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Die
Erfindung betrifft eine Kälteanlage,
insbesondere eine Kraftfahrzeug-Klimaanlage, mit einem von CO2 als Kältemittel
durchströmten
Kältemittelkreislauf,
der einen Verdichter, einen Kondensator bzw. Gaskühler, ein
Expansionsventil mit einem regelbaren Drosselquerschnitt sowie einen
Verdampfer umfasst.
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Kälteanlagen
und insbesondere Kraftfahrzeug-Klimaanlagen mit einem von CO2 durchströmten Kältemittelkreislauf werden in
Zukunft immer größere Bedeutung
erlangen, da sich CO2 anders als herkömmliche
Kältemittel,
wie Fluor-Kohlenwasserstoffe, problemlos entsorgen lässt. Beim
Betrieb einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage mit CO2 ist
jedoch im Unterschied zu einem Betrieb mit herkömmlichen Kältemitteln zumindest unter
gewissen Umgebungsbedingungen eine überkritische Betriebsweise
erforderlich. Dabei wird das CO2 in dem
als Wärmeübertrager
dienenden Kondensator nicht kondensiert, sondern in einem überkritischen
Zustand lediglich abgekühlt,
weshalb der Kondensator auch als Gaskühler bezeichnet wird.
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In
Kälteanlagen,
die mit einem Kältemittel betrieben
werden, das wie CO2 aufgrund seiner thermodynamischen
Eigenschaften Wärme
im überkritischen
Bereich abgeben kann, kann der Druck des Kältemittels bei der Wärmeabgabe
anders als bei Kältemitteln
mit Wärmeabgabe
im Nassdampfbereich unabhängig
von der Umgebungstemperatur eingestellt werden. Um eine Ausnutzung
dieses zusätzlichen
Freiheitsgrades zur Erzielung optimaler Wirkungsgrade oder Kälteleistungen
zu ermöglichen, können die
Kälteanlagen
mit einem regelbaren Expansionsventil ausgestattet werden. Dieses
Expansionsventil dient zur Regelung des im Kältemittelkreislauf herrschenden
Hochdrucks, um diesen unter den jeweiligen Betriebsbedingungen,
wie Umgebungstemperatur und Temperatur im Verdampfer, auf einen Wert
einzustellen, bei dem der Wirkungsgrad bzw. die Kälteleistung
der Kälteanlage
optimal ist, wodurch bei einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage der Kraftstoffverbrauch
für den
Betrieb der Klimaanlage erheblich reduziert werden kann.
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Um
eine gewünschte
Einstellung des Hochdrucks zu ermöglichen, muss sich der Drosselquerschnitt
des Expansionsventils in Abhängigkeit
von den jeweiligen Betriebsbedingungen und in Abhängigkeit
von der gewählten
Betriebsstrategie, das heißt
entweder Optimierung der Kälteleistung
oder Optimierung des Wirkungsgrades bzw. der Leistungszahl (COP),
verstellen lassen. Wenn die gewählte
Betriebsstrategie feststeht, ergibt sich eine Abhängigkeit
zwischen dem im Kältemittelkreislauf herrschenden
Hochdruck und einem für
einen optimalen Betrieb der Anlage erforderlichen Drosselquerschnitt.
Dieser erforderliche Drosselquerschnitt ist in 2 der Zeichnung für verschiedene repräsentative
Betriebspunkte für
eine maximale Kälteleistung
durch schwarze Quadrate und für
einen maximalen Wirkungsgrad durch schwarze Rauten dargestellt,
wobei im zuerst genannten Fall mindestens ein Verstell- oder Regelbereich
von 0,6 bis 2 mm2 und im zuletzt genannten
Fall mindestens ein Verstell- oder Regelbereich von 0,1 bis 1,7
mm2 erforderlich ist, wenn unter allen auftretenden
Betriebsbedingungen eine optimale Kälteleistung bzw. ein optimaler
Wirkungsgrad erzielt werden soll. Die Regelaufgabe besteht dann
darin, den Drosselquerschnitt des Expansionsventils druckabhängig zu
verstellen und dabei so einzuregeln, dass er auf den Punkten mit
optimaler Kälteleistung
bzw. optimalem Wirkungsgrad liegt, entsprechend den in 2 dargestellten schwarze Quadraten
bzw. schwarzen Rauten, wofür
die in 2 dargestellten
Kurve A eine erste Näherung darstellt.
Expansionsventile, deren Drosselquerschnitt über einen Bereich von 0 bis
2 mm2 verstellbar und für eine mit CO2 betriebene
Kälteanlage
geeignet sind, haben jedoch den Nachteil, dass sie konstruktiv relativ
aufwändig
sind und eine der Regelung entsprechende Ansteuerung erforderlich
machen, wodurch sie verhältnismäßig teuer
sind.
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Um
diese Kosten zu verringern und die Kälteanlage zu vereinfachen,
wurde bereits überlegt,
an Stelle eines regelbaren Expansionsventils eine feste Drossel
(Orifice) zu verwenden, die einen konstanten, d.h. von dem im Kältemittelkreislauf
herrschenden Hochdruck unabhängigen
Drosselquerschnitt aufweist, wie in 2 durch
die horizontale Gerade B dargestellt. Jedoch ermöglicht es der Einsatz einer festen
Drossel nicht, die Kälteanlage
mit einer optimalen Kälteleistung
oder einem optimalen Wirkungsgrad zu betreiben. Außerdem muss
der Verdichter in Kälteanlagen
mit einer festen Drossel abgeregelt werden, um einen Anstieg des
Hochdrucks über
den zulässigen
Betriebsdruck der Anlage zu verhindern.
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Vorteile der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Kälteanlage
mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet demgegenüber den
Vorteil, dass durch die Begrenzung des Verstell- oder Regelbereichs
einfach aufgebaute, in hohen Stückzahlen
für Bremsanlagen
von Kraftfahrzeugen hergestellte Ventile eingesetzt werden können, die
im Vergleich zu herkömmlichen
regelbaren Expansionsventilen für
mit CO2 betriebene Kälteanlagen erheblich preiswerter
sind. Diese Expansionsventile haben zwar nur einen maximalen Drosselquerschnitt
von etwa 1 mm2 bzw. einen Verstell- oder Regelbereich
zwischen 0 und etwa 1 mm2, jedoch ist dieser
bei moderaten Umgebungsbedingungen ausreichend, um für einen
optimalen Wirkungsgrad bzw. eine optimale Kälteleistung der Kälteanlage
zu sorgen. Da während
des größten Teils
der jährlichen
Betriebsstunden einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage moderate Umgebungsbedingungen
vorherrschen, wird eine substantielle Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs
der Klimaanlage ermöglicht
und insgesamt eine kostengünstige
Betriebsweise gewährleistet. Demgegenüber sind
höhere
Umgebungstemperaturen, die für
einen optimalen Betrieb der Klimaanlage größere Drosselquerschnitte erforderlich
machen würden,
hinsichtlich ihrer Zeitdauer und damit hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs
nur von untergeordneter Bedeutung und können daher vernachlässigt werden.
Neben den zuvor genannten Vorteilen besitzen die für Bremsanlagen
von Kraftfahrzeugen hergestellten Ventile, wie zum Beispiel ein
unter der Bezeichnung MV1.80 von der Robert Bosch GmbH erhältliches
Ventil, zudem eine geringere Ansteuerleistung, ein geringeres Gewicht
und einen kleineren Bauraum als herkömmliche regelbare Expansionsventile
für Kälteanlagen
und gestatten darüber
hinaus infolge ihres geringen Drosselquerschnitts einen Taktbetrieb
ohne die Erzeugung hörbarer
Geräusche.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann eine feste Drossel
mit einem konstanten Drosselquerschnitt parallel zum regelbaren Expansionsventil
geschaltet sein, wobei der Gesamt-Drosselquerschnitt der festen Drossel
und des regelbaren Expansionsventils maximal etwa 1 mm2 beträgt und wobei
der Drosselquerschnitt der festen Drossel (Orifice) zweckmäßig kleiner
als der Drosselquerschnitt des Expansionsventils ist.
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Die
feste Drossel kann ein getrenntes Bauteil sein, ist jedoch zweckmäßig in Form
einer Bypassbohrung in einem Ventilblock des regelbaren Expansionsventils
ausgebildet.
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An
Stelle einer festen Drossel kann auch ein parallel zum Expansionsventil
geschaltetes Überströmventil
vorgesehen sein, das zugleich als Druckbegrenzung dient und bei Überschreiten
eines ersten vorbestimmten Hochdrucks im Kältemittelkreislauf öffnet, zum
Beispiel bei 120 bar, und bei einem zweiten vorbestimmten Hochdruck,
zum Beispiel bei 130 bar, mit einem den Drosselquerschnitt des Expansionsventils übersteigenden Öffnungsquerschnitt
voll geöffnet
ist. Der Öffnungsdruck
des Überströmventils entspricht
zweckmäßig dem
Hochdruck, bei dem bei einem maximalen Drosselquerschnitt des Expansionsventils
ein optimaler Wirkungsgrad oder eine optimale Kälteleistung erzielt wird.
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Selbstverständlich ist
es auch möglich,
sowohl ein Überströmventil
und eine feste Drossel parallel zum Expansionsventil zu schalten,
wodurch sich die Vorteile des Überströmventils
mit denen der festen Drossel kombinieren lassen.
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Das
Expansionsventil kann eine beliebige geeignete Bauart aufweisen,
zum Beispiel als Kegel- oder Kugelventil mit einem Kegel- bzw. Kugelsitz
für ein
entsprechendes Ventilglied, als Nadelventil oder als Schiebehülsenventil
ausgebildet sein und nach Bedarf als Proportionalventil oder als
getaktetes Ventil betrieben werden, wobei es in jeder dieser beiden Betriebsarten
elektrisch angesteuert wird.
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Zur
Leistungssteigerung kann die Kälteanlage
zweckmäßig einen
inneren Wärmeübertrager
umfassen, in dem das aus dem Kondensator bzw. Gaskühler zum
Expansionsventil strömende
verdichtete Kältemittel
durch Wärmetausch
mit dem vom Verdampfer zum Verdichter strömenden Kältemittel abgekühlt wird.
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Bei
Kälteanlagen
und insbesondere Kraftfahrzeug-Klimaanlagen der eingangs genannten
Art, die neben dem Verdampfer noch einen zweiten Verdampfer umfassen,
kann das regelbare Expansionsventil mit einem maximalen Drosselquerschnitt
von weniger als 1 mm2 auch mit Vorteil zur
Regelung eines Kältemassenstroms
des zweiten Verdampfers eingesetzt werden.
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Zeichnung
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Die
Erfindung wird nachfolgend in einigen Ausführungsbeispielen anhand der
zugehörigen Zeichnung
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines von CO2 durchströmten Kältemittelkreislaufs
einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage
mit einem Expansionsorgan und einem inneren Wärmeübertrager;
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2 eine
Darstellung der Drosselquerschnitte eines Expansionsorgans einer
Kälteanlage für maximalen
Wirkungsgrad (schwarze Quadrate) bzw. für maximale Kälteleitung
(schwarze Rauten) in Abhängigkeit
vom Hochdruck, sowie mit Näherungskurven
für die
Ansteuerung eines bekannten regelbaren Expansionsventils mit einem
Verstellbereich des Drosselquerschnitts von 0 bis 2 mm2,
einer bekannten festen Drossel (Orifice) mit einem Drosselquerschnitt
von 0,32 mm2 und eines erfindungsgemäßen Expansionsventils
mit einem Regelbereich von 0 bis 1 mm2;
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3 eine
schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des Expansionsorgans
aus 1;
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4 eine
schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des Expansionsorgans aus 1;
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5 eine
teilweise geschnittene Darstellung eines Ventilblocks der Ausführungsform
aus 4;
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6 eine
schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform des Expansionsorgans
aus 1;
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7 eine
schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform des Expansionsorgans
aus 1.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Der
in 1 dargestellte Kältemittelkreislauf 2 einer
mit CO2 als Kältemittel betriebenen Kraftfahrzeug-Klimaanlage 4 besteht
in bekannter Weise im Wesentlichen aus einem Kompressor 6,
einem Ölabscheider 8,
einem Gaskühler 10 und
einem ersten Teil 12 eines inneren Wärmetauschers 14, die
in einem Hochdruckabschnitt 16 des Kältemittelkreislaufs 2 hinter
dem Kompressor 6 angeordnet sind und vom verdichteten Kältemittel
durchströmt
werden, einem Expansionsorgan 18 zum Entspannen und Abkühlen des
verdichteten Kältemittels,
sowie einem als Wärmetauscher
ausgebildeten Verdampfer 20 und einem Sammler 22,
die zusammen mit einem zweiten Teil 24 des inneren Wärmetauschers 12 in
einem Niederdruckabschnitt 26 des Kältemittelkreislaufs 2 zwischen
dem Expansionsorgan 18 und der Saugseite des Kompressors 6 angeordnet
sind.
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In
dem vom Verbrennungsmotor oder einem Elektromotor (nicht dargestellt)
des Kraftfahrzeugs angetriebenen Kompressor 6 wird das
gasförmige Kältemittel
verdichtet, um seine innere Energie zu erhöhen. Anschließend wird
das Kältemittel
durch den Ölabscheider 8 hindurchgeführt, um
im Kältemittel enthaltene Ölrückstände abzuscheiden
und sie zur Schmierung des Kompressors 6 durch eine Rückführleitung 28 zu
diesem zurückzuführen. Danach wird
das verdichtete Kältemittel
in dem als Wärmetauscher
dienenden Gaskühler 10 mit
zugeführter Umgebungsluft 30 abgekühlt, wobei
das Kältemittel einen
Teil seiner inneren Wärmeenergie
abgibt und einen überkritischen
gasförmigen
Zustand annimmt. Vom Gaskühler 10 aus
strömt
das verdichtete Kältemittel
im Gegenstrom zu dem durch den Niederdruckabschnitt 26 strömenden Kältemittel
durch den inneren Wärmetauscher 12,
wobei seine Temperatur weiter abgesenkt wird. Im Expansionsorgan 18 wird das
Kältemittel
anschließend
entspannt und dabei noch ein weiteres Mal abgekühlt, bevor es anschließend durch
den als Wärmetauscher
ausgebildeten Verdampfer 20 strömt und in diesem mindestens
teilweise verdampft. Durch den Verdampfer 20 wird ein zu
kühlendes
Medium geblasen, zum Beispiel zu Kühlzwecken in die Fahrgastzelle
des Kraftfahrzeugs zugeführte
Luft 32.
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Das
Expansionsorgan 18 umfasst ein elektrisch regelbares Expansionsventil 34,
wie in 1 und 3 dargestellt, dessen Drosselquerschnitt
in Abhängigkeit
von dem jeweils im Hochdruckabschnitt 16 herrschenden,
von einem Sensor (nicht dargestellt) gemessenen Hochdruck verändert wird.
Das Expansionsventil 34 weist einen Regelbereich von 0 bis
1 mm2 auf und wird beispielsweise von einem
in hohen Stückzahlen
für Bremsanlagen
von Kraftfahrzeugen mit Antiblockiersystem (ABS) oder elektronischem
Stabilitätsprogramm
(ESP) hergestellten Ventil gebildet, das von der Firma Robert Bosch
GmbH unter der Bezeichnung MV1.80 erhältlich ist. Dieses Ventil weist
bei moderaten Umgebungsbedingungen eine gute Regelcharakteristik
auf und ermöglicht
es, die Klimaanlage unterhalb einer Umgebungstemperatur von etwa
25°C in
Abhängigkeit
vom Hochdruck mit einer optimalen Kälteleistung bzw. einem optimalen
Wirkungsgrad zu betreiben, wie durch die Näherungskurve C für die Ansteuerung
des Expansionsventils 34 in 2 dargestellt.
Im Unterschied zur Näherungskurve
A für die
Ansteuerung von bekannten regelbaren Expansionsventilen verläuft die
Kurve C bei Eintrittsdrücken
von mehr als 118 bar am Eingang des Expansionsorgans 18 horizontal,
d.h. parallel zur Geraden B, so dass ein Überschreiten des zulässigen Betriebsdrucks
der Klimaanlage 4 verhindert werden muss.
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Die 4 bis 7 zeigen
weitere mögliche Ausführungsformen
des Expansionsorgans 18, wobei das in 4 und 5 dargestellte
Expansionsorgan 18 neben dem regelbaren Expansionsventil 34 eine
parallel zu diesem geschaltete feste Drossel (Orifice) 36 umfasst.
Wie in 5 dargestellt, ist die feste Drossel 36 als
schräge
Bypassbohrung 38 zwischen einer radialen Ventileinlassbohrung 40 und
einer axialen Ventilauslassbohrung 42 in einem Ventilblock 44 des
Expansionsorgans 18 ausgebildet, wobei der Querschnitt
der Bypassbohrung 38 zum Beispiel 0,2 mm2 beträgt, während der
Drosselquerschnitt des regelbaren Expansionsventils 34 in
Abhängigkeit
vom Hochdruck zwischen 0 und 0,5 mm2 oder
zwischen 0 und 0,8 mm2 regelbar ist und
wegen der kleinen Querschnitte besonders gut für einen Taktbetrieb geeignet
ist. Das regelbare Expansionsventil 34 ist ein elektrisch
angesteuertes Ventil, das in Abhängigkeit
von der gewählten
Betriebsart, d.h. Taktbetrieb oder Proportionalbetrieb, und den
vorhandenen Einbauverhältnissen
als Kugel-, Kegel-, Nadel- oder
Schiebehülsenventil
ausgebildet sein kann.
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Das
in 6 dargestellte Expansionsorgan 18 enthält neben
dem regelbaren Expansionsventil 34 ein Überströmventil 46, das sich
zum Beispiel bei einem Druck von 120 bar öffnet und bei 130 bar voll geöffnet ist,
so dass auf diese Weise ein Überschreiten
des zulässigen
Betriebsdrucks der Klimaanlage 4 im horizontalen Teil der
Kurve C verhindert werden kann. Bei Verwendung des in 3 und 4 dargestellten
Expansionsventils 34 könnte
dies durch Abregeln des Kompressors 6 erreicht werden.
Das in 7 dargestellte Expansionsorgan 18 enthält neben
dem Expansionsventil 34 eine feste Drossel 36 und
ein Überströmventil 46,
die beide parallel zum Expansionsventil 34 geschaltet sind.
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Wieder
Bezug nehmend auf 1, dient der dem Verdampfer 20 nachgeschaltete
Sammler 22 dazu, das nach dem Hindurchtritt durch den Verdampfer 20 noch
flüssige,
das heißt
nicht verdampfte Kältemittel
zu sammeln und zu speichern, um es bei Bedarf, zum Beispiel bei
einer Reduzierung der Drehzahl des Kompressors 6, wieder
aus dem Sammler 22 in den Verdampfer 20 zurückzuführen. Das
im Verdampfer 20 verdampfte gasförmige Kältemittel wird vom Kompressor 6 angesaugt,
wobei es durch den Niederdruckabschnitt 26 und den zweiten
Teil 24 des inneren Wärmetauschers 14 strömt und sich
unter gleichzeitiger Abkühlung
des Kältemittels
im Hochdruckabschnitt 16 erwärmt.