Die Erfindung betrifft eine Ventilanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

In Ventilanwendungen werden verschiedene Ventile für Ihre spezifische Aufgabe speziell konstruiert und ausgelegt. Auch bei der Optimierung der einzelnen Ventile wird in der Regel nur das einzelne, spezielle Ventil betrachtet. So können z. B. in einer Anwendung in einem Klimakreislauf Schieberventile mit veränderbarer, geometrisch speziell angepasster Ventilöffnung als Drosselventile verwendet, während einzelne Verdampfer von Mehrzonen-Klimaanlagen mittels speziell und individuell angeordneter Wegesitzventile abgeschaltet und geregelt werden. Beide unterschiedliche Ventiltypen werden mit speziellen Aktoren betrieben, deren Hub und Kraft und damit deren Baugröße und Ansteuerung ebenfalls auf die jeweils individuelle Anforderung optimiert sind.

Darüber hinaus, und nicht nur in der Anwendung in Klimakreisläufen, müssen je nach Kundensystem unterschiedliche Ventilausführungen, wie normal offen (normally open: no) oder normal geschlossen (normally closed: nc) berücksichtigt werden. D. h. bei Nichtbetätigung des Aktors sind Zu/bzw. Abflüsse der Ventilanordnung entweder offen (no) oder geschlossen (nc).

Die individuelle Anpassung und Auslegung der Ventile führen zu hohen Kosten, die nur durch hohe Stückzahlen kompensiert werden können. In speziellen Anwendungsgebieten, wie etwa im Klimamanagement von Kfz oder in der Hydraulik können hohe wirtschaftlich rentable Stückzahlen von dort verwendeten Drosselorganen, Umschalt-, Kompressorregel- und Absperrventile oder ähnlichen Bauelementen mit nur einem Produkt nicht immer sicher erreicht wird, so dass nach Mitteln und Wegen gesucht wird, die Herstellkosten solche Bauteile zu verringern.

Zur Abdeckung verschiedener Funktionen von Ventilaufgaben wurden bereits sog. Baukastensysteme für Ventilanordnungen vorgeschlagen, bei denen über eine Verbindungsstelle unterschiedliche Ventilteile mit einer Betätigungseinrichtung kombinierbar sind. Unterschiedliche Ventilteile werden dabei jeweils als Baugruppe adaptiert. Solche Baukastensysteme haben den Vorteil, dass bei Adaption der Betätigungseinrichtung an ein Ventilteil und die Aufgabe des Ventils die Fertigungs- und Montagekosten solcher Systeme erheblich reduziert werden können (DE 103 22 585 A1).

Die bestehenden Baukastensysteme betreffen jedoch lediglich die Kombination unterschiedlicher Ventilbaukomponenten, oder -funktionen wie Druckregelung, Druckbegrenzung, Wegefunktionen, Stromregelung u. ähnl. Die Schnittstelle für die einzelnen Baugruppen des Gesamtventils ist ein standardisiertes Ventilgehäuse, das von seinen Nenngrößen her an die zu beherrschenden Fluidströme und -mengen angepasst ist.

JP 2002122267 A (Patent Abstract of Japan) zeigt eine Ventilanordnung, das aus einem Stellglied und einem unabhängig davon angeordneten Rückstellelement in Form einer Schraubenfeder besteht. Das Stellelement umfasst einen Dichtkörper mit dem zugehörigen Sitz, und ist so angeordnet, dass es beidseitig in Bewegungsrichtung betätigbar ist, so dass bei Beibehaltung der Betätigungs- und Wirkrichtung der Betätigungseinrichtung die Ventilausführungen no und nc allein durch Änderung der Einbaurichtung des Stellgliedes festgelegt sind. Das Rückstellelement bleibt jeweils bei der Änderung der Einbaurichtung in die gleiche Position. Das Stellelement ist zwischen der Betätigungseinrichtung und dem Rückstellelement angeordnet. Beim Wechsel der Ventilausführung muss daher zunächst das Rückstellelement ausgebaut werden, um das Stellelement in seiner Einbaurichtung zu ändern.

EP 0 704 649 A2 zeigt eine durch einen Ankerkolben eines Elektromagneten betätigte Ventilanordnung, wobei eine Stirnseite des Ankerkolbens einen Dichtkörper mit zugehörigem Dichtsitz aufweist, um jeweils einen Durchfluss entweder zu öffnen oder zu schließen. Durch Änderung der Einbaurichtung des Ankerkolbens mit seinem Dichtkörper im Magnetteil der Ventilanordnung können unterschiedliche Ventilausführungen wie no oder nc realisiert werden. Diese Anordnung weist für unterschiedliche Ventilausführungen in einem Baukastensystem keine eindeutige Schnittstelle zwischen Betätigungsteil und Ventilteil auf.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Baukastensystem für eine Ventilanordnung vorzuschlagen, das auch unterschiedliche Ventilausführungen wie normal offen (no) oder normal geschlossen (nc) umfasst. Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Bei der Erfindung wird allein durch die Einbaurichtung des kompletten Ventilteils die beiden Ausführungsarten des Ventils normal offen (no) oder normal geschlossen (nc) festgelegt. Die beiden Varianten unterscheiden sich nicht durch die verwendeten Bauteile, sondern allein durch die Einbaurichtung, d. h. durch die Richtung, in welche das Stellglied eines oder mehrerer Ventilteile bei Beibehaltung der Wirkrichtung einer Betätigungseinrichtung montiert wird. Im Gegensatz zu bekannten Anordnungen, in denen nur Teile des Ventilteiles wie ein Stellelement in ihrer Einbaurichtung geändert werden, ist bei der Erfindung vorgesehen, das komplette Ventilteil zusammen mit dem Rückstellelement in seiner Einbaurichtung zu ändern. Hierzu ist erfindungsgemäß das Rückstellelement in das Stellelement des Ventilteils integriert.

Durch den Einbau von Ventilteilen wird aus Betätigungseinrichtung und eingebautem Ventilteil eine no und nc Charakteristik erreicht, ohne dass völlig unterschiedliche Ventile konstruiert werden müssen. Allein die Einbaurichtung eines einzigen Bauteils oder einer einzigen – ansonsten identischen Baugruppe bestimmen diese Charakteristik. Konkret bedeutet dies, dass ein komplettes Ventilteil, welches für die Ausführung no vorgesehen ist, auf Grund seiner Eigenschaften bei Drehung um 180° auch für die Ausführung nc einsetzbar ist. Damit können Basistypen von Betätigungselementen mit Basistypen von Ventilteilen kombiniert werden, um unter Beibehaltung der unterschiedlichen Funktionalität der Ventiltypen speziellen Anforderungsprofilen gerecht zu werden.

Mit der Erfindung wird ein Baukasten für Ventilanordnungen erstellt, mit dem die Variantenvielfalt ganzheitlich systematisiert und auf dieser Basis kostenoptimal eingesetzt wird. Auf diese Weise können durch Vereinzelung, insbesondere werkzeugfallende Einzelteile, mit hohem individuellen Herstellungskosten in höheren Gesamtstückzahlen gefertigt werden, so dass selbst Ventilvarianten in geringen individuellen Stückzahlen kostengünstig hergestellt werden können.

In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung weist jedes Ventilteil einen nahezu identischen Aufbau auf. Damit unterscheiden sich die beiden Varianten no und nc im Gegensatz zu den herkömmlichen Baukastensystemen nicht durch die verwendeten Bauteile, sondern ausschließlich darin, dass einzelne Bauteile einer vormontierten Baugruppe abhängig von der Ventilfunktion in unterschiedlicher Richtung montiert werden können. Ansonsten sind sie nahezu gleich aufgebaut, oder es wird ausschließlich identischen Teile eingesetzt. Damit wird die Anzahl völlig unterschiedlicher Typen reduziert. Diese Ausführung unterstützt den Gedanken des „Baukastens" bei der Ventilanordnung.

Die Gleichteile bei einem Ventilteil können sowohl für Cartridge- als auch für Blockventilausführungen verwendet werden.

Um Verwechselungen in der Ausführung no und nc bei Einbau oder bei Zusammenbau zum Baukasten zu verhindern, kann vorteilhaft vorgesehen werden, die Einbaurichtung zu kodieren, um Fehlmontagen zu vermeiden. Die Kodierung kann in Form von optischen oder geometrischen Markierungen, wie Farbringen, von festgelegten Verbindungsstellen oder ähnlichen Maßnahmen erfolgen.

Die Betätigungseinrichtung weist vorteilhaft einen Aktor mit einem Stößel auf, der jeweils die Stelleinrichtung eines angeschlossenen Ventilteils betätigt. Die Betätigungsart kann manuell durch Muskelkraft z. B. über einen Knopf, Pedal oder einen Hebel oder auch mechanisch erfolgen. Eine elektrische Betätigungsart kann entweder über einen Elektromagneten oder einem Elektromotor erfolgen. Bei einer hydraulischen oder pneumatischen Betätigungsart erfolgt die Betätigung durch direkte oder indirekte Druckbeaufschlagung eines Fluids. Einsetzbar sind auch durch Druckdifferenz gesteuerte oder thermostatisch betätigte Aktoren.

In einer ganz besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird als Betätigungseinrichtung ein Hubmagnet mit einem drückenden Anker und einem durch die Hubbewegung des Ankers axial bewegten Stößel verwendet. Bei Bestromung des Ventilmagneten drückt der Anker mit einer Kraft proportional zur Bestromung einer koaxial zum Ankerraum angeordneten Magnetspule gegen den Konus des Magneten. Der Konuskörper weist hierzu einen axialen Durchgang auf, den ein mit dem Anker verbundene Stange durchgreift, die wiederum den Stößel für den Ventilteil bildet. An der dem Anker abgewandten Stirnseite des Konuskörpers ist vorteilhaft eine axiale Ausnehmung vorgesehen, die eine Verbindungsstelle oder Schnittstelle für ein einzusetzendes Ventilteil bildet.

Als Stellglied eines oder mehrerer Ventilteile in Verbindung mit einer Betätigungseinrichtung kann vorteilhaft ein Wegeventil, bevorzugt ein 2/2-Wegesitzventil, mit einem Ventilsitz, Dichtkörper und integrierten Rückstellelement verwendet werden. In Verbindung mit dem oben beschriebenen Magneten als Betätigungseinrichtung weist der Konuskörper mindestens einen Zu- bzw. Abfluss für den Ventilteil auf. Im Konuskörper ist radial ein weiterer mit dem Zulauf im Ventilteil korrespondierender Zulauf angeordnet. Ggf. können noch zusätzlich Steuerein- und/oder Ausgänge für das Stellglied angeordnet sein.

Aufgrund der Differenzierung der Ventilbauteile über die unterschiedliche Einbaurichtung weist der Dichtkörper in den beiden axialen Richtungen jeweils einen Anschlag für den Stößel auf. Der Dichtkörper ist bevorzugt kegelförmig ausgestaltet, dessen Kegelspitze ebenfalls axialen und mittig angeordneten Ventilsitz öffnet oder schließt. Die Ausführung als Kugel, Halbkugel oder als Flachsitz ist ebenfalls möglich.

Das integrierte Rückstellelement ist bevorzugt als Flachfeder ausgestaltet mit einem axialen Durchlass für den Stößel und das Fluid. Die Flachfeder ist radial an einer Schulter des Ventilsitzes gelagert und stützt sich auf der Grundfläche des kegelförmigen Dichtkörpers ab. Der auf dieser Seite angeordnete Anschlag durchdringt den axialen Durchlass des Dichtkörpers. Dadurch werden Dichtkörper und Flachfeder gegeneinander zentriert.

Das mit der Erfindung bestimmte Baukastensystem für Ventilanordnungen erweist sich insbesondere dann von Vorteil, wenn für eine bestimmte Anwendung unterschiedliche Ventiltypen oder -ausführungen gefordert werden.

Bei einem Klimakreislauf mit R 744 als Kältemittel, insbesondere für mobile Anwendungen, der im transkritischen Bereich betrieben wird, wird ein Baukasten realisiert, in dem ein drückender magnetischer Aktor in Form eines Grundmagneten auf verschiedene Ventilteile und -funktionen wirkt. Diese stellen sich wie folgt dar: Als Drosselorgan arbeitet in einem solchen Kreislauf z. B. ein proportional arbeitenden Schieberventil in Blockversion in der Ausführung stromlos offen (no). Für Ein- oder Zweiverdampfersysteme sind proportional schaltende Absperrventile als Sitzventil, ebenfalls in der Blockversion, vorgesehen. Für unterschiedlichen Betriebsarten von des Verdampfers sind die Sitzventile in der Ausführung stromlos offen (no) oder stromlos geschlossen (nc) ausgeführt.

Soll der Klimakreislauf als Wärmepumpe verwendet werden Schaltventile benötigt, die als Sitzventil ausgeführt sind und selbsthaltend sind. Der Verdichter umfasst schließlich zur Regelung des Hubes noch einen oder mehrere proportional wirkende oder schaltende Ventile, die als Sitzventile entweder no oder nc ausgeführt sind.

Die Vielfalt der verwendeten Ventilteile wird durch die Erfindung auf wenige Basistypen reduziert. Die Ausführungsarten no bzw. nc werden nur durch Änderung der Einbaurichtung eines einzigen Bauteils oder einer Baugruppe realisiert.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und den in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen.

1a zeigt in einem Längsschnitt eine erste Ausführung der Erfindung.

1b zeigt in einer Vergrößerung Details von 1a.

2 und 3 zeigen Varianten der Darstellung von 1a.

4 zeigt einen bevorzugten Anwendungsfall der Erfindung.

1a zeigt in einer Längsschnittdarstellung eine Ventilanordnung, die eine rechts dargestellte Betätigungseinrichtung 1 und links jeweils zwei unterschiedliche, übereinander dargestellte Ventilteile 2 umfasst. Jeweils ein Ventilteil 2 ist an einer Verbindungs- oder Schnittstelle 3 mit der Betätigungseinrichtung 1 verbindbar. Die Verbindungsstelle ist als axiale Ausnehmung 13 an der dem Ventilteil 2 zugewandten Stirnseite der zylinderförmigen Betätigungseinrichtung 1 ausgeführt. Sie bildet einen Hohlraum 14 mit einer radialen Bohrung 15 nach außen. Die Bohrung 15 bildet einen Zu- bzw. Ablauf 7 für eine Fluid, der korrespondierende Zu- und Ablauf 7 ist axial an der der Betätigungseinrichtung abgewandten Stirnseite angeordnet. Da die Ventilanordnung bidirektional verwendet wird, wird für den Zu-/bzw. Abfluss 7 jeweils dasselbe Bezugszeichen verwendet.

1b zeigt die beiden Ventilteile 2 in einer vergrößerten Darstellung, wobei das unten dargestellte Ventilteil der 1a der rechten Darstellung und das oben dargestellte Ventilteil 2 der 1a der linken Darstellung entspricht. Beide Ventilteile 2 sind identisch aufgebaut, unterscheiden sich jedoch in der Einbaurichtung, beide sind jeweils um 180° gedreht.

Das Ventilteil 2 ist rotationssymmetrisch aufgebaut und besteht im Wesentlichen aus einem Ventilsitz 4, einem Dichtkörper 5 und einem Rückstellelement 6 in Form einer Flachfeder 6. Der Ventilsitz 4 ist in Form eines zylindrischen Bauteils mit einem sich axialen erstreckenden Durchlass 12 zur Betätigung des Dichtkörpers 5 ausgeführt. Jeweils eine Stirnseite des Bauteils bildet den Zu- bzw. Abfluss 7 für die Ventilanordnung, oder bei Drehung um 180° die Verbindungsstelle 3 zu der Betätigungseinrichtung 1.

Am dem äußeren radialen Rand des Ventilsitzes 4 ist auf einer Seite eine Schulter vorgesehen, die als erste Lagerstelle für die Flachfeder 6 vorgesehen ist. Eine weitere Lagerstelle wird durch den kegelförmigen Dichtkörper 5 gebildet. An der Grundfläche des Kegels ist hierfür eine sich axial nach innen erstreckende kleine, radiale Ausnehmung vorgesehen, die durch einen Zapfen 9 verschlossen ist und die die Flachfeder 6 mit dem Dichtkörper 5 verbindet. Der Kopf des Zapfens 9 bildet einen ersten Anschlag 10 für einen Stößel 8 der Betätigungseinrichtung. Die Kegelspitze des Dichtkörpers 5 weist eine flaschenkopfartige Verlängerung auf, die bei Drehung um 180° einen weiteren Anschlag 11 bildet.

In 2 und 3 sind die beiden charakteristischen Ventilteile 2 der 1a bzw. 1b jeweils mit der Betätigungseinrichtung 1 verbunden. Die Kombination bildet somit ein 2/2-Wegesitzventil. 2 und 3 unterscheiden sich lediglich durch die Einbaurichtung des Ventilteils 2. Für beide Einbaurichtungen des Ventilteils 2 kann die gleiche Betätigungseinrichtung 1 verwendet werden. Der Stößel 8 wirkt bei beiden Varianten in die gleiche Richtung. In Verbindung mit der Betätigungseinrichtung 1 lassen sich somit für jede Einbaurichtung des Ventilteils 2 unterschiedliche Ausführungsarten des 2/2 Wegeventils darstellen, entweder als no (normally open), wie dies in 2 dargestellt ist, oder als nc (normally closed), wie dies aus 3 ersichtlich ist.

Die no Ausführung der 2 wird dadurch gebildet, dass in der nicht aktivierten Stellung des Stößels 8 der Kegel des Dichtkörpers 5 den Durchlass 12 im Ventilsitz 4 offen lässt. Die Kegelspitze ist vom Anker weg ausgerichtet, vergleichbar der rechten Darstellung der 1b. Das Fluid kann in der dargestellten Position vom angenommenen Zulauf 7 über den Durchlass 12 in den Hohlraum 14 der Betätigungseinrichtung 1 strömen und durch die Bohrung 15 wieder abfließen. Bei Aktivierung drückt der Stößel 8 gegen die als Anschlag 10 wirkende Kappe 9 des Dichtkörpers 5 mit der Flachfeder 6 und drückt den Dichtkörper 5 in den Durchlass 12 des Ventilsitzes 4, wodurch der Durchfluss des Fluids solange unterbrochen ist, wie die Betätigung aufrecht erhalten bleibt. Ohne Betätigung wirkt die Flachfeder 6 als Rückstellelement.

Die nc Ausführung der 3 wird dadurch gebildet, dass das Ventilteil 2 der 2 um 180° gedreht wird. Die Seite des Bauteils 9, an der die Flachfeder 6 befestigt ist, ist an der dem Stößel 8 abgewandten Seite angeordnet. Die Kegelspitze ist zum Aktor 16 ausgerichtet (vergleichbar der linken Darstellung der 1b). Ohne Betätigung drückt die vorgespannte Flachfeder 6 gegen den Durchlass 12 und verschließt diesen. Der Zulauf 7 im Ventilteil 2 ist von seinem Ablauf 7 im Hohlraum 14 der Betätigungseinrichtung 1 getrennt. Bei Aktivierung wird der Stößel 8 gegen den Anschlag 11 an der Kegelspitze des Dichtkörpers 5 nach links gedrückt und öffnet somit den Durchlass 12, solange die Aktivierung aufrechterhalten bleibt. Ohne Betätigung wirkt die Flachfeder 6 als Rückstellelement.

Die Betätigungseinrichtung 1 (siehe insbesondere 1a, rechte Darstellung) weist einen elektromagnetisch betätigten Aktor 16 und eine Betätigungsstange als Stößel 8 auf. Der Aktor 16 ist als Hubmagnet ausführt mit einem zylinderförmigen Spulenkörper 17 und einer Spule 18, die über einen axial nach außen geführten Steckeranschluss 19 bestromt wird. Der Hubmagnet weist an seinem dem Steckeranschluss 19 zugewandten Ende des Spulenkörpers 17 eine Jochscheibe 20 auf. Spulenkörper 17 und Jochscheibe 20 bilden einen Hohlraum, in dem eine feste Lagerhülse 21 für einen Ankerkolben 22 angeordnet ist. Die Lagerhülse 21 erstreckt sich über die gesamte, axiale Länge des Spulenkörpers 17 und des Konuses 23 des Magneten. Bei Bestromung der Spule 18 führt der Ankerkolben 22 eine Hubbewegung nach links in Richtung des Konusses 23. Durch die Gestaltung des Steuerteiles (Ankergegenstück) am Konus 23 wird erreicht, dass die Hubbewegung des Ankerkolbens 22 nahezu proportional zum angelegten Strom ist. Die magnetisch wirkenden Teile des Hubmagneten werden von einem Gehäuse 25 abgedeckt.

Von der in Hubrichtung weisenden Stirnseite des Ankerkolbens 22 erstreckt sich, in axialer Richtung vom Kolben 22 weg, der Betätigungsstößel 8, mit dem die Betätigung des Ventilteils 2 erfolgt. Der Konus 23 weist hierzu einen axialen Durchlass auf, durch den der Betätigungsstößel 8 geführt ist. Damit ist der Hohlraum 14 mit dem Ankerraum des Magneten verbunden. Bei einer Hubbewegung des Aktors 16 in Richtung des Konusses wird somit der Stößel 8 betätigt. Die Hubbewegung des Ankerkolbens 22 wird in einer Richtung durch den Konus 23 und in der anderen Richtung durch den Hülsenboden begrenzt, der nach außen gewölbt ist. An der Außenseite des Lagerhülsenbodens schließt sich der Gehäusedeckel 26 an.

Die Ventilanordnung weist mehrere O-Ringabdichtungen 24 auf. So ist der Konus gegenüber der Umgebung durch eine O-Ringabdichtung 24 abgedichtet. Eine weitere Abdichtung 24 ist zwischen dem Gehäuse 25 und dem Magnetteil vorgesehen.

Für die beiden Varianten no und nc nach 2 und 3 werden identische Bauteile verwendet. Damit wird ein Baukasten für eine Ventilanordnung hergestellt, der für die beiden Varianten no und nc mit den gleichen Baugruppen (Betätigungseinrichtung 1 und Ventilteil 2 auskommt).

4 zeigt einen Hydraulikschaltplan für die Steuerung eines Klimakreislaufes, in dem die oben beschriebenen Ventilanordnungen verwendet werden. Der Kreislauf besteht aus einem Expansionsventil 28, einem Wärmetauscher 32 (Gaskühler), einem weiteren Wärmetauscher 30a (Verdampfer), einem Verdichter 29 und einem Sammler 31.

Parallel zum Verdampfer 30a ist über ein Absperrventil 27 ein zusätzlicher Verdampfer 30b vorgesehen, der bei Bedarf zugeschaltet werden kann. Das Absperrventil 27 wird in der Ausführung nc betrieben. In dieser Variante wird der zweite Verdampfer 30b nicht vom Kältemittel durchströmt und wird nur auf speziellem Bedienerwunsch durch Betätigung des Aktors 16 zugeschaltet. In diesem Fall erfolgt dies durch Bestromung des Magneten der Betätigungseinrichtung 1.

Bei einer alternativen Auslegung des Klimasystems wird anstelle der nc Ausführung des Absperrventils 27 die Variante no benötigt. In diesem Falle entspricht das Ventil 27 der Darstellung der

2. Das Ventil 27 ist normalerweise durch Federkraft (Flachfeder 6) offen und wird durch magnetische Betätigung geschlossen. In dieser Variante wird der zweite Verdampfer 30b immer von Kühlmittel durchströmt mit und wird nur auf speziellem Bedienerwunsch abgeschaltet.

1

Betätigungseinrichtung

2

Ventilteil

3

Verbindungs-/Schnittstelle

4

Ventilsitz

5

Dichtkörper

6

Rückstellelement

7

Zu-/Abfluss

8

Stößel

9

Zapfen

10

Anschlag (Kegelgrundfläche)

11

Anschlag (Kegelspitze)

12

Durchlass (Ventilsitz)

13

Ausnehmung

14

Hohlraum

15

Bohrung (Zu-Abfluss Betätigungseinrichtung)

16

Aktor

17

Spulenkörper

18

Spule

19

Steckeranschluss

20

Jochscheibe

21

Lagerhülse

22

Ankerkolben

23

Konus

24

O-Ringabdichtung

25

Magnetgehäuse

26

Gehäusedeckel

27

Absperrventil

28

Expansionsventil

29

Verdichter

30a

Verdampfer

30b

Verdampfer

31

Sammler

32

Gaskühler

no

Normally open

nc

Normally closed