DE102018216670A1

DE102018216670A1 - Ventil, insbesondere Expansionsventil

Info

Publication number: DE102018216670A1
Application number: DE102018216670.6A
Authority: DE
Inventors: Thomas Holzer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-09-28
Filing date: 2018-09-28
Publication date: 2020-04-02
Also published as: CN110966443A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ventil, insbesondere ein Expansionsventil, zur Steuerung eines Fluidstroms, mit einem Ventilmittelgehäuse und wenigstens einem im Ventilmittelgehäuse bewegbar angeordneten Ventilmittel. Es wird vorgeschlagen, dass wenigstens ein Gehäuseteil des Ventilmittelgehäuses einen Kunststoffkörper mit einer diffusionshemmenden Sperrschicht, welche Metall enthält, aufweist.

Description

Stand der Technik
In einem Expansionsventil liegt das Fluid zumindest teilweise in einer gasförmigen Phase vor, wobei in der Regel hohe Drücke im Bereich von 1-30bar und kurzzeitig bis 100 bar vorliegen. Aus dem Stand der Technik sind bereits Expansionsventile bekannt, bei welchen das Ventilmittelgehäuse als Ventilblock aus Aluminium ausgebildet ist, welches bei den in einem Expansionsventil vorliegenden thermodynamischen Bedingungen im Wesentlichen gasdicht ausgebildet ist. Solche Ventilmittelgehäuse aus Aluminium sind jedoch teuer, da sie in der Herstellung aufwändig sind und teilweise nachbearbeitet werden müssen. Darüber hinaus sich Aluminiumblockgehäuse aufgrund der Dimensionierung und der Materialauswahl sehr schwer.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einem Ventil, insbesondere einem Expansionsventil, zur Steuerung eines Fluidstroms, mit einem Ventilmittelgehäuse und wenigstens einem im Ventilmittelgehäuse bewegbar angeordneten Ventilmittel. Es wird vorgeschlagen, dass wenigstens ein Gehäuseteil des Ventilmittelgehäuses einen Kunststoffkörper mit einer diffusionshemmenden Sperrschicht, welche Metall enthält, aufweist.
Das erfindungsgemäße Ventil mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche weist den Vorteil auf, dass das Ventilmittelgehäuse einfach und kostengünstig gefertigt werden kann und gleichzeitig aufgrund der Gasdichtigkeit des erfindungsgemäßen Ventils ein Einsatz in Fluidkreisläufen ermöglicht werden, bei welchen das Fluid zumindest teilweise in einer gasförmigen Phase vorliegt. Dabei kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter dem Begriff Fluid ein Medium verstanden werden, welches in Abhängigkeit der vorliegenden thermodynamischen Bedingungen sowohl in einer flüssigen Phase als auch in einer gasförmigen Phase vorliegen kann. Bei einem Fluid der hier zur Rede stehenden Art handelt es sich um ein Wärmeträgermedium, welches innerhalb des Fluidkreislaufes zirkuliert. Insbesondere handelt es sich bei dem Fluid um ein natürliches Kältemittel, wie beispielsweise Kohlenwasserstoffe, Kohlendioxid, Ammoniak, Propan, Butan, Propen, Wasser oder ein synthetisches Kältemittel wie beispielsweise Fluorchlorkohlenwasserstoffe oder teilhalogenierte Fluorkohlenwasserstoffe.
Ferner kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter dem Begriff einer diffusionshemmenden Sperrschicht insbesondere eine Schicht verstanden werden, welche eine Leckagerate zulässt, welche kleiner als 10^-7 mbar l/s, vorzugsweise kleiner als 10^-8 mbar l/s, besonders vorzugsweise kleiner als 5 * 10^-8 mbar l/s ist. Diese Leckagerate entspricht näherungsweise einem Leckdurchmesser von 0,4µm pro 2mm Wanddicke und einem mittleren Gasverlust von näherungsweise 3cm³ Gas im Jahr, wobei die Leckagerate mit einem Prüfgasleckdetektor quantitativ ermittelt wird. Vorzugsweise findet hierbei Helium oder Wasserstoffformiergas als Prüfmedium Anwendung.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ergeben sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der unabhängigen Merkmale.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Sperrschicht mittels Dampfabscheidung, insbesondere mittels physikalischer Gasphasenabscheidung auf dem Kunststoffkörper aufgebracht ist, wobei unter dem Begriff der physikalischen Gasphasenabscheidung eine Dünnschichttechnologie verstanden werden kann, bei welcher das Metall enthaltende Ausgangsmaterial in einem ersten Schritt in eine Gasphase überführt wird und anschließend auf dem Kunststoffkörper kondensiert und die Zielschicht bildet. Vorzugsweise wird hierbei die diffusionshemmende Sperrschicht mittels thermischem Bedampfen auf den Kunststoffkörper aufgebracht.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die diffusionshemmemde Sperrschicht aus Aluminium alternativ hierzu oder zusätzlich Nickel alternativ hierzu oder zusätzlich Stahl alternativ hierzu oder zusätzlich Kupfer alternativ hierzu oder zusätzlich Chrom und alternativ hierzu oder zusätzlich den entsprechenden Legierungen derer ausgebildet. Vorzugsweise weist die diffusionshemmende Sperrschicht eine Schichtdicke zwischen 0,1µm und 100µm, vorzugsweise zwischen 1µm und 50µm auf. Die Einstellung einer solchen Schichtdicke ermöglicht in vorteilhafter Weise die Bereitstellung der gewünscht niedrigen Leckagerate bei gleichzeitiger Vermeidung von Delamination der Schicht, zu welcher es bei zu hohen Schichtdicken aufgrund der Eigenspannungen der Schicht kommen kann.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass wenigstens eine zweite Schicht, welche vorzugsweise ebenfalls Metall enthält, auf der diffusionshemmenden Sperrschicht angeordnet, insbesondere aufgedampft ist. Auf diese Weise kann zum einen die Leckagerate der Gesamtschicht, das heißt der diffusionshemmenden Sperrschicht in Kombination mit der wenigstens einen zweiten Schicht, zusätzlich minimiert werden. Zum anderen können durch eine solche zusätzliche Schicht weitere Eigenschaften optimiert werden, wie beispielsweise das optische Erscheinungsbild oder die Verringerung von Eigenspannungen in der diffusionshemmenden Schicht.
Die diffusionshemmende Sperrschicht kann gemäß alternativer Ausführungsform der Erfindung an einer Innenseite und alternativ hierzu oder zusätzlich auch an einer Außenseite des Ventilmittelgehäuses angeordnet sein.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Kunststoffkörper aus einem Thermoplast, insbesondere einem glasfaserverstärktem Thermoplast, vorzugsweise aus Polyamiden ausgebildet. Ein solcher Kunststoffkörper lässt sich durch Spritzgießen besonders kostengünstig und einfach herstellen.
Figurenliste
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Ventils dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen

1 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ventils,
2 einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Ventilmittelgehäuses in einer Schnittdarstellung.

In den Figuren erhalten gleiche Teile die gleichen Bezugszahlen. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Ventils 10 gemäß dem Stand der Technik. Das Ventil weist, wie in 1 deutlich zu erkennen ist, ein Ventilmittelgehäuse 12 und ein auf dem Ventilmittelgehäuse angeordnetes weiteres Gehäuse 14 auf. Das Ventilmittel ist beweglich, insbesondere gegenüber dem Ventilmittelgehäuse 12 drehbar, ausgebildet. Insbesondere ist das Ventilmittel innerhalb des Ventilmittelgehäuses 12 angeordnet. Ferner weist Ventilmittelgehäuse 12 einen Durchströmungsbereich 19 auf, welcher von einem Fluid durchströmt wird. Wie in 1 zu erkennen ist, weist das Ventilmittelgehäuse zumindest zwei erste Öffnungen 16 und 18 auf, welche einen Einlass beziehungsweise einen Auslass für das Fluid in das Ventilmittelgehäuse 12 ausbilden.
Wie in 1 deutlich zu erkennen ist, ist auf Ventilmittelgehäuse 12 ein zweites Gehäuseelement angeordnet, welches als Aktuatorgehäuse des Ventils 10 ausgebildet ist. Gemäß der in 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung weist das Aktuatorgehäuse 14 zwei Aktuatorgehäuseteile 20,22 auf, innerhalb derer ein elektrischer Antrieb (hier nicht dargestellt) angeordnet ist. Ein solcher elektrischer Antrieb kann insbesondere als Schrittmotor, bürstenloser Motor oder Bürstenmotor ausgebildet sein.
Neben dem elektrischen Antrieb ist innerhalb des Aktuatorgehäuses 14 ein Getriebe angeordnet, welches die Bewegung des elektrischen Antriebes auf einen entsprechenden Ventilschaft überträgt. Gemäß der in 1 dargestellten Ausführungsform ist im Aktuatorgehäuse 14 ferner eine Motorelektronik zur Ansteuerung des elektrischen Antriebs angeordnet. Auf dem Ventilschaft ist das Ventilmittel angeordnet. Der Ventilschaft durchgreift eine zweite Öffnung des Ventilmittelgehäuses, sodass das Ventilmittel im Durchströmungsbereich des Ventilmittelgehäuses 12 bewegbar angeordnet ist.
1 zeigt den Stand der Technik, gemäß welchem das Ventilmittelgehäuse 12 als Ventilmittelblock ausgebildet ist. Ein solcher Ventilmittelblock ist gemäß dem Stand der Technik aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ausgebildet. Erfindungsgemäß ist es nunmehr vorgesehen, dass das Ventilmittelgehäuse 12 aus einem Kunststoffkörper 24 ausgebildet ist, welcher eine diffusionshemmemde Sperrschicht 26 aufweist, die Metall enthält. Ein aus einem Kunststoffkörper 24 ausgebildetes Ventilmittelgehäuse 12 lässt sich insbesondere mit hoher Wirtschaftlichkeit bei deutlich geringeren Arbeitsschritten und hohem Rationalisierungseffekt herstellen. Ferner lässt sich die Herstellung eines solchen Ventilmittelgehäuses 12 aus einem Kunststoffkörper 24 in vorteilhafter Weise mit optimierter Qualität automatisieren. Aufgrund der höheren Gestaltungsfreiheit beim Urformen eines solchen Kunststoffkörpers 24 eines Ventilmittelgehäuses 12 gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten Aluminiumblockgehäuse kann ein solches Ventilmittelgehäuse 12 aus einem Kunststoffkörper 24 besonders platzsparend gestaltet werden.
2 zeigt einen Schnitt durch einen Abschnitt eines erfindungsgemäßen Ventilmittelgehäuses 12 gemäß einer Ausführungsform. Wie in 2 zu erkennen ist, weist das Ventilmittelgehäuse 12 eine Innenseite 30, beziehungsweise eine innere Mantelfläche auf, welche den Durchströmungsbereich 19 des Fluids begrenzt. Ferner weist das Ventilmittelgehäuse 12 eine der Innenseite 30 gegenüberliegende Außenseite 32 auf.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass auf dem Kunststoffkörper 24 eine diffusionshemmende Sperrschicht 26 angeordnet ist, welche Metall enthält. Eine solche Sperrschicht 26 kann insbesondere mittels physikalischer Gasphasenabscheidung, wie beispielsweise durch thermisches Verdampfen oder Sputtern auf dem Kunststoffkörper aufgebracht 24 werden. Gemäß der in 2 dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist die Sperrschicht 26 lediglich auf der Außenseite 32 des Kunststoffkörpers 24 angeordnet. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Sperrschicht 26 an der Innenseite 30 oder sowohl an der Innenseite 30 als auch der Außenseite 32 des Kunststoffkörpers 24 angeordnet ist.
Die diffusionshemmende Sperrschicht 26 kann Aluminium oder eine Aluminiumlegierung aufweisen. Auch Metalle wie beispielsweise Nickel, Kupfer, Stahl oder Chrom und deren Legierungen sind dafür geeignet, eine derartige Sperrschicht 26 auf dem Kunststoffkörper 24 bereitzustellen. Gemäß der in 2 dargestellten Ausführungsform ist auf der Sperrschicht 26 eine weitere Schicht 34 angeordnet. Die zusätzliche Schicht 28 kann im Sinne einer zweiten diffusionshemmenden Sperrschicht die Diffusion der Gase aus dem Durchströmungsbereich 19 nach außen weiter verhindern. Es ist jedoch auch denkbar, dass die zusätzliche Schicht 34 weitere Funktionalitäten, wie beispielsweise Anforderungen an die Festigkeit der Sperrschicht 26 oder optische Eigenschaften abbildet. Vorzugsweise weist die Sperrschicht 26 eine Schichtdicke zwischen 0,1µm und 100µm, vorzugsweise zwischen 1µm und 50µm auf. In diesem Schichtdickenbereich kann die Leckagerate ausreichend klein gehalten werden und gleichzeitig ein Abplatzen der Schicht vom Kunststoffkörper 25 verhindert werden.
Es ist häufig nicht notwendig, dass die gesamte Oberfläche der Innenseite 30 und alternativ hierzu oder zusätzlich auch der Außenseite 32 eine entsprechende Sperrschicht 26 aufweist. So kann beispielsweise in Bereichen von besonders dickwandigen Gehäuseteilen des Ventilmittelgehäuses 12 auf eine Beschichtung verzichtet werden. Um jedoch eine langfristige Diffusion von Gasen zu unterbinden, sollte die Beschichtung zumindest 60% der entsprechenden Innenseite 30 und zusätzlich oder alternativ hierzu der Außenseite 32 des Ventilmittelgehäuses 12 überdecken.
Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Kunststoffkörper 24 aus einem Thermoplast, insbesondere aus Polyamid, glasfaserverstärktem Polyamid, Polyphenylensulfid oder Polypropylen ausgebildet ist.

Claims

Ventil (10), insbesondere Expansionsventil, zur Steuerung eines Fluidstroms, mit einem Ventilmittelgehäuse (12) und wenigstens einem im Ventilmittelgehäuse (12) bewegbar angeordneten Ventilmittel, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Gehäuseteil des Ventilmittelgehäuses (12) einen Kunststoffkörper (24) mit einer diffusionshemmenden Sperrschicht (26), welche Metall enthält, aufweist.
Ventil (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrschicht (26) mittels Dampfabscheidung, insbesondere mittels physikalischer Gasphasenabscheidung, auf dem Kunststoffkörper (24) aufgebracht ist.
Ventil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leckagerate des Ventilmittelgehäuses im Bereich der diffusionshemmenden Sperrschicht (26) kleiner als 10^-9 Pa m³/s, vorzugsweise kleiner als 10^-11 Pa m³/s, besonders vorzugsweise kleiner als 10^-13 Pa m³/s ist.
Ventil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die diffusionshemmemde Sperrschicht (26) aus Aluminium und/oder Nickel und/oder Stahl und/oder Kupfer und/oder Chrom ausgebildet ist.
Ventil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die diffusionshemmende Sperrschicht (26) eine Schichtdicke(36) zwischen 0,1µm und 100µm, vorzugsweise zwischen 1µm und 50µm aufweist.
Ventil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine zweite Schicht (34), welche Metall enthält, auf der diffusionshemmenden Sperrschicht (26) angeordnet, insbesondere aufgedampft ist.
Ventil (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die diffusionshemmende Sperrschicht (26) an einer Innenseite (30) und/oder einer Außenseite (32) des Ventilmittelgehäuses (12) angeordnet ist.
Ventil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens 60% der Innenseite (30) und/oder Außenseite (32) des Ventilmittelgehäuses (12), vorzugsweise zumindest 80% der Innenseite (30) und/oder Außenseite (32) des Ventilmittelgehäuses (12), besonders vorzugsweise die gesamte Innenseite (30) und/oder Außenseite (32) des Ventilmittelgehäuses (12) die diffusionshemmende Sperrschicht (26) aufweist.
Ventil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoffkörper (24)aus einem Thermoplast, insbesondere einem glasfaserverstärkten Thermoplast, vorzugsweise aus Polyamiden ausgebildet ist.
Ventil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilmittelgehäuse (12) zumindest zwei erste Öffnungen (20, 22) aufweist, wobei das Ventilmittel beweglich innerhalb des Ventilmittelgehäuses (12) angeordnet ist und in Abhängigkeit der Position des Ventilmittels in Bezug auf die Öffnungen (20, 22) einen Fluidstrom durch die Öffnungen (20, 22) freigebbar und veränderbar ist.
Gehäuseteil, insbesondere Ventilmittelgehäuse (12) für ein Expansionsventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuseteil einen Kunststoffkörper (24) mit einer diffusionshemmenden Sperrschicht (26), welche Metall enthält, aufweist.