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 neue Funktionalitäten, die mit hohen Anforderungen an die einzelnen Komponenten des Kältemittelsystems verbunden sind, wie beispielsweise die einer Wärmepumpe integriert. Dazu ist es erforderlich, neue Ventile zu integrieren und die verwendeten Komponenten, insbesondere 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-Leitungsanordnungen 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 im Unterschied dazu 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 interne Abdichtung des Ventils 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. Diese Aufgabe wird durch die Erfindung des Kugelventils mit interner Dichtungsanordnung gelöst, da diese für den Einsatz in Kraftfahrzeugkältemittelkreisläufen besonders geeignet ist.

Das Kugelventil besteht im Wesentlichen aus einem Stellantrieb, einer Welle mit Wellenlager, einer Kugel mit einem Kugeldurchgangskanal sowie aus einem Ventilgehäuse mit Fluidleitungsanschlüssen und insbesondere Kältemittelanschlüssen. Die Besonderheit des erfindungsgemäßen Kugelventils besteht darin, dass die Kugel in dem Ventilgehäuse schwimmend gelagert ist und dass die Kugel dazu zwischen zwei Kugeldichtsitzen angeordnet ist. Ein Kugeldichtsitz wird formschlüssig vom Ventilgehäuse aufgenommen und zu diesem hin über eine Dichtsitzdichtung gedichtet gelagert. Weiterhin ist im Ventilgehäuse gegenüberliegend ein zweiter Kugeldichtsitz angeordnet der formschlüssig von einem Verschlussteil aufgenommen wird und zu diesem hin über eine Dichtsitzdichtung gedichtet gelagert ist. Das Verschlussteil ist über eine Verschlussteildichtung gegenüber dem Ventilgehäuse dichtend gelagert.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Kugeldichtsitze als hohlzylindrische Ringe ausgebildet, deren Innenseite zumindest teilweise eine korrespondierend zur Kugel ausgebildete Kugeldichtfläche aufweisen. Die Kugeldichtfläche ist als eine Kugelzone ausgebildet. Als Kugelzone wird der Teil der Kugelfläche bezeichnet, die durch zwei parallele Ebenen aus der Kugelfläche herausgeschnitten wird. In der„geschlossen"-Stellung der Kugel ist der Kugeldurchgangskanal quer zur Durchströmungsrichtung des Ventils angeordnet und die Kugeldichtfläche liegt derart auf der Kugel auf, dass durch die korrespondierend aufeinanderliegenden Flächen zwischen der Kugel und der Kugeldichtfläche des Kugeldichtsitzes kein Fluid hindurchgelangen kann.

Bevorzugt sind die Dichtsitzdichtungen jeweils in axialer Richtung zwischen den Kugeldichtsitzen und dem Ventilgehäuse beziehungsweise dem Verschlussteil angeordnet. Somit ist die interne Dichtheit des Kugelventils unmittelbar durch eine axial in Durchflussrichtung wirkende Andruckkraft regulierbar. Je nach wirkender Andruckkraft und Verformbarkeit des Materials sowie Dicke der Dichtsitzdichtung ist die Kugel in axialer Richtung in diesen Grenzen verschieblich gelagert, was als schwimmende Lagerung bezeichnet wird.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist im Unterschied zur axialen Anordnung von Dichtungselementen die Verschlussteildichtung in radialer Richtung zwischen dem Ventilgehäuse und dem Verschlussteil angeordnet. Dadurch wirkt die radial angeordnete Dichtung einem axialen Durchfluss von Kältemittel zwischen dem Verschlussteil und dem Ventilgehäuse entgegen.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung ist dies dadurch gelöst, dass das Verschlussteil über ein Außengewinde in einem korrespondierenden Innengewinde des Ventilgehäuses angeordnet ist.

Um die Bewegbarkeit der Kugel in axialer Richtung zu ermöglichen, ist nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung an der Welle eine Nase angeordnet, welche die Drehstellbewegung der Welle (3) über eine Eingriffskerbe in der Kugel auf diese überträgt. Dabei ist die Form der Nase und/oder die Ausbildung der Eingriffskerbe derart ausgebildet, dass beim Eingriff der Nase in einer senkrechten Stellung derselben zur Durchströmungsrichtung ein Spiel vorhanden ist. Eine bevorzugte Ausgestaltung des Kugelventils ergibt sich weiterhin daraus, dass die Kugel zusätzlich zum Kugeldurchgangskanal eine Expansionskerbe aufweist, die sich vom Kugeldurchgangskanal weg zur Kammer hin auf der Außenseite der Kugel erstreckt und über die der Durchflussquerschnitt des Ventils zur Expansion des das Kugelventil durchströmenden Fluids reduzierbar ist. Bevorzugt nimmt der Querschnitt der Expansionskerbe vom Kugeldurchgangskanal weg ab, so dass über die Drehung der Kugel aus der „geschlossen"-Stellung hin zur „offen"-Stellung zunächst der Durchflussquerschnitt des Ventils auf den Querschnitt der Expansionskerbe beschränkt ist, welche die Stelle mit dem geringsten Durchflussquerschnitt innerhalb des Ventils darstellt. Das Kältemittel strömt in dieser Stellung vom Kältemittelanschluss über die Expansionskerbe in der Oberfläche der Kugel zur Kammer innerhalb des Ventilgehäuses, tritt in den Kugeldurchgangskanal ein und gelangt über die Kammer auf der gegenüberliegenden Seite und die Expansionskerbe zum Kältemittelanschluss. Die Expansionskerbe begrenzt den freien Durchflussquerschnitt des Ventils entlang einer zugehörigen Stellbewegung und es besteht somit die Möglichkeit der Einstellung geringster Durchflussraten und der Expansion des das Kugelventil durchströmenden Fluids. Damit wird erreicht, dass die Durchflusscharakteristik eines Kugelventils in Abhängigkeit des Stellwinkels der Welle vorteilhaft zu kleinen und kleinsten Durchflussraten hin verändert wird.

Die Durchflusscharakteristik von Kugelventilen nach dem Stand der Technik ist im Gegensatz dazu dadurch gekennzeichnet, dass bedingt durch die Konstruktionsweise des Kugelventils eine Feineinstellung der Durchflussrate wegen zu großer Auswirkung des Stellwinkels der Welle auf die Durchflussrate nur schlecht möglich ist. Bereits bei wenigen Grad Stellwinkel wird der Kugeldurchgangskanal im Ventilkörper, also der Kugel, so stark geöffnet, dass kaum Möglichkeiten zur Feineinstellung von geringen Durchflussraten möglich sind. Die Expansionskerbe erlaubt nun, die Feineinstellung der Durchflussraten durch das Kugelventil in einem Bereich des Stellwinkels beziehungsweise der Schaltstellung der Kugel zwischen 0° und 70°. Damit wird in besonders vorteilhafter Weise erreicht, dass ein Kugelventil mit der bekannten Robustheit der Ausgestaltung über diese konstruktive Lösung der Verfeinerung der Einstellbarkeit der Durchflussrate als Expansionsventil für Kältemittelsysteme einsetzbar wird. Besonders bevorzugt ist die Expansionskerbe korrespondierend bis zu einem Stellwinkel der Kugel von 65° bis 70° ausgebildet.

Die Konzeption der Erfindung besteht in erster Linie darin, dass die interne Dichtung des Kugelventils durch eine schwimmende Lagerung der Kugel zwischen zwei Kugeldichtsitzen realisiert wird, wobei die Kugeldichtsitze ihrerseits über Dichtsitzdichtungen dichtend gelagert sind.

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

Der Ventiltyp ist durch die Modifikation des Aktuators und der Kugel-Geometrie geeignet, Zwei/Zwei-, Drei/Zwei- und Vier/Zwei-Ventile zu realisieren.

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: Querschnitt durch das Ventilgehäuse eines Kugelventils und den

Ventilkörper in 100 % Durchgangsstellung;

Fig. 3: Querschnitt des Kugelventils in Expansionsstellung;

Fig. 4: Explosionsdarstellung eines Kugelventils mit seinen wesentlichen

Komponenten und

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 mit der Kugel 4 verbunden, wobei die Nase 20 in eine Eingriffskerbe 21 in der Kugel 4 eingreift. Die Eingriffskerbe 21 ist dabei in der Breite derart dimensioniert, dass die Nase 20 ein Spiel in der Kerbe hat, wodurch die Kugel 4 auf der Achse der Strömungsrichtung in gewissen Grenzen verschieblich anordenbar ausgestaltet ist, was für die schwimmende Lagerung der Kugel 4 eine vorteilhafte Ausführung darstellt. 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. In der dargestellten Ausgestaltung des Kugelventils 1 für Kältemittelsystem sind der Ein- und Auslass des Ventils als Kältemittelanschluss 15 ausgestaltet.

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 dem das Kugelventil 1 durchströmenden 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 externe Leckagerate des Kugelventils 1 .

Die Kugel 4 ist bezüglich der internen Dichtung in beziehungsweise zwischen zwei Kugeldichtsitzen 9 gelagert, wobei die Kugeldichtsitze 9 in dem Ventilgehäuse 13 und das Verschlussteil 17 jeweils über einen Dichtsitzring 10 in axialer Richtung schwimmend gelagert sind. Unter axialer Richtung wird, soweit nichts anderes bestimmt ist, die Längsachse des Ventilkörpers 13 verstanden, entlang welcher die Durchströmung des Kugelventils 1 erfolgt.

In Figur 2 und Figur 3 sind die wesentlichen Komponenten des Ventils mit den Kältemittelanschlüssen 15, dem Ventilgehäuse 13 und der Dichtsitze 9 mit zugehörigen Dichtsitzdichtungen 10 in verschiedenen Betriebssituationen, beziehungsweise Schaltstellungen, dargestellt. Figur 2 zeigt das Ventilgehäuse 13 des Kugelventils im Schnitt und der Draufsicht auf die Fluidpassage. Die Kältemittelanschlüsse 15 zu beiden Seiten der Passage können sowohl Fluideintritt als auch Fluidaustritt sein und verdeutlichen die bidirektionale Durchflussmöglichkeit für das Fluid. Das Ventilgehäuse 13 weist eine Ausnehmung in Form der Kammer 12 auf, in welcher die Kugel 4 angeordnet ist. Die Kugel 4 besitzt den Kugeldurchgangskanal 16, welcher bei entsprechender Schaltung gemäß Figur 2 den maximalen Durchflussquerschnitt durch das Ventil zeigt. Die Kugel 4 wird beidseitig von einem Kugeldichtsitz 9 dichtend gehaltert und die Kugeldichtsitze werden gegenüber dem Ventilgehäuse 13 und gegenüber dem Verschlussteil 17 jeweils durch einen Dichtsitzring 10 gedichtet und gelagert. Die Dichtsitzringe 10 werden in axialer Richtung beansprucht, worunter zu verstehen ist, dass die Dichtkraft in axialer Richtung wirkt und die Dichtsitzringe 10 jeweils zwischen zwei radiale Kreisringflächen an den Stirnseiten der Kugeldichtsitze 9 gepresst beziehungsweise vorgespannt werden. Somit erfolgt die Dichtung in axialer und radialer Richtung. Ein Kugeldichtsitz 9 wird in axialer Richtung geführt formschlüssig vom Ventilgehäuse 13 aufgenommen und der gegenüberliegende Kugeldichtsitz 9 wird in axialer Richtung geführt formschlüssig vom Verschlussteil 17 aufgenommen.

Das hohlzylindrische Verschlussteil 17 wird über ein Außengewinde in das Ventilgehäuse 13 mit einem korrespondierenden Innengewinde eingeschraubt und ist damit axial in Abhängigkeit der Gewindesteigung fein positionierbar. Über das Einschrauben des Verschlussteils 17 wird Dichtkraft auf die an den Stirnseiten der Kugeldichtsitze 9 angeordneten Dichtsitzdichtungen 10 aufgebracht. Das Verschlussteil 17 besitzt an seinem äußeren Umfang eine Verschlussteildichtung 22, welche das Verschlussteil 17 gegenüber dem Ventilgehäuse 13 dichtet. Die Anordnung der Verschlussteildichtung 22 am Umfang des Verschlussteiles 17 ermöglicht die axiale Verschiebung des Verschlussteils 17 im Ventilgehäuse 13 bei gleichzeitiger Dichtung der Teile zueinander. In der Kugel 4 ist an der Oberfläche der Kugel eine Expansionskerbe 14 ausgebildet, welche sich verjüngend vom Kugeldurchgangskanal 16 in der Drehebene der Kugel 4 entlang des Umfangs ausgebildet ist. In Figur 3 ist die Kugel 4 derart in der Kammer 12 verdreht, dass der Durchflussquerschnitt des Ventils auf einen begrenzten Bereich der Expansionskerbe 14, auch als Durchflusskerbe bezeichnet, verringert ist. Die Kammer 12 hat dabei erkennbar den Fluidsystemdruck des das Ventil durchströmenden Fluids.

Das Kältemittel in der Ventilstellung gemäß Figur 3 strömt somit von einem Kältemittelanschluss 15 über die Expansionskerbe 14 in die Kammer 12, durch den Kugeldurchgangskanal 16 hindurch zur gegenüberliegenden Kammer 12 und der Expansionskerbe 14 am anderen Ende des Kanals 16 und über diesen zum Ausgang des Kältemittelanschlusses 15 auf der anderen Seite des Ventils.

In Figur 4 ist ein Kugelventil 1 in Explosionsdarstellung gezeigt. Die Hauptkomponenten, der Stellantrieb 2, das Ventilgehäuse 13, die Welle 3 mit der Nase 20 sowie die Kugel 4 werden ergänzt durch die Komponenten der Lagerung für die Welle 3 mit dem Wellenlager 5, den 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 Verschlussteil 17 dichtend gelagert sind. Die Verschlussteildichtung 22 komplettiert die gezeigten Komponenten des Kugelventils 1 . 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 Expansionskerbe

15 Kältemittelanschluss

16 Kugeldurchgangskanal

17 Verschlussteil

20 Nase

21 Eingriffskerbe

22 Verschlussteildichtung