DE102006008135A1

DE102006008135A1 - Drosselvorrichtung für einen Kältemittelkreislauf

Info

Publication number: DE102006008135A1
Application number: DE102006008135A
Authority: DE
Inventors: Frank Obrist; Martin Graz
Original assignee: Obrist Engineering GmbH
Current assignee: Obrist Engineering GmbH
Priority date: 2006-02-20
Filing date: 2006-02-20
Publication date: 2007-08-23

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kältemittelkreislauf mit einem Kompressor (1) zur Kompression und Förderung eines insbesondere gasförmigen Kältemittels, einem ersten Wärmetauscher (2), insbesondere einem Kältemittelkühler, einer Drosselvorrichtung (4) zur Entspannung des Kältemittels sowie einem zweiten Wärmetauscher (5), insbesondere einem Kältemittelverdampfer.
Erfindungsgemäß sind der Drosselvorrichtung (4) ein erster Bypass mit einem ersten Ventil (4.2) sowie ein zweiter Bypass mit einem zweiten Ventil (4.3) zugeordnet, wobei dem ersten Ventil (4.2) eine erste mit Kältemittel beaufschlagbare Schaltvorrichtung zugeordnet ist, die das erste Ventil (4.2) beim Überschreiten eines im Kältemittel vorliegenden oberen Druck-Schwellenwertes öffnet, und wobei dem zweiten Ventil (4.3) eine zweite mit Kältemittel beaufschlagbare Schaltvorrichtung zugeordnet ist, die das zweite Ventil (4.3) beim Unterschreiten eines im Kältemittel vorliegenden unteren Druck-Schwellenwertes öffnet.
Anwendung in Kältemittelkreisläufen, insbesondere von Klimaanlagen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kältemittelkreislauf, mit einem Kompressor zur Kompression und Förderung eines insbesondere gasförmigen Kältemittels entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aufgabe der Erfindung ist es, mit einfachen Mitteln eine kostengünstig realisierbare verbesserte Regelung des Kältemittelkreislaufs zu bewirken.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Kältemittelkreislauf mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bei einem derartigen Kältemittelkreislauf umfasst die Drosselvorrichtung ein erstes Ventil zur Begrenzung des Kältemitteldrucks an der Drosseleinrichtung nach oben und ein zweites Ventil zur Begrenzung des Kältemitteldrucks an der Drosselvorrichtung nach unten. Insbesondere stellen die beiden Ventile eine Bypassierung der Drosselvorrichtung für den Fall sicher, dass sich der Kältemitteldruck aus einem bevorzugten Druckbereich zwischen dem oberen und dem unteren Schwellenwert herausbewegt. Die vorgesehene Druckbegrenzung ergänzt und/oder überlagert die seitens des Kältemittelkompressors vorgesehene Temperaturbegrenzung. In bevorzugter Weise erfolgt eine Einstellung des Durchströmungsquerschnitts des ersten und/oder des zweiten Ventils in Abhängigkeit vom an der Drosselvorrichtung bzw. am ersten und/oder am zweiten Ventil anliegenden Kältemitteldruck. Insbesondere öffnet das erste Ventil zunehmend bei zunehmendem Kältemitteldruck, während das zweite Ventil zunehmend öffnet bei abnehmendem Kältemitteldruck. Auf diese Weise ergibt sich ein bedämpftes bzw. abgeregeltes Verhalten der Drosselvorrichtung im Bereich der vorbestimmten Druckschwellenwerte. Insbesondere kann eine Schaltfrequenz des Kältemittelkompressors reduziert werden.

Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen dargestellt sind. Hierzu zeigt die einzige Figur in einem schematischen Diagramm einen erfindungsgemäßen Kältemittelkreislauf mit einer optimierten Drosselvorrichtung.

In einem Kältemittelkreislauf K einer Kraftfahrzeugklimaanlage, in dem ein Fluid in Form eines zumindest abschnittsweise gasförmigen Kältemittels (beispielsweise CO₂ bzw. R744) umgewälzt wird, ist ein Kältemittelkompressor 1 vorgesehen.

Der Kältemittelkompressor 1 entsprechend der Fig. ist in bevorzugter Weise als Fixhub-Kolbenkompressor mit einer Mehrzahl von Verdichtungszylindern ausgeführt, in denen mit Hilfe translatorisch beweglicher Kolben das an dieser Stelle des Kreislaufs gasförmige Kältemittel verdichtet und nachfolgend als hochkomprimiertes Kältemittel in einen Druckraum ausgestoßen wird. Jedem Kolben des Kältemittelkompressors 1 ist dabei ein in etwa konstanter Hub zugeordnet, so dass sich eine direkt von der Drehzahl einer Antriebswelle des Kältemittelkompressors abhängiger Förder-Volumenstrom ergibt.
Dem Kältemittelkompressor 1 ist im Bereich seines Druckraumes ein Temperatur-Sensor zugeordnet, der mit einer Leistungsregelungseinheit des Kältemittelkreislaufes gekoppelt ist. Die Leistungsregelungseinheit schaltet den Kompressor ein beim Erreichen bzw. Überschreiten eines oberen Schwellenwertes der Kältemitteltemperatur, und beim Erreichen bzw. Unterschreiten eines unteren Schwellenwertes der Kältemitteltemperatur wird der Kältemittelkompressor ausgeschaltet. Auf diese Weise wird über ein digitales Schaltschema eine Anpassung der Leistung des Kältemittelkompressors an den Bedarf ermöglicht. Zur praktischen Umsetzung dieser Regelung ist der Kältemittelkompressor beispielsweise über eine Magnetkupplung mit einem Antriebsrad oder einem sonstigen Kraft-/Drehmomentübertragungselement koppelbar, wobei letztere insbesondere an einem Abtrieb eines Kfz-Verbrennungsmotors angebunden sind.
Über eine Hochdruckleitung H1 wird das Kältemittel vom Kompressor 1 zu einem ersten Wärmetauscher 2 (Gaskühler) gefördert, in dem es Wärme an Umgebungsluft abgibt.
Über eine weitere Hochdruckleitung H2 gelangt das hochkomprimierte, im ersten Wärmetauscher 2 abgekühlte Kältemittel zu einem dritten Wärmetauscher 3, der als innerer Wärmetauscher in den Kältemittelkreislauf K geschaltet ist. In diesem dritten Wärmetauscher 3 wird das Kältemittel weiter abgekühlt, wobei das Kältemittel seine Wärme an das niederdruckseitige gasförmige Kältemittel abgibt.
Über ein Expansionsorgan 4.1 (Fixdrossel) wird das erste Fluid entspannt und verflüssigt und in einen Niederdruck-Zustand übergeführt. Nachfolgend gelangt das Kältemittel in einen als Verdampfer arbeitenden zweiten Wärmetauscher 5. Im Verdampfer 5 wird dem Kältemittel mit Hilfe des Verdampfergebläses 7 aus der Innenraumzuluft des Kraftfahrzeugs heraus Wärme zugeführt, wobei die Innenraumzuluft abgekühlt wird. Das solchermaßen verdampfte Kältemittel wird als Sattdampf einem Sammler 6 zugeführt, in dem ein Abscheiden und Zwischenspeichern der Flüssiganteile aus dem Kältemittel bewirkt werden kann. Bei entsprechendem Bedarf saugt der Kältemittelkompressor 1 das Kältemittel aus dem Sammler 6 ab, wobei es (wie bereits erwähnt) in den dritten Wärmetauscher 3 gelangt, in dem es mit Hilfe von aus dem ersten Fluid abgezogener Wärme überhitzt wird. Das so konditionierte Kältemittel wird nachfolgend erneut vom Kältemittelkompressor 1 verdichtet und in den Hochdruck-Zustand übergeführt, womit der Kreislauf erneut beginnt.
Erfindungsgemäß ist das Expansionsorgan 4.1 in eine Drosselvorrichtung 4 integriert, wobei die Drosselvorrichtung ein in einem ersten Bypass angeordnetes erstes Ventil 4.2 zur Begrenzung des Kältemitteldrucks vor dem Expansionsorgan 4.1 nach oben und ein zweites Ventil 4.3 zur Begrenzung des Kältemitteldrucks nach dem Expansionsorgan 4.1 nach unten. Beiden Druckniveaus, Hochdruckniveau und Niederdruckniveau, sind somit einseitige Grenzwerte zugeordnet. Insbesondere stellen die beiden Ventile 4.2, 4.3 eine Bypassierung des nicht verstellbaren Expansionsorgans 4.1 für den Fall sicher, dass sich die Kältemitteldrücke im Bereich der Drosselvorrichtung 4 aus einem bevorzugten Druckbereich zwischen dem oberen und dem unteren Schwellenwert herausbewegen.
In bevorzugter Weise erfolgt eine Einstellung des Durchströmungsquerschnitts des ersten und/oder des zweiten Ventils 4.2, 4.3 in Abhängigkeit vom an der Drosselvorrichtung 4 bzw. am ersten und/oder am zweiten Ventil 4.2, 4.3 anliegenden Kältemitteldruck. Insbesondere öffnet das erste Ventil 4.2 zunehmend bei oberhalb des oberen Schwellenwerts zunehmendem hochdruckseitigem Kältemitteldruck, während das zweite Ventil 4.3 zunehmend öffnet bei unterhalb des unteren Schwellenwertes abnehmendem niederdruckseitigem Kältemitteldruck. Hierzu sind dem ersten Ventil 4.2 eine erste Schaltvorrichtung und dem zweiten Ventil 4.3 eine zweite Schaltvorrichtung zugeordnet, wobei die erste Schaltvorrichtung mit dem Kältemitteldruck vor dem Expansionsorgan und die zweite Schaltvorrichtung mit dem Kältemitteldruck nach dem Expansionsorgan beaufschlagbar sind. Beide Schaltvorrichtungen sind als elastische und/oder beweglich gelagerte Dichtungselemente ausführbar, die mittels des Kältemitteldrucks deformierbar und/oder verstellbar sind.
In einem modifizierten Ausführungsbeispiel ist der Drosselvorrichtung 4 ein erster hochdruckseitig angeordneter Drucksensor zugeordnet, über den der Druck im Kältemittel erfasst wird und in Abhängigkeit von dessen Signal das Verhalten des Expansionsorgans 4.1 und/oder eines ersten Ventils einstellbar ist. In einem weiteren modifizierten Ausführungsbeispiel ist der Drosselvorrichtung 4 ein zweiter niederdruckseitig angeordneter Drucksensor zugeordnet, über den der Druck im Kältemittel erfasst wird und in Abhängigkeit von dessen Signal das Verhalten eines verstellbar ausgeführten Expansionsorgans 4.1 und/oder eines zweiten Ventils einstellbar ist. In einem weiteren modifizierten Ausführungsbeispiel wird ein Öffnungsquerschnitt eines ersten und/oder eines zweiten Ventils zur Steuerung eines ersten und/oder eines zweiten Bypasses zum Expansionsorgan 4.1 direkt in Abhängigkeit von einem Signal eines ersten hochdruckseitig angeordneten und/oder eines zweiten niederdruckseitig angeordneten Drucksensors eingestellt. Ein derartiger Drucksensor ist bevorzugt in eine Schaltvorrichtung zur Betätigung eines Ventils integriert angeordnet.
Der Kältemittelkreislauf wird gemäß Fig. als Kälteanlage betrieben, kann jedoch mit kleinen Modifikationen in an sich bekannter Weise auch als Wärmepumpe genutzt werden. Es versteht sich ferner, dass die in den geschilderten Ausführungsbeispielen umfassten Merkmale jeweils auf modifizierte Ausführungsbeispiele übertragbar sind.

Claims

Kältemittelkreislauf, mit – einem Kompressor (1) zur Kompression und Förderung eines insbesondere gasförmigen Kältemittels (R744), – einem ersten Wärmetauscher (2), insbesondere einem Kältemittelkühler, – einer Drosselvorrichtung (4) zur Entspannung des Kältemittels sowie – einem zweiten Wärmetauscher (5), insbesondere einem Kältemittelverdampfer, dadurch gekennzeichnet, dass – der Drosselvorrichtung (4) ein erster Bypass mit einem ersten Ventil (4.2) sowie ein zweiter Bypass mit einem zweiten Ventil (4.3) zugeordnet sind, wobei – dem ersten Ventil (4.2) eine erste mit Kältemittel beaufschlagbare Schaltvorrichtung zugeordnet ist, die das erste Ventil (4.2) beim Überschreiten eines im Kältemittel vorliegenden oberen Druck-Schwellenwertes öffnet, und dass – dem zweiten Ventil (4.3) eine zweite mit Kältemittel beaufschlagbare Schaltvorrichtung zugeordnet ist, die das zweite Ventil (4.3) beim Unterschreiten eines im Kältemittel vorliegenden unteren Druck-Schwellenwertes öffnet.
Kältemittelkreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schaltvorrichtung und/oder die zweite Schaltvorrichtung einen Öffnungsquerschnitt des jeweils zugeordneten Ventils (4.2, 4.3) in Abhängigkeit vom anliegenden Kältemitteldruck einstellt.
Kältemittelkreislauf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelkompressor (1) als Hubkolbenkompressor ausgeführt ist, dessen Kolben im Betrieb jeweils einen unveränderbaren Hub durchlaufen, wobei der Kältemittelkompressor über eine Magnetkupplung mit einem Kraftübertragungselement koppelbar ist.