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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Mehrwegeventil, insbesondere für ein Fahrzeug-Heiz/Kühl-System. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Mehrwegeventils und ein Fahrzeug-Heiz/Kühl-System umfassend ein erfindungsgemäßes Mehrwegeventil.
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Aus der
US2010307190A ist ein Verteilerventil bekannt, dass einen Kältemittelstrom auf mehrere Verdampfer aufteilt (inkl. Expansion), um die Kälteleistung und den ordnungsgemäßen Betrieb der Verdampfer zu steuern. Dabei hat sich als nachteilig herausgestellt, dass dem genannten Verteilerventil die Möglichkeit fehlt einzelne Verdampferstrecken ganz abzuschalten. Durch die Rotation werden immer alle Ausgänge des Verteilers in derselben Reihenfolge durchlaufen und geöffnet, auch wenn dort gerade kein Kältemittelmassenstrom benötigt wird. Weiterhin besteht dieses Produkt aus einer Vielzahl einzelner Absperrventile die mit einem Nocken einzeln für eine bestimmte Zeit geöffnet werden.
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Nach
DE102015003546A1 ist eine Klimatisierungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug bekannt, bei der eine Kälteanlage mit zwei Verdampfern eingesetzt wird, um unabhängig voneinander die Fahrzeugkabine und eine Batterie kühlen zu können. Dabei benötigt die Klimatisierungseinrichtung für den unabhängigen Betrieb von zwei Verdampfern (Kabine + Batterie) zwei separate Expansionseinrichtungen/-ventile. Wird einer der Verdampfer vollständig abgeschaltet, so kann sich zwischen Verzweigung des Kältekreises und Eingang zum geschlossenen Ventil unerwünschter Weise Kältemittel (+ÖI) ansammeln. Entsprechend kann das Ventil nicht mehr am Prozess teilnehmen und muss durch eine höhere Füllmenge im Kältekreis kompensiert werden, was mit Kosten verbunden ist.
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Aus der
US2015226340A ist ein Kugelventil bekannt, das die Kältemittelzufuhr (Expansion) zu einem Verdampfer durch Verdrehung der Kugel steuert. Dabei kann das Kugelventil jeweils nur die Expansion eines einzigen Verdampfers oder einer Verdampferstrecke steuern. Für den Betrieb mehrerer Verdampfer müssen mehrere Ventile eingesetzt werden, was wiederum mit zusätzlichen Kosten verbunden ist).
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Und ferner ist aus der
WO 2004072566 A1 ein Expansionsorgan bekannt, dass die Expansion eines Fluides nur zu einem Ausgang steuern. Für den Betrieb mit mehreren Verbrauchern müssen mehrere Ventile eingesetzt werden, was ebenfalls mit zusätzlichen Kosten verbunden ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die oben genannten Nachteile zu verbessern und ein multifunktionales Ventil zu offenbaren, das den Massenstrom eines Fluides in mehrere Richtungen verteilen und oder expandieren kann. gleichzeitig jedoch mechanisch stabil aufgebaut und kostengünstig herzustellen ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch ein Mehrwegeventil, insbesondere für ein Fahrzeug-Heiz/Kühl-System nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Varianten und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Die Erfindung umfasst ein Mehrwegeventil, insbesondere für ein Fahrzeug-Heiz/Kühl-System, zur Verteilung und/oder Expandierung eines Massenstroms eines Fluides entlang zumindest zweier Fluidpfade. Das Mehrwegeventil umfasst einen Ventilkörper mit einer Ventilkammer, wobei die Ventilkammer einen Einlass zur Verbindung des Ventilkörpers mit dem anströmenden Fluid sowie zumindest eine erste Ventilöffnung und eine zweite Ventilöffnung aufweist. Die zumindest eine erste Ventilöffnung und eine zweite Ventilöffnung dienen der Beschickung zumindest eines mit der ersten Ventilöffnung korrespondierenden ersten Fluidpfades und eines mit der zweiten Ventilöffnung korrespondierenden zweiten Fluidpfades mit Fluid. Ferner weist das Mehrwegeventil ein innerhalb der Ventilkammer verstellbar angeordnetes Ventilelement und einen Aktuator zur Verstellung des Ventilelements innerhalb der Ventilkammer. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Ventilelement ein in stetiger Strömungsverbindung mit dem Einlass stehendes Kanalelement aufweist. Dabei ist das Kanalelement derart ausgebildet, dass durch eine Verstellung des Ventilelements innerhalb der Ventilkammer wahlweise eine partielle oder keine Kommunikation zwischen dem Kanalelement und der zumindest einen ersten Ventilöffnung und der zweiten Ventilöffnung hergestellt werden kann. Auf diese Weise kann ein Massenstrom des Fluids vom Einlass über das Kanalelement des Ventilelements zu der ersten Ventilöffnung und/oder zu der zweiten Ventilöffnung oder zu keiner der Ventilöffnungen geleitet werden.
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Vorteilhafterweise ist die Ventilkammer zylindrisch und das Ventilelement im wesentlichen ebenfalls zylindrisch, wobei das Ventilelement entlang einer Längsachse L der Ventilkammer verschiebbar ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Ventilelement ein Hohlzylinder, wobei das Kanalelement einen Hohlraum des hohlzylindrischen Ventilelements sowie zumindest eine in einer Wandung des hohlzylindrischen Ventilelements angeordnete erste Gruppe von Durchtrittsöffnungen umfasst.
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Bevorzugterweise umfasst das Kanalelement eine in einer Wandung des hohlzylindrischen Ventilelements angeordnete zweite Gruppe von Durchtrittsöffnungen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird das Kanalelement durch eine in einem mittleren Abschnitt der Längsachse L angeordnete und in Umfangsrichtung des zylindrischen Ventilelements umlaufende Ringnut gebildet.
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Vorteilhafterweise ist das Ventilelement ein einstückiges Ventilelement.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Aktuator als Voice Coil Aktuator ausgebildet.
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Einen weiteren Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildet ein Verfahren zum Betrieb eines Mehrwegeventils, wobei das Mehrwegeventil nach einem der genannten Ausführungsformen ausgebildet ist. Dabei umfasst das Verfahren die folgenden Schritte. In einem Schritt werden zumindest zwei festgelegten Massenströmen bestimmt, wobei die Massenströme von dem Einlass des Mehrwegeventils zu den jeweiligen Ventilöffnungen geleitet werden sollen. In einem weiteren Schritt werden eine den jeweiligen Ventilöffnungen zugeordneten mittleren erforderlichen Öffnungszeit je Zeiteinheit auf Grundlage eines jeweiligen Öffnungsquerschnittes der jeweiligen Ventilöffnungen und der jeweiligen festgelegten Massenströme bestimmt und in dem anschließenden Schritt wird der Aktuator derart angesteuert, dass das Ventilelement die erste Ventilöffnung und die zweite Ventilöffnung für eine jeweils festgelegte Zeitdauer partiell und/oder vollständig freigibt, wobei eine jeweilige mittlere Freigabezeit je Zeiteinheit jeweils der erforderlichen Öffnungszeit entspricht.
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Bevorzugterweise stellt das Ventilelement die partielle und/oder vollständige Kommunikation zwischen dem Kanalelement und der zumindest einen ersten Ventilöffnung und der zweiten Ventilöffnung in zeitlich zusammenhängender Weise her, sodass sich ein kontinuierlicher Massenstrom an beiden Ventilöffnungen einstellt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt die partielle und/oder vollständige Kommunikation zwischen dem Kanalelement und der zumindest einen ersten Ventilöffnung und der zweiten Ventilöffnung alternierend periodisch in Form einer Pulsweitenmodulation (PWM), sodass sich ein quasi-kontinuierlicher Massenstrom an beiden Ventilöffnungen einstellt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wechseln sich hinsichtlich der jeweiligen Öffnungszeiten Perioden gleicher Länge ab.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform wechseln sich hinsichtlich der jeweiligen Öffnungszeiten Perioden ungleicher Länge ab.
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Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens ist derart ausgestaltet, dass zu Beginn einer jeden Periode und für einen festgelegten, einen Teil der festgelegten Zeitdauer bildenden Impulszeitraum die jeweilige Ventilöffnung zu einem höheren Grad freigegeben wird als während eines übrigen Teils der festgelegten Zeitdauer.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Impulszeitraum kleiner oder gleich 25% der jeweiligen festgelegten Zeitdauer, bevorzugterweise kleiner oder gleich 20% der jeweiligen festgelegten Zeitdauer, besonders bevorzugterweise kleiner oder gleich 15% der jeweiligen festgelegten Zeitdauer.
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Des weiteren bildet eine Fahrzeug-Heiz/Kühl-System, aufweisend ein erfindungsgemäßes Mehrwegeventil einen Gegenstand der vorliegenden Offenbarung.
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Vorteilhafterweise ist die Ventilöffnung mit einem Verdampfer für eine Kühlung einer Batterie des Fahrzeugs verbunden, während die Ventilöffnung an einen Verdampfer für eine Kabinenkühlung angeschlossen ist.
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Erfindungsgemäß kann das Mehrwegeventil den Massenstrom eines Fluides in mehrere Richtungen einzeln so verteilen und/oder expandieren, dass ein quasi kontinuierlicher Betrieb dargestellt werden kann.
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Dabei kann ein einziges Ventilelement die Ventilkammer in einem Ventilkörper verschließen und sie in bestimmten Positionen öffnen oder nur teilweise öffnen. Um eine Verteilung oder Expansion des Massenstroms in mehrere Richtungen darstellen zu können, können die Ventilöffnungen abwechselnd, periodisch ganz oder teilweise geöffnet und wieder verschlossen werden.
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Auf diese Weise entsteht im zeitlichen Mittel ein quasi kontinuierlicher Massenfluss bzw. quasi konstantes Druckverhältnis zwischen Ventilöffnungen. Es können dabei auch ein oder mehrere Ventilöffnungen geschlossen gehalten werden wodurch es möglich ist mittels eine erfindungsgemäßen Mehrwegeventils eine Vielzahl von Funktionen abzudecken für die ansonsten jeweils ein spezielles Ventil verwendet werden müsste.
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Sowohl die Öffnungsdauer als auch der Öffnungsquerschnitt mehrere Ventilöffnungen können dabei im Betrieb individuell von einem einzigen Ventilelement eingestellt und jederzeit an sich ändernde Anforderungen angepasst werden. Daraus folgt, dass eine Pulsweitenmodulation des Druckverhältnisses vor und nach dem Mehrwegeventil bzw. des Massenstroms mit variabler Amplitude, Periodendauer und Pulse Width an einen oder mehrere Ventilöffnungen möglich ist.
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Durch die Wahl einer geeigneten Periodendauer und Amplitude der Translation des Mehrwegeventils kann auch bei der periodischen Öffnung der Ventilöffnungen unter Berücksichtigung der hydraulischen Induktivität ein quasi kontinuierlicher Massenstrom erzeugt werden.
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Dabei hat es sich als Vorteil herausgestellt, dass durch die Translation eines geeignet gestalteten Ventilelements die Funktion mit nur einem Aktuator erfolgen kann, wodurch Kosten einspart werden können.
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Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten, Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung, welche in den Figuren dargestellt sind. Die Beschreibung, die zugehörigen Figuren sowie die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Ein Fachmann wird diese Merkmale, insbesondere auch die Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele, auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen. Dabei ist zu beachten, dass die dargestellten Merkmale nur einen beschreibenden Charakter haben und auch in Kombination mit Merkmalen anderer oben beschriebener Weiterentwicklungen verwendet werden können und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnungen sind schematisch und zeigen:
- 1 Beispiele für verschiedene Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Mehrwegeventils, insbesondere für ein Fahrzeug-Heiz/Kühl-System;
- 2 beispielhaft verschiedene Stellungen eines Ventilelements in einem Mehrwegeventil;
- 3 schematisch perspektivische Ansicht eines Mehrwegeventils mit Aktuator;
- 4 ein erstes Beispiel eines Zeitverlaufs von Aktuatorstellungen und Öffnungsquerschnitten der Ventilöffnungen;
- 5 ein zweites Beispiel eines Zeitverlaufs von Aktuatorstellungen und Öffnungsquerschnitten der Ventilöffnungen;
- 6 ein drittes Beispiel eines Zeitverlaufs von Aktuatorstellungen und Öffnungsquerschnitten der Ventilöffnungen;
- 7 ein viertes Beispiel eines Zeitverlaufs von Aktuatorstellungen und Öffnungsquerschnitten der Ventilöffnungen;
- 8 ein fünftes Beispiel eines Zeitverlaufs von Aktuatorstellungen und Öffnungsquerschnitten der Ventilöffnungen; und
- 9 ein sechstes Beispiel eines Zeitverlaufs von Aktuatorstellungen und Öffnungsquerschnitten der Ventilöffnungen.
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1 zeigt ein Mehrwegeventil 10, insbesondere für ein Fahrzeug-Heiz/KühlSystem, zur Verteilung und/oder Expandierung eines Massenstroms eines Fluides entlang zumindest zweier Fluidpfade.
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Das Mehrwegeventil 10 weist einen Ventilkörper 100 mit einer Ventilkammer 110 auf, wobei die Ventilkammer 110 einen Einlass 120 hat zur Verbindung des Ventilkörpers 100 mit dem anströmenden Fluid, sowie zumindest eine erste Ventilöffnung 131 und eine zweite Ventilöffnung 132 zur Beschickung zumindest eines mit der ersten Ventilöffnung 131 korrespondierenden ersten Fluidpfades und eines mit der zweiten Ventilöffnung 132 korrespondierenden zweiten Fluidpfades mit Fluid. Es ist neben der abgebildeten Ausführungsform auch möglich, dass das Mehrwegeventil 10 mehr als zwei Ventilöffnungen hat.
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1a-d zeigen Ausführungsformen, bei denen die erste Ventilöffnung 131 und die zweite Ventilöffnung 132 in entgegengesetzte Richtungen aus der Ventilkamer 110 abzweigen. Die Richtungen schließen im gezeigten Fall also einen Winkel von 180°. Andere Ausführungen mit beliebigen anderen Winkeln, etwa 0°, 45°, oder 90° sind jedoch ebenfalls möglich.
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Ferner weist das Mehrwegeventil 10 ein innerhalb der Ventilkammer 110 verstellbar angeordnetes Ventilelement 200 auf sowie einen in 1 nicht dargestellten Aktuator 300 zur Verstellung des Ventilelements 200 innerhalb der Ventilkammer 110. Wie in 3 erkennbar ist, ist der Aktuator 300 in einer bevorzugten Ausführungsform als Tauchspule mit zugeordnetem Federelement ausgebildet. Hierbei wird die Translation des Ventilelements 200 durch eine Magnetkraft erzeugt, wobei die Feder für eine Rückstellkraft sorgt. Es könnte selbstverständlich auch ein anderer Antrieb verwendet werden.
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Das Ventilelement 200 weist ein in Strömungsverbindung mit dem Einlass 120 stehendes Kanalelement 210 auf, wobei das Kanalelement 210 derart ausgebildet ist, dass durch eine Verstellung des Ventilelements 200 innerhalb der Ventilkammer 110 wahlweise zumindest eine partielle oder keine Kommunikation zwischen dem Kanalelement 210 und der zumindest einen ersten Ventilöffnung 131 und der zweiten Ventilöffnung 132 hergestellt werden kann, sodass ein Massenstrom des Fluids vom Einlass 120 über das Kanalelement 210 des Ventilelements 200 zu der ersten Ventilöffnung 131 und/oder zu der zweiten Ventilöffnung 132 oder zu keiner der Ventilöffnungen 131, 132 geleitet werden kann.
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In allen Ausführungsformen hat das Kanalelement 210 eine stetige Strömungsverbindung mit dem Einlass 120, das heißt unabhängig von der durch den Aktuator 300 bedingten Stellung des Ventilelements 200 kann stets Fluid über den Einlass 120 in das Ventilelement einströmen. In der in den 1a bis 1e gezeigten Ausführungsformen gelangt das Fluid von dem Einlass 120 über einen in dem Ventilelement 200 angeordneten Elementeinlass 220, der seinerseits bereits Teil des Kanalelements 210 ist, in das Kanalelement 210.
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In den in den 1a-1d gezeigten Ausführungsformen ist das Ventilelement 200 als Hohlzylinder ausgebildet, wobei das Kanalelement 210 einen Hohlraum des hohlzylindrischen Ventilelements 200 sowie zumindest eine in einer Wandung 240 des hohlzylindrischen Ventilelements 200 angeordnete erste Gruppe von Durchtrittsöffnungen 231 umfasst. Während die in 1a gezeigte Ausführungsform lediglich eine einzige Gruppe von Durchtrittsöffnungen 231 aufweist, haben die in den 1b-1d dargestellten Ausführungsformen eine in der Wandung 240 des hohlzylindrischen Ventilelements 200 angeordnete zweite Gruppe von Durchtrittsöffnungen 232. Selbstverständlich können bei der Verwendung mehrerer Gruppen von Durchtrittsöffnungen 231, 232 diese alle eine unterschiedliche Geometrie aufweisen, um eine Anpassung an unterschiedliche Funktionen zu erreichen.
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Die Durchtrittsöffnungen der ersten Gruppen von Durchtrittsöffnungen 231 sowie der zweiten Gruppe von Durchtrittsöffnungen 232 können dabei für eine sehr feine Einstellbarkeit des Öffnungsquerschnitts sorgen und beispielsweise für eine reine Expansion eine spitz zulaufende Form besitzen, um eine noch feinere Einstellbarkeit zu realisieren.
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Während die Anordnung der Gruppen von Durchtrittsöffnungen 231, 232 bei den in den 1a bis 1e dargestellten Ausführungsformen variiert, ist die Funktionsweise prinzipiell ähnlich, es wird jeweils die Größe von Öffnungsquerschnitten der Ventilöffnungen 131, 132 über die Gruppen von Durchtrittsöffnungen 231, 232 gesteuert, indem das Ventilelement 200 gegenüber den Ventilöffnungen 131, 132 im Ventilkörper 100 verschoben wird. Durch eine Translation kann das Ventilelement 200 die Querschnittsflächen der Ventilöffnungen 131, 132 versperren, partiell freigeben oder vollständig freigeben.
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Für die Ausführungsform der 1a mit nur einer ersten Gruppe von Durchtrittsöffnungen 231 ist in 2a eine Nullstellung des Ventilelements 200 dargestellt, bei welcher keine Kommunikation zwischen dem Kanalelement 210 und einer der Ventilöffnungen 131, 132 besteht. Es ist erkennbar, dass kein Massenstrom des Fluids vom Einlass 120 zu einer der Ventilöffnung 131, 132 geleitet werden kann.
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In 2b ist eine Stellung des Ventilelements 200 dargestellt, bei welcher eine partielle Kommunikation zwischen dem Kanalelement 210 und der ersten Ventilöffnung 131 besteht, während keine Kommunikation zwischen dem Kanalelement 210 und der zweiten Ventilöffnung 132 besteht. Die Kommunikation ist deshalb partiell, weil nicht die kompletten Querschnitte der ersten Gruppe von Durchtrittsöffnungen 231 und der ersten Ventilöffnung in Deckung sind. Die Größe des entsprechenden Öffnungsquerschnitts ist also kleiner als eine maximal erreichbare Größe, und somit ist auch ein Massenstrom des Fluids an der entsprechenden Stelle kleiner als maximal möglich. Nichtsdestotrotz kann es für die Einstellung eines bestimmten Massenstroms, eines bestimmten Druckgefälles oder einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit gerade beabsichtigt sein, nur einen reduzierten Öffnungsquerschnitt herzustellen.
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In 2b ist eine Stellung des Ventilelements 200 dargestellt, bei welcher eine partielle Kommunikation zwischen dem Kanalelement 210 und der zweiten Ventilöffnung 132 besteht, während keine Kommunikation zwischen dem Kanalelement 210 und der ersten Ventilöffnung 131 besteht.
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Der Übergang zwischen den beiden in den 2b und 2c gezeigten Zuständen wird auch als „switch over“ bezeichnet.
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Während die Arbeitsweisen der in den 1b und 1d dargestellten Ausführungsformen der in Zusammenhang mit 2 geschilderten Ausführungsform dahingehend gleichen, dass immer nur entweder die erste Ventilöffnung 131 oder die zweite Ventilöffnung 132 in Kommunikation mit dem Kanalelement 210 stehen kann, während die jeweils andere Ventilöffnung 131, 132 vom Fluidstrom abgeschnitten ist, zeigt 1c eine Ausführungsform, bei der die erste Gruppe von Durchtrittsöffnungen 231 und die zweite Gruppe von Durchtrittsöffnunge 232 derart angeordnet sind, dass zumindest eine partielle Kommunikation zwischen dem Kanalelement 210 und beiden Ventilöffnungen 131, 132 gleichzeitig möglich ist.
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In der in 1e gezeigten alternativen Ausführungsform wird das Kanalelement 210 durch eine in einem mittleren Abschnitt der Längsachse L angeordnete und in Umfangsrichtung des zylindrischen Ventilelements 200 umlaufende Ringnut 212 gebildet, die durch Verschiebung mit der ersten Ventilöffnung 131 beziehungsweise mit der zweiten Ventilöffnung 132 in Überlappung gebracht wird, um so zumindest eine partielle Kommunikation zwischen dem Kanalelement 210 und der zumindest einen ersten Ventilöffnung 131 und der zweiten Ventilöffnung 132 herzustellen. In der in 1e gezeigten Mittelstellung des Aktuators 300 besteht keinerlei Kommunikation zwischen dem Kanalelement 210 und den Ventilöffnungen 131, 132, sodass kein Fluid vom Einlass 120 über das Kanalelement 210 des Ventilelements 200 zu einer der Ventilöffnungen 131, 132 geleitet werden kann. Die Arbeitsweise dieses Mehrwegeventils 10 entspricht im wesentlichen derjenigen, die in Zusammen hang mit den 2a-c bereits erläutert wurde.
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In allen Ausführungsformen ist das Ventilelement bevorzugterweise einstückig ausgebildet, was eine besonders robuste und einfach herzustellende Variante darstellt.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Mehrwegeventils 10 umfasst die Schritte
- - Bestimmen von zumindest zwei festgelegten Massenströmen, die von dem Einlass 120 des Mehrwegeventils 10 zu den jeweiligen Ventilöffnungen 131, 132 geleitet werden sollen;
- - Bestimmen einer den jeweiligen Ventilöffnungen 131, 132 zugeordneten mittleren erforderlichen Öffnungszeit je Zeiteinheit zumindest teilweise auf Grundlage eines jeweiligen Öffnungsquerschnittes der jeweiligen Ventilöffnungen 131, 132 und der jeweiligen festgelegten Massenströme; und
- - Ansteuern des Aktuators derart, dass das Ventilelement 200 für eine jeweils festgelegte Zeitdauer eine partielle und/oder vollständige Kommunikation zwischen dem Kanalelement 210 und der zumindest einen ersten Ventilöffnung 131 und der zweiten Ventilöffnung 132 herstellt, wobei eine jeweilige mittlere Freigabezeit je Zeiteinheit jeweils der erforderlichen Öffnungszeit je Zeiteinheit entspricht.
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Der als „switch over“ bezeichnete Spezialfall des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde bereits unter Bezugnahme auf 2 beschrieben. In diesem Fall stellt das Ventilelement 200 die partielle und/oder vollständige Kommunikation zwischen dem Kanalelement 210 und der zumindest einen ersten Ventilöffnung 131 und der zweiten Ventilöffnung 132 abwechselnd in zeitlich zusammenhängender Weise her, sodass sich ein kontinuierlicher Massenstrom an beiden Ventilöffnungen 131, 132 einstellt. Die jeweiligen zeitlichen Verläufe der Stellung VS des Ventilkörpers 200 sowie der an der ersten Ventilöffnung 131 anliegende erste Öffnungsquerschnitt, in den 4-9 repräsentiert durch den Graphen V1, beziehungsweise der an der zweiten Ventilöffnung 132 anliegende zweite Öffnungsquerschnitt , in den 4-9 repräsentiert durch den Graphen V2, können 4 entnommen werden.
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Eine weitere Ausführungsform des Verfahrens ist in 5 dargestellt. Im Unterschied zu der in 4 gezeigten Ausführungsform wird hier eine Expansion des Fluids lediglich an der ersten Ventilöffnung 131 durch Veränderung des entsprechenden partiellen Öffnungsquerschnitts erreicht, während der Öffnungsquerschnitt an der zweiten Ventilöffnung 132 stets gesperrt ist.
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Ein Abwandlung des Verfahrens zur Expansion des Fluids lediglich an der ersten Ventilöffnung 131 ist in 6 gezeigt, wo die partielle und/oder vollständige Kommunikation zwischen dem Kanalelement 210 und der ersten Ventilöffnung 131 periodisch in Form einer Pulsweitenmodulation (PWM) erfolgt, sodass sich ein quasi-kontinuierlicher Massenstrom an der ersten Ventilöffnung 131 einstellt.
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Mit anderen Worten wird die Ventilöffnung 131 in einer geeigneten Zeitspanne periodisch abwechselnd freigegeben oder anteilsmäßig freigegeben und wieder versperrt oder anteilsmäßig versperrt, so dass der Massenstrom in diesem Ausgang gesteuert oder geregelt werden kann und so eine Expansion des Fluides ermöglicht wird. Durch eine geeignete, periodische Translation des Ventilelements 200 kann dieser Vorgang der Massenstromregulierung / Expansion für eine einzige der Ventilöffnungen 131 (in 6 dargestellt) oder, analog, quasisimultan für mehrere Ventilöffnungen 131, 132 erfolgen (in 8 dargestellt).
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Werden Fluidströme in mehr als eine Richtung benötigt, so wird, wie in Zusammenhang mit 6 und 8 beschrieben, die Position des Ventilkörpers ständig variiert, wobei die Verschiebung des Ventilkörpers 200 derart vorgenommen wird, dass die partielle und/oder vollständige Kommunikation zwischen dem Kanalelement 210 und der zumindest einen ersten Ventilöffnung 131 und der zweiten Ventilöffnung 132 alternierend periodisch in Form einer doppelten Pulsweitenmodulation (PWM) erfolgt, sodass sich ein quasi-kontinuierlicher Massenstrom an beiden Ventilöffnungen 131, 132 einstellt. So kann der Fluidstrom in alle gewünschten Richtungen gesteuert werden. Wie bereits oben erwähnt kann der Fluidstrom hierbei auch in mehr als zwei Richtungen gesteuert werden. Dabei wechseln sich in einer bevorzugten Ausführungsform zwei Perioden gleicher Länge ab. Innerhalb dieser wird je Periode nur eine Ventilöffnung 131, 132 für eine bestimmte Zeit ganz oder teilweise freigegeben.
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In einer alternativen Ausführungsform wechseln zwei Perioden ungleicher Länge ab.
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Um bei einer Expansion in mehreren Richtungen die Zeit ohne Massenfluss und somit die Welligkeit der Druckschwankungen zu verringern, was für einen kontinuierlichen Massenfluss vorteilhaft wäre, kann das kurze vollständige Öffnen einer Ventilöffnung 131, 132 in der PWM durch eine Öffnung über die gesamte Periode ersetzt werden, was in 7 sowie in 9 dargestellt ist. Dabei wird die jeweilige Ventilöffnung 131, 132 im Gegenzug jedoch nicht vollständig geöffnet, sondern nur so weit, dass sich im Mittel derselbe gewünschte Massenstrom einstellt. Die Massenstromregelung findet somit über den freigegebenen Öffnungsquerschnitt pro Periode statt und nicht über die Öffnungszeit (Amplitudensteuerung). Dies ist vergleichbar mit einer PWM, bei der die Amplitude angepasst wird, um stets ein Verhältnis zu erzeugen, bei dem die Periodendauer proportional zur Impulsbreite ist.
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Hierbei können folgende Extremfälle eintreten beziehungsweise gewollt eingestellt werden:
- - Alle Ventilöffnungen 131, 132 sind über ihre ganze Periode vollständig geöffnet. Das Mehrwegeventil 10 funktioniert als T-Stück (Knoten) der Fluidpfade oder Anschlussleitungen.
- - Alle Ventilöffnungen 131, 132 sind über ihre ganze Periode vollständig geschlossen. Das Mehrwegeventil 10 funktioniert als Sperrventil.
- - Eine Ventilöffnung 131, 132 ist vollständig geschlossen, die jeweils andere Ventilöffnung 131, 132 wird innerhalb ihrer Periode beliebig weit geöffnet. Das Mehrwegeventil 10 dient als einfaches Expansionsventil.
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Um bei dieser Art und Weise der Massenstromregelung das Ansprechverhalten zu verbessern, ist es vorteilhaft, wie in 7 dargestellt jede Periode mit einer kurzen Überhöhung des Öffnungsquerschnittes zu beginnen. Dies kann beispielsweise eine kurze vollständige Öffnung sein. Darauf folgend wird dann der Sollwert angefahren. Mit anderen Worten wird bei dieser Ausführungsform zu Beginn einer jeden Periode und für einen festgelegten, einen Teil der festgelegten Zeitdauer bildenden Impulszeitraum die jeweilige Ventilöffnung 131, 132 zu einem höheren Grad in Kommunikation mit dem Kanalelement 210 steht als während eines übrigen Teils der festgelegten Zeitdauer.
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Hierbei ist der Impulszeitraum in einer Ausführungsform der Erfindung kleiner oder gleich 25% der jeweiligen festgelegten Zeitdauer, bevorzugterweise kleiner oder gleich 20% der jeweiligen festgelegten Zeitdauer, und besonders bevorzugterweise kleiner oder gleich 15% der jeweiligen festgelegten Zeitdauer.
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Eine besondere Rolle kann die erfindungsgemäße Art von Mehrwegeventil 10 in verzweigten Kältekreisen spielen, um mehrere Verdampfer zu bedienen. Beispielsweise kann die Ventilöffnung 131 für die Steuerung der Kühlleistung an einem Verdampfer für die Batteriekühlung genutzt werden, während die Ventilöffnung 132 für die Steuerung der Überhitzung an einem Verdampfer für die Kabinenkühlung genutzt wird.
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Neben den beschriebenen und abgebildeten Ausführungsformen sind weitere Ausführungsformen vorstellbar, welche weitere Abwandlungen sowie Kombinationen von Merkmalen umfassen können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2010307190 A [0002]
- DE 102015003546 A1 [0003]
- US 2015226340 A [0004]
- WO 2004072566 A1 [0005]
