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Die
Erfindung betrifft ein Differenzdruckventil (Delta-P-Ventil), insbesondere
für ein
Expansionsorgan einer Kraftfahrzeugklimaanlage, gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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In 7 ist ein bekanntes Differenzdruckventil 101 als
Prinzipskizze dargestellt. Hierbei wird der Durchfluss von Kältemittel
durch eine Drosselstelle 102 mit Hilfe eines Ventilstifts 103 mit
einem vorliegend konischen Kopf 104 in Verbindung mit einer
in der Zeichnung schematisch angedeuteten Feder 105 geregelt.
Die Drücke
in den durch die Drosselstelle 102 getrennten Räumen oder
Strömungskanälen sind
durch HD (Hochdruckseite) und SD (Saugdruckseite) bezeichnet, wobei
die normale Strömungsrichtung
von der Hochdruckseite HD zur Saugdruckseite SD verläuft. Der
Kopf 104 ist hierbei saugdruckseitig angeordnet und der
Schaft des Ventilstifts 103 durchdringt die Drosselöffnung.
Die Feder 105 ist gemäß der Darstellung
von 7 hochdruckseitig
angeordnet, jedoch sind auch saugdruckseitige Anordnungen bekannt.
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Nachteilig
bei diesem bekannten Differenzdruckventil ist, dass ein nahezu linearer
Zusammenhang zwischen dem freien Strömungsquerschnitt und der anliegenden
Druckdifferenz besteht, welcher nicht in allen Anwendungsfällen erwünscht ist.
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Aus
der
DE 102 19 667
A1 ist ein ferner ein Expansionsventil mit zwei Drosselstellen
und einer elektronischen Regelung bekannt, das insbesondere für mit CO
2 als Kältemittel
betriebene Fahrzeugklimaanlagen geeignet ist. Das Ventil weist ein
Ventilgehäuse
mit einer Zuflussöffnung
und einer Abflussöffnung,
einer elektrisch betätigten
Einrichtung zum Verschieben eines Ventilglieds, insbesondere in Öffnungsrichtung,
in Bezug auf einen zwischen Zuflussöffnung und Abflussöffnung angeordneten,
eine Durchflussöffnung
für das
Kältemittel
aufweisenden Ventilsitz und einer in Gegenrichtung wirkenden Rückstelleinrichtung,
insbesondere einer Rückstellfeder,
wobei zur Verringerung der Baugröße und des zur
Betätigung
erforderlichen Stromes zusätzlich
zu der von Ventilglied und Ventilsitz gebildeten ersten Drosselstelle
mindestens eine weitere, mit der ersten Drosselstelle in Reihe angeordnete
Drosselstelle zwischen der Zuflussöffnung und der Abflussöffnung des
Expansionsventils vorgesehen ist, deren Durchtrittsquerschnitt gekoppelt
mit dem Durchtrittsquerschnitt der ersten Drosselstelle verstellbar
ist.
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Die
Funktionsweise des bekannten Drosselventils ist Folgende:
Bei
geschlossenem Expansionsventil, das heißt, bei auf dem Ventilsitz
aufsitzendem Kolben ist die als Hauptdrossel wirkende zweite Drosselstelle
geschlossen. Die als Vordrossel wirkende erste Drosselstelle zwischen
Mündung
des Zuflusskanals und Mantelfläche
des Kolbens ist dagegen geringfügig geöffnet. Kältemittel
hohen Drucks strömt
daher durch die Zuflussöffnung
und den Zuflusskanal durch die erste Drosselstelle und gelangt in
den ersten Kolbenraum. Von hier strömt das Kältemittel über die Drosselbohrung in den
zweiten Kolbenraum. Da bei geschlossenem Expansionsventil das Regelventil geschlossen
ist, kann das Kältemittel
aus dem Kolbenraum nicht abfließen,
so dass sich hier bei geschlossenem Expansionsventil der gleiche Druck aufbaut
wie im ersten Kolbenraum und vor der zweiten Drosselstelle. Auf
der anderen Seite der ersten Drosselstelle, also im Abflusskanal,
herrscht niedriger Druck (Saugdruckseite).
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Wird
nun das Expansionsventil durch Öffnen des
Regelventils geöffnet,
so fließt
Kältemittel
aus dem zweiten Kolbenraum über
das Regelventil in den Abflusskanal und von dort aus dem Expansionsventil heraus.
Auf Grund der Abnahme des Drucks im zweiten Kolbenraum überwiegt
der Druck im ersten Kolbenraum. Sobald diese Differenz so groß ist, dass
die Kraft der Feder überwunden
wird, verschiebt sich der Kolben im Sinne einer Verkleinerung des
zweiten Kolbenraums. Das heißt,
der Kolben hebt vom Ventilsitz ab und gibt die erste Drosselstelle
frei. Nun fließt das
Kältemittel über die
erste Drosselstelle in den Abflusskanal und aus dem Expansionsventil
heraus. Damit ergibt sich ein Druckgefälle zwischen Eingangsdruck
(Hochdruckseite) und dem Druck im ersten Kolbenraum, und Ausgangsdruck.
Der Druck im zweiten Kolbenraum liegt zwischen dem Druck im ersten
Kolbenraum und dem Ausgangsdruck, so dass sich insgesamt ein Druckgefälle ergibt.
Diese Druckgefälle
wird über
das Regelventil kontrolliert.
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Ein
derartiges Ventil ist relativ kompliziert aufgebaut und lässt noch
Wünsche
offen, unter anderem in Hinblick auf die Durchflusscharakteristik.
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Aus
der
DE 31 41 358 A1 ist
ein Absperr- und Drosselventil mit einem hohen Stellverhältnis bekannt.
Gemäß dem zweiten
hierin beschriebenen Ausführungsbeispiel
ist ein zweistufiges Ventil vorgesehen, wobei der zweistufige Ventilsitz
aus einem rohrförmigen
Bauteil besteht, an dessen einem Ende ein erster Ventilsitz und
an dessen anderem Ende ein zweiter Ventilsitz ausgebildet ist, der
in das Rohrstück
eingepasst ist. Das Stellorgan trägt an seinem freien Ende einen
Ventilkörper,
der in einer Führungsbuchse
eines seitlichen Anschlussstutzens geführt ist. Der erste Ventilsitz
wirkt mit einer an dem Ventilkörper
ausgebildeten, ersten Kugelfläche
zusammen, die sich ü ber
ca. 120° erstreckt.
Der zweite Ventilsitz hat eine seinen Durchtrittsquerschnitt bestimmende
Durchbohrung, die in einer ringförmigen
Anlagefläche
endet, von welcher eine Verlängerung
mit einer gegenüber
der Durchbohrung ennreiterten Bohrung ausgeht. Am Ventilkörper ist
eine zweite Kugelfläche
ausgebildet, die sich über
einen Winkel von ca. 300° erstreckt;
in der geschlossenen Stellung des Ventils verläuft die Verlängerung über die
Mitte der zweiten Kugelfläche
hinweg und bestimmt mit dieser zusammen einen Drosselspalt. Die
erste und zweite Kugelfläche
sind durch ein Übergangsstück verbunden,
wobei der ganze Ventilkörper
aus einem Stück gebildet
sein kann. An die Verlängerung
schließt
sich ein erweiterter, zwischen den beiden Ventilsitzen ausgebildeter
Zwischenraum (Druckkammer) an. Der Durchfluss in Abhängigkeit
von der Öffnung
des Ventils durch dieses zweistufige Ventil weist keine aprupten Änderungen
auf.
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Aus
der
DE 520 187 A ist
ein mehrstufiges Tellerventil für
kompressible Medien mit Umlenkungen in Zwischenräumen bekannt, bei dem in der Schließstellung
des Ventils eine Überdeckung,
in der ersten Phase der Eröffnung
eine Drosselzone und in der Offenstellung einen ununterbrochenen,
energievermindernden Strömungsweg
vorgesehen ist, wobei die Strömungsenergie
im geöffneten
Zustand durch mehrfache Ablenkung in dem oder den labyrinthartigen
Zwischenräumen
vermindert wird. Am Ventilschaft ist hierbei am Ende ein tellerartiger
Absperrkörper,
der mit einem Ventilsitz zusammenwirken kann, und – entgegen
der Strömungsrichtung
des Mediums etwas beabstandet hiervon – mindestens eine zylindrische
Platte vorgesehen, deren Mantelfläche in der Schließstellung
mit einer zylindrischen Bohrung des Ventilgehäuses eine Überdeckung bildet, so dass
bei der in der ersten Phase der Eröffnung gedrosselte Durchtritt
des strömenden
Mediums nicht im Sitzbereich des nachfolgend angeordneten Absperrkörpers, sondern
zwischen der Platte und der Bohrung erfolgt. Die freien Strömungsquerschnitte
nehmen hierbei in der Strömungsrichtung stetig
zu, so dass die Geschwindigkeit des durchströmenden Mediums in der Ventilsitzzone
am geringsten ist, also keine Drosselung stattfindet, wodurch der Ventilsitz
und der Absperrkörper
geschont werden.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Ventil zur Verfügung zu
stellen.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch ein Difterenzdruckventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß ist ein
Difterenzdruckventil vorgesehen, insbesondere für ein Expansionsorgan einer
Kraftfahrzeugklimaanlage, zur Regelung eines Durchflusses eines
Fluids in Abhängigkeit
einer Druckdifferenz, die zwischen der Hochdruckseite und der Saugdruckseite
des Differenzdruckventils anliegt, wobei das Difterenzdruckventil
ein Drosselelement, das den Durchfluss durch eine Drosselstelle regelt,
und eine das Drosselelement in Schließrichtung vorspannende Feder
aufweist, ein Drosselelement vorgesehen ist, welches sich mindestens über zwei
Drosselstellen erstreckt und den Durchfluss des Fluids durch die
Drosselstellen, zwischen denen eine Druckkammer ausgebildet ist,
regelt. Der effektive Drosselquerschnitt ist hierbei bei großen Druckdifferenzen überproportional
größer als
bei kleinen Druckdifferenzen, so dass bei maximalem Leistungsbedarf
auch ausreichend viel Fluid das Difterenzdruckventil durchströmen kann.
Dieses Difterenzdruckventil verhält
sich dabei bei geringen Differenzdrücken entsprechend herkömmlichen
Difterenzdruckventilen, ermöglicht
jedoch bei hohen Druckdifferenzen auf Grund des überproportional großen Strömungsquerschnitts
auch eine größere Kälteleistung.
Der Kennlinienverlauf des effektiven Drosselquerschnitts über dem
Differenzdruck weist hierbei einen Knick auf, insbesondere bevorzugt
bei einem relativ hohen Differenzdruck, insbesondere bevorzugt bei
einem Wert von 70 bis 90%, ganz besonders bevorzugt bei 75 bis 85%
des bei den gegebenen Betriebsbedingungen maximal auftretenden Differenzdruckes.
Dabei ist es nur unwesentlich teurer als herkömmliche Differenzdruckventile.
Insbesondere ist es auch möglich
das Ventil selbstregelnd auszubilden. D. h., dass Ventil kann sich
in Abhängigkeit
der an ihm anliegenden Druckdifferenz selbsttätig öffnen und schließen. Es
ist also nicht erforderlich, auf eine externe Regelung, die beispielsweise
ein Regelventil, ein Pilotventil, einen Stellmotor oder ähnliches steuert,
zurückzugreifen.
Dies kann entsprechende Kostenvorteile mit sich bringen.
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Das
Drosselelement ist bevorzugt einstückig ausgebildet. Dies erhöht die Betriebssicherheit
auf vorteilhafte Weise.
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Beim
Drosselelement handelt es sich bevorzugt um eine sich über mindestens
zwei Drosselstellen erstreckende Ventilnadel. Diese weist vorzugsweise
zumindest einen Bereich mit sich änderndem Querschnitt, insbesondere
zumindest einen konisch ausgebildeten Bereich auf, welcher mit einer
Drosselöffnung
zusammenwirkt.
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Die
Feder ist vorzugsweise räumlich
zwischen zwei Drosselstellen angeordnet. Dies ermöglicht eine
einfache Zentrierung des Drosselelements. Die Feder kann jedoch
auch hoch- oder saugdruckseitig angebracht sein.
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Zwischen
zwei Drosselstellen ist bevorzugt eine Druckkammer ausgebildet.
Bevorzugt ist die Feder, welche die Federkraft auf das Drosselelement ausübt, in dieser
Druckkammer angeordnet, jedoch kann sie bei entsprechend langer
Ausgestaltung des Drosselelements auch außerhalb angeordnet sein.
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Dabei
kann vorzugsweise das Fluid ausschließlich über die beiden Drosselstellen
in oder aus der Druckkammer heraus gelangen. Soll bei Umwälzen des
Fluids jedoch stets ein Mindestdurchfluss fest vorgegeben sein,
so kann – alternativ
zu einer stets vorhandenen, kleinen Öffnung im Bereich der Drosselstellen – auch ein
Bypass von entsprechend kleinem Durchmesser und/oder ein hochdruckseitiger
Ein- und saugdruckseitiger Auslass mit festem Durchmesser vorgesehen
sein.
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Bevorzugt
weist der Ventilschaft des Drosselelements an einer Stelle, die
in jeder Stellung des Drosselelements innerhalb der Druckkammer
angeordnet ist, eine Querschnittsvergrößerung, insbesondere bevorzugt
einen in radialer Richtung bezüglich der
Längserstreckung
des Ventilschafts verlaufenden Absatz, auf, wobei die Querschnittsfläche des
Ventilschafts an der ersten-Drosselstelle
kleiner als die Querschnittsfläche
des Ventilschafts an der zweiten Drosselstelle ist, und sich der
Durchmesser des Ventilschafts von der ersten Drosselstelle zur zweiten Drosselstelle
vergrößert. Die
Ringfläche
unterstützt die Öffnungswirkung
entgegen der Schließkraft
der Feder bei besonders hohen Druckdifferenzen, so dass die erfindungsgemäße Charakteristik
unterstützt
werden, d.h. das Differenzdruckventil ermöglicht bei hohen Druckdifferenzen
auf Grund des überproportional
großen
Strömungsquerschnitts
auch eine entsprechend große
Kälteleistung.
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Die
Querschnittsvergrößerung beträgt vorzugsweise
maximal +50%, insbesondere 10 bis 50%; besonders bevorzugt 20 bis
50%, insbesondere bevorzugt 30 bis 45%, der Stirnfläche des
Ventilschafts im Bereich der ersten Drosselstelle.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand zweier Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme
auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigen:
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1 eine
Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Differenzdruckventils gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
bei wirksamer erster Drossel,
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2 eine
Prinzipskizze des Differenzdruckventils von 1 bei geöffneter
erster Drossel,
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3 ein
Diagramm zur Verdeutlichung der einzelnen Drücke über dem Differenzdruck (Hochdruck – Saugdruck),
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4 ein
Diagramm des effektiven Drosselquerschnitts über dem Differenzdruck,
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5 eine
Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Differenzdruckventils gemäß dem zweiten, besonders
bevorzugten Ausführungsbeispiel
in der geschlossenen Stellung,
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6 eine
Prinzipskizze des Difterenzdruckventils von 5 in geöffneter
Stellung, und
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7 eine
Prinzipskizze eines herkömmlichen
Difterenzdruckventils mit einer Drossel.
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Ein
als Expansionsorgan in einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage dienendes
Differenzdruckventil 1 weist zur Regelung des Kältemitteldurchflusses
(Kältemittel
vorliegend R744) eine erste Drosselstelle 2a und eine zweite
Drosselstelle 2b auf, wobei beide Drosselstellen 2a und 2b durch
bzw. in die entsprechenden Drosselöffnungen oder Ventilsitze ragenden,
als Drosselelement dienenden Ventilstift 3 gebildet werden.
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Der
Ventilstift 3 ist im Wesentlichen einstückig ausgebildet und weist
ein zylindrisches Ende im Bereich der ersten Drosselstelle 2a,
so dass ein Ringspalt gebildet wird, und einen konischen Kopf 4 im
Bereich der zweiten Drosselstelle 2b, so dass ein dem herkömmlichen
variablen Ventil entspre chender Spalt gebildet wird, auf. Am Schaft
des Ventilstifts 3 ist in einem Bereich zwischen den beiden
Drosselstellen 2a, 2b eine Feder 5 mit
ihrem einen Ende angebracht, welche eine Schließkraft auf den Ventilstift 3 ausübt, so dass
bei fehlender oder geringer Druckdifferenz zumindest die zweite
Drosselöffnung
durch den Ventilstift 3 in Folge einer zumindest im Wesentlichen
fluiddichten Anlage des entsprechenden konischen Bereiches des Ventilstifts 3 an
den Ventilsitze geschlossen ist (vgl. stark schematisierte Darstellung von 1).
Im geschlossenen Zustand des Differenzdruckventils 1 ragt
somit der Ventilstift 3 mit seinem dem Kopf 4 gegenüberliegenden
zylinderförmigen
Ende in die erste Drosselöffnung
unter Bildung eines kleinen Ringspalts hinein, und der konische
Bereich des Kopfes 4 liegt an der zweiten Drosselöffnung an.
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Zwischen
den beiden Drosselstellen 2a und 2b ist eine Druckkammer 6 ausgebildet,
in welcher auch die Feder 5 angeordnet ist, welche den
Ventilstift 3 zentriert und in Schließrichtung vorspannt. Auf die
Druckkammer 6 wird im Folgenden auf Grund des hierin in
der Regel herrschenden mittleren Drucks, verglichen mit dem hochdruckseitigen
und saugdruckseitigen Druck, auch als Mitteldruckseite MD Bezug
genommen.
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Auf
Grund der Schließkraft
der Feder 5 ergeben sich bei konstantem Saugdruck auf der
Saugdruckseite SD und ansteigendem Hochdruck auf der Hochdruckseite
HD die in 3 dargestellten Differenzdrücke, wobei
der Differenzdruck zwischen Hochdruckseite ND und Mitteldruckseite
MD als Differenzdruck Drossel 1 und der Differenzdruck
zwischen Mitteldruckseite MD und Saugdruckseite SD als Differenzdruck
Drossel 2 bezeichnet ist.
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Wie
zuvor erwähnt,
schließt
die Feder 5 im Stillstand die zweite Drosselstelle 2b vollständig, während die
erste Drosselstelle 2a leicht geöffnet ist, so dass der Druck
in der Druckkammer 6 dem hochdruckseitigen Druck entspricht.
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Steigt
bei Betrieb die Druckdifferenz zwischen Saugdruckseite SD und Hochdruckseite
HD, so verschiebt sich der Ventilstift 3 entgegen der Federkraft
in Richtung Saugdruckseite SD und die zweite Drosselstelle 2b öffnet sich
allmählich.
Da jedoch bei relativ geringer Druckdifferenz der freigegebene Strömungsquerschnitt
der zweiten Drosselstelle 2b kleiner ist als derjenige
der ersten Drosselstelle 2a, ist der Druck in der Druckkammer 6 näher am hochdruckseitig
herrschenden Druck als am saugdruckseitigen Druck.
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Mit
weiter steigender Druckdifferenz übersteigt der freigegebene
Strömungsquerschnitt
der zweiten Drosselstelle 2b. allmählich den freigegebenen Strömungsquerschnitt
der ersten Drosselstelle 2a, wodurch der Druck in der Druckkammer 6 stagniert
oder gar leicht abfällt.
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Bei
einer hohen Druckdifferenz ist der Ventilstift 3 so weit
zur Saugdruckseite SD verschoben, dass die erste Drosselstelle 2a nahezu
schlagartig einen deutlich größeren Strömungsquerschnitt
freigibt, da das zylinderförmige
Ende des Ventilstifts 3 die Drosselöffnung verlassen hat. Der Druck
in der Druckkammer 6 steigt dann schlagartig an, was zur Folge
hat, dass der Kältemittelstrom
des gesamten Ventils ebenfalls stark ansteigt.
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Wie
aus 3 ersichtlich ist, stellt sich der Mitteldruck
in der Druckkammer 6 in einem Bereich zwischen dem eingangsseitigen
Hochdruck und dem ausgangsseitigen Saugdruck ein, wobei der Druckverlauf
stark von dem Fluiddurchfluss abhängt, so dass er vorliegend
in einem Bereich bis ca. 70 bar Druckdifferenz zwischen Hochdruckseite
HD und Saugdruckseite SD etwa konstant ist, anschließend aber
linear stark ansteigt – im
Vergleich zum Anstieg auf der Hochdruckseite ND bei konstantem Druck
auf der Saugdruckseite SD deutlich steiler. Entsprechend weisen
die Verläufe
der Differenzdrücke
Drossel 1 und 2 bei etwa 70 bar Differenzdruck
zwischen Hochdruckseite HD und Saugdruckseite SD ebenfalls einen
Knick auf, wobei der Differenzdruck Drossel 1 danach stark
abfällt,
während
der Differenzdruck Dros sel 2 stark ansteigt. Üblich sind
in diesem Zusammenhang Werte zwischen 50 bar und 80 bar, insbesondere
50, 55, 60, 65, 70, 75 und 80 bar.
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Entsprechend
dem (Gesamt-)Differenzdruck ergibt sich für den effektiven Drosselquerschnitt
ein nichtlinearer Verlauf, wie aus 4 zu entnehmen ist.
Vielmehr vergrößert sich
der Drosselquerschnitt ab etwa 70 bar Differenzdruck in Abhängigkeit
von dem Differenzdruck deutlich stärker als zuvor (Knick in der
Kennlinie). Diese Charakteristik ermöglicht bei hohem Bedarf an
Kältemitteldurchsatz,
also im Hochlastbetrieb, eine deutlich verbesserte Kälteleistung. In 4 sind
ferner eine Vielzahl optimaler Betriebspunkte (COP = Coefficient
of performance) durch Kreuze dargestellt. Wie aus dem Verlauf der
Kennlinie ersichtlich, liegt diese im entsprechenden Bereich.
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Gemäß dem zweiten,
in den 5 und 6 dargestellten Ausführungsbeispiel
ist ein als Expansionsorgan in einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage dienendes
Differenzdruckventil 1 zur Regelung des Kältemitteldurchflusses
(Kältemittel
vorliegend R744) vorgesehen, welches – entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel – eine erste
Drosselstelle 2a und eine zweite Drosselstelle 2b aufweist,
wobei beide Drosselstellen 2a und 2b durch bzw.
in die entsprechenden Drosselöffnungen
oder Ventilsitze ragenden, als Drosselelement dienenden, durch eine Feder 5 in
Schließrichtung
vorgespannten Ventilstift 3 gebildet werden. Die in den 3 und 4 dargestellten
Kennlinien gelten annähernd,
d.h. abgesehen von sehr geringen Abweichungen, auch für das zweite
Ausführungsbeispiel.
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Im
Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel
weist der Ventilstift 3, im geschlossenen Zustand etwa
mittig in der Druckkammer 6 angeordnet, eine Querschnittsvergrößrung 7 auf,
wobei die in Richtung der Hochdruckseite HD weisende Ringfläche vorliegend
etwas kleiner als die kreisförmige Endfläche des
Ventilstifts 3 auf der Hochdruckseite HD ist. Diese Ringfläche dient
aus zusätzliche Schubfläche, um
die Öffnungswirkung
des Fluidstroms entgegen der Federkraft der Feder 5 zu
vergrößern und
wird nur im sogenannten „Boost-Bereich", also wenn der Druck
in der Druckkammer 6 (in 3 als Mitteldruck
bezeichnet) viel größer als
der Druck auf der Saugdruckseite SD (in 3 als Saugdruck
bezeichnet) ist, also bei sehr großen (Gesamt-) Druckdifferenzen.
Die Saugdruckseite des Ventilstifts 3 ist entsprechend
dem ersten Ausführungsbeispiel konisch
ausgebildet.