorgan.
Insgesamt entstehen somit auch erhebliche Kostenvorteile.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
- 1: Prinzipdarstellung eines bidirektionalen elektronischen Expansionsorgans im Querschnitt,
- 2a: Seitenansicht eines bidirektionalen Expansionsorgans und
- 2b: perspektivische Ansicht eines bidirektionalen elektronischen Expansionsorgans.
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In 1 ist ein bidirektionales elektronisches Expansionsorgan 1 prinziphaft in einer Schnittdarstellung gezeigt. Das Expansionsorgan 1 als Komponente des Kältemittelkreislaufes besteht im Wesentlichen aus zwei Expansionsventilen als Unterkomponenten, einem ersten Expansionsventil mit einem ersten Schrittmotor 2 und einer ersten Spule 3 sowie einem zweiten Expansionsventil mit einem zweiten Schrittmotor 4 und einer zweiten Spule 5. Die Schrittmotoren 2 und 4 mit den zugehörigen Spulen 3 und 5 werden über eine gemeinsame Steuereinheit 6 gesteuert. Die beiden Expansionsventile sind über die Steuerung getrennt, aber auch gemeinsam ansteuerbar, ausgebildet. Dies ist von besonderem Vorteil, da alle durch die Kombination der Einzelfunktionen erreichbaren Funktionen sich durch die relativ unaufwändige Programmierung der Steuerung erreichen lassen. Die Expansionsventile selbst sind in bekannter Weise mit Stellantrieb, Verschlussteil und Ventilsitz ausgebildet. Das erste und das zweite Expansionsventil besitzen jeweils als Stellantriebe eine erste Stellspindel 7 und eine zweite Stellspindel 8, welche endseitig ein erstes Verschlussteil 12 und ein zweites Verschlussteil 14 bewegen und dieses in dem zugehörigen ersten Ventilsitz 11 und dem zugehörigen zweiten Ventilsitz 13 positionieren können, um letztlich die Expansionsfunktion oder auch die Verschlussfunktion durch entsprechende Positionierung zu realisieren.
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Der vom Kältemittel durchströmte Bereich des Expansionsorgans 1 wird gebildet durch zwei Rohre, einem ersten Rohr 9 und einem zweiten Rohr 10, welche im rechten Winkel zueinander und in der Achse versetzt zueinander angeordnet sind. Am Kreuzungspunkt der Rohre 9 und 10 ist ein Verbindungsbereich 15 ausgebildet, über welchen das Kältemittel aus dem ersten Rohr 9 in das zweite Rohr 10 und umgekehrt, je nach Durchströmungsrichtung, strömen kann. Der Verbindungsbereich 15 ist geometrisch als Durchdringungsbereich der Zylinder von Rohr 9 und Rohr 10 ausgeführt.
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In 2a ist das bidirektionale elektronische Expansionsorgan 1 in einer Seitenansicht dargestellt, in welcher die Schrittmotoren 2 und 4 der Expansionsventile mit der gemeinsamen Steuereinheit 6 sowie die im rechten Winkel angeordneten Rohre 9 und 10 dargestellt sind. Im Inneren der Rohre 9 und 10, welche sich im verdeckten Verbindungsbereich überschneiden und miteinander verbunden sind, sind in der Rohrachse die entsprechenden Stellspindeln mit den Verschlussteilen sowie korrespondierend die Ventilsitze der beiden Expansionsventile angeordnet.
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In 2b ist eine perspektivische Ansicht des bidirektionalen elektronischen Expansionsorgans gemäß 2a gezeigt. In dieser Darstellung wird die räumliche Anordnung der im rechten Winkel zueinander positionierten Rohre 9 und 10, welche axial zueinander versetzt angeordnet sind, besonders anschaulich gezeigt. Besonders vorteilhaft und in der Darstellung hervorgehoben ist die Positionierung der gemeinsamen Steuereinheit 6 für beide Schrittmotoren 2 und 4 der jeweiligen Expansionsventile.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bidirektionales elektronisches Expansionsorgan
- 2
- Erster Schrittmotor
- 3
- Erste Spule
- 4
- Zweiter Schrittmotor
- 5
- Zweite Spule
- 6
- Steuereinheit
- 7
- Erste Stellspindel
- 8
- Zweite Stellspindel
- 9
- Erstes Rohr
- 10
- Zweites Rohr
- 11
- Erster Ventilsitz
- 12
- Erstes Verschlussteil
- 13
- Zweiter Ventilsitz
- 14
- Zweites Verschlussteil
- 15
- Verbindungsbereich
