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Die
Erfindung betrifft ein thermostatisches Expansionsventil für einen
Kälte-
und/oder Wärmepumpenkreislauf,
umfassend einen Ventilsitz und ein Ventilelement, eine zumindest
abschnittsweise durch eine dehnbare Trennvorrichtung mit einer ersten Wirkfläche begrenzte
Kammer, die eine Steuerfüllung
enthält.
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Bei
transkritischen Kälte-
bzw. Wärmepumpenkreisläufen erfolgt
die hochdruckseitige Wärmeabgabe
meist oberhalb des kritischen Drucks des angewandten Kältemittels.
Aufgrund des sich hierbei ergebenden gleitenden Temperaturgradienten
im Gaskühler
ist der Druck am Gaskühleraustritt
ein Freiheitsgradim Kreislaufprozess. Speziell bei Kreislaufprozessen,
die CO2 als Kältemittel verwenden, ist es
von großer
Bedeutung, den Hochdruck in Abhängigkeit
der Umgebungs- beziehungsweise Gaskühleraustrittstemperatur in
einem wirkungsgradoptimalen Bereich einzuregeln. Bei CO2-Klimaanlagen
finden meistens nur Festdrosseln oder fremdgesteuerte Expansionsorgane
in der Regelung des Kältekreislaufes
Verwendung. Erstere ermöglichen
im laufenden Betrieb keine Anpassung des Hochdrucks an die Prozessrandbedingungen.
Fremdgesteuerte Expansionsorgane müssen hierfür durch elektronische Steuerelemente
geregelt werden, deren Reaktionsfähigkeit insbesondere für die automobile
Anwendung nicht ausreichend ist. Dement sprechend können sie keine
genügende
Betriebssicherheit bieten. Weitere Nachteile sind durch hohe Störanfälligkeit,
hohe Entwicklungs- und Anschaffungskosten gegeben.
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Die
DE 102 49 950 B4 offenbart
ein Expansionsventil für
Hochdruckkälteanlagen
mit einem Ventilsitz, einem Ventilelement, das mit dem Ventilsitz
zusammenwirkt, einer Federanordnung, die auf das Ventilelement wirkt,
und einer Verstelleinrichtung für die
Federanordnung, wobei die Federanordnung mindestens eine erste Feder
und eine zweite Feder, die auf das Ventilelement wirken, aufweist,
die erste Feder einen Arbeitsbereich definiert und die zweite Feder
eine durch die Verstelleinrichtung veränderbarer Federkraft aufweist.
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Aus
der
US 6,012,300 ist
ein Expansionsventil bekannt geworden, welches eine Kammer aufweist,
in der Kältemittel
eingeschlossen ist. Die Kammer ist durch eine Membran begrenzt,
die mittelbar auf ein Ventilelement wirkt. Die Membran ist jedoch auch
dem hochdruckseitigen Kältemittel
ausgesetzt. Insbesondere sind die Wirkflächen, auf die das in der Kammer
eingeschlossene Kältemittel
wirkt und die, auf die das vom Gaskühler kommende hochdruckseitige
Kältemittel
wirkt, identisch. Mit dem beschriebenen Expansionsventil ist keine
Absicherung gegen Hochdrücke
oberhalb eines max. zulässigen
Wertes (z.B. 120bar) möglich.
Außerdem
ist ein sicheres Anfahrverhalten bei Eintrittstemperaturen am Expansionsventil
oberhalb der kritischen Temperatur des Kältemittels nicht möglich. Eine
betriebssichere Anwendung kann mit dem Expansionsventil des Standes der
Technik daher nicht realisiert werden.
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In
der
DE 19631914 C2 ist
ein Expansionsorgan gezeigt, welches zwei Drucküberwachungsmembranen aufweist,
die unterschiedliche Wirkflächengrössen aufweisen.
Dabei überwacht eine
Membran einen verdampferausgangsseitigen Niederdruck mit einem Druck
eines Temperaturüberwachungsmediums
der sich entsprechend der verdampferausgangsseitigen Temperatur
entwickelt. An der anderen Membran wirken einerseits der gaskühlerausgangsseitige
Hochdruck und ein sich entsprechend der gaskühlerausgangsseitigen Temperatur verändernder
Druck eines Temperaturüberwachungsmediums.
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Die
EP 0786632 B1 offenbart
ein Expansionsorgan, dessen Steuerkörper von einer Überwachungsmembran
angetrieben ist, die einerseits mit dem Druck eines die Kältemitteltemperatur
der Hochdruckseite aufnehmenden Überwachungsmediums und
andererseits mit dem Druck der Hochdruckseite selbst auf gleich
grossen Wirkflächen
beaufschlagt ist.
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Die
DE 69813146 T2 offenbart
ein Ventil, welches mittels einer beidseitig gleiche Wirkflächen aufweisenden
Membran den an der Ausgangsseite eines Gaskühlers auftretenden Durck mit
der dort herrschenden Temperatur vergleicht. Das Ventil steuert
dabei einen Bypass der bei Übersteigen
eines Versagensdruckes des Gaskühlers
den Hochdruck reduziert.
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In
der
DE 19958266 A1 ist
eine integrale Bauweise einer Expansionseinheit vorgeschlagen, die
das Expansionsorgan selber sowie einen inneren Wärmetauscher des Kältemittelkreislaufs
umfasst.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Expansionsventil
zu schaffen, das den Hochruck eines transkritischen Kälte- bzw.
Wärmepumpenkreislaufes
innerhalb eines op timalen Bereiches einregeln und ein Überschreiten
eines max. zulässigen
Wertes selbständig
verhindern kann.
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Gelöst wird
diese Aufgabe auf ebenso überraschend
einfache wie wirkungsvolle Art und Weise durch ein Expansionsventil
der eingangs genannten Art, bei dem eine zweite Wirkfläche vorgesehen
ist, die sowohl mit der ersten Wirkfläche als auch mit dem Ventilelement
bewegungsgekoppelt ist, und mit dem hochdruckseitigen, vom inneren
Wärmetauscher
kommenden, Kältemittel
druckbeaufschlagt ist, wobei die erste und zweite Wirkfläche unterschiedlich
groß sind.
Mit einem derartigen Expansionsventil kann insbesondere in einem
Wärme-
und/oder Kältepumpenkreislauf
mit innerem Wärmetauscher
der COP(coefficient of performance)-optimale Hochdruck in Abhängigkeit
der Austrittstemperatur des Kältemittels
beim Verlassen des inneren Wärmetauschers
des Wärme-
und/oder Kältepumpenkreislaufes
eingestellt werden und kann in jeder Betriebslage ein Überschreiten
eines vordefinierten Maximalhochdrucks selbstständig und ohne Fremdansteuerung verhindert
werden. Der COP ist definiert als das Verhältnis der Enthalpieänderung
während
des Verdampfens und der Enthalpieänderung während der Kältemittelkompression. Durch
die Wahl eines geeigneten Übersetzungsverhältnisses
zwischen der ersten und zweiten Wirkfläche kann eine Hochdruckbegrenzende
Funktion im überkritischen
Regelbereich (Maximum Operating Pressure = MOP) eines transkritischen
Kälte-
bzw. Wärmepumpenkreislaufes
erreicht werden, insbesondere von R744. Es ist damit eine betriebssichere
Regelung des Kälte-
und/oder Wärmepumpensystems
auf einen optimalen Betriebsbereich bei kostengünstiger Ausführung möglich. Außerdem sind
eine selbstständige
Absicherung gegen Druckspitzen, beispielsweise > 120 bar, und ein sicheres Anfahrverhalten
bei Eintrittstemperaturen des Kältemittels
im Expansionsventil oberhalb der kritischen Temperatur des Kältemittels
möglich.
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Durch
ein zweckmäßig größer 1 gewähltes Übersetzungsverhältnis kann
die Steuerfüllung,
die in der durch die dehnbare Trennvorrichtung begrenzten Kammer
eingeschlossen ist, einen temperaturabhängigen Druck aufweisen, der
stets kleiner ist als der des Kältemittelfluids
und trotzdem eine Hochdruckregelung ermöglichen.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die erste Wirkfläche von dem hochdruckseitigen
Kältemittel isoliert
angeordnet ist. Dadurch kann der statische Druck des Kältemittels
nicht unmittelbar auf die erste Wirkfläche wirken. Die Kammer ist
dadurch von der Hochdruckwirkung des Kältemittelfluids mechanisch abgekoppelt.
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Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
ist die des Weiteren als Thermokopf bezeichneten Kammer so ausgebildet,
dass die Temperatur des hochdruckseitigen Kältemittels sensiert werden
kann. Um die Temperatur des Kältemittels
zu sensieren, kann der Thermokopf vorteilhafterweise zumindest abschnittsweise
aus einem gut wärmeleitfähigen Material
ausgebildet sein. Das gut wärmeleitfähige Material
ist vorzugsweise ein unbeweglicher, hochdruckbeständiger und
wärmeleitender
Abschnitt, der die Temperatur des Kältemittelfluids, das vom inneren
Wärmetauscher
in das Expansionsventil einströmt,
sensiert. Die dehnbare Trennvorrichtung ist vorzugsweise Teil des
Thermokopfes. Über
die dehnbare Trennvorrichtung des Thermokopfes wird der temperaturabhängige Druck
der Steuerfüllung auf
ein temperaturunabhängiges
Federelement übertragen,
das mit der zweiten Wirkfläche
in Verbindung steht, an dem der System- beziehungsweise Hochdruck
anliegt.
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Wenn
das hochdruckseitige Kältemittel
an dem wärmeleitfähigen Abschnitt
des Thermokopfes entlang strömt
bzw. mit diesem in Kontakt gerät,
kann die Temperatur des Kältemittels
unmittel bar sensiert werden. Ist jedoch kein unmittelbarer Kontakt
vorhanden, kann eine Temperaturfühlerleitung
zwischen einem hochdruckseitiges Kältemittel aufweisenden Raum
und dem Thermokopf vorgesehen sein, um die Temperatur des Kältemittels
zu detektieren. An die Fühlerleitung
kann ein Thermoelement angeschlossen sein.
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Bei
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass die Steuerfüllung
eine Fülldichte
aufweist, die unterhalb der kritischen Dichte der Steuerfüllung liegt.
Das Stoffgemisch, aus dem die Steuerfüllung besteht, besitzt vorzugsweise
kältemittelähnliche
Eigenschaften und weist vorzugsweise eine kritische Temperatur oberhalb
der kritischen Temperatur des Kältemittels. Wenn
die gewählte
Fülldichte
unterhalb seiner eigenen kritischen Dichte liegt, kann mit solch
einem Stoffgemisch und einem darauf abgestimmten Übersetzungsverhältnis zwischen
den beiden Wirkflächen eine
Hochdruckbegrenzende Funktion im überkritischen Arbeitsbereich
des Kältemittels
erreicht werden.
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Eine
bevorzugte Ausgestaltung der dehnbaren Trennvorrichtung ergibt sich
zwar, wenn diese als Membran ausgebildet ist, kann aber auch z.B.
in Form eines faltenbalgartigen Federelements ausgebildet sein.
Die dehnbare Trennvorrichtung ist dabei vorteilhafterweise an einem
Ventilgehäuse
befestigt, insbesondere angeschweißt oder angeklebt. Durch die
unmittelbare Anbringung am Gehäuse
kann das Expansionsventil mit wenig Teilen aufgebaut werden.
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Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
kann vorgesehen sein, dass die zweite Wirkfläche mit einem vorgespannten
Federelement zusammenwirkt. Dies bedeutet, dass über die dehnbare Trennvorrichtung
des Thermokopfes der temperaturabhängige Druck der Steuerfüllung auf
ein temperaturunabhängi ges,
vorgespanntes Federelement übertragen
werden kann, an dessen Wirkfläche
der Systemhochdruck anliegt. Wenn der temperatur- und druckabhängige Kraftüberschuss
an der zweiten Wirkfläche
des vorgespannten Federelements ausreicht, um seine Vorspannung
zu überwinden,
wird das Ventilelement verschoben und der Ventilsitz bzw. ein Durchgang
zwischen den Ventilsitz an dem Ventilelement frei gegeben bzw. die
Größe der Durchgangsöffnung verändert.
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Vorzugsweise
ist das Federelement faltenbalgartig aufgebaut und ist die zweite
Wirkfläche
Teil des faltenbalgartigen Federelements. Durch die Ausbildung als
faltenbalgartiges Federelement kann das Federelement verwendet werden,
um die erste Wirkfläche
vom hochdruckseitigen Kältemittel
zu isolieren. Der Raum zwischen der ersten und zweiten Wirkfläche kann
beispielsweise mit einer Flüssigkeit oder
mit einem Gas bzw. Gasgemisch gefüllt sein oder ein Vakuum oder
eine Öffnung
zum Druckausgleich zur atmosphärischen
Umgebung aufweisen. Vorteilhaft ist es dabei, wenn das Federelement
einenends an dem Ventilgehäuse
befestigt ist.
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Wenn
das Ventilgehäuse
zumindest in einem Bereich aus gut wärmeleitfähigem Material hergestellt
ist, brauchen der Thermokopf und die hochdruckseitige Kältemittelleitung
nur durch eine Gehäusewand
getrennt sein. Durch die Gehäusewand
kann ein hinreichender Wärmeübergang
stattfinden, so dass die Temperatur des hochdruckseitigen Kältemittels
sensiert werden kann, bzw. sich das Volumen und damit der Druck
der Steuerfüllung
in Abhängigkeit
der Temperatur des Kältemittels
einstellen kann. Somit kann ein Wärmeaustausch, jedoch kein Druckaustausch
stattfinden.
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Bei
einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass in
einer Ruhestellung des Ventilelements zwischen Ven tilelement und
Ventilsitz eine vorgegebene Durchlassöffnung frei gegeben ist. Dies
bedeutet, dass, wenn der temperatur- und druckabhängige Kraftüberschuss an der Unterseite des
vorgespannten Federelements nicht ausreicht, um seine Vorspannung
zu überwinden,
nur ein zweckmäßig vordefinierter
Drosselquerschnitt freigegeben wird und das thermostatische Expansionsventil
als Festdrossel fungiert, wodurch sich der Hochdruck im Kreislauf
sich selbst einstellt.
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Bei
ausreichendem Kraftüberschuss
wird über
eine vordefinierte Hub-Kennlinie der optimale Öffnungsquerschnitt freigegeben
und somit der optimale Hochdruck in Abhängigkeit von der hochdruckseitigen
Austrittstemperatur des Kältemittels
am inneren Wärmetauscher
eingestellt. Hierbei ist zu erwähnen,
dass obwohl die kältemittelseitige
Gaskühleraustrittstemperatur
in Hinblick auf COP-Optimierung die bevorzugende Regeltemperatur
im Kreislauf ist, die hochdruckseitige Austrittstemperatur am innerem
Wärmetauscher
ebenfalls zum Zweck der Regelung des Hochdruckes in einem COP-optimalen
Bereich angewandt werden kann. Hierfür werden entweder simulations-
oder versuchstechnisch für
den Kreislauf, in dem das durch diese Erfindung beschriebene thermostatische
Expansionsventil Verwendung findet, die zu jedem COP-optimalen Gaskühleraustittszustand
korrespondierenden Austrittszustände am
innerem Wärmetauscher
ermittelt. Über
die hochdruckseitige Austrittstemperatur am inneren Wärmetauscher
ergibt sich somit ein COP-optimierter Druckverlauf, auf den die
optimale Ventil-Hubkennlinie ausgerichtet wird (2).
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Durch
diese Maßnahme
vermeidet man komplexe Leitungssatzverlegungen wie sie z.B. bei der
Anwendung eines thermostatischen Expansionsventil nach Patent
US6012300 notwendig sind,
da das dort beschriebene Ventil die kältemittelseitige Austrittstemperatur
am Gaskühler
sensieren muss – entweder
durch eine lokale Anordnung am Gaskühlerastritt oder durch die
Verlegung einer Kapillarleitung zwischen Ventil und Gaskühleraustritt.
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In
den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt somit ein transkritischer
oder unterkritischer Kälte-
oder Wärmepumpenkreislauf
mit einem inneren Wärmetauscher,
der ein vorbeschriebenes thermostatisches Expansionsventil und den
weiteren Vorteil aufweist, dass das Expansionsventil ohne zusätzliche
Leitungsverlegung am Verdampfereintritt platziert werden kann – wie in
heutigen Anlagen gängig, ohne
dabei auf die thermostatische Regelmöglichkeit verzichten zu müssen.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche
Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale
können
je einzeln für
sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante
der Erfindung verwirklicht sein.
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Ausführungsbeispiele
sind in der schematischen Zeichnung dargestellt und werden in der
nachfolgenden Beschreibung erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Kältemittelkreislaufes;
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2 ein
Zustandsdiagramm zur Veranschaulichung der Funktion eines Kältemittelkreislaufs;
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3 eine
erste Ausführungsform
eines thermostatischen Expansionsventils;
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4 eine
zweite Ausführungsform
eines thermostatischen Expansionsventils;
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5 eine
dritte Ausführungsform
eines thermostatischen Expansionsventils.
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1 zeigt
einen Kälte-
und/oder Wärmepumpenkreislauf 1 einer
Klimaanlage. In einem Kältemittelverdichter 2 wird
ein gasförmiges
Kältemittel, insbesondere
CO2, komprimiert. Das komprimierte Kältemittel
wird einem Gaskühler 3 zugeführt, wo
ein Wärmeaustausch
zwischen dem komprimierten Kältemittel
und der Umgebung stattfindet, um das Kältemittel zu kühlen. Das
den Gaskühler 3 verlassende Kältemittel
gelangt an einen inneren Wärmetauscher 4,
der mit einem Expansionsventil 5 in Verbindung steht. Das
Expansionsventil 5 wirkt zum einen dahingehend, den Druck
des Kältemittels
zu begrenzen und zum anderen, um den Druck des Kältemittels am Ausgang des inneren
Wärmetauschers 4 zu
regeln. Vom Expansionsventil 5 gelangt das Kältemittel
an einen Verdampfer 6. Im Verdampfer 6 nimmt das
Kältemittel
Wärme aus
der Umgebung auf. Dem Verdampfer 6 nachgeordnet ist ein
Akkumulator 7, um Kältemittel
der Gasphase und der flüssigen
Phase zu trennen und gleichzeitig flüssiges CO2 zu
sammeln. Der Akkumulator 7 steht wiederum mit dem inneren Wärmetauscher 4 in
Verbindung.
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Anhand
des Zustandsdiagramms der 2, wo der
Druck p gegenüber
der spezifischen Enthalpie H aufgetragen ist, soll nun die Funktionsweise
der Klimaanlage erläutert
werden. Ein Kältemittel,
z.B. CO2, in der Gasphase wird im Kältemittelverdichter 2 verdichtet
(A-B). Dann wird das heiße,
unter einem hohen Druck stehende, transkritische Kältemittel
im Gaskühler 3 gekühlt (B-C).
Der Druck wird im Expansionsventil reduziert (C-D) um das nun zweiphasige (Gas-
und Flüssigkeitsphase)
Kältemittel
im Verdampfer 6 zu verdampfen (D-A) und der Umgebung dadurch
Wärme zu
entziehen. Der COP wird bestimmt durch das Verhältnis der Enthalpieänderung Δi im Schritt
D-A und der Enthalpieänderung ΔL im Schritt
A-B, also COP = Δi/ΔL.
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Die
kritische Temperatur von CO2 liegt bei etwa
31°C, was
niedriger ist als die kritische Temperatur (häufig > 100°C)
von Fluorkohlenwasserstoffen, die bisher in Klimaanlagen verwendet
werden. Dies führt
dazu, dass die Temperatur von CO2 am Ausgang
des internen Wärmetauschers 4 höher werden kann
als die kritische Temperatur von CO2. In
diesem Zustand kondensiert das CO2 selbst
am Ausgang des inneren Wärmetauschers 4 nicht.
Deshalb muss der Druck am Ausgang des inneren Wärmetauschers 4 geregelt
werden. Wenn also die externe Temperatur, beispielsweise im Sommer,
hoch ist, ist es notwendig, am Ausgang des inneren Wärmetauschers
einen hohen Druck einzustellen, um eine ausreichende Kälteleistung
zu erhalten. Die Ausgangstemperatur am inneren Wärmetauscher 4 hängt u. a.
von der kältemittelseitigen
Temperatur am Gaskühleraustritt
ab, die wiederum von der Umgebungstemperatur abhängt. Dies bedeutet, dass die
Temperatur des CO2 am Ausgang des inneren
Wärmetauschers 4 auch
für die
Regelung des sonst von der kältemittelseitigen Gaskühleraustrittstemperatur
abhängigen
COP-optimierten
Hochdrucks verwendet werden kann.
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Dies
kann in geeigneter Weise durch ein erfindungsgemäßes thermostatisches Expansionsventil
geschehen, wie es in einer ersten Ausführungsform in der 3 gezeigt
ist.
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Das
thermostatische Expansionsventil 10 weist einen Ventilkörper 11 bzw.
ein Ventilgehäuse auf.
Hochdruckseitig (auf der an den inneren Wärmetauscher anzuschließende Seite)
ist das Expansionsventil 10 an eine Zuleitung 12 für das unter
hohem Druck stehende, vom inneren Wärmetauscher kommende, Kältemittel
angeschlossen. In der hochdruckseitigen Kammer 13, die
das Ende einer hochdruckseitigen Kältemittelleitung darstellt,
ist ein Ventilelement 14 angeordnet, welches als Drosselkörper ausgebildet
ist. Dieses wirkt mit einem Ventilsitz 15 bzw. einer Drosselstelle
zusammen, die zu einer niederdruckseitigen Kammer 16 führt. Die
Temperatur des Kältemittels
in der Zuleitung 12 bzw. in der hochdruckseitigen Kammer 13 wird
durch eine Fühlerleitung 17 sensiert
und an einen Thermokopf 18 weitergegeben. Der Thermokopf 18 umfasst
eine eine Steuerfüllung
aufweisende Kammer 19, die durch eine als Membran ausgebildete
dehnbare Trennvorrichtung 20, die eine erste Wirkfläche darstellt,
und einen Abschnitt 21 aus gut wärmeleitfähigem Material begrenzt ist.
Der Abschnitt 21 ist unbeweglich und hochdruckbeständig, so
dass die dehnbare Trennvorrichtung 20 mechanisch von der
statischen Wirkung der Kältemittelströmung abgekoppelt
ist.
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Die
dehnbare Trennvorrichtung 20 ist über einen Steg 22 mit
einer zweiten Wirkfläche 23 eines faltenbalgartig
ausgebildeten Federelements 24 bewegungsgekoppelt. Die
Wirkfläche 23 ist
wiederum mit dem Ventilelement 14 bewegungsgekoppelt. Der Raum 25 zwischen
der ersten und zweiten Wirkfläche 23 ist
mit einer Flüssigkeit
oder mit einem Gas (vorzugsweise Luft) gefüllt, evakuiert oder weist eine Öffnung zum
Druckausgleich zur atmosphärischen Umgebung
auf. Das temperaturunabhängige
Federelement 24 ist vorgespannt. Wie durch die Punkte 26, 27 angedeutet
ist, ist die dehnbare Trennvorrichtung 20 an dem Ventilkörper 11 befestigt.
Wie durch die Punkte 28, 29 angedeutet ist, ist
das Federelement 24 ebenfalls einenends am Ventilkörper 11 befestigt. Die
Steuerfüllung
in der Kammer 19 weist kältemittelähnliche Eigenschaften auf.
Der Druck der Steuerfüllung
in der Kammer 19 ist deutlich geringer (bei spielsweise
etwa 30 bar) als der des Kältemittels
in der hochdruckseitigen Kammer 13 (beispielsweise 120
bar).
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In
der gezeigten Grundstellung, wenn der Kältemitteldruck nicht ausreicht,
um das Ventilelement 14 nach oben zu verlagern, gibt das
Ventilelement 14 die Drosselstelle so frei, dass ein vordefinierter
Mindest-Drosselquerschnitt freigegeben ist. Das Expansionsventil 10 fungiert
somit als Festdrossel. Nimmt der Druck des Kältemittels in der hochdruckseitigen
Kammer 13 zu, so wirkt auf die zweite Wirkfläche 23 auch
eine erhöhte
Kraft. Wenn diese Kraft an der Unterseite des vorgespannten Federelements 24 ausreicht,
um die Vorspannung des Federelements 24 zu überwinden,
wird das Ventilelement 14 nach oben verschoben und ein
größerer Drosselquerschnitt
freigegeben. Somit sinkt der Druck in der hochdruckseitigen Kammer 13 und
das Ventilelement 14 kann sich wieder in Richtung der Grundstellung
bewegen und einen geringeren Drosselquerschnitt frei geben.
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Wird
durch die Fühlerleitung 17 eine
höhere Temperatur
detektiert, so erwärmt
sich über
den Abschnitt 21 auch die Steuerfüllung, so dass sich deren Volumen
ausdehnt, und sich der Druck und dadurch die Kraft auf die dehnbare
Trennvorrichtung 20 (erste Wirkfläche) erhöht. Um das Ventilelement 14 nach oben
zu verlagern und einen größeren Drosselquerschnitt
frei zu geben, muss daher eine auf die zweite Wirkfläche 23 wirkende
größere Kraft
aufgewandt werden.
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Die
erste Wirkfläche,
die durch die dehnbare Trennvorrichtung 20 gebildet wird,
ist größer als
die zweite Wirkfläche.
Dadurch kann mit einem im Vergleich zum auf die erste Wirkfläche 23 wirkenden
Kältemitteldruck
geringeren Druck der Steuerfüllung
das Ventilelement 14 geregelt werden. Wird der Druck des
hochdruckseitigen Kältemittels
in der hochdruckseitigen Kammer 13 zu hoch, wird das Ventilelement 14 nach
oben verschoben. Dadurch ergibt sich eine Überdruck- beziehungsweise Hochdruckbegrenzung.
Dies ist in der 2 zu sehen. Der Hub des Ventilelements 14 bewegt
sich zwischen den Linien MaxHub und MinHub, die die Charakteristik
einer Exponentialfunktion aufweisen, bis zu einem vorgebbare Druck.
Danach gehen die Kurven für
MaxHub und MinHub in nahezu waagerechte Geraden über, die mit MOP bezeichnet
sind. Dies bedeutet, dass eine Druckbegrenzung auf einen Maximaldruck
stattfindet. In der 2 gibt Tu die
Umgebungstemperatur an.
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Aufgrund
der Ausgestaltung des Expansionsventils 10, insbesondere
aufgrund der unterschiedlich großen Wirkflächen, ist es möglich, eine Steuerfüllung zu
verwenden, die einen deutlich niedrigeren kritischen Druck als das
verwendete Kältemittel
aufweist, aber trotzdem eine druckbegrenzende Funktion ermöglicht,
also einen Maximum Operating Pressure (MOP) selbst bei hochdruckseitigen
Austrittstemperaturen des inneren Wärmetauschers über der
kritischen Temperatur des Kältemittels
einstellen lässt.
Dies ist mit Ventilen des Standes der Technik bislang nicht möglich.
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Die
Geometrie des Ventilkörpers 14 und
des Ventilsitzes 15 ist so gewählt, dass bei einer festgelegten
Hub- Kennlinie der optimale Öffnungsquerschnitt
freigegeben und somit der optimale Hochdruck in Abhängigkeit
der hochdruckseitigen Temperatur des Kältemittels beim Austritt aus
dem inneren Wärmetauscher
eingestellt wird.
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Bei
der Ausführungsform
eines Expansionsventils 30 gemäß der 4 ist der
Thermokopf 31 anders gestaltet. Die Kammer 32 wird
durch einen Materialsteg 33 des Ventilkörpers 34 begrenzt,
wobei der Ventilkörper 34 zumindest
im Bereich des Stegs 33 aus gut wärmeleitfähigem Material ausgebildet
ist. Die Temperatur des hochdruckseitigen Kältemittels in der hochdruckseitigen
Kammer 35 kann somit über den
Steg 33 detektiert werden.
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In
der Ausführungsform
des Expansionsventils 40 in der 5 ist der
Thermokopf 41 wiederum anders gestaltet. Die hochdruckseitige
Kammer 42 ist an dem Abschnitt 43 aus gut wärmeleitfähigem Material
des Thermokopfes 41 vorbeigeführt bzw. begrenzt diesen abschnittsweise.
Somit kann die Temperatur des hochdruckseitigen Kältemittels
unmittelbar an die Steuerfüllung
in der Kammer 44 übermittelt werden,
wodurch diese ihren Druck anpassen kann. Optional kann auch eine Öffnung zur
Umgebung 45 ausgebildet sein, wie in 5 gestrichelt
gezeigt.