Regelventil für R 744-Klimasysteme

Die Erfindung betrifft ein Regelventil für das Kältemittel R 744 entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Solche Regelventile werden als Stellglieder in Kompressoren mit variablem Hub und als Expansionsorgan eingesetzt. Ventile, z. B. elektronisch steuerbare, dienen als wesentliche Stellglieder im Regelkreis des Klimasys- tems. Mit ihrer Hilfe wird der Kältemittelstrom in Abhängigkeit eines elektrischen Signals dosiert bzw. es wird eine große Druckdifferenz zwischen Ven- tilzu- und -ablauf eingestellt.

Anders als bei Klimaanlagen mit klassischen Kältemitteln, die in der Regel im unterkritischen Bereich betrieben werden, kann der R 744-Kreislauf transkritisch bei hohen Drücken betrieben werden und trotzdem kompakt bauen. Abhängig von den spezifischen Anforderungen des Klimasystems müssen die Stellglieder durch einen sehr guten Druckausgleich charakterisiert sein und nur sehr geringe innere Leckagewerte aufweisen. Daneben sollen Kennlinien an die Regelaufgabe adaptiert werden können. D.h. der beim Hub erzeugte öffnungsquerschnitt soll in Abhängigkeit vom Durchfluss - Strom entsprechend beeinflussbar sein. Unerlässlich ist, dass die verwendeten Materialien eine hervorragende Verträglichkeit mit dem Kältemittel und den verwendeten Kältemaschinenölen aufweisen.

Die hohe Drucklage bei R 744 bedingt besonders für das Expansions- ventil eine entsprechend druckfeste Auslegung aller seiner Komponenten zur Vermeidung externer Leckagen des Kältemittels. 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, prob- lematisch, da sie wegen des Eindiffundierens von R 744 zum Versagen durch explosive Dekompensation neigen.

Externe Leckagen wird durch elastomere Abdichtung nur reduziert, nicht vermieden. Ventile druckfester Magnetausführungen sind für Bremsventile bekannt. Bei konventionellen Kälteanlagen für mobile Anwendungen werden thermostatisch geregelte Expansionsventile eingesetzt. DE 103 05 947 A1 zeigt ein Schiebersitzventil in der Anwendung als

Expansionsventil für eine Klimaanlage. Das Ventil arbeitet mit einer Modifikation der Spaltgeometrie zwischen dem Ventilkolben als Schieberelement und der Kolbenführung als Sitz des Schiebers. Die Anordnung arbeitet im Wesentlichen nach dem Schieberprinzip von Ventilen, wodurch hohe Leckage- Verluste impliziert sind.

Aus der Ventiltechnik sind Sitzventile bekannt, die einen vollständigen, hermetisch dichte Absperrung eines Volumenstromes ermöglichen. Nachteilig istjedoch, dass sie für anspruchsvolle Regelaufgaben nicht ideal geeignet sind. DE 102 55 740 A1 zeigt ein direktgesteuerte proportionales Druckbegrenzungsventil, bei dem eine Betätigungsstange mit einem Dichtkörper mittels eines Ankers eines Proportionalmagneten betätigbar ist. Die Betätigungsstange ist kardanisch im Anker abgestützt und in einer gehäuseseiti- gen Führung geführt. Zwischen Der Betätigungsstange und der gehäusesei- tigen Führung sowie zwischen der Betätigungsstange und dem Anker ist ein radiales Spiel vorgesehen, wobei das erste Spiel geringer ist als das zweite Spiel. Damit wird eine Reibungsminderung durch Reduktion von Querkräften durch die exzentrische Lage der Bauteile verhindert. Die Lagerung des Dichtkörpers im Sitz erfolgt gelenkig. DE 100 27 171 A1 zeigt ein Elektromagnetventil mit einer Betätigungsstange, die einen elastischen axialen Abschnitt zwischen ihrem Befestigung an der Ankerstange und dem in einem Ventilsitz sitz angeordneten Dichtkörper. Die Befestigung ist an ihrem dem Ventilsitz zugewandten Endabschnitt in einer zusätzlichen Führungshülse spielbehaftet aufgenommen, die konzentrisch zum Ventilsitz im Ventilgehäuse angeordnet ist. Der biegeelastische Abschnitt ermöglicht dabei eine Reduzierung der Querkräfte, die

insbesondere an den Kontaktstellen des Magentankers mit dem der Ventilhülse auftreten. Eine Beeinflussung der Dichtfunktion bzw. die exakte Zentrierung oder Ausrichtung des Dichtkörpers zum Dichtsitz wird durch den elastischen Abschnitt nicht erzielt bzw. verbessert. DE 199 17 756 A1 zeigt einen Elektromagnetventil mit einer mehrteiligen Ausführung einer durch den Anker des Magneten bewegten Betätigungsstange und einem Dichtkörper des Ventils, deren Teile durch ein Gelenk gelagert sind. Zwischen der Führung und der Betätigungsstange ist ein Spiel vorgesehen, wodurch zwar eine Reibungsminderung durch Reduktion von Querkräften durch eine exzentrischen Lage der Bauteile erzeugt wird, jedoch wirkt sich diese gelenkartige Verbindung nicht auf die Dichtfunktion des Dichtkörpers und dessen Dichtsitz aus.

DE 196 25 349 A1 zeigt eine weitere gelenkartige Verbindung zwischen der Betätigungsstange und dem Anker eines magnetbetätigten Sitz- ventils. Zum Ausgleich von Passungsungenauigkeiten bezüglich der Dichtung in der Schließlage weist die Betätigungsstange gegenüber ihrer Führung im Anker ein Spiel auf.

DE 102 54 341 A1 zeigt ein Sitzventil mit einer den Ventilstößel führenden zusätzlichen Zentrierhülse, die gelenkig am Ventilsitzkörper befestigt ist. Durch diese Anordnung soll das minimale Radialspiel in der Zentrierhülse verkleinert werden. Der Ventilsitzkörper bildet mit der Innenwand der Zentrierhülse eine Gelenkverbindung, vergleichbar einem Kardangelenk, das entweder konkav oder konvex geformt ist. Auch hier ist keine Verbesserung der Dichtfunktion vorgesehen. DE 41 37 123 A1 zeigt ein Drucksteuerventil mit einem veränderbaren

Ventilöffnungsquerschnitt. Der Ventilstößel ist ebenso in einem zusätzlichen Führungsteil geführt, in dem radial beweglich angeordnete Dichtelemente vorgesehen sind, in die radial der Stößel mit Spiel geführt ist, und mit denen er ferner durch Selbstzentrierung in den Ventilsitz hineingedrückt wird.

Die aus der Ventiltechnik bekannten Sitzventile, erfüllen jedoch nicht die Regelgüte für R 744-Klimakreise. Sie können nicht mit den bei dem Klimakreislauf auftretenden hohen Drücken arbeiten.

Es ist die Aufgabe der Erfindung ein kostengünstiges Regelventil in druckfester Ausführung für das Kältemittel R 744 vorzusehen, das geringste innerer Leckagen des Dichtkörpers gegenüber seinem Dichtsitz aufweist und eine mögliche Kennlinienbeeinflussung ermöglicht. Die Aufgabe wird in Kombination mit dem Oberbegriff durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Die vorgeschlagene Ventilkonstruktion ist durch sehr geringe innere

Leckagewerte im geschlossenen Zustand charakterisiert. Externe Leckagen treten nicht auf. Dies gilt auch bei hohen Absolutdrücken und großen Druckdifferenzen.

Durch die erfinderische Anordnung wird unabhängig von der gewähl- ten Dichtkörperform und Konturierung mit dem Dichtsitz eine Selbstzentrierung der beiden Ventilbauteile erzielt. Hierzu ist im Gegensatz zum Stand der Technik nur ein einfacher Ventilaufbau mit kostengünstigen Bauteilen erforderlich. Die Zentrierung im Sitz erfolgt zum einen durch eine elastische oder montagebedingte Ausrichtung des Dichtkörpers im Dichtsitz (Materialelastizi- tat) und alternativ durch einen schwimmenden Sitz, wobei die Ausrichtung des Dichtkörpers radial zum Dichtsitz vorgesehen ist. Die elastische und montagebedingte Ausrichtung des Dichtkörpers zum Dichtsitz ist auf die zulässige Schließlage des Dichtkörpers abgestimmt. Damit erfolgt eine in radialer Richtung wirkende mechanische Entkopplung des Dichtkörpers von der Betätigungsstange. Zusätzlich ist zwischen der Führungsbohrung und der Betätigungsstange ein funktionsbedingtes Führungsspiel zum Ausgleich von Passungsungenauigkeiten vorgesehen. Dieses Spiel ist so ausgerichtet, dass die Bewegung der Stange nicht behindert wird, jedoch gleichzeitig eine Lecklage des Kältemittels R744 möglichst minimiert wird. Dadurch sind hohe Anforderungen an den Rundlauf und die Zentrizität nicht mehr erforderlich. Durch die Auslegung des Spieles zwischen Führungsbohrung und Betäti-

gungsstange weist das Ventil eine geringe Hysterese auf, da nur geringe Reibungsflächen vorhanden sind und diese optimal ausgelegt sind. Die Führung wird zudem auf eine möglichst gute Abdichtung ausgelegt, wobei eine unter Berücksichtigung des Einsatzes des Ventils als Stellglied eine mög- liehst geringe Gleitreibung der Bauteile angestrebt wird.

Dichtkörper und Sitz können konstruktiv so gestaltet werden, dass eine sehr gute Abdichtung bei vollständiger Druckkompensation sichergestellt ist, d.h. die verschiedenen Komponenten des Ventils erfahren keine zusätzliche Kraftwirkung durch eine anliegende Druckdifferenz. Die Führungsboh- rung der Betätigungsstange dichtet bei geringster Reibung bestmöglich ab, um die Aufgabe mit geringster Hysterese adäquat erfüllen zu können. Dichtkörper und Sitz zentrieren sich selbständig während des Schließens des Ventils.

Durch die Form des Dichtkörpers wird ein Dichtdurchmesser mit der entsprechenden Sitzkontur festgelegt. Durch die geometrische Gestaltung des Dichtkörpers und des Sitzes wird eine Durchflusskennlinie des Regelventils charakterisiert. Die Kennlinienanpassung der Anordnung öffnungsquerschnittes - Hub bzw. des Durchflussstromes ermöglicht es, dass das Ventil seiner Aufgabe als Regelorgan einer transkritischen R 744 - Klimakrei- ses in idealer Weise nachkommen kann. Es ermöglicht Kennlinien besonders im Bereich der Feinsteuerung bei geringen Durchflussmengen aufgabengerecht anzupassen. Hierzu bedarf es - im Gegensatz zu den bekannten Lösungen - keines zusätzlichen Schieberventils mit spezieller öffnungskontur, so dass das Ventil wegen des einfachen Aufbaues sowohl kostengünstig als auch kompakt bauen kann. Die Anpassung erfolgt nicht nur bei geringen

Durchflussmengen, sondern auch für im Regelbereich hohe Durchflüsse, die während spezieller Betriebszustände des Klimasystems unumgänglich sein können.

In einer vorteilhaften Ausführung entspricht der Durchmesser der Füh- rungsbohrung in etwa dem Wirkdurchmesser des Dichtkörpers im Dichtsitz. Damit wird neben der Abdichtung auch ein vollständiger Druckausgleich er-

zielt, welcher für die Anwendung im R 744 - Klimakreislauf notwendig ist. Durch den verbesserten Druckausgleich erfahren die verschiebbaren Komponenten des Ventils keine zusätzliche Kraftwirkung durch anliegende Druckdifferenzen. In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung taucht der

Dichtkörper vollständig aus dem Dichtsitz auf, um somit eine erheblich größere Querschnittsflächen zu öffnen. Damit wird ein breiterer Bereich deutlich höherer Durchflüsse realisiert.

Eine zusätzliche vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich dadurch, dass das Ventil unterschiedliche Durchflusskennlinien des Kältemittels aufweist. Damit können mehrere, vorzugsweise zwei Durchflusszusammenhänge in einem einzigen Ventil kombiniert werden, so dass die Kennlinien für die jeweilige Regelaufgabe optimiert werden können. Zur Gewährung der Steuerbarkeit bei sehr geringen Durchflüssen wird die Dichtgeomet- rie so ausgeführt, dass bei kleinem Hub der Betätigungsstange nur eine geringe änderung der öffnungsfläche erfolgt, - dies entspricht einem flachen Verlauf der Kurve Hub - öffnungsfläche - während das Verhältnis öffnungsfläche / Hub mit größerem Hub höhere Werte einnimmt.

Im oberen Bereich des Regelbereiches arbeitet das Ventil vorteilhaft als Drosselventil mit angenähert progressiver Kennlinie, da der wirksame Drosselquerschnitt mehr als proportional mit dem Hub des Ventils wächst. Auch der im progressiven Bereich verlaufende Kennlinenbereich erfolgt durch Anpassung der Geometrie des Dichtkörpers und des Dichtsitzes.

Zur Auslegung der Geometrie des Ventils und des notwendigen Hubes zum Auftauchen des Dichtkörpers kann der bekannte Zusammenhang auf der Basis der Durchflussgesetze für das Kältemittel R 744 in den thermody- namischen Zuständen am Ventilein- bzw. -auslauf verwendet werden. Dieser Zusammenhang beruht auf einer empirisch abgesicherten theoretischen Beschreibung des Durchflusses in Abhängigkeit von der Geometrie, so dass für eine entsprechende Geometrie des Dichtkörpers und des Dichtsitzes verschiedene Durchflussgeometrien hiervon abgeleitet werden können. Darüber

hinaus sind die Erfordernisse des Kältemittels und die für dieses verwendbare Werkstoffe einzubeziehen. Die Gestaltung von Dichtkörper und Ventilsitz wird vorteilhaft so ausgeführt, dass das Verhältnis öffnungsfläche- Hub über den Hub variabel ist. Hierzu wird vorzugsweise ein Dichtkörper mit ab- schnittsweise unterschiedlichem Kegelwinkel verwendet, alternativ hierzu können in Sitz oder Dichtkörper Konturen eingebracht werden, die vorzugsweise mechanisch (Prägen etc.) oder chemisch (ätzen etc.) aufgebracht werden.

Um die Zentrizität von Dichtkörper und -sitz sicherzustellen, weist in einer weiteren vorteilhaften Variante der Erfindung die Betätigungsstange einen in axialer Richtung sich erstreckenden elastischen Abschnitt auf, der sich zwischen dem Dichtkörper und der Betätigungseinrichtung erstreckt, damit sich der Dichtkörper im Sitz selbst zentrieren kann.

Alternativ oder zusätzlich kann in einer weiteren vorteilhaften Ausfüh- rung die radiale Ausrichtung des Dichtkörpers einen elastischen Bereich zwischen der Führungsbohrung und dem Dichtkörper aufweisen. Damit wird die Zentrizität von Dichtkörper und Sitz sichergestellt, wodurch die Selbstzentrizi- tät des Dichtkörpers im Sitz noch wesentlich verbessert werden kann. Die Führung der Betätigungsstange dichtet bei geringster Reibung bestmöglich ab, um die Aufgabe als Regelorgan mit geringster Hysterese adäquat erfüllen zu können.

Neben dem Dichtkörper kann auch in einer weiteren bevorzugten Ausführung der Dichtsitz radial elastisch verschieblich angeordnet sein. Erst bei Verschluß durch den Dichtkörper wird er anschließend radial fixiert. Der Dichtsitz wird so ausgeführt, dass der Körper selbst als Führung für den Sitz verwendet wird. Der Sitz wird dabei solange bewegt, bis eine optimale Abdichtung erreicht ist. Alternativ dazu kann der Sitz zunächst radial schwimmend ausgeführt werden, dann aber während der Montage unter ständigem Messen der Leckage in einer optimalen Position festgesetzt werden. Dieses Festsetzen erfolgt dabei so, dass dabei keine radiale Verlagerung erfolgt.

üblicherweise sind die Betätigungsstange und der Dichtkörper ein Bauteil. Der in Richtung des Zu- und Ablaufes des Ventils angeordnet Kopf der Stange ist als Dichtkörper in Form eines zylindrischen Körpers, z. B. als Nadel, als konischer Körper in Form eines Kegels mit positivem oder alterna- tiv negativem Kegelwinkels oder als Kugel ausgeführt.

Alternativ hierzu kann der Dichtkörper als separates Bauteil ausgeführt sein, welches lose mit der Betätigungsstange verbunden ist. Damit kann der Dichtkörper auch geringfügig mit radialem Spiel zum Sitz hin ausgerichtet werden. Die Betätigungsstange wirkt in diesem Falle als Stößel. Bei der Ausführung des Dichtkörpers als zylindrischer Körper, z. B. als

Nadel, wird der Dichtdurchmesser mit dem entsprechenden Sitz durch die Form bestimmt. Durch die geometrische Gestaltung von Nadel und Sitz wird, wie oben schon dargelegt, die Durchflusskennlinie charakterisiert. Die Nadel kann z.B. rein zylindrisch geformt sein oder kann alternativ an ihrer Spitze einen zusätzlichen Kegel oder -Kegelstumpf aufweisen.

Nadel und Sitz werden konstruktiv so gestaltet, dass eine sehr gute Abdichtung bei vollständiger Druckkompensation sichergestellt ist, damit keine zusätzliche Kraftwirkung durch anliegende Druckdifferenzen auftreten. Um dies zu erreichen kann das zylindrische Ende der Nadel gerundet ausge- führt sein, so das eine definierte Berührungslinie zwischen dem Dichtkörper und Sitz entsteht. Zusätzlich kann auf der Nadelspitze eine entsprechend geformter Dichtkegel angebracht werden.

In einer alternativen Variante kann als Dichtkörpers ein konischer Körper, ein Kegel, mit positivem oder alternativ dazu negativem Kegelwinkel verwendet werden. Der Dichtdurchmesser wird zusammen mit dem entsprechenden Sitz durch letzteren festgelegt. Durch die geometrische Gestaltung des Dichtkörpers und des Sitzes kann auch bei dieser Ausführung die Durchflusskennlinie beeinflusst werden. Der Kegelwinkel wird mit betragsmäßig möglichst geringen Winkel oder paraboloid ausgeführt. Die Bestimmung des Kegelwinkels erfolgt in einer Optimierungsberechnung, das eine optimale Auslegung einerseits die mögliche Selbsthemmung des Kegels ausschließt,

andererseits aber eine möglichst feine Auflösung des Signalverhaltens beim Regelprozess ermöglicht.

Das vollständige Austauchen des Dichtkegels aus seinem Sitz erfolgt vorteilhaft bei positivem Kegelwinkel, wodurch der geforderte weite Bereich mit deutlich höheren Durchflüssen erreicht wird.

Die konstruktive Gestaltung des Sitzes bei der Kegelausführung ist so gestaltet, dass eine sehr gute Abdichtung sichergestellt ist ohne das Auftreten von zusätzlichen Kraftwirkungen durch anliegende Druckdifferenzen. Dies wird dadurch realisiert, dass der Sitz verundet wird, so dass eine defi- nierte Berührungslinie zwischen Dichtkörper und Sitz entsteht. Zur Erzielung eines vollständigen Druckausgleiches wird der Durchmesser der Führung der Betätigungsstange so bestimmt, dass er dem tatsächlichen Dichtdurchmesser entspricht. Demzufolge kann auch bevorzugt bei dieser Ausführung der Sitz als separate Bauteile vorgesehen werden, bzw. die Betätigungsstange und der Dichtkegel können als verschiedene Bauteile ausgeführt werden.

Alternativ kann aber auch der Sitz als Konus aufgeführt sein, der stumpfer ist als der kegelige Dichtkörper. Damit wird ein perfekter Druckausgleich zwischen den beiden Ventilteilen hergestellt.

Zur Verbesserung der Steuerbarkeit bei niedrigen Durchflüssen weist der Dichtkegel abschnittsweise verschiedene Kegelwinkel auf. Ein spitzer Kegel ist bei kleinem Hub erforderlich, während ein stumpfer Kegel hingegen bei großem Hub erforderlich ist.

In einer weiteren vorteilhaften alternativen Ausführung kann der Dichtkörper als Kugel ausgeführt sein, wobei der Dichtdurchmeser zusammen mit dem entsprechenden Sitz durch letzteren festgelegt ist. Durch eine geometrische Gestaltung des Sitzes kann die Durchflusskennlinie beeinflusst werden. Die Kugel kann dabei entweder gegen eine Feder durch die als Stößel ausgeführte Betätigungsstange aufgedrückt werden oder die Kugel wird mit Hilfe der Kraftwirkung der Feder im geöffnetem Zustand gehalten und durch die Kraft der Betätigungseinrichtung zugedrückt. Für die optimale Durchmesserbestimmung muss einerseits eine mögliche Selbsthemmung des Dichtkör-

pers ausgeschlossen werden, andererseits aber auch eine möglichst feine Auflösung des Signalverhaltens ermöglicht werden.

Damit der Sitz den Anforderungen auf eine gute Abdichtung und auf möglichst keine zusätzliche Kraftwirkung durch anliegende Druckdifferenzen entspricht, können zwei Varianten der Dichtkontur konstruktiv realisiert werden. Zum einen kann der Sitz verrundet ausgeführt sein, so dass eine definierte Berührungslinie zwischen Dichtkörper und Sitz entsteht, zum anderen kann der Sitz scharfkantig ohne Verrundung oder kegelige Schräge ausgeführt sein. In einer ganz besonders vorteilhaften Ausführung wird das Regelventil als Magnetventil ausgeführt. Die Betätigungseinrichtung umfasst einen proportional arbeitenden Hubmagneten mit einem drückenden Ankerkolben, an dessen dem Zu- und Abfluss zugewandten Stirnseite die Betätigungsstange sich in axialer Richtung erstreckt. Es handelt sich um ein 2 / 2 Wegeventil Drosselventil, wobei der Dichtkörper sowohl in der Ausführung „stromlos offen" als auch „stromlos geschlossen" arbeiten kann.

Weitere vorteilhafte Ausführungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Zeichnung und der nachfolgenden Figurenbeschreibung. Die Erfindung wird in Form eines bevorzugten Ausführungsbeispieles mit verschiede- nen Varianten näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Querschnittsdarstellung der Erfindung

Fig. 2 zeigt ein Detail aus Fig. 1

Fig. 3 zeigt in einer Prinzipskizze die Ausführung als Nadelventil

Fig. 4 zeigt die Darstellung der Fig. 3 in einer austauchenden Position des Nadelventils.

Fig. 5 zeigt in einer Prinzipskizze die Ausführung als Kegelsitzventil mit negativem Kegelwinkel.

Fig. 6 zeigt eine Variante von Fig. 5 mit abgerundetem Sitz.

Fig. 7 zeigt in einer Prinzipskizze Kegelkonturen zur Kennlinien- beinflussung.

Fig. 8 zeigt in einer Prinzipskizze die Ausführung als Kugelventil.

Fig. 1 zeigt eine Prinzipskizze in Form eines Längsquerschnittes durch ein erfindungsgemäßes Regelventil 1 , welches als Expansionsorgan oder als Ventil eines Mehrverdampfers - Klimasystem in einer Klimaanlage Anwendung findet. Das Regelventil 1 dient dazu, den Hochdruck in einem transkriti- sehen CO ₂ Klimakreislauf in mobilen Anwendungen zu regeln. Dies geschieht dadurch, dass das Kältemittel in dem Expansionsventil 1 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 Dichtkörper 3a und Dichtsitz 3b in gewünschter Weise geöffnet bzw. geschlossen werden kann, wobei auch Zwischenpositionen analog geregelt werden können. Die nähere Beschreibung der beiden der Bauteile 3a und 3b erfolgt bei der Beschreibung der Fig. 2 bis 8. Zu- bzw. Ablauf 2 bilden jeweils die Hoch- bzw. Nied- rigdruckseite 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 rechten Bereich von Fig. 1 dargestellten, topfartigen Elektromagneten 4 mittels eines Hubkolbenankers 5 betätigt, der von einer außen angeordneten Magnetspule 6 mit Joch 24 angetrieben wird, die über ein Steckerelement 7 mit einem entsprechendem Ansteuersignal beaufschlagt werden. Der Elektromagnet 4 bildet die Betätigungseinrichtung 17 für das Ventil 1. Der Elektromagnet 4 ist von einem flussführenden Gehäuse 8 umgeben, in der eine Magnetspule 6 und das Steckerelement 7 integriert sind, mit dem der Magnet 4 bestromt wird. Das Gehäuse 8 bildet somit einen Raum, der nach innen durch eine koaxial zur Achse des Ankerkolbens 5 angeordnete topfartiges Hülse 9 abgeschlossen wird, der als Führung für die Hubbewe- gung des Ankers 5 dient, wobei das offene Ende der Hülse 9 in Richtung der Hubbewegung des Ankers 5 angeordnet ist. Der Hülsenboden ist kugelartig

ausgeführt ist. Der Elektromagnet 4 wird an seinem rechten Ende durch eine Hubbegrenzung 12 für den kugeligen Hülsenboden abgeschlossen.

Das offene Ende der Hülse 9 ist direkt auf der Aussenwandung des Steuerkonus 10 des Elektromagneten 4 befestigt, wobei der Steuerkonus 10 und der zugehörige Pol 13 wiederum Teil eines Ventilblockes 11 sind, in dem alle Ventilfunktionseinrichtungen des Expansionsventils 1 integriert sind. 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, an- ders 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 prozeßsicher durchgeführt werden kann. Der Ankerkolben 5 weist zur Druckentlastung beim Hub in axialer (18a) und radialer (18b) Richtung sich erstreckende Bohrungen auf. An der in Richtung des Steuerkonusses 10 angeordneten Stirnseite des Ankerkolbens 5 ragt in axialer Richtung eine Betätigungsstange 23 für den am anderen Ende angeordneten Dichtkörper 3a ab. Der Ventilblock weist eine axiale Durchgangsbohrung 25 auf, in die die Betätigungsstange 23 geführt ist. Zur Druckentlastung weist der Ventilblock 11 parallel zur Füh- rungsbohrung 25 eine weitere Durchgangsbohrung 21 auf.

Das Ventil 1 umfasst auf Grund seines vorgesehenen Einsatzes mehrer Abdichtungen in Form von O-Ringen. Die erste O-Ringabdichtung 14 dichtet das flussführende Gehäuse 8 gegenüber dem Ankerinnenraum des Elektromagnet 4 ab, eine weitere Abdichtung 14 die Verbindungsstelle des Gehäuses mit dem Ventilblock 11 ab, der wiederum gegenüber der Außenwelt durch eine weiteres paar von O-Ringabdichtungen 20 abgedichtet ist. Der Bereich des Ventilblockes 11 , der den Zu- und Ablauf 2 mit dem Dichtkörper 3a und dem Dichtsitz 3b umfasst, ist in Fig. 2 vergrößert dargestellt. Durch einen axialen Hub des Ankerkolbens 5 nach links wird der Dicht- körper 3a aus seinem Sitz 3b aus der dargestellten Schliesstellung für Zu- und Ablauf 2 in eine öffnungsstellung bewegt. Durch das am Steckerelement 7 anliegende Ansteuersignal kann die Durchlassmenge für das Kältemittel gesteuert werden. Gegen den durch Magnetkraft bewegte Betätigungsstange 23 wirkt eine Flachfeder 15 als Gegenkraft auf der Rückseite des Dichtkörpers 3a, die sich seitlich auf einen Einsatz 26 in dem Ventilblock 11 abstützt und somit den Dichtkörper 3a in den Sitz 3b drückt.

Aus Fig. 2 ist weiter ersichtlich, dass die Betätigungsstange 23 in ihrem Bereich kurz vor dem Dichtkörper 3a eine axiale Einschürung 22 aufweist, die aus einem elastischen Material besteht und die Zentrizität des Dichtkörpers 3a und des Sitzes 3b sicherstellt. Damit wird zwischen der Führungsbohrung 25 und der Betätigungsstange 25 ein Führungsspiel zum Ausgleich von Passungenauigkeiten bezüglich der Schließlage des Dichtkörpers 3a erzielt.

Der Dichtsitz 3b ist in der Darstellung von Fig. 2 als radiale Scheibe ausgeführt, deren axiale Ausdehnung die Dichtkontur 27 mit der des Dichtkörpers 3a umfasst, die mit dem Bezugszeichen 28 versehen ist. Der Dichtsitz 3b ist in der Darstellung von Fig. 2 als separates Bauteil ausgeführt, das radial schwimmend angeordnet ist, wodurch eine elastische oder montagebedingte radiale Ausrichtung des Dichtkörpers 3a zum Dichtsitz 3b vorgese- hen ist. Er wird damit zunächst radial mit Spiel gelagert und anschließend bei Verschluß durch den Dichtkörper 3a radial fixiert.

Der Dichtkörper 3a hat in Fig. 2 die Form eines Kolbens mit einer in Richtung zum Dichtsitz 3b hin verlaufenden kegeligen stumpfen Spitze 29, gegen das das Ende der Betätigungsstange 23 drückt, wobei die Kegelspitze 29 durch die Flachfeder 15 in den Sitz 3b und gegen die Magnetkraft ge- drückt ist, so dass Zu- und Ablauf 2 unterbrochen sind.

Neben der in Fig. 2 dargestellten Kegelformen des Dichtkörpers 3a sind in den Fig. 3 bis 8 weitere Varianten des Dichtkörpers und des zugehörigen Dichtsitzes 3b dargestellt. Zur Vereinfachung sind lediglich Prinzipskizzen der unterschiedlichen Gestaltung des Dichtkörpers 3a dargestellt, wobei gleiche Funktionen mit denselben Bezugszeichen versehen sind.

Fig. 3 zeigt die Variante des Dichtkörpers 3a als zylindrischer Körper, der als Nadel 30, die - durch ihre Form bedingt - einen Dichtdurchmesser 38 (siehe auch Fig. 8) mit dem entsprechenden Dichtsitz 3b festlegt. Die Nadel 30 weist an ihrer Spitze einen zusätzliche Kegelstumpf 31 auf, wodurch die Durchflusskennlinie des Ventils 1 charakterisiert werden kann. Die Dichtkontur 27, 28 sowohl des Dichtköpers 3a als auch die des Sitzes 3b verlaufen parallel, so dass bei Verschluss eine vollständige Berührung der beiden Konturen sichergestellt ist.

Die Nadel 30 ist als separates Bauteil von der in Fig. 3 nicht darge- stellten Betätigungsstange 23 getrennt, die in diesem Falle wie ein Stößel 40 (siehe auch Fig. 8) auf das rückwärtige Ende der Nadel 30 bei Aktivierung wirkt. Als Gegenkraft für die magnetische Krafteinwirkung auf die Nadel 30 ist jedoch - im Gegensatz zu der Darstellung aus Fig. 1 und Fig. 2 - eine Druckfeder 32 vorgesehen, die am rückwärtige Ende der Nadel 30 an einer Halte- rung 33 koaxial um die Nadel 30 angeordnet ist und sich in einer axialen Ausnehmung 34 der Führungsbohrung 25 abstützt.

In Fig. 4 zeigt die Ausführung von Fig. 3 mit einer stumpfen Nadelspitze, wobei die Nadel 30 vollständig aus dem Sitz 3b ausgetaucht ist, wodurch eine erheblich größere Querschnittsfläche eröffnet wird. Der Durchmesser der Führungsbohrung 25 ist nahezu gleich dem Dichtdurchmeser 38 am Sitz 3b.

In Fig. 5 bis Fig. 7 zeigen Prinzipskizzen des Dichtkörpers 3a mit seinem Sitz 3b als ein konischer Körper, wobei der Dichtdurchmesser 38 (siehe Fig. 8) zusammen mit dem entsprechenden Sitz durch den Sitz 3b festgelegt ist. Durch die geometrische Gestaltung des Dichtkörpers 3a und des Sit- zes 3b wird die Durchflusskennlinie beeinflusst.

Der Dichtkörper 3a in Fig. 5 ist, wie die Darstellung in Fig. 2 als Kegel 35 ausgeführt, hier jedoch mit negativem Kegelwinkel, wobei der Kegel 35 mit einem betragsmäßig geringen Winkel ausgeführt ist.

Zur Verbesserung der Abdichtung weist, wie in der Prinzipskizze von Fig. 6 argestellt ist, der Sitz 3b eine Verrundung 36 seiner Dichtkontur 27 auf. Er ist - wie schon in der Beschreibung der Fig. 2 erwähnt, als separates Bauteil ausgeführt, das in den Flachfedereinsatz 26 (siehe Fig. 2) eingesetzt ist und radial mit Spiel gelagert ist.

In der Fig. 7 ist in der linken Darstellung eine Dichtkörper / Dichtsitz Anordnung mit gekrümmter Kontur 27, 28 sowohl für den Dichtkörper 3a als auch für den Dichtsitz 3b skizziert, wobei die Krümmung zwischen beiden Konturen unterschiedlich ist. Die rechte Darstellung zeigt eine Anordnung einer Dichtkörperkontur 27 mit unterschiedlichen Steigungen, die gegen eine rechtwinkelige Dichtsitzkante 38 stößt. Damit wird bei sehr kleinen Durch- flüssen bei kleinem Hub nur eine geringe änderung der öffnungsfläche und damit ein flacher Verlauf einer Kurve der Hub - öffnungsfläche erzielt, während das Verhältnis mit größerem Hub höhere Werte annimmt.

In der Prinzipskizze nach Fig. 8 wurde als Dichtkörper 3a eine Kugel 39 verwendet, wobei der Dichtdurchmesser 38 zusammen mit dem Dichtsitz 3b durch letzteren festgelegt ist. Zur Erzielung eines vollständigen Druckausgleiches entspricht der Durchmesser der Führungsbohrung 25 dem des Dichtdurchmessers 38. Wie bei der Darstellung von Fig. 6 ist der Sitz 3b als separates Bauteil vorgesehen. Die Betätigungsstange 23 weist an ihrem der Kugel 39 zugewandten Ende einen Stößel 40 auf, so dass der Dichtkör- per 3a und die Betätigungsstange 23 unterschiedliche Bauteile sind.

Die Erfindung wurde an Hand eines als Betätigungseinrichtung wirkenden Elektromagneten erläutert. Neben dieser Form der Aktivierung gehört auch die Aktivierung durch andere Arten von Aktoren zu der Erfindung. Sie ist nicht auf die oben beschriebenen Ausfϋhrungsbeispiele beschränkt, son- dem im Rahmen der Offenbarung vielfach variabel. Alle neuen, in der Beschreibung und /oder der Zeichnung offenbarten Einzel- und Kombinationsmerkmale werden als erfindungswesentlich angesehen.