Die Erfindung betrifft ein Kugelventil, insbesondere für den Einsatz in Kraftfahrzeugkältemittelkreisläufen.

Kugelventile weisen einen Stellantrieb auf, der eine in einem Wellenlager gelagerte Welle antreibt, welche die Drehbewegung an das Ventilelement überträgt, welches aus einer Kugel mit einem Kugeldurchgangskanal gebildet wird. Die Komponenten sind in einem Ventilgehäuse gelagert und Kugelventile gelten als robust und kostengünstig und werden für vielfältige Anwendungen eingesetzt. In modernen Kältemittelsystemen für Kraftfahrzeugklimaanlagen werden zunehmend moderne Funktionalitäten integriert, die mit hohen Anforderungen an die einzelnen Komponenten des jeweiligen Kältemittelsystems verbunden sind. Beispielsweise ist es wünschenswert, bei der Ausgestaltung von Kraftfahrzeugkältemittelsystemen eine Wärmepumpenfunktionalität zu integrieren. Dazu ist es erforderlich, die verwendeten Komponenten, insbesondere die Ventile und die Expansionsorgane, mit erweiterten Funktionalitäten auszustatten. Dies erfordert unter anderem, dass die Ventile bidirektional in Bezug auf den Kältemittelfluss durch das Ventil einsetzbar sind und dass die Systeme auch den besonders hohen Dichtigkeitsanforderungen an Kältemittelsysteme in mobilen Anwendungen genügen.

Im Stand der Technik sind bislang kaum für die Praxis geeignete Komponenten verfügbar und somit besteht ein Bedarf, bewährte Komponenten zu modifizieren und an die neuen Aufgaben anzupassen. Im Stand der Technik sind beispielsweise Kugelventile nach der DE 24 30 409 A1 bekannt, welche als Bauelemente für Fluid-Leitungsanordungen speziell angepasst sind, um den Anforderungen mit Bezug auf die Dichtheit und Montagefreundlichkeit sowie Optimierung der Anzahl der Einzelkomponenten zu genügen.

Es sind ganz allgemein bei Kugelventilen Dichtheitsprobleme bekannt im Hinblick auf die sogenannte interne Dichtigkeit, welche sich auf die Durchströmung des mit dem Ventil zu regulierenden Fluids bezieht. Die externe Dichtigkeit betrifft die Dichtheit des Ventils in Bezug auf die Umgebung des Ventils, da die sich bewegende Welle für die Stellbewegung des Ventilkörpers gegenüber der Umgebung abgedichtet werden muss, um ein Austreten des zu regulierenden Fluids über die drehbeweglich gelagerte Welle zu vermeiden.

Bei Kältemittelsystemen kommen weitere Anforderungen an die Ventile hinzu, da die Komponenten auch mit sehr hohen Temperatur- und Druckdifferenzen belastet werden. Insbesondere die Dichtungen müssen diesbezüglich an sehr hohe Anforderungen durch die auftretenden Thermospannungen und Materialschrumpfungen beziehungsweise Dehnungen angepasst sein. Die Probleme werden weiterhin dadurch verschärft, dass besonders hohe Anforderungen an kältemittelführende Systeme beim Einsatz in mobilen Anwendungen, wie beispielsweise Kraftfahrzeugen, gestellt werden. Dies äußert sich darin, dass eine sehr lange Lebensdauer und Funktionsfähigkeit der Komponenten bei mobilen Anwendungen erwartet wird, um das Austreten von Kältemittel in die Umgebung zu minimieren.

Somit ist es Aufgabe der Erfindung, ein Ventil mit einer hohen Dichtigkeit in Bezug auf die externe Abdichtung des Ventils gegenüber der Umwelt zu schaffen, welches für den Einsatz in Kältemittelsystemen für Kraftfahrzeugklimaanlagen geeignet ist. Die Aufgabe wird durch die Merkmale eines Kugelventils gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Insbesondere wird die Aufgabe der Erfindung durch ein Kugelventil mit externer Dichtungsanordnung gelöst, welches insbesondere für den Einsatz in Kraftfahrzeugkältemittelkreisläufen geeignet ist.

Das Kugelventil besteht im Wesentlichen aus einem Stellantrieb, einer Welle mit Wellenlager, einer Kugel mit einem Kugeldurchgangskanal sowie aus einem Ventilgehäuse. Die Besonderheit des erfindungsgemäßen Kugelventils besteht darin, dass im Wellenlager eine Fluidwellendichtung zwischen einer oberen mechanischen Wellendichtung und einer unteren mechanischen Wellendichtung angeordnet ist, wobei die Fluidwellendichtung aus einem Hohlraum gebildet ist, in welchem sich ein Dichtfluid befindet. Das Dichtfluid umgibt in einem Dichtbereich die Welle. Somit steht das Dichtfluid mit der Welle in Kontakt, sodass in axialer Richtung der Welle eine Dichtungswirkung durch das Dichtfluid besteht. Der Hohlraum für das Dichtfluid wird mindestens teilweise von einer Membran gebildet und an der Welle von den Wellendichtungen, der oberen Wellendichtung und der unteren Wellendichtung, begrenzt. Die Membran ist auf der dem Dichtfluid abgewandten Seite mit Druck beaufschlagbar ausgebildet, sodass über die flexible Membran der Druck von außerhalb des Dichtfluidraumes auf das Dichtfluid übertragen wird und somit auf beiden Seiten der Membran der gleiche Druck herrscht. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass in dem Ventilgehäuse eine Kammer ausgebildet ist, deren Wandung teilweise durch die Membran gebildet ist, wobei die Kammer mit dem Systemdruck des das Kugelventil durchströmenden Fluids beaufschlagt ist. In besonders vorteilhafter Weise wird dadurch gewährleistet, dass der Druck des durchströmenden Fluids welcher in der Kammer herrscht über die Membran auf das Dichtfluid übertragen wird und dass somit das Dichtfluid und das Fluid, welches das Kugelventil durchströmt, den gleichen Druck aufweist.

Für Kältemittelkreisläufe hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn als Dichtfluid Polyalkylenglykolen in dem Hohlraum angeordnet ist.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich dadurch, dass die interne Wellendichtung als O-Ring ausgeführt ist und ohne Druckdifferenz zur Medientrennung von dem das Kugelventil durchströmenden Fluid und dem Dichtfluid ausgebildet ist. Zu beiden Seiten des O-Ringes befinden sich somit Fluide, des das Kugelventil durchströmenden Fluids und des Dichtfluids, welche den gleichen Druck aufweisen.

Eine Weiterbildung der Erfindung ist darin zu sehen, dass die externe Wellendichtung als O-Ring oder als Formdichtung ausgeführt wird und mit Druckdifferenz zur Medientrennung von Dichtfluid und Umgebung ausgebildet ist.

Dies ermöglicht die rationelle Herstellung einer internen Dichtungskonstruktion für die Kugel, welche in besonders vorteilhafter Weise einfach montierbar und auch bei Reparaturen leicht austauschbar ist.

Die Konzeption der Erfindung besteht in erster Linie darin, dass die externe Dichtung des Kugelventils durch ein Doppeldichtsystem mit eingeschlossener Dichtfluidvorlage realisiert wird, das bedeutet, dass Öl als Dichtfluid als Zwischendichtung zwischen dem Kältemittel und der Umgebung vorgesehen ist. Die Dichtfluidvorlage, die auch als Hohlraum bezeichnet ist, wird mindestens Teilweise als Membran ausgebildet. Somit wird auch noch ein zusätzlicher besonderer Effekt der Druckanpassung der Dichtfluidkammer an den Druck des das Ventil durchströmenden Fluids über diese Membran realisiert. Das Dichtfluid ist bevorzugt Öl, welches auf das eingesetzte Kältemittel abgestimmt und kältemitteltauglich ist und welches somit auch bei Undichtigkeiten innerhalb dieses Dichtsystems keinen Schaden im Kältemittelsystem verursacht.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass bei dem Kugelventil der Stellantrieb ausreichend weit von dem Ventilkörper entfernt mittels der Beabstandung durch die Welle lokalisiert ist, sodass die thermische Belastung der elektrischen Komponenten des Stellantriebes minimiert werden kann und auch ein Funktionieren auf hohem Temperaturniveau, respektive auch bei niedrigem Temperaturniveau, dadurch gut gewährleistet ist.

Das Öl als Dichtfluid bildet somit eine Zwischendichtung in Form einer Öltasche mit einem Hohlraum für das Dichtfluid, der teilweise von einer Membran gebildet wird. Der Ventiltyp ist durch die Modifikation des Aktuators und der Kugel-Geometrie geeignet, Zwei/Zwei-, Drei/Zwei- und Vier/Zwei Wegeventile zu realisieren.

Der Stellantrieb mit dem Motorgetriebe und der Elektronik ist von dem Ventil, zum Beispiel durch den Abstand vom Stellantrieb zum Ventilgehäuse, eine isolierende Welle aus schlecht wärmeleitendem Material, wie zum Beispiel Keramik, oder spezielle Verbindungselemente aus temperaturfesten Kunststoffen, thermisch getrennt und hat somit praktisch Umgebungstemperatur.

Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Membran als Ringformteil ausgestaltet. Das Ringformteil wird oben durch eine Kragenwulst und unten durch einen Anlagering, auch als Anlagefläche bezeichnet, in axialer Richtung begrenzt, wobei in radialer Richtung die Kragenwulst einen weiteren und der Anlagering einen engeren Durchmesser aufweisen. Die obere Kragenwulst und die untere Anlagefläche der Membran werden durch eine axiale Mantelfläche und eine radiale untere Ringscheibe miteinander verbunden.

Der Hohlraum zur Aufnahme des Dichtfluids ist zwischen der Welle, der oberen Kragenwulst, der axialen Mantelfläche, der radialen Ringscheibe und dem unteren Anlagering ausgebildet.

Bevorzugt ist der Übergang von der axialen Mantelfläche auf die radiale untere Ringscheibe nach außen abgerundet ausgeführt.

Das Ringformteil begrenzt in radialer Richtung den Hohlraum für das Dichtfluid durch die axiale Mantelfläche und in axialer Richtung nach unten durch die Verbindung der unteren Anlagefläche mit der Mantelfläche. 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: Fig. 1 : Querschnitt eines Kugelventils;

Fig. 2: vergrößerte Darstellung der Wellendichtung eines Kugelventils;

Fig. 3a: axiale Schnittdarstellung durch die Membran;

Fig. 3b: Draufsicht auf die Membran

Fig. 4: Explosionsdarstellung eines Kugelventils mit seinen wesentlichen

Komponenten.

In Figur 1 ist ein Kugelventil 1 im Querschnitt mit seinen wesentlichen Komponenten dargestellt. Das Kugelventil 1 besitzt einen Stellantrieb 2, welcher eine Welle 3 je nach gewünschtem Durchflussgrad des Ventils verdreht. Die Welle 3 ist über eine Nase 20 verbunden, welche in eine Eingriffskerbe 14 der Kugel 4 eingreift. In der Kugel 4 ist der Kugeldurchgangskanal 16 ausgebildet, durch welchen das Fluid bei geöffneter Ventilstellung des Kugelventils 1 vom Einlass des Ventils zum Auslass des Ventils strömt. Die Welle 3 ist drehbeweglich um ihre Achse in einem Wellenlager 5 gelagert. Das Wellenlager 5 besitzt eine externe Wellendichtung 6 und eine interne Wellendichtung 7, zwischen denen eine Fluidwellendichtung 8 ausgebildet ist. Die Dichtungsanordung von externer Wellendichtung 6, interner Wellendichtung 7 und zwischenliegender Fluidwellendichtung 8 hat die Aufgabe, den Austritt von das Kugelventil 1 durchströmendem Fluid über ein Spiel der Welle 3 in dem Wellenlager 5 zu verhindern. Dieses Dichtungssystem wird auch als externes Doppeldichtsystem bezeichnet und ist maßgeblich für die Leckagerate des Kugelventils 1 .

Die Kugel 4 ist bezüglich der internen Dichtung in beziehungsweise zwischen zwei Kugeldichtsitzen 9 gelagert, wobei die Kugeldichtsitze 9 mit dem Ventilgehäuse 13 über einen Dichtsitzring 10 schwimmend gelagert sind. Am Ventilgehäuse sind Kältemittelanschlüsse 15 für die Kältemittel führenden Leitungen vorgesehen. Aus Figur 2 geht in einer vergrößerten Schnittdarstellung der Bereich des Wellenlagers 5 der Welle 3 des Kugelventils vergrößert hervor. Es ist dargestellt, dass die Dichtungsanordung aus externer Wellendichtung 6, interner Wellendichtung 7 und dazwischenliegender Fluidwellendichtung 8 ausgebildet ist. Die Fluidwellendichtung 8 wird durch einen dichtfluidgefüllten Hohlraum 18 gebildet, der zumindest teilweise von einer Membran 1 1 begrenzt wird. Die Membran 1 1 ist zwischen dem Ventilgehäuse 13 und dem Wellenlager 5 an ihrem oberen Ende gehaltert und ist manschettenartig ausgebildet. Der Dichtbereich 19 der Welle 3 wird mit dem Dichtfluid benetzt. Im Bereich der Lagerung der Kugel 4 ist eine Kammer 12 ausgebildet, die mit dem das Ventil durchströmenden Fluid gefüllt ist. Das das Kugelventil 1 durchströmende Fluid, insbesondere also das Kältemittel des Kältemittelkreislaufes, besitzt je nach Einsatzort und Betriebszustand des Kaltem ittelsystems einen bestimmten Druck, welcher auch in der Kammer 12 des Kugelventils 1 herrscht. Zwischen der Kammer 12 und dem dichtfluidgefüllten Hohlraum 18 befindet sich die Membran 1 1 , wodurch sich der Druck der Fluide in den benachbarten jeweils fluidgefüllten Kavitäten, der Kammern 12 und des Hohlraumes 18, angleicht. Somit ist die interne Wellendichtung 7, welche als O-Ring ausgebildet ist, von beiden Seiten mit verschiedenen Fluiden gleichen Druckes umgeben. Von der Seite der Kammer 12 her mit Kältemittel des entsprechenden Druckes der Zone, in welcher das Kugelventil 1 angeordnet ist und korrespondierend dazu von der anderen Seite der internen Wellendichtung 7 das Dichtfluid, welches als kältemittelverträgliches Öl ausgeführt ist und wie beschrieben über die Membran 1 1 den gleichen Druck wie das Kältemittel aufweist. Die externe Dichtungsanordnung besteht somit aus einer ersten drucklosen Dichtung zwischen zwei Fluiden und in einer zweiten Dichtung eines Fluids zur Umgebung hin mit dem Druckunterschied des Kältemittelsystems zur Umgebung. Die externe Wellendichtung 6 ist wie dargestellt als O-Ring oder als Formdichtung ausgeführt und mit dem Druckunterschied des Systemdrucks, der auf dem Dichtfluid lastet, zu dem Umgebungsdruck der das Kugelventil umgebenden Atmosphäre beaufschlagt.

In den Figuren 3a und 3b sind Darstellungen der Membran 1 1 gezeigt. Die Figur 3a zeigt dabei einen axialen Schnitt A-A durch die Membran 1 1 , welche als Ringmanschette rotationssymmetrisch ausgeführt ist. Die Ringmanschette wird durch die Kragenwulst 21 in axialer Richtung oben abgeschlossen. Die Kragenwulst ist in der Art eines O-Ringes ausgeformt und greift formschlüssig in eine korrespondierende Nut des Wellenlagers 5 ein. Am äußeren Umfang der Kragenwulst 21 schließt sich in axialer Richtung die axiale Mantelfläche 23 an, welche als kreiszylindrische Fläche am unteren Ende in eine radiale Ringscheibe 24 übergeht. Der Übergang von zylindrischer Mantelfläche 23 in die radiale Ringscheibe 24 ist abgerundet ausgeführt. Die radiale Ringscheibe 24 geht über in den Anlagering 22, welcher als zylindrische Anlagefläche für das Wellenlager 5 ausgebildet ist. Die radiale Ringscheibe 24 bildet den unteren Abschluss der Ringmanschette in axialer Richtung und der Anlagering 22 erstreckt sich nach oben. Damit wird eine im Querschnitt sackartige Kontur erzeugt, welche das Dichtfluid aufnimmt. Die Dichtung des dichtfluidgefüllten Hohlraumes 18 gegenüber dem Wellenlager 5 wird durch die Kragenwulst 21 und den zylindrischen Anlagering 22 realisiert. Der dichtfluidgefüllte Hohlraum 18 wird radial im Inneren begrenzt durch eine Mantelfläche der Welle 3, welche auch als Dichtbereich 19 der Fluidwellendichtung 8 der Welle 3 vorangehend bezeichnet ist. Die Dichtung zur Welle 3 hin wird durch die externe Wellendichtung 6 gegenüber der Umgebung und durch die interne Wellendichtung 7 gegenüber dem das Kugelventil 1 durchströmenden Fluids realisiert.

In Figur 3b ist die Membran 1 1 in der Draufsicht gezeigt und es sind die obere Kragenwulst 21 und die Stirnfläche des unteren Anlageringes 22 dargestellt und bezeichnet. Die obere Kragenwulst 21 ist mit größerem Durchmesser im Verhältnis zum Durchmesser des Anlageringes 22 ausgebildet, so dass die Kragenwulst 21 als weiter und der untere Anlagering 22 als enger bezeichnet sind.

In Figur 4 ist ein Kugelventil 1 in Explosionsdarstellung gezeigt. Die Hauptkomponenten, der Stellantrieb 2, das Ventilgehäuse 13, die Welle 3 sowie die Kugel 4 werden ergänzt durch die Komponenten der Lagerung für die Welle 3 mit dem Wellenlager 5, dem zugehörigen externen und internen Wellendichtungen 6 und 7 sowie der Fluidwellendichtung 8 mit der Membran 1 1 . Die Kugel 4 wird in der dargestellten Ausgestaltung gelagert mit gegenüberliegend platzierten Kugeldichtsitzen 9, welche ihrerseits durch eine Dichtsitzdichtung 10 gegenüber dem Ventilgehäuse 13 oder auf der anderen Seite gegenüber dem Verschluss 17 dichtend gelagert sind. Wellenlager 5 sind die korrespondierenden Aufnahmen für die Kragenwulst und den Anlagering 22 ausgebildet.

LISTE DER BEZUGSZEICHEN

1 Kugelventil

2 Stellantrieb

3 Welle

4 Kugel

5 Wellenlager

6 externe Wellendichtung

7 interne Wellendichtung

8 Fluidwellendichtung

9 Kugeldichtsitz

10 Dichtsitzdichtung

1 1 Membran

12 Kammer

13 Ventilgehäuse

14 Eingriffskerbe

15 Kältemittelanschluss

16 Kugeldurchgangskanal

17 Verschluss

18 dichtfluidgefüllter Hohlraum

19 Dichtbereich

20 Nase

21 Kragenwulst

22 Anlagering

23 axiale Mantelfläche

24 radiale Ringscheibe