Stand der Technik Die Standardausführung einer Kälte-bzw. Klimaanlage besteht im Wesentlichen aus Ver- dampfer, Kondensator (bzw. Gaskühler), Expansionsorgan, Verdichter und gegebenenfalls einem inneren Wärmetauscher. Darüber hinaus ist zumeist auch ein Sammler Bestandteil der Standardausführung.

Bei Klimaanlagen, insbesondere Kompressions-Klimaanlagen, wird zunächst eine Verdich- tung eines Kältemittels durch einen Verdichter, den so genannten Klimakompressors durch- geführt, um die innere Energie des Kältemittels zu erhöhen. Das komprimierte Kältemittel wird anschließend in einem Kondensator oder Verflüssiger durch einen Wärmeaustausch ge- kühlt. Das Kältemittel verflüssigt sich dabei aufgrund der mit dem Wärmeaustausch einher- gehenden Wärmeabgabe. Anschließend wird das verflüssigte Kältemittel durch eine Drossel- stelle der Klimaanlage geführt, wobei diese Drosselstelle ein Expansionsorgan aufweist.

Beim Hindurchtreten des Kältemittels durch das Expansionsorgan dehnt sich das Kältemittel aus.

Dem Expansionsorgan ist in der Regel ein Verdampfer nachgeschaltet, der als Wärmetau- scher betrieben wird, um die freiwerdende Kälte auf ein anderes Medium zu übertragen. Die- ses andere Medium kann bspw. Luft sein, die dann je nach Anwendung auch einem Fahr- zeugheiz-bzw. Kühlsystem zugeführt werden kann.

Es ist bekannt, zur Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades einer Klimaanlage, auf der Hochdruckseite des geschlossenen Kältemittelkreises, das im Kondensator befindliche Kältemittel in einen überkritischen Zustand zu bringen, um dadurch die Wärmeaustausch- leistung der Klimaanlage zu verbessern. Der Kondensator wird dann als Gaskühler bezeich- net, da keine Kondensation im eigentlichen Sinne mehr auftritt, sondern lediglich eine Ab- kühlung des überkritischen Gases herbeigeführt wird. Darüber hinaus ermöglichen es über-

kritisch betriebene Verdichter-Kältemaschinen, dass ein Kältemittel, wie bspw. Kohlendi- oxid mit einem kleineren Verdichtungsverhältnis genutzt werden kann.

Klimaanlagen für Kraftfahrzeuge, in denen das Kältemittel CO2 eingesetzt wird, werden transkritisch, d. h. je nach Betriebsbedingung sowohl überkritisch, als auch unterkritisch, be- trieben.

Durch die Steuerung der Drosselung am Expansionsorgan des Kältemittelkreislaufs kann der Druck auf der Hochdruckseite des thermodynamischen Kreisprozesses gesteuert bzw. gere- gelt werden, so dass die spezifische Kälteleistung der Klimaanlage damit variiert werden kann. So ist es möglich, eine maximale effektive Leistungszahl zu erhalten, indem der Druck der Hochdruckseite des thermodynamischen Kältemittelkreises in Abhängigkeit von der Temperatur am Kondensator-bzw. Gaskühlerausgang oder der Umgebungstemperatur in an- gepasster Weise eingestellt wird.

In Kälteanlagen mit Kältemitteln, die aufgrund ihrer thermodynamischen Eigenschaften die Wärme im überkritischen Bereich abgeben, kann der Druck bei der Wärmeabgabe unabhän- gig von der Temperatur eingestellt werden. Um diesen-gegenüber Kältemitteln mit Wärme- abgabe im Nassdampfgebiet-zusätzlichen Freiheitsgrad nutzen zu können werden regelbare Expansionsventile eingesetzt.

Um den Hochdruck beliebig einzustellen, muss das Expansionsventil es ermöglichen, die Strömungsfläche je nach Betriebsbedingungen, bspw. Außentemperatur, Temperatur im Ver- dampfer und je nach Betriebsstrategie, d. h. Optimierung des Wirkungsgrades oder der Kälte- leistung einzustellen.

Wenn eine definierte Regelungsstrategie des Hochdrucks feststeht, ergibt sich eine Abhän- gigkeit zwischen dem in dem Kältekreislauf herrschenden Hochdruck und dem für den opti- malen Betrieb der Anlage erforderlichen Öffnungsquerschnitt des Expansionsorgans. Die Regelaufgabe des Expansionsventils besteht somit darin, diese Ventilfläche, d. h. den Öff- nungsquerschnitt des Ventils entsprechend des Hochdrucks einzustellen.

Expansionsventile werden überwiegend als Ventile mit Kugelsitz und elektromagnetischem Antrieb ausgeführt. Diese Ventile weisen den Nachteil einer zum Teil extremen Geräusch- entwicklung in bestimmten Betriebszuständen auf. Insbesondere bei kleinen Volumenströ-

men des Kältemittels und somit bei fast geschlossenem Ventil, kann es dazu kommen, dass die Ventilkugel auf den Ventilsitz aufschlägt und somit zu einer deutlichen Geräuschent- wicklung führt. Aus diesem Grunde ist eine Regelung des Druckes mit Ventilen vom Kugel- sitztypus problematisch, da die zuvor beschriebene Geräuschentwicklung bspw. für eine Fahrzeugklimaanlage eines Kraftfahrzeuges nicht akzeptabel ist.

Darüber hinaus weisen derartige Ventile den Nachteil auf, eine Ansteuerung bzw. Regelung zu benötigen, was zu deutlichen Zusatzkosten führt.

Aus der DE 103 05 947 AI ist ein Expansionsventil für ein Kältemittel einer Klimaanlage bekannt, welches elektromagnetisch betrieben wird und bei dem es sich im wesentlichen um ein modifiziertes Drucksteuerventil zur Steuerung des Zulaufs zur Hochdruckpumpe einer Kraftstoffeinspritzanlage eines Kraftfahrzeuges handelt.

Aus der DE 101 25 789 Cl ist eine Ventilanordnung mit einem Expansionsventil bekannt, dem das Kältemittel auf einer Hochdruckseite zuströmt und aus dem das Kältemittel an der Niederdruckseite wieder austritt. Der Durchfluss von der Hochdruckseite zur Niederdruck- seite wird von einem Drosselkörper geregelt, der mit einem gehäusefesten Ventilsitz zu- sammenarbeitet und durch eine Stellvorrichtung axial verschiebbar ist. Das Expansionsventil der DE 101 25 789 Cl mit seiner Betätigungseinheit ist komplex und in der Montage sehr aufwendig.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein Expansionsmodul darzustel- len, das eine gute Regelcharakteristik und darüber hinaus gleichzeitig eine kostengünstige Bauweise gewährleistet.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch ein Expansionsmodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Vorteile der Erfindung Das erfindungsgemäße Expansionsmodul für ein Kältemittel, welches insbesondere zur ge- regelten Expansion eines hochdrucksseitigen Kältemittels einer Kälte-bzw. Klimaanlage auf ein Niederdruckniveau dient, weist ein Expansionsventil auf, welches in der Art eines Schie-

besitzventils ausgebildet ist, wobei der als Ventilkolben dienende Schiebesitz von mindes- tens einem, am Ventil anliegenden Druck gesteuert wird.

Durch die Ausbildung des erfindungsgemäßen Expansionsmoduls mit einem druckgesteuer- ten Schiebesitzventil ist es möglich, in vorteilhafter Weise ein Expansionsmodul zu realise- ren, welches sowohl eine gute Regelbarkeit als auch eine einfache und damit kostengünstige Realisierung ermöglicht. Insbesondere ist eine elektrische Ansteuerung des Expansionsmo- duls, mit en tsprechenden Leitungen, Steckerelemente n und zumindest einem Steuergerät nicht erforderlich. Da das erfindungsgemäße Expansionsmodul lediglich druckgesteuert ist, lässt sich eine Regelung des Kältemittelkreislaufs und insbesondere der Expansion des Käl- temittels mit einfachen mechanischen Mitteln realisieren. <BR> <BR> wDie Verwendung des erfindungsgemäßen Expansionsmoduls in-einer-Klima-bzw. Kältean- lage ermöglicht in vorteilhafter Weise die Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades der Klimaanlage, ohne dass eine aufwendige Ansteuerung notwendig ist.

Durch die spezielle, mechanische Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Expansionsmoduls kann die Kennlinie des Drosselquerschnittes des Expansionsmoduls in Abhängigkeit von bspw. dem Hochdruckniveau oder auch der Druckdifferenz über dem Ventil eingestellt wer- den. Der Ventilkolben des Expansionsventils des erfindungsgemäßen Expansionsmoduls wird von mindestens einem, am Ventil anliegenden Druck des Kältemittels gesteuert. Eine elektromagnetische Ansteuerung des Drosselkörpers ist nicht erforderlich.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Expansionsmoduls möglich.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Expansionsmoduls wird der Ventilkolben des als Schiebesitzventils ausgebildeten Expansionsventils, welcher axial in ei- ner Ventilkammer des Ventilgehäuses verschiebbar ist, gegen die Kraft eines federelasti- schen Elementes verstellt.

Die vom dem federelastischen Element dem verschiebbaren Ventilkolben entgegengebrachte Kraft ist in vorteilhafter Weise einstellbar. So kann bspw. die Vorspannung des federelasti- schen Elementes mit einem Kontermittel, wie beispielsweise einer Schraube oder einer Dis-

tanzscheibe bereits bei der Fertigung angepasst werden, sodass sich eine gewünschte Ventil- kennlinie des Expansionsventils des erfindungsgemäßen Expansionsmoduls ergibt. Die Fe- dervorspannung kann jedoch auch durch einen Stellmotor, über einen Magneten oder ther- mostatisch eingestellt werden. Auf diese Weise ist dann eine Einstellung sowohl des Hoch- druckniveaus als auch des Niederdruckniveaus in einem Kältekreislauf möglich. Insbesonde- re ist in vorteilhafter Weise eine Kennlinienanpassung im Betrieb der Anlage möglich.

Das erfindungsgemäße Expansionsmodul weist in einer vorteilhaften Ausführungsform sei- nes Expansionsventils einen Ventilkolben auf, der als Drosselkörper ausgebildet ist, welcher zumindest eine Drosselöffnung besitzt, die mit einer entsprechenden Öffnung des Ventil- häuses des Expansionsventils in Überlappung gebracht werden kann. In diesem Zusammen- hang wird auch die Öffnung im Ventilgehäuse als"Drosselöffnung"bezeichnet, obwohl hier keine Drosselung stattfindet. Diese Bezeichnung dient lediglich der Zuweisung dieser Öff- nung des Ventilgehäuses zu der Drosselöffnung im Drosselkörper des Ventil und zur na- mentlichen Abgrenzung dieser Öffnung im Ventil von weiteren Ventilöffnungen bzw. Ein- oder Auslasskanälen. Durch Verschiebung des Ventilskolbens bzw. des Drosselkörpers rela- tiv zum Gehäuse des Expansionsventils und somit zur so genannten Drosselöffnung, welche im Gehäuse des Expansionsventils ausgebildet ist, kann eine mehr oder weniger große Ex- pansionsfläche für das Kältemittel freigegeben werden.

In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Expansionsventils ist die mindestens eine Drosselöffnung des Drosselkörpers des Expansionsventils derart im Ventilkolben positio- niert, dass das Ventil im drucklosen Zustand geschlossen ist.

In vorteilhafter Weise kann das erfindungsgemäße Expansionsmodul ein Expansionsventil mit einer Drosselöffnung des Drosselkörpers aufweisen, der eine Gesamtöffnungsfläche im Bereich von 0,5 bis 10 mm2, insbesondere von 1 bis 7 mm2 hat. In besonders vorteilhafter Weise ist die Drosselöffnung des Drosselkörpers dabei im Wesentlichen schlitzförmig aus- gebildet und verläuft in axialer Richtung am Zylindermantel des Ventilkolbens des Ventils.

Über die speziell gewählte Schlitzgeometrie kann insbesondere auch die Ventilkennlinie an- gepasst werden.

Um eine wirkungsvolle Steuerung des Ventilkolbens innerhalb des Expansionsventils und somit den gewünschten Expansionsquerschnitt erzielen zu können, weist das Ventilgehäuse

in einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Expansionsmoduls neben der als Drosselöffnung bezeichneten Öffnung zumindest einen weiteren Einlasskanal und zu- mindest einen weiteren Auslasskanal auf.

In dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Expansionsmoduls ist der Ventilkolben des Expansionsventils durch die Druckdifferenz zwischen dem Einlasskanal und dem Aus- lasskanals des Ventils steuerbar. Über ein Kräftegleichgewicht am Ventilkolben, d. h. am Drosselkörper, welches sich zwischen den Druckkräften und der Kraft des federelastischen Elementes einstellt, stellt sich eine definierte Position des Drosselköpers im Ventilgehäuse ein. Durch Änderung der Druckkraft verschiebt sich der Ventilkolben, d. h. der Drosselkörper in seiner Position relativ zur Drosselöffnung im Ventilgehäuse. Eine Lageänderung des Ven- tilkolbens führt somit zu einer Änderung der Überdeckung zwischen Drosselöffnung im Ventilgehäuse und Drosselöffnung im Ventilkolben, sodass sich der Drosselquerschnitt des Expansionsventils ändert. Durch geeignete Abstimmung der Kraft des federelastischen Ele- mentes und Drosselschlitzkontur kann eine beliebige Kennlinie des Drosselquerschnitts in Abhängigkeit vom Druck über dem Ventil eingestellt werden, ohne das auf einen elektro- magnetischen Aktuator zurückgegriffen werden müsste In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Expansionsmoduls verfügt das Expansionsventil auf seiner Niederdruckseite über einen Wirkkörper, bzw. eine Scheibe, der bzw. die mit dem Ventilkolben des Expansionsventils in Wirkverbindung steht. Dieser Wirkkörper ist über eine Membran bzw. über einen Balg mit dem Ventilgehäuse derart ver- bunden, dass zwei voneinander getrennt Teilräume auf der Niederdruckseite des Ventils er- zeugt werden. Auf der einen Flächenseite des Wirkkörpers herrscht der Niederdruck und auf seiner gegenüberliegenden Flächenseite ein Umgebungsdruck des Ventils. In anderen Aus- führungsformen die Membran oder der Balg auch ersetzt sein, durch ein Gaskissen oder auch einen elastischen Körper, wie beispielsweise eine Gummifeder.

In einem derart ausgebildeten Expansionsmodul mit Wirkkörper ist es möglich, dass der Ventilkolben des Expansionsventils durch die Druckdifferenz zwischen dem Hochdruckni- veau und dem Umgebungsdruck des Ventils steuerbar ist. Für diese Steuerung des erfin- dungsgemäßen Expansionsmoduls lediglich durch den Hochdruck muss in der Kräftebilanz über dem Ventilkolben, die aus dem Niederdruck resultierende Kraft kompensiert werden.

Dies ist durch den Wirkkörper in Verbindung mit der Membran bzw. dem Balg möglich, da

auf dessen einer Seite der Niederdruck und auf dessen anderer Seite Umgebungsdruck herrscht. Verbindet man den zumeist starren Wirkkörper mit dem als Drosselkörper dienen- den Ventilkolben, so kann die resultierende Druckkraft auf den Wirkkörper auch auf den Kolben einwirken. In vorteilhafter Weise ist somit eine Stellung des Drosselkörpers über den Hochdruck bzw. den Differenzdruck zwischen Hochdruckseite und Umgebungsdruck des Kältekreislaufs möglich.

Das erfindungsgemäße Expansionsmodul weist in einer vorteilhaften Ausführungsform ne- ben dem Expansionsventil zudem eine feste Drossel mit konstantem Drosselquerschnitt auf.

Der Öffnungsquerschnitt der Konstant-Drossel ist dann unabhängig von dem im Kreislauf herrschenden Hochdruck. Der Einsatz der Konstant-Drossel allein würde jedoch verhindern, dass das System immer unter optimalen Bedingungen betrieben wird. Aus diesem Grunde wird in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Expansionsmoduls parallel zur Kon- stant-Drossel, das beschriebene druckgesteuerte Expansionsventil betrieben. Das erfindungs- gemäße Expansionsmodul, welches zum Einen über eine feste Drossel mit konstantem Dros- selquerschnitt und zum Anderen über ein druckgetriebenes Expansionsventil verfügt, ermög- licht somit eine gute Regelcharakteristik bei gleichzeitig kostengünstiger Bauweise.

In vorteilhafter Weise lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Expansionsmodul eine Klima- anlage, insbesondere eine Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug, realisieren, die je nach Be- triebsbedingungen, bspw. Außentemperatur, Temperatur im Verdampfer oder auch Betriebs- strategie, d. h. bspw. Optimierung des Wirkungsgrades bzw. Optimierung der Kälteleistung einstellbar ist.

Weitere Vorteile und Merkmale des erfindungsgemäßen Expansionsmoduls bzw. der erfin- dungsgemäßen Klima-bzw. Kälteanlage ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele.

Zeichnungen In der Zeichnung sind mehrere Ausfiihrungsbeispiele für Expansionsventile des erfindungs- gemäßen Expansionsmoduls sowie ein erfindungsgemäßer Kältemittelkreislauf unter Ver- wendung eines solchen Expansionsmoduls dargestellt, die in der nachfolgenden Beschrei- bung näher erläutert werden sollen. Die Figuren der Zeichnung, deren Beschreibung sowie

die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombinationen. Ein Fachmann wird diese Merkmale auch einzeln betrachten und zu weiteren, sinnvollen Kombinationen zusammen- fassen.

Es zeigt : Figur 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kältemittelkreislaufs, Figur 2 ein erstes Ausführungsbeispiel für ein druckgesteuertes Expansionsventil des erfin- dungsgemäßen Expansionsmoduls in einer schematischen Prinzipdarstellung, Figur 3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines druckgesteuerten Expansionsventils, Figur 4 ein weiteres Beispiel für ein druckgesteuertes Expansionsventil des erfindungsge- mäßen Expansionsmoduls, Figur 5 ein weiteres Beispiel für ein druckgesteuertes Expansionsventil Figur 6 eine erste Ausführungsform für einen als Drosselkörper dienenden Ventilkolben eines Expansionsventils des erfindungsgemäßen Expansionsmoduls, Figur 7 eine graphische Darstellung des funktionalen Zusammenhangs zwischen dem Druck am Eintritt des Ventils und des Öffnungsquerschnitts des Expansionsventils für verschiedene Größen der Drosselöffnung, Figur 8 eine alternative Ausführungsform eines Drosselkörpers für ein Expansionsventil, Figur 9 die zu Figur 8 gehörige funktionelle Abhängigkeit zwischen dem Druck am Eintritt des Ventils und dem Öffnungsquerschnitt für verschiedene Größen der Drosselöff- nung des Drosselkörpers.

Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsformen

Die in Figur 1 im Prinzip dargestellte Klima-bzw. Kälteanlage 12 umfasst einen Kompres- sor 50, einen Kondensator oder Gaskühler 52, ein Expansionsmodul 10 und einen Verdamp- fer 54, die über entsprechende Verbindungsmittel 56 miteinander verbunden sind und einen Kältemittelkreislauf bilden.

Die Komponenten dieses Kreislaufs werden nach Art eines Kompressionskältekreislaufs be- trieben. Hierbei wird zunächst eine Verdichtung des Kältemittels, bspw. des Kältemittels C02 durch den Verdichter, den so genannten Klimakompressor 50 durchgeführt, um die in- nere Energie des Kältemittels zu erhöhen. Das komprimierte Kältemittel wird anschließend in einem Kondensator oder Verflüssiger 52 durch einen Wärmeaustausch gekühlt. Bei Käl- temitteln, die die Wärme im überkritischen Bereich abgegeben, wie dies bspw. bei dem Käl- temittelC02 der Fall ist, wird das Kältemittel im Kondensator nicht verflüssigt, sondern als Gas im überkritischen Zustand nur abgekühlt. Aus diesem Grund wird dieser Wärmeübertra- ger bei Verwendung der überkritischen Betriebsweise des Kältemittels auch als Gaskühler bezeichnet. Anschließend wird das so gekühlte Kältemittel mittels eines Expansionsmoduls 10 auf einen geringeren Druck ausgedehnt und dabei weiter abgekühlt.

Dem Expansionsmodul 10 ist in der Regel ein Verdampfer 54 nachgeschaltet, der als Wär- metauscher betrieben wird, um die freiwerdende Kälte des Kältemittels auf ein anderes Me- dium zu übertragen. Dieses andere Medium, welches über den Verdampfer 54 mit dem kal- ten, expandierten Kältemittel in Wechselwirkung tritt, kann bspw. Luft sein, die einer Hei- zungs-bzw. Kühlanlage (Klimaanlage) eines Kraftfahrzeuges zugeführt wird. Durch die Steuerung der Drosselung, d. h. des Öffnungsquerschnittes am Expansionsmodul 10 des Käl- temittelkreislaufs kann der Druck auf der Hochdruckseite des thermodynamischen Kreispro- zesses gesteuert bzw. geregelt werden. Auf diese Weise kann die spezifische Kälteleistung der Klimaanlage in gewünschter Weise variiert werden. So ist es möglich, eine maximale ef- fektive Leistungszahl zu erhalten, indem der Druck der Hochdruckseite des thermodynami- schen Kreisprozesses (Hochdruckniveau) in Abhängigkeit von der Temperatur am Gasküh- lerausgang oder der Umgebungstemperatur in angepasster Weise eingestellt wird.

Insbesondere bei Kälteanlagen mit Kältemitteln, die aufgrund ihrer thermodynamischen Ei- genschaften die Wärme im überkritischen Bereich abgegeben, kann das Hochdruckniveau bei der Wärmeabgabe unabhängig von der Temperatur einstellt werden. Um diesen, gegen-

über Kältemitteln mit Wärmeabgabe im Nassdampfbereich zusätzlichen Freiheitsgrad in vor- teilhafter Weise nutzen zu können, können steuer-und/oder regelbare Expansionseinrichtun- gen genutzt werden.

Das erfindungsgemäße Expansionsmodul 10 weist daher zumindest ein steuerbares Expansi- onsventil 14 auf. In alternativen Ausführungsformen, kann neben dem steuerbaren Expansi- onsventil 14 auch eine feste Drossel (Orifice) 70 mit konstantem Drosselquerschnitt verwen- det werden. Dabei werden dann das steuerbare Expansionsventil 14 und das Orifice 70 paral- lel zueinander in einem Expansionsmodul 10 angeordnet und, wie in der schematischen Dar- stellung der Figur 1 gezeigt, in dem Kältemittelkreislauf 12 integriert.

Figur 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines druckgesteuerten Expansionsventils für das erfindungsgemäße Expansionsmodul. Das erfindungsgemäße Expansionsventil 14 weist ein Ventilgehäuse 28 auf, in dem eine Ventilkammer 26 vorgesehen ist. In der Ventilkammer 26 ist ein Ventilkolben 22 axial, d. h. in Richtung der Achse 58 verschiebbar angeordnet. Um die Verschiebbarkeit des Ventilkolbens 22 in der Ventilkammer 26 zu erhöhen, sind der Ventilkolben 22 und/oder die Kolbenführung 32 im Ausführungsbeispiel nach Figur 2 rei- bungsarm beschichtet, bspw. mit einer Teflon-oder Kohlenstoffbeschichtung. Der Ventil- kolben 22 des erfindungsgemäßen Expansionsventils nach dem Ausführungsbeispiel der Fi- gur 2 ist gegen die Kraft eines federelastischen Elementes 38, welches in Figur 2 schema- tisch als Feder dargestellt ist, verstellbar.

Das erfindungsgemäße Ventil gemäß Figur 2 weist in seinem Ventilgehäuse zwei Einlass- öffnungen 60 bzw. 62 auf, die im eingebauten Zustand des Expansionsventils mit der Hoch- druckseite HD des Kältemittelkreislaufs gemäß Figur 1 in Verbindung stehen. Eine Auslass- öffnung 64 ist dann mit der Niederdruckseite ND des Kältemittelkreislaufs verbunden.

Bei der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform des druckgesteuerten Expansionsventils des erfindungsgemäßen Expansionsmoduls liegt der Hochdruck HD an dem radialen Zulaufkanal 62 des Ventilgehäuses 28 an. Dieser Zulaufkanal 62 mündet in einer Öffnung 30 des Ventil- gehäuses 28, die im folgenden als Drosselöffnung des Ventilgehäuses bezeichnet wird, ob- wohl hier keine Drosselung stattfindet. Diese Bezeichnung dient lediglich der Zuweisung dieser Öffnung des Ventilgehäuses zu der Drosselöffnung im Drosselkörper des Ventils und zur namentlichen Abgrenzung dieser Öffnung 30 im Ventil von weiteren Ventilöffnungen

bzw. Ein-oder Auslasskanälen. Die Drosselöffnung 30 des Ventilgehäuses 28 kann, je nach Stellung des Ventilkörpers 22, mit einer Drosselöffnung 20, welche im Zylinder des Ventil- kolbens 22 ausgebildet ist, mehr oder weniger stark überlappen. Der Ventilkolben 22 ist so- mit als Drosselkörper 18 ausgebildet, der zumindest eine Drosselöffnung 20 aufweist, die mit der Drosselöffnung 30 des Ventilgehäuses 28 in Wirkverbindung gebracht werden kann, so dass ein durchgängiger Verbindungskanal zwischen der Hochdruckseite des Ventils und der Niederdruckseite des Ventils hergestellt wird.

Im Raum 48 unterhalb des Ventilkolbens 22 liegt Niederdruck an. Dieser Raum 66 ist mit dem Auslasskanal 36 verbunden.

Bei der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform liegt der Hochdruck HD nicht nur an dem ra- dial-en Zülaufkanal 62 an, sondern ist zudem mit einem Raum 46 oberhalb des Ventilkolbens 22 verbunden.

Für den Ventilkolben 22, bzw. den Drosselkörper 18 des erfindungsgemäßen Expansions- ventils ergibt sich somit ein Kräftegleichgewicht zwischen dem federelastischen Element 38 und den auf den Ventilkolben 22 einwirkenden Druckkräften gemäß : (PHD-PND) ~ FD", « kkraft = FF Über ein Kräftegleichgewicht zwischen den am Ventilkolben 22 angreifenden Druckkräften und der Federkraft des federelastischen Elementes 38 stellt sich eine definierte Position des Ventilkolbens 22 im Ventilgehäuse 28 ein. Durch eine Änderung der Druckkraft verschiebt sich der Ventilkolben 22 in seiner Position. Eine Lageänderung des Ventilkolbens 22 führt zu einer Änderung der Überdeckung zwischen der Drosselöffnung 30 im Ventilgehäuse und der Drosselöffnung 20 des als Drosselkörper 18 dienenden Ventilkolbens 22. Auf diese Wei- se wird der Drosselquerschnitt des Expansionsventils verändert. Durch eine geeignete Ab- stimmung der Federkraft sowie der Kontur der Drosselöffnung 30 kann eine beliebige Keim- linie des Drosselquerschnitts in Abhängigkeit von der Druckdifferenz über dem Ventil ein- gestellt werden.

Durch verschiedene Ausgestaltungen und Anordnungen von elastischen Federelement 38, Ventilkolben 22 und Einlassöffnungen 60,62 für das Kältemittel auf Hochdruckniveau kann

die gewünschte Kennlinie des Drosselquerschnitts des erfindungsgemäßen Expansionsventils in Abhängigkeit von der Druckdifferenz über dem Ventil eingestellt werden.

Ordnet man das federelastische Element 38 im oberen Raum 46 des erfindungsgemäßen Ventils an und vertauscht Hoch-und Niederdruckseite (HD bzw. ND), wie dies im Ausfüh- rungsbeispiel der Figur 3 gezeigt ist, kann das erfindungsgemäße Expansionsventil 14 auch in umgekehrter Richtung durchströmt werden, wie dies durch die Pfeile 70 in Figur 2 bzw. 3 angedeutet ist.

In einer alternativen Ausführungsform erfolgt die Steuerung des erfindungsgemäßen Expan- sionsventils über das Hochdruckniveau des Kältemittelkreislaufs. Für eine Steuerung durch den Hochdruck muss in der auf den Ventilkolben einwirkenden Kräftebilanz, die aus den Niederdruck resultierende Kraft kompensiert werden. Dies ist bspw. durch einen zusätzli- chen Wirkkörper möglich, der in das erfindungsgemäße Ventil integriert werden.

Um die aus dem Niederdruck resultierende Kraft auf den Kolben des Ventils zu kompensie- ren, ist weitere mit dem Kolben verbundene Wirkflächen erforderlich. Diese werden durch einen Wirkkörper 40 geliefert, auf den auf der einen Seite 42 der Niederdruck und auf ihrer anderen Seite 44 der Umgebungsdruck wirken kann. Der Niederdruckraum muss also mittels dieses Wirkkörpers 40 bzw. seiner Wirkflächen 42 und 44 von dem Raum, in dem Umge- bungsdruck herrscht, getrennt werden. Der Wirkkörper 40 ist dabei starr mit dem Ventilkol- ben verbunden und wird über eine Membran oder einen Balg kraftübertragungslos mit dem Ventilgehäuse verbunden, so dass die Teilräume voneinander gasdicht getrennt sind Memb- ran oder Balg gewährleisten die Trennung von Niederdruck-und Umgebungsdruckraum bei Aufrechterhaltung der Möglichkeit zur Hubbewegung. Dabei sollten Membran oder Balg möglichst selbst keine Kraft übertragen. In anderen Ausführungsformen kann dazu auch ein Gaskissen oder ein elastischer Körper, wie beispielsweise eine Gummifeder verwendet wer- den. Im folgenden wird stellvertretend nur von einer Membran gesprochen.

Figur 4 zeigt ein derartiges Ausfiihrungsbeispiel für ein Expansionsventil des erfindungsge- mäßen Expansionsmoduls. Der Wirkkörper 40 ist innerhalb des Ventilgehäuses 28 auf der Niederdruckseite des Ventils angeordnet und trennt das Niederdruckniveau ND vom Umge- bungsdruck UD mit Hilfe der Membran 50 ab. Dies kann bspw. durch eine Unterteilung des Raumes 48 unterhalb des Ventilkolbens 22 erfolgen. Auf die eine Flächenseite 42 (im Aus-

fuhrungsbeispiel der Figur 4 entspricht dies der oberen, dem Ventilkolben 22 zugewandten Oberfläche des Wirkkörpers 40 bzw. der Membran 50) wirkt der Niederdruck ND des Käl- temittelkreislaufs. Auf der gegenüberliegenden Flächenseite 44 (die im Ausführungsbeispiel der Figur 4 der unteren, dem Ventilkolben 22 abgewandten Oberfläche des Wirkkörpers bzw. der Membran entspricht) des Wirkkörpers herrscht der Umgebungsdruck des Ventils.

Verbindet man den Wirkkörper 40, der beispielsweise in Form einer starren Scheibe ausge- bildet sein kann, wie in Figur 4 angedeutet mechanisch mit dem Ventilkolben 22, so wird die resultierende Druckkraft (PND-P u), die auf den Wirkkörper 40 einwirkt, auch auf den Ventilkolben 22 wirken. Für den Ventilkolben 22 ergibt sich somit nachfolgende Kräftebi- lanz : (PHD-PND) + (PND-Pu) = (Pm-Pu) ~ FD=L1MR = FF Dabei entspricht der Term (PEn,-PND) dem resultierenden Druck auf den Ventilkolbenboden und der Term (PND-Pu) bezeichnet den Druck auf den Wirkkörper. Auf diese Weise wird eine Steuerung des Ventilkolbens und somit der Drosselcharakteristik des Expansionsventils lediglich über das Hochdruckniveau HD des Kältemittelkreislaufs realisiert. Durch Ände- rung des Hochdruckniveaus und der dadurch auf den Ventilkolben 22 erzeugten Kraft FDrucüoaa verschiebt sich der Ventilkolben 22, also der Drosselkörper 18 des Expansionsven- tils in seiner Position. Eine Lageänderung des Drosselkörpers 18 führt zu einer Änderung der Überdeckung von Einlass-bzw. Drosselöffhung 30 des Ventilgehäuses und der Drossel- nung 20 des Drosselkörpers 18, sodass sich der Öffnungsquerschnitt des Expansionsventils ändert. Durch eine geeignete Abstimmung der Federkraft des federelastischen Elementes 38 und der Kontur der Drosselöffnung 20 des Drosselkörpers 18 kann, wie bereits beschrieben, eine gewünschte Kennlinie für den Drosselquerschnitt in Abhängigkeit von dem am Expan- sionsventil anliegenden Hochdruck HD eingestellt werden.

Um die Federkraft des federelastischen Elementes 38 zu variieren, können entsprechende Einstell-bzw. Kontermittel vorgesehen sein, die in Figur 4 schematisch in Form einer Schraube 72 angedeutet sind. Wird diese Schraube weiter in das Ventilgehäuse 28 einge- schraubt, so nimmt die Vorspannung des federelastischen Elementes zu. Andere Möglichkei- ten zur Einstellung der vom federelastischen Element auf Wirkkörper bzw. auf den Ventil- kolben ausgeübten Kraft sind selbstverständlich ebenso möglich, die Schraube dient in die-

sem Zusammenhang nur der symbolischen Darstellung möglicher Einstellmittel. Insbesonde- re seien hier zudem ein Stellmotor, ein Magnet oder auch ein thermostatisches Stellelement erwähnt, die die Anpassung der Kennlinien des Ventils auch im Betrieb der Anlage gewähr- leisten.

Ordnet man das federelastische Element 38 im oberen Raum 46 des Ventilgehäuse 28 an und vertauscht Hochdruck-und Niederdruckseite des Ventils, wie dies in Figur 5 angedeutet ist, kann das erfindungsgemäße Expansionsventil auch umgekehrt durchströmt werden.

Neben der Einstellung der Federkraft des federelastischen Elementes 38 ermöglicht die Vor- gabe einer speziellen Kontur und Größe der Drosselöffnung 20 im Drosselkörper 18 des er- findungsgemäßen Ventils die Erzeugung einer gewünschten Kennlinie für das Expansions- modul.

In Figur 6 und 8 sind zwei Ausführungsformen für Drosselöffnungen 20 des Drosselkörpers 18 des Expansionsventils dargestellt. Der Übersicht halber ist jeweils nur eine Drosselöff nung pro Ventilkolben 22 bzw. Drosselkörper 18 gezeigt. In anderen Ausführungsbeispielen ist es selbstverständlich möglich, eine beliebige Anzahl entsprechend geformter Drosselöff nungen 20 in der Zylinderform des Ventilkolbens 22 auszubilden. Die typische Drosselquer- schnittsfläche sollte dabei in einem Bereich von ca. 0,5 bis 10 mm2 insbesondere im Bereich von 1 bis 7 mm2 liegen.

Figur 6 zeigt das Beispiel einer in axialer Richtung des Ventils gestuften Drosselöffnung, wohingegen die Drosselöffnung gemäß Figur 8 eine trapezförmige Kontur aufweist. Andere Konturen für die Drosselöffnungen 20 sind selbstverständlich ebenso möglich. So kann sich bspw. die Kontur der mindestens einen Drosselöffnung in axialer Richtung gegenüber einer trapezförmigen Erweiterung, wie diese in Figur 8 gezeigt ist, mehr oder weniger stark so- wohl konkav als auch konvex stetig oder diskontinuierlich erweitern. Über verschiedene Schlitzgeometrien kann die Kennlinie des Ventils angepasst werden. Die hier gezeigten Ge- ometrien sind lediglich beispielhaft und nicht anschließend.

Durch die axiale, druckgetriebene Bewegung des Ventilkolbens 22 in der Ventilführung 32, wird je nach Stellung des Ventilkolbens 22 relativ zur Drosselöffnung 30 des Ventilgehäuses 28 nur ein Teil der Drosselöffnung bzw. Drosselöffnungen 30 durchströmt und somit die

Drosselleistung des Expansionsventils variiert. Durch eine geeignete Positionierung der Drosselöffnungen 20 im Drosselkörper 18 lässt sich zudem erreichen, dass das erfindungs- gemäße Ventil 14 bei einem vorgegebenen Druckniveau entweder vollständig geöffnet bzw. geschlossen ist.

Bei gegebenem Volumenstrom durch das Ventil 14 erhöht sich die Druckdifferenz über der Drosselöffnung 20 mit Verringerung des Drosselquerschnitts. Durch die Veränderung des Drosselquerschnitts kann somit der Druck am Eintritt des Expansionsventils 14, d. h. der Hochdruck HD der Kälteanlage gezielt eingestellt werden. Ebenso kann bei veränderlichem Volumenstrom der Hochdruck der Kälteanlage durch Anpassung der Kontur der Drosselöff- nung 20 bzw. der Stärke des federelastischen Elementes 38 auf gewünschte Werte eingestellt werden.

Durch unterschiedliche Konturen der Drosselöffnungen, wie sie bspw. in Figur 6 bzw. Figur 8 wiedergegeben sind, kann das Verhältnis von axialem Weg des Ventilkolbens 22 zur Öff- nung des Drosselquerschnitts und somit die Ventilcharakteristik des erfindungsgemäßen Ex- pansionsmoduls variiert werden. Über verschiedene Schlitzgeometrien kann somit die Kenn- linie des Ventils angepasst werden.

Figur 7 (entsprechend der Ausführungsform eines Drosselkörpers nach Figur 6) und Figur 9 (entsprechend der Ausführungsform nach Figur 8) geben jeweils in einer schematischen Dar- stellung die Ventilcharakteristik des erfindungsgemäßen Expansionsmoduls wieder. Der Ü- bersicht halber sind die entsprechenden Ventilkolben 22 mit den Konturen ihrer Drosselöff- nungen 20 nochmals in den Abbildungen der Figur 7 bzw. 9 eingezeichnet. Die Abzisse der grafische der Darstellung gemäß Figur 7 bzw. Figur 9 entspricht dem Hub des Ventilkol- bens 22 bzw. Drosselkörpers 18 und ist somit eine Funktion des am Ventil anliegenden Dif- ferenzdruckes. Auf der Ordinate der Darstellungen in Figur 7 bzw. 9 aufgetragen ist der Durchfluss F, der im Wesentlichen dem Drosselquerschnitt bei der jeweiligen Stellung des Drosselkörpers 18 entspricht. Die einzelnen Kurven geben die Ventilcharakteristiken bei un- terschiedlichen Gesamtdrosselquerschnitten A wieder, wobei der eingezeichnete Pfeil die Richtung vergrößerter Drosselquerschnitte A andeutet. Typische Drosselquerschnittsflächen A liegen in einem Bereich von ca. 0,5 bis 7 mm2.

Mit Hilfe der speziellen Querschnittsform der Drosselöffnung, sowie der Federcharakteristik des federelastischen Elementes 38 lässt sich eine optimierte Ventilcharakteristik für den Käl- temittelkreislauf 12 realisieren.

Ein voll geschlossenes Schiebesitzventil weist typischerweise eine innere Leckage auf, die von der Druckdifferenz über dem Ventil und den Spalten zwischen dem Ventilkolben 22 und der Ventilführung 32 abhängt. Um eine hohe Dichtheit des voll geschlossenen Expansions- ventils zu erreichen und damit die prinzipielle Möglichkeit, auch bei kleinsten Volumen- strömen noch einen definierten Hochdruck einregeln zu können, zu erhalten, ist in dem er- findungsgemäßen Expansionsventil sowohl die Spalthöhe als auch die Spaltlänge zwischen dem Ventilkolben und der Kolbenführung derart modifiziert, dass eine vorgebbare, ausrei- chende Dichtheit des voll geschlossenen Expansionsventils erreicht wird.

Eine Möglichkeit die Toleranz in den Spaltdimensionen in vorteilhafter Weise zu reduzieren, besteht darin, den Ventilkolben und/oder die Kolbenführung reibungsarm, bspw. mit einer Teflon-oder Kohlenstoffschicht zu beschichten.

In einer vorteilhaften Ausführungsform besitzt das erfindungsgemäße Expansionsmodul ne- ben dem steuerbaren Expansionsventil eine zusätzliche Drossel, konstanter Öffnung, die strömungstechnisch parallel zum Expansionsventil angeordnet ist.

Das erfindungsgemäße Expansionsmodul ist nicht auf die in der Beschreibung aufgeführten Ausführungsbeispiele des Expansionsventils beschränkt.

Das erfindungsgemäße Expansionsmodul ist darüber hinaus nicht beschränkt auf die Ver- wendung in dem dargestellten Kältemittelkreislauf einer Klimaanlage. Insbesondere ist die erfindungsgemäße Kälte-bzw. Klimaanlage nicht beschränkt auf die Verwendung von CO2 als Kältemitteln.

Des Weiteren ist die erfindungsgemäße Klimaanlage nicht beschränkt auf die Verwendung lediglich eines Expansionsventils. In vorteilhafter Weise ist es möglich, dass das Expansi- onsmodul auch mehrere Expansionsventile aufweist, die zueinander strömungstechnisch pa- rallel geschaltet sind.

Des Weiteren ist es möglich, den erfindungsgemäßen Kältemittelkreislauf prinzipiell auch als Wärmepumpe zu betreiben.