Expansionsventil für eine Klimaanlage

Die Erfindung betrifft Expansionsventil für Kältemittel eines Klimakreislaufs einer Klimaanlage für mobile Anwendungen wie einem Kfz entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1. In einem typischen Klimakreislauf mit dem Kältemittel R 744 für mobile Anwendungen wie beispielsweise bei einem Kfz, wird ein Kältemittel auf CO ₂ Basis mit der Bezeichnung R 744 vom Niederdruckbereich auf den Hochdruckbereich von über 100 bar verdichtet und durchströmt anschließend in transkritischem Zustand einen ex- ternen Wärmetauscher, in dem zuströmende Luft für Abkühlung des Kältemittels sorgt. Vor Eintritt in ein Expansionsorgan kühlt ein innerer Wärmetauscher das Fluid weiter ab. Das Expansionsorgan besteht aus einem thermostabilen Expansionsventil, in dem durch den Drosselvorgang die Reduktion des Fluiddruckes erfolgt. In einem anschließenden Verdampfer nimmt das Kältemittel Wärme aus der in den Innenraum des Kfz strömenden Luft auf.

R 744, im überkritischen Bereich betrieben, weist eine dreimal höheren Druckbereich auf als das herkömmliche Kältemittel R 134a, das auf Grund seines hohen Treibhauspotentials durch R 744 substi- tuiert werden soll, da letzteres im Bezug auf die Schädigung der O- zonschicht aufkommensneutral ist.

Die hohe Drucklage bei R 744 bedingt für das Expansionsventil eine entsprechend druckfeste Auslegung aller seiner Komponenten zur Vermeidung externer Leckagen des Kältemittels und des re- sultierenden Druckabfalls. Hierzu werden in anderen Anwendungen als R 744 üblicherweise Abdichtungen aus elastomeren Material in Form von O- Ringen verwendet. Die Verwendung von Kunstoffen und Elastomeren ist aber für Bauteile, die in Berührung mit R 744 stehen, problematisch, da sie wegen ihrer Lösungseigenschaften für R 744 zum Versagen durch explosive Dekompensation neigen.

Expansionsventile können in Cartridge-Bauweise ausgeführt werden. Ein solches Cartridge-Ventil wird über separate Dichtelemente in einem separaten Block abgedichtet. Als weitere Ausführungsform sind Ventile bekannt, die mit einem dichtenden Klebstoff in einen separaten Ventilblock, der die entsprechenden Anschlüsse enthält, eingeschraubt werden. Die Abdichtung im Blockinneren zwischen Hoch- und Niederdruckseite übernimmt ein spezielles Dichtelement.

Bei mobilen Anwendungen wie bei einem Kfz sind für das Käl- temittel CO ₂ zusätzlich passive Sicherheitsmassnahmen vorzusehen, die ein unkontroliertes Austreten des Kältemittels verhindern. Ein unkontrolliertes Freisetzen des Kältemittels R 744 in hohen Konzentrationen in die Fahrgastzelle kann beispielsweise zur Schädigung bzw. zu gesundheitlichen Beeinflussungen von Insassen führen. DE 103 05 947 A1 zeigt ein gattungsgemässes Expansionsventil für ein Kältemittel zur Regelung des Hochdruckes einer Klimaanlage. Das Ventil ist als Cartridgeventil aufgebaut und arbeitet als Schiebersitzventil, bei welchem innere Leckagen nicht vollständig vermieden werden können. Der Ventilkörper weist eine druckdichte Umhüllung auf, Zu - und Ablauf des Ventils müssen jedoch im zusätzlich erforderlichen Ventilblock gegeneinander abgedichtet werden. Um externe Leckage gegenüber der Außenumgebung reduzieren zu können, vollständig vermieden werden können diese mit der in DE 103 05 947 A1 vorgeschlagenen Lösung kaum, sind weitere Dichtvorrichtungen unerlässlich. Eine Sicherheitsfunktion für einen Ablauf des Kältemittels im Falle eines unfallbedingten Crashes ist nicht vorgesehen.

DE 102 19 667 A1 zeigt ein weiteres Expansionsventil für das Kältemittel R 744, in dem die Ventilteile in einer als Schraubhülse genannten Ventilhülse integriert sind. Die Schraubhülse ist von ei-

nem Ventilblock umgeben, in dem Kanäle für den Zu- und Abfluss abgeordnet sind. Durch die Schraubhülse entstehen zusätzliche abzudichtende Leckagestellen. Auch bei dieser Anordnung ist keine Sicherheitsfunktion für den Ablauf des Kältemittels im Falle eines unfallbedingten Crashes vorgesehen.

DE 196 46 849 C1 zeigt eine außerhalb der Fahrgastzelle angeordneten Notablassvorrichtung für eine Klimaanlage eines Kfz bei einem crashbedingten Unfall. Die Vorrichtung ist in Form eines Dor- nes ausgeführt, der im Crashfall eine öffnung des Kältekreises zum Auslass des Kältemittels erzeugt. Ferner wird vorgeschlagen, dass die Klimaanlage jeweils an den einzelnen Baugruppen ein separates Ablassventil aufweist, das über sicherheitsrelevante Sensoren aktiviert werden kann.

Eine weitere Notablassvorrichtung zeigt DE 102 41 367 A, die zur Auslösung des Kältemittelablaufes einen pyrotechnischen Aktor verwendet.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein kostengünstiges, kompaktes Expansionsventil in druckfester Ausführung mit äußerst geringer Leckage mit einer zusätzlichen Sicherheitseinrichtung vorzu- sehen. Die Aufgabe wird in Kombination mit dem Oberbegriff durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Bei Klimasystemen für mobile Anwendungen ist die Vermeidung externer Leckage ein wesentliches qualitatives Unterscheidungsmerkmal. Zu diesem Zweck wird die Anzahl der abzudichten- den Stellen so gering wie möglich gehalten. Dies ist bei Anwendungen für das Kältemittel R 744 besonders wesentlich, da neben den bekannten elastomeren Abdichtungen nur sehr aufwendige Alternativen (metallische Abdichtungen etc.) in Betracht kommen. Deshalb wird vorgeschlagen, um die Schwierigkeiten beim Einsatz von Kunst- Stoffen und Elastomeren für die mit dem Kältemittel R 744 beauf-

schlagten Teile zu umgehen, bei der erfindungsgemäßen Lösung nicht nur die Anzahl der abzudichtenden Stellen durch Funktionsintegration zu reduzieren, sondern generell eine komplette Abdichtung sowohl nach Innen als auch extern herbeizuführen. In diesem Sinne übernimmt der Ventilblock selbst die Funktion eines nach dem Stand der Technik vorzusehenden Dichtelementes zwischen der Hoch- und einer Niedrigdruckseite des Expansionsventils. Das Einschrauben des Ventils mit einer zeitaufwendigen Verklebung, die zudem durch hohe Anforderungen an die Sauberkeit des Gewindes stellt, entfällt völlig.

Externe Leckage wird zuverlässig vermieden, da Dichtelemente - außer für die unvermeidbaren Leitungsanschlüsse für das Kältemittel überflüssig sind. Der Raum, in welchem sich das Kältemittel befindet, ist durch die stoffschlüssige Verbindung von Polrohr und Block gasdicht nach außen. Neben einer Kostenersparnis bietet die Ausführung des Ventils als Blockventil mit einer geringeren Anzahl an Bauteilen einen Marktvorteil aufgrund einer möglichen Integration zusätzlicher Funktionen.

Das erfindungsgemäße Ventil ist als Blockventil ausgeführt, wodurch ein separater Ventilblock entfallen kann, um kompakte Gesamtabmessungen zu erreichen. Durch die direkte Integration der Ventilbauteile in den Ventilblock wird die Anzahl der Bauteile reduziert ohne an Funktionalität insgesamt einzubüßen.

In dem Ventilblock ist zusätzlich zur Erhöhung der passiven Sicherheit eine Vorrichtung zum Ablassen des Kältemittels eingebaut. Durch eine gezielte öffnung des Ventilblockes selbst kann das Kältemittel aus dem Klimakreislauf entweichen. Zusätzliche spezielle Sicherheitseinrichtungen wie Ablassventile oder ähnliches an Bauteilen sind nicht mehr erforderlich. Indem die für den Kreislauf notwen- dige Sicherheitsfunktionalität unmittelbar durch das Expansionsventil

übernommen wird, entfallen weitere Baugruppen für den Klimakreislauf. Vor der Auslösung der Notablaßvorrichtung ist der druckdichte Raum, in dem das Kältemittel unter hohem Druck zirkuliert, vom äußeren des Klimasystems getrennt. Dies ist auch für Kältemittel ge- währleistet, die eine hohe Permeationsneigung aufweisen. Die vorgeschlagene Notablassvorrichtung ist eine Sicherheitseinrichtung und löst demzufolge schnell aus.

Die zusätzliche Sicherheitseinrichtung in Form der Notablassvorrichtung kommt ohne zusätzliche Verbindungsstellen aus. Zusätz- liehe Abdichtmaßnahmen sind nicht erforderlich.

Vorteilhaft ist die Notablassvorrichtung außerhalb der Fahrgastzelle des Kfz angeordnet, damit das Kältemittel im Notfall außerhalb dieser Zelle abgelassen wird, da, wie erwähnt, insbesondere das Kältemittel R 744 in hohen Konzentrationen die Gesundheit und die Sicherheit der Passagiere im Fahrgastraum beeinträchtigen könnte.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird die Notablasvorrichtung durch ein unfallbedingtes Ereignis ausgelöst. Die Vorrichtung weist hierzu einen Auslösestift auf, der im Auslösfall durch einen Aktor, der elektromagnetisch, pyrotechnisch, mechanisch und / oder manuell betätigbar ist, wirkt und der beispielsweise mit dem Auslösemechanismus des Airbags, der Sicherheitsgurte, einer aktiven Kopfstütze oder anderen Sicherheitsvorrichtungen, kombinierbar ist und deren Auslösesignal nutzen kann. Der Aktor liegt Vorzugs-, aber nicht notwendigerweise außerhalb des Druckraumes, in dem sich das Kältemittel befindet. Die definierte öffnung des Systems erfolgt im Falle der Havarie, indem der Aktor beispielsweise durch ein elektrisches Signal, einen Auslösestift bewegt. Das Auslösesignal kann auch von einem Sensor im Inneren des Fahr-

gastraumes generiert werden, sofern eine kritische Konzentration des Kältemittels festgestellt wird.

Die Notablassvorrichtung kann reversibel oder irreversibel ausgeführt werden, wobei bevorzugt der oben schon erwähnte zu- sätzliche elektromagnetische Aktor für die reversible Lösung in Frage kommt, während die irreversible Ablassvorrichtung bevorzugt mit Hilfe des pyrotechnischen Aktors oder ebenfalls eines elektromagnetisch betätigten Aktors bedient werden würde.

über die reversible Vorrichtung kann da Kältemittel nicht nur abgelassen werden, sondern auch in den Kältekreislauf durch eine zusätzliche (Nach-) Fülleinrichtung ein- bzw. nachgefüllt werden. Eine gezielte öffnung der Aussenwandung, durch welche das unter Druck stehende Kältemittel entweichen kann, erfolgt durch Verschieben eines Dicht- oder Sitzkörpers, vorzugsweise einer Kugel, die sich im nicht ausgelösten Zustand in der Dichtposition befindet. Sie wird darin - vorzugsweise durch Selbsthaltung, d. h. durch Reib- oder alternativ durch Federkraft - gehalten. Bei Auslösung wird der Sitzkörper mit Hilfe eines Stößels, der von dem Aktor betätigt wird, aus seinem Sitz bewegt und gibt so den Weg des Kältemittels aus dem Klimakreislauf nach außen frei. Der Sitz ist so ausgeführt, dass die Kugel bei überdruck im Kreislaufinneren in den Sitz gedrückt wird und auf diese Weise den Druckanforderungen entspricht. Gegen möglichen Unterdruck im Kreisinneren muss der Kugelsitz gesichert sein, vorzugsweise durch Selbsthemmung der Kugel in einem kegel- förmigen Sitz mit kleinerem Kegelwinkel.

Durch Zerstören vorzugsweise eines Teils der Aussenwandung wird eine öffnung zum Ablassen des Kältemittels erzeugt, dies ist irreversibel. Dabei kann das Ablassen des Kältemittels durch ein gezieltes öffnen an einer dafür vorgesehenen Sollbruchstelle reali-

siert werden, vorzugsweise eine Berstscheibe oder eine für denselben Zweck präparierte Stelle der Außenwand.

Alternativ kann die öffnung durch das Durchstechen der Aus- senwandung mit einem Dorn oder einem Hohlkörper, vorzugsweise einer Hohlnadel, erfolgen, so dass das Kältemittel durch das Innere des Hohlkörpers mittelbar entweicht. Der hohle Körper öffnet eine hierfür lokal präparierte Stelle in der Außenwand. Dies kann eine diskontinuierliche Wandstärkeverteilung sein, ein besonderer Einsatz in der Aussenwandung, der den Druckraum im nicht ausgelösten Zu- stand selbst abdichtet oder mit der Hilfe einer Membran oder eine Kombination beider Lösungen. Als Beispiele solcher Einsätze eignen sich Metallschäume mit vorzugsweise porenfreier Oberfläche aus demselben Werkstoff oder ebenfalls eine Membran, die den Druckraum abdichtet und durch ein spezielles Bauteil aus Schaum (Metall, Kunststoff etc.), Keramik oder Kunststoff abgestützt wird.

Alternativ zum Durchstechen der Membran mit einem Hohlkörper kann die Membran eine öffnung der Aussenwandung auch dadurch bewirken, dass sie selbst zum Brechen oder Zerreißen gebracht wird und auf dies Weise das Kältemittel ausströmen lässt. Das erfindungsgemäße Ventil wird vorzugsweise elektromagnetisch betätigt. Die Ventilfunktion weist hierzu einen Steuer- oder Ventilschieber auf, der durch den Anker eines Elektromagneten betätigt wird und der direkt im Block bewegt wird, der auch alle externen Anschlüsse für den Zu- und Abfluss des Kältemittels umfasst. Der Polkern und der Konus des Elektromagneten sind in der Ausführung direkt in den Ventilblock eingearbeitet.

Um sicherzustellen, dass im Bereich des Elektromagneten oder eines anderen Betätigungseinrichtung für das Ventil keine externe Leckage auftritt, wird die als Hülse bezeichnete druckfeste Umhüllung des Magneten unmittelbar mit dem Steuerkonus des An-

kergegenstückes des Magneten gefügt. Dies erfolgt vorzugsweise stoffschlüssig, etwa durch Schweißen. Damit wird dieser Teil des Ventils druckfest und leckagefrei abgeschlossen. Ferner kann auf diese Weise auf die elastomere Abdichtung des Ankerraumes mittels O-Ringe verzichtet werden, so dass die Montage vereinfacht werden kann. Das dem Ventilblock abgewandte Ende dieser Hülse ist vorzugsweise halbkugelig ausgeführt, um die Druckanforderungen zu erfüllen.

Der Ventilblock ist fest und leckagefrei mit der Umhüllung des Ventils verbunden ist. Zur Vermeidung einer weiteren Schnittstelle zwischen Umhüllung und Ventilblock können beide Teile auch alternativ aus einem einzigen Block bestehen. Wenn der Ventilbock aus unmagnetischem Material hergestellt wird, muss der Steuerkonus zur Magnetflussführung aus magnetisierbarem Material als separates Teil hergestellt werden. Er wird in diesem Fall vorzugsweise metallisch dichtend mit dem Ventilblock gefügt.

Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und den in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen. Fig. 1 zeigt einen Längsquerschnitt durch das erfindungsgemäße Expansionsventil mit Notablassvorrichtung.

Fig. 2 bis 6 zeigen verschiedene Varianten der Notablassvorrichtung.

Fig. 1 zeigt eine Prinzipskizze in Form eines Längsquerschnit- tes durch ein erfindungsgemäßes Expansionsventil 1, welches als Expansionsorgan in einer Klimaanlage Anwendung findet. Es dient dazu, den Hochdruck in einem transkritischen CO ₂ Klimakreislauf in mobilen Anwendungen zu regeln. Dies geschieht dadurch, dass das Kältemittel im Expansionsventil gezielt auf einen niedrigeren Druck

gedrosselt wird (Expansionsorgan). Der innere Druck des Kältemittels wird dabei in einer isenthalpen Expansion reduziert.

Das erfindungsgemäße Ventil 1 weist einen Zu- und einen Ablauf 2 in Form von Kanälen auf, deren Verbindung über einen Ventilschieber 3 in gewünschter Weise geöffnet bzw. geschlossen werden kann. Auch Zwischenpositionen können analog geregelt werden. Der Zu- bzw. Ablauf 2 bildet jeweils die Hoch- bzw. Niedrigdruckseite des Ventils 1 , je nach Richtung des Kältemittels. Da das Ventil bidirektional durchströmt werden kann, weisen der Zu- und der Abfluss 2 jeweils dieselben Bezugszeichen auf. Die Drosselung des Kältemittels erfolgt im Ventilinneren.

Die Ventilfunktionen werden elektromagnetisch durch einen im oberen Bereich von Fig. 1 dargestellten, topfartigen Elektromagneten 4 mittels Magnetanker 5 betätigt, der von einer außen angeord- neten Magnetspule 6 mit Joch 24 angetrieben wird, die über ein Steckerelement 7 mit einem entsprechendem Ansteuersignal beaufschlagt werden. Der Elektromagnet 4 ist von einem Gehäuse 8 umgeben, in der die Magnetspule 6 und das Steckerelement 7 integriert sind. Das Gehäuse 8 bildet somit einen Raum, der nach innen durch eine koaxial zur Achse des Ankers 5 angeordnete topfartiges Hülse 9 abgeschlossen wird, der als Führung für die Hubbewegung des Ankers 5 dient, wobei das offene Ende der Hülse 9 in Richtung der Hubbewegung des Ankers 5 angeordnet ist und der Hülsenboden die hinter Hubbegrenzung bildet und kugelartig ausgeführt ist. Das offene Ende der Hülse 9 ist direkt auf der Aussenwan- dung des Steuerkonus 10 des Elektromagneten 4 befestigt, wobei der Steuerkonus 10 und der zugehörige Pol 13 wiederum Teil eines Ventilblockes 11 ist, welcher im unteren Bereich von Fig. 1 dargestellt ist. In dem Ventilblock 11 sind alle Ventilfunktionseinrichtungen des Ventilteiles des Expansionsventils 1 wie den Schieber 3, den Zu-

bzw. Ablauf 2 und zusätzlich eine Notablaufvorrichtung 12 integriert, die weiter unten noch näher beschrieben wird. Steuerkonus 12 und Pol 13 bilden somit einen Adapter für den Ventilblock 11. Wenn der Ventilblock 11 aus einem nichtmagnetischen Material hergestellt wird, muss der Konus 12 aus magnetisierbarem Material und, anders als in Fig. 1 dargestellt, als separates Teil hergestellt sein. Er wird dann mit dem Ventilblock 11 gefügt und separat abgedichtet.

In der Darstellung von Fig. 1 sind die Hülse 9 des Elektromagneten 4 und der Ventilblock 11 als separate Bauteile ausgeführt, die über eine Verbindungsstelle druck- und leckagefrei gefügt sind. Alternativ können beide Bauteile auch als ein kompaktes einheitliches Bauteil ausgeführt werden, welches keine Verbindungsstelle erforderlich macht.

Die Verbindung zwischen Hülse 9 und Steuerkonus 10 erfolgt vorzugsweise stoffschlüssig. Damit wird nicht nur ein druckfester Ankerinnenraum erzeugt, sondern auch ein sicher extern leckagefreier Ventilinnenraum. Auf diese Weise kann auf eine - zusätzliche, beispielsweise elastomere - Abdichtung des Ankerraumes mittels O- Ringen verzichtet werden, so dass die Montage vereinfacht und pro- zeßsicher durchgeführt werden kann.

Der Ventilschieber 3 ist in einer in Fig. 1 dargestellten axial senkrechten Bohrung 16 angeordnet. Durch die senkrechte Hubbewegung des Ankers 5 nach oben wird der Ventilschieber 3 aus der dargstellten Schliesstellung für den senkrecht dazu angeordneten Zu- und Ablauf 2 in eine öffnungsstellung bewegt. Durch das am Steckerelement 7 anliegende Ansteuersignal kann die Ventilschieberbewegung und damit die Durchlassmenge für das Kältemittel gesteuert werden. Gegen den durch Magnetkraft bewegten Ventilschieber wirkt eine Feder 15 als Gegenkraft, die mit ihrem oberen Ende gegen den Ventilschieber 3 wirkt und an ihrem entgegen ge-

setztem Ende sich am unteren Boden der Bohrung 16 abstützt. Damit wird ein Kräftegleichgewicht zwischen der im Wesentlichen wirkenden Magnetkraft und der Federkraft erzeugt.

Zur Verringerung der Druckkräfte auf den Ventilschieber 3, können Kanäle, öffnungen oder Bohrungen auf dem bzw. im Schieber 3 angeordnet sein.

Die erfindungsgemäße Notablassvorrichtung 12 ist in der Darstellung von Fig. 1 in dem Ventilblock 11 integriert. Die Vorrichtung 12 umfasst einen zusätzlichen Aktor 19, der beispielsweise durch ein Signal, das durch Sensoren im Fahrzeug im Crash- oder Havariefall erzeugt wird, aktiviert wird. Der Ventilblock weist hierzu einen nach außen abgedichteten Kanal 17 auf, der in Fig. 1 parallel zu dem Zu- oder Ablauföffnungskanal 2 verläuft, und in den Ventilinnenraum mündet, in dem sich das Kältemittel befindet. In der Dar- Stellung von Fig. 1 mündet der Kanal 17 in der Ventilschieberbohrung 16. Die Mündungsstelle ist im Normalbetrieb des Ventils 1 durch einen Verschluss 18 verschlossenen. Im Notfall wird der Verschluss 18 durch einen am Aktor 19 befestigten Stößel 14 aus seiner Verschlussstellung in eine öffnungsstellung geschoben. Das Kälte- mittel kann so durch den Kanal 17 aus dem Ventilinnenraum in einen außerhalb der Fahrgastzelle angeordneten Tank oder ins Freie abfließen.

Der Verschluss 18 der Notablassvorrichtung 12 kann reversibel und nichtreversibel ausgeführt werden, wobei Fig. 2 ein Ausfüh- rungsbeispiel für die reversible Ausführung zeigt. Der Verschluss 18 der Fig. 1 ist in der Darstellung von Fig. 2 als Sitz- oder Dichtkörper in Form einer Kugel 20 ausgeführt, die durch die Stößelbewegung des Aktors 19 aus ihrer Sitz- oder Verschlussstellung in die öffnungsstellung gebracht wird. Zur besseren Zentrierung der Kugel 20 ist deren Lagerstelle im Ventilblock 11 kegelförmig gestaltet, dessen

Kontur in Richtung zum Ventilinnenraumes sich öffnet, so dass auf Grund der Druckdifferenz zwischen dem Ventilinnenraum und außen die Kugel 20 von selbst in ihrem Sitz zentriert ist.

Bei der irreversiblen Ausführung der Notabassvorrichtung 12 nach den Fig. 3 bis 6 ist der Stößel 14 des Aktors 19 als Hohlnadel 21 ausgeführt, deren Spitze durch die Betätigung des Aktors 19 die Außenwand den Ventilblock 11 zum Ventilinnenraum durchstößt. Das Kältemittel kann somit durch das Innere der Hohlnadel 21 abfließen. Durch die Ausführung als Hohlnadel 21 kann der Kanal 17 mit dem Stößel 14 leckagefrei abgedichtet werden. Die Durchstoßstelle der Hohlnadel 21 kann, wie dies die Ausführung in Fig. 4 zeigt, durch eine diskontinuierliche Wandstärkeverteilung des Ventilbockes 11 an der Stelle ausgeführt werden. Damit wird eine Sollbruchstelle für den Ablauf des Kältemittels realisiert. Fig. 5 zeigt die SoII- bruchsteile als Schaumeinsatz 22 in der Aussenwandung des Ventilblockes 11. Zur Vermeidung von Leckagen bzw. Druckverlusten aus dem Ventilinnenraum kann die Sollbruchstelle im abgedichteten Zustand, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist, zusätzlich durch eine Membran 23 abgestützt werden.