Längsschieberventil, insbesondere für die Verwendung von transkritischen CO ₂ (R 744) Klimakreisläufe

Die Erfindung betrifft ein Längsschieberventil gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Für bestimmte Anwendungsfälle, wie z. B. bei Klimaanlagen mit dem Kältemittel R 744, werden angesteuerte Regelventile benötigt, die gleichzeitig gute regelungstechnische Eigenschaften und eine sehr gute Abdichtung für bestimmte Betriebspunkte aufweisen. R 744 ist die Bezeichnung für ein Kältemittel auf der Basis von CO ₂ . Das Kältemittel R 744 verhält sich, abgesehen von Kurzzeiteffekten umweltneutral, es weist ein sehr geringes Ozonabbaupotential bezüglich der Erdatmosphäre aus und zeichnet sich durch ein sehr geringes Treibhauspotential aus.

Regelventile werden als Flach-, Dreh- und Längsschieberventile ausgeführt, die ein gutes Regelverhalten aufweisen. Sie sind in der La- ge, hohe Drücke und große Volumenströme bei kleinem Bauvolumen und mit relativ geringem Aufwand zu bewältigen. Nachteilig ist jedoch, dass sie auf Grund von unvermeidbaren Spalten zwischen dem Kolbenschieber und dem Führungszylinder des Ventils hohe Leckageströme aufweisen, die abgeführt werden müssen. Um der Forderung nach ge- ringster Leckage nachkommen zu können, werden in einem transkritischen R 744 Klimakreislauf häufig reine Sitzventile oder kombinierte Schiebersitzventile projektiert, da mit reinen Schieberventilen Forderungen nach geringster interner Leckage für diese Anwendung unerreichbar scheinen.

DE 103 05 947 A1 zeigt ein Schieberventil als Expansionsorgan zur Regelung des transkritischen Bereiches einer Klimaanlage mit dem Kältemittel R 744, welches unvermeidbar durch interne Leckage charakterisiert ist. DE 34 46 384 C2 beschreibt ein Flachschieberventil als Schaltventil, wobei ein Fluidstrom mit Hilfe eines kippenden Rohres zwischen zwei Anschlüssen geschaltet wird. Das Kipprohr wird mittels eines Flachschiebers betätigt.

DE 40 27 610 C2 offenbart ein Schaltventil mit einem zweiteiligen ebenen Ventilschieber, bei dem die beiden Teile elastomer gegeneinander abgedichtet sind. Der Schieber wird zwischen zwei Dichtflächen bewegt.

DE 38 20 525 C2 zeigt einen Luftverteiler mit einem als verschiebbare Folie gestalteten Flachschieber, der seitlich zu seiner An- Strömrichtung gelagert ist. Die Folie wird mit erheblichem Spiel geführt.

DE 43 04 440 B4 zeigt ein Ventil mit zwei Gehäuseteilen, das zwei öffnungen für die Zu- und Ableitungen eines Fluids aufweist. Quer zur Strömungsrichtung des Fluids wird ein dünner Folienschieber in Form einer Platte bewegt. Der Plattenschieber weist quer zur Durch- Strömrichtung des Fluids Durchlassöffnungen für den Durchlass oder die Sperrung des Fluids auf. Der Folienschieber ist mit einem zusätzlichen Distanzstück in einer Ebene mit dem Schieber zwischen den beiden Gehäuseteilen angeordnet.

DE 44 16 056 C2 zeigt ein Schieberventil mit einem in Axialrich- tung beweglichen flachen Folienschieber, der als dünnes Blech ausgeführt ist. Je nach angefahrener Schieberposition werden ein oder mehrere druckbeaufschlagte Zu- bzw. Abflüsse durch Schaltabschnitte auf dem Flachschieber teilweise oder ganz freigegeben.

DE 35 34 460 zeigt ein Hochdruckventil mit einem Kanal, in dem ein seitlicher Einlass mündet und der einen axial über den Einlass verschiebbarem Ventilschieber enthält. Zur besseren Abdichtung bei hohem Mediendrücken weist der Schieber einen einstückig angeformten rohrförmigen Abschnitt auf, der radial gegen die Wand des Kanals drückt. Die Dichtwirkung wird dabei druckabhängig vergrößert.

Der Erfindung liegt die Aufgabenstellung zugrunde, ein Längsschieberventil in nahezu leckagefreier Ausführung anzugeben, das gegenüber dem bekannten Anordnungen ein verbessertes Regelverhalten aufweist und auch für den Einsatz im Hochdruckbereich und insbesondere in transkritischen R 744 Klimakreisläufen geeignet ist. Die Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Schieberventil vereint zwei positive Ei- genschaften: Die Vermeidung einer inneren Leckage im geschlossenen Zustand der Anschlussöffnungen und gleichzeitig ein verbessertes Regelverhalten durch die weitgehend freie Gestaltbarkeit von Durchfluss - Hub - Kennlinien. Hierzu bedarf es keines zusätzlichen Sitzkörpers. Mit Hilfe eines elastisch federnd radial nachgebenden Steuerschiebers wer- den Anschlüsse für einen oder mehrere Zu- bzw. Abflüsse gegeneinander abgedichtet. Für die Abdichtung wird zusätzlich zum Spalt geringer Höhe die radiale Kraftkomponente der Druckdifferenz zwischen Zulaufdruck und Ablaufdruck verwendet, welche die dünne Wandung des rohrförmigen Schiebers radial gegen die Wandung der Ventilhülse drückt und dort angeordnete druckbelastete Anschlussöffnungen abdichtet, ohne Druckdifferenz bleibt ein Spalt mit Fluid, der größer als zulässig ist, wenn die Leckageanforderungen erfüllt werden sollen.

Durch die anliegende Druckdifferenz wird ein anliegendes Spaltmaß zwischen Hülse und Schieber verringert. Diese Kraftwirkung dichtet

die Anschlussöffnungen gegeneinander ab, indem die elastische Wandung des Schiebers an die Innenwand der Bohrung der Ventilhülse gedrückt wird und dort dicht anliegt. Die notwendige elastische Nachgiebigkeit des Steuerorgans wird durch eine geeignete Abstimmung der Geometrie und der Wahl der Werkstoffe ausgelegt, wobei die Auslegung auch derart erfolgen kann, dass das Ventil nur aufgrund seiner eigenen Elastizität abdichtet. In radialer Richtung erfolgt ein selbständiger Ventilspielausgleich durch die am Ventil anliegende Druckdifferenz. Die Wirkfläche für diese Druckdifferenz ergibt sich aus der Gestaltung der Ventil- hülse.

Der Schieber oder das Ventilgehäuse weist eine gestaltbare öffnungskontur zum Durchfluss des Fluids auf. Dies ermöglicht eine nahezu beliebige Anpassung des Durchflusses an die Hubkennlinie der Betätigungseinrichtung. Durch die rohrförmige Ausführung ist kein Distanz- stück oder eine Abdichtung zwischen ebenen Folien notwendig. Prinzipiell kann jede Rohrform verwendet werden, vorzugsweise jedoch Rundrohre oder solche mit verundetem Querschnitt.

In einer vorteilhaften Ausführung umfasst der Steuerschieber eine dünnwandige elastische Folie. Ein solcher Rohrfolienschieber weist in Axialrichtung die notwendige Steifigkeit für die Verstellung des Schiebers in dieser Richtung auf, bei gleichzeitiger elastischer Verformbarkeit in radialer Richtung. Damit die Steueröffnung den radialen Zu- oder Ab- fluss freigeben kann, müssen sich beide öffnungen unmittelbar übereinander befinden. Hierzu ist vorteilhaft eine ringförmige Nut oder ein Si- cherungselement gegen eine Verdrehung des Schiebers vorgesehen. Eine solche Verdrehsicherung kann sowohl mittels eines Führungsstiftes im Gehäuse realisiert werden, oder indem sie mit einem Stößel des Betätigungselementes kombiniert wird oder als Teil des Schiebers ausgeführt ist.

Die Umwandung des Schiebers kann in einer vorteilhaften Weise ausschließlich aus dem Folienmaterial bestehen. Der Schieber ist innen hohl ausgeführt. Bei geöffneter Ventilstellung erfolgt der Durchflussweg vom Inneren des Schiebers zu der radialen öffnung im Schieber und von dort zur öffnung in der Ventilhülse. Die Stirnseiten des Schiebers hierzu sind vorteilhaft versteift oder weisen eingefügte Versteifungsflächen auf mit axialem Durchgang zum Inneren des Schiebers, damit der Druck dort anstehen kann. Die Versteifungen können entweder als Lochplatte die gesamte Stirnseite einnehmen oder nur eine Teilfläche in Form eines Ringes.

Die Auslegung der oben beschriebenen Ausführungsformen des Schiebers, insbesondere dessen Nachgiebigkeit, und des Gehäuses ist einer Optimierung zu unterziehen. Dies umfasst besonders die Auslegung des elastische Bauelementes und die Wahl des dabei verwende- ten Materials, damit es genau in einem gewünschten Teilbereich der Umfangsfläche des Schiebers zu einer starken Verminderung einer Dichtspalthöhe kommt, gleichzeitig aber in den anderen Bereichen ein ausreichender Spalt erhalten bleibt. Die elastische Verformung kann vorteilhaft auf der gesamten Länge des Schiebers dichtend wirken oder aber nur abschnittsweise.

Die Reibung zwischen Schieber und Hülse wird durch konstruktive Maßnahmen und durch eine geeignete Wahl der Werkstoffpaarung Schieber und Gehäuse reduziert. Reibungseffekte können durch Schlitze, Nuten, Oberflächenrauhigkeiten oder andere geeignete Maßnahmen sowohl auf dem Schieberumfang als auch auf der Oberfläche der Wandung reduziert werden. Die Nuten werden so gestaltet, dass mit ihrer Hilfe entsprechende Druckfelder gezielt beeinflusst werden.

Mit Hilfe einer umlaufenden Nut kann man z. B. erreichen, dass selbst bei einer Verdrehung des Steuerschiebers der gewünschte Durchfluss gewährleistet ist.

Die auf dem Schieber und/oder auf der Wandung der Bohrung angeordneten Nuten, Riefen oder Kanäle - oder die Oberfläche selbst - speichern vorteilhaft Schmierstoffe. Damit werden zum einen Reibungseffekte zwischen den gleitenden Bauteilen reduziert. Die Schmierstoff Ia- gerung in den Nuten hat zum anderen den Vorteil, dass in der Phase einer an den Stirnseiten des Schiebers anstehenden hohen Druckdiffe- renz der Schmierstoff nicht vollständig verdrängt wird.

In einer weiteren vorteilhaften Variante wird die Kraftwirkung der Druckdifferenz zur leckagefreien Abdichtung im geschlossenen Zustand zusätzlich durch Federkraft verstärkt. Dazu enthält der Schieber zusätzliche elastische Elemente bzw. eine federnde Lagerung oder bildet selbst ein elastisch nachgiebiges Federelement. Die Auslegung einer solchen Feder erfolgt ebenfalls entsprechend der Berechnungen sämtlicher Kraftwirkungen, u. a. der Strömungs-, Feder- und Druckkräfte im Ventil, so dass die radiale Kraftwirkung der Rohrfolie bei den tatsächlichen Drücken, die auf die Anschlüsse wirken, exakt hinreichend ist. Durch eine axial angeordnete Druckfeder an einem der Stirnseiten des Schiebers wird ein axiales Ventilschieberspiel für eine Schalt- und Steuerfunktion des Ventils festgelegt.

Auf Grund der rohrförmigen Ausführung des Schiebers kann die Ventilhülse und ein umgebendes Gehäuse vorteilhaft einteilig ausgeführt werden, da im Vergleich zum Flachschieber auf die Lagerung des Schiebers zwischen zwei Gehäuseteilen und gegebenenfalls weitere Bauelemente, wie Distanzstücke, verzichtet werden kann. Damit werden zusätzliche Abdichtungen auf dem Ventilgehäuse oder zwischen einzelnen Ventilgehäuseteilen eingespart und so die Gefahr potentielle Ursa-

chen für Undichtigkeiten drastisch reduziert. Dabei kann das Ventilgehäuse in Platz sparender Form in Patronenbauweise (Cartridge) ausgeführt werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausführung der Erfindung umfasst ins- besondere einen Elektromagneten als Betätigungseinrichtung für den Schieber, dessen Anker mit einem axial verlängerten Stangenstößel das Betätigungselement für den Ventilschieber bildet. In der Bauweise als Proportionalmagnet ist die Bestromung des Magneten proportional dem Hub des Ankers und damit der angelegten Kraft an eine der Stirnseiten des Schiebers. Das Regelverhalten des Ventils wird damit direkt durch die Bestromung beeinflusst.

Durch die nahezu leckagefreie Ausführung eignet sich das Ventil in ganz besonderer Weise für den Einsatz in transkritischen CO ₂ (R 744) Klimakreisläufen in mobilen Anwendungen. In einen solchen Kreislauf wird das Kältemittel auf über 100 bar verdichtet, während der Kreislauf für herkömmliche Kältemittel nur eine Druckdifferenz von ca. 30 bar durchläuft. Insbesondere die hohe Druckdifferenz bei dem R 744 Kältemittel als Fluid bewirkt eine starke radiale elastische Verformung des Schiebers zur Regelung und Abdichtung des Zu- und Abflusses in der Ventilhülse. Für die druckdichte Ausführung weist die Ventilhülse eine druckdichte Umhüllung auf. In dem Klimakreislauf steuert das erfinderische Ventil vorteilhaft die Verstellung des Kompressors oder überhitzung bzw. Hochdruckniveau des Kältemittels.

Anhand der nachfolgenden Beschreibung und Zeichnung wird die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel dargestellt und näher erläutert.

Die Figurendarstellung zeigt im Längsschnitt ein elektromagnetisch betätigtes Regelventil 1 für die Anwendung in einem Klimakreislauf für eine Klimaanlage, der ein transkritischer R 744 (CO ₂ ) Klimakreislauf zu Grunde liegt. In solchen Anlagen wird das Kältemittel erheblich stär-

ker komprimiert, als dies bei herkömmlichen Kältemitteln erforderlich ist. Dieses Anforderungsprofil bedingt für das Ventil 1 zum einen eine druckfeste Ausführung und zum anderen hohe Anforderungen an Werte der externen und internen Leckage und sehr gute regelungstechnische Ei- genschaften.

Bei dem Ventil 1 handelt es sich um ein direktgesteuerte 2/2 Wege Schieberventil, das durch die Magnetkraft eines elektromagnetischen Aktors 2, der im Wesentlichen den rechten Teil der Zeichnung beinhaltet, gesteuert wird. Dargestellt ist die stromlos offene Ausfüh- rungsart, d. h. Anschlussöffnungen für jeweils einen Zu- bzw. Abfluss 22 sind in der dargestellten Position des Steuer- bzw. Ventilschiebers 18 des Ventils 1 miteinander verbunden. Durch Magnetkraft wird der Schieber 18 axial nach links verschoben, der Durchflussweg zwischen dem Zu- und dem Abfluss 22 ist dann gesperrt. Der Elektromagnet 2 weist ein topfartiges Gehäuse 3 auf, dessen

Boden von einem Deckel 4 abgeschlossen ist, und in dem ein zylinderförmiger Magnetkörper eingesetzt ist. Auf der auswärtigen Deckeloberfläche ist ein Anschluss 5 für die Bestromung des Magneten 2 angeordnet. Damit wird eine innerhalb des Gehäuses 3 angeordnete Zylinder- spule 6 bestromt. Das durch die Bestromung der Zylinderspule 6 erzeugte magnetische Feld wird über einen Magnetpol 7 mit Steuerkonus 8, einen Anker 9, der aus Ankerkolben 13 und einer als Betätigungselement 11 wirkenden Ankerstange besteht, und dem flussführenden Teil des Gehäuses 3 mit dem Joch 10 geschlossen, wobei die Betä- tigungsstange 11 im Ankergegenstück, dem Magnetpol 7, in Richtung des offenen Gehäuses 3 verschieblich ist und nach außen als Stell- oder Steuerglied für den Steuerschieber 18 des Ventils 1 nach links abragt.

Der Ankerkolben 12 ist mit der Betätigungsstange 11 verbunden. Der Kolben 12 weist hierfür eine axiale öffnung auf. Der vordere Teil der

öffnung dient der Lagerung der hohlen Betätigungsstange 11 , der hintere Teil dient dem Druckausgleich im Inneren des Ventils 1. In der Darstellung der Zeichnung ist das Joch 10 zwischen Deckel 4 und Zylinderspule 6 angeordnet und als Scheibe ausgeführt. Der Ankerkolben 12 ist zusammen mit der Betätigungsstange 11 innerhalb des Bereiches des Steuerkonusses 8 axial beweglich angeordnet. Durch die Bestromung der Zylinderspule 6 werden beide Bauteile axial nach links verschoben. Der Magnetpol 7 weist hierzu eine koaxiale Ausnehmung als Hubbegrenzung mit radialen Randstegen mit am Ende in Richtung des Ankerhubes fallender Kontur auf, welche den Steuerkonus 8 bildet. Durch die Gestaltung des Steuerkonusses 8 wird die Durchfluss Kraft-Hubkennlinie des Elektromagneten 2 so beeinflusst, dass der angelegte Strom proportional dem Hubweg der Betätigungsstange 11 ist und damit direkt die Stell- oder Steuergröße des Ventil- Schiebers 18 beeinflusst. Auf der radial sich erstreckenden Fläche der Hubbegrenzung ist eine Klebescheibe 13 aus unmagnetischem Material befestigt, die den Ankerhub nach links abdämpft und somit eine Prellung aufeinander treffender Teile verhindert. Zur Vermeidung einer Schiefstellung des Ankers 9 ist der Ankerkolben 12 in einer dünnwandigen druck- festen Hülse 14 geführt, die mit ihrem geschlossenen Ende nach außen gegen den Deckel 4 anliegt und Innen den Ankerkolben 12, den Steg des Steuerkonusses 8 und den größten Teil der Aussenwandung des Magnetpols 7 umgibt. Die druckfeste Hülse 14 ist so mit dem Ankergegenstück gefügt, dass auch die Fügstelle selbst druckfest und frei von externer Leckage ist

Der Hydraulikteil des Ventils 1 , der im Wesentlichen den linken Bereich der Zeichnung umfasst, wird durch eine das Ventil 1 umgebende Ventilhülse 15 gebildet. Sie bildet mit dem Magnetpol 7 eine bauliche

Einheit, die in den Magnetkörper eingesetzt ist. Das Resultat ist ein kompaktes Ventil 1 mit kleiner Baugröße.

Auf der Außenumfangsfläche der Ventilhülse 15 ist eine radiale Bohrung 16 für einen Zu- bzw. Abfluss 22 des Kältemittels R 744 ange- ordnet. Das entsprechende Gegenstück ist an der dem Hubweg der Betätigungsstange 11 entgegengesetzten Stirnseite der Ventilhülse 15 angeordnet. Die Ventilhülse 15 weist eine sich über deren gesamte Länge erstreckende axiale Bohrung 17 auf. Diese erstreckt sich in axialer Richtung von der rechten Stirnseite der Ventilhülse 15, welches das entspre- chende Gegenstück des Zu- bzw. Abflusses 22 umfasst, bis zur radialen Hubbegrenzung des Magnetpols 7. Die radiale Bohrung 16 des Abflusses 22 mündet in einer umlaufenden Nut in der axialen Bohrung 17.

Zwischen dem Zu- bzw. Abfluss 22 weist die Ventilhülse 15 eine O-Ringabdichtung 21 auf. Eine weitere Abdichtung 19 dichtet die Ven- tilhülse 15 gegenüber der Umgebung ab.

In der axialen Bohrung 17 der Ventilhülse 15 ist der Steuerschieber 18 angeordnet, der als rohrförmiger Folienschieber ausgeführt ist, und dessen Umfangswandung 20 radial elastisch verformbar ist. Die beiden Stirnseiten 24a und 24b des Steuerschiebers 18 weisen jeweils radiale Versteifungen 25a und 25b auf. Zwischen der linken, ringförmig ausgestalte Versteifung 25a und der linken Stirnseite der Ventilhülse 15 ist eine Druckfeder 27 angeordnet, die sich mit ihrem einen Ende gegen eine an der Stirnseite des Ventilhülse 15 angeordneten, ringförmigen Federaufnahme 28 drückt und die mit ihrem anderen Ende gegen die ringförmige Versteifung 25a des Steuerschiebers 18 wirkt. Die Feder 27 wirkt als Rückstellelement gegen die an der gegenüberliegenden, rechten Stirnseite 24b wirkende Magnetkraft.

Die Umfangsfläche des Schiebers weist in Höhe des Zu- bzw. Abflusses eine Steueröffnung 26 auf, die als öffnung in der Umfangs-

wand 20 dargestellt ist. Die beiden Anschlussöffnungen sind in dieser Position miteinander verbunden.

Die an der Schieberstirnseite 24b angeordneten Versteifung 25b ist als Platte mit axialen öffnungen ausgeführt, die als Anschlagfläche für die Betätigungsstange 11 des Ankers 9 dient. Durch die axialen öffnungen in der rechten Versteifung 25b ist der Raum rechts von der Versteifung 25b bis zum rechten Ende des Ankerkolbens 12 ebenfalls druckbeaufschlagt.

Bei Bestromung des Magneten 2 wird der Anker 9 mit der Betäti- gungsstange 11 gegen die rechte Versteifung 25b der Stirnseite des Ventilschiebers 18 gedrückt. Durch diese axiale Hubbewegung wird die Steueröffnung 26 aus der öffnungskontur der radialen Bohrung 16 des Zu- bzw. Abflusses 22 gedrückt. Zu- und Abfluss 22 sind jetzt voneinander getrennt. Für die Abdichtung der Anschlussöffnungen wären ohne die erfinderische Elastizität der Umfangswandung 20 des Steuerschiebers zusätzliche Maßnahmen gegen Leckageverluste erforderlich.

Die radiale Komponente des im Inneren des Steuerschiebers 18 wirkenden Druckes drückt die Umfangswandung 20 des Schiebers 18 gegen die Umfangswandung 23 der Bohrung 17 der Ventilhülse. Damit wird ein Dichtspalt, der im öffnungszustand der beiden Anschlüsse zwischen Ventilschieber 18 und Bohrung 16 vorhanden war entweder auf der ganzen Schieberlänge oder abschnittsweise geschlossen.