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Die
Erfindung betrifft ein Expansionsventil für einen Kältekreis nach den Oberbegriffen
der Ansprüche
1 und 11 sowie eine Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug.
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Insbesondere
im Bereich von Klimaanlagen für
Kraftfahrzeuge sind thermostatische Expansionsventile bekannt, bei
denen ein Ventilschieber einen Zu-laufkanal zu einem Verdampfer steuert,
wobei der Ventilschieber mit einem Steuerkopf verbunden ist, welcher
im Bereich eines Auslasskanals des Verdampfers angeordnet ist. Druck
und Temperatur des Kältemittels
im Auslasskanal wirken dabei so auf den Steuerkopf und folglich
den Ventilschieber, dass die Zuflussmenge des Kältemittels zum Verdampfer reguliert
wird, um jederzeit eine ausreichende Überhitzung des austretenden
und nachfolgend einem Verdichter zugeführten Kältemittels sicherzustellen.
Die Steuerköpfe
umfassen zumeist eine Membran mit einem unter definiertem Druck
eingeschlossenen Volumen einer geeigneten Steuersubstanz, beispielsweise
dem Kältemittel
selbst. Insgesamt sind diese bekannten Lösungen zwar sicher in der Funktion,
jedoch aufwendig in der Herstellung und in den Kosten.
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, ein Expansionsventil für einen
Kältekreis
anzugeben, das bei verringerten Herstellungskosten eine ausreichende Be triebssicherheit
hinsichtlich der Überhitzung
des Kältemittels
nach Verdampfer gewährleistet.
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Diese
Aufgabe wird für
ein eingangs genanntes Expansionsventil erfindungsgemäß mit den
kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dadurch, dass thermisch
in ihrer Ausdehnung beeinflusste Stellglieder sowohl von der Einlass-
als auch von der Auslassseite her auf den Ventilschieber einwirken,
wird auf einfache Weise erreicht, dass der Ventilschieber eine von
der Temperaturdifferenz zwischen erstem Kanal und zweitem Kanal
bzw. zwischen Einlassseite und Auslassseite des Verdampfers abhängige Position
einnimmt. Es hat sich gezeigt, dass durch die Regelung des Ventilschiebers
in Abhängigkeit
der Temperaturdifferenz eine ausreichende Überhitzung des Kältemittels
gewährleistet werden
kann. Grundsätzlich
hängt der
thermodynamische Zustand des Kältemittels
auslassseitig des Verdampfers auch vom Druck ab. Da das Kältemittel eingangsseitig
des Verdampfers jedoch im Phasengleichgewicht zwischen gasförmiger und
flüssiger Phase
vorliegt, besteht eine Abhängigkeit
nur noch vom Kältemittel-Massenstrom.
Zumindest bei modernen Kraftfahrzeug-Klimaanlagen ist der Kältemittel-Massenstrom so ausreichend
konstant, dass mit der bloßen
Kenntnis der Temperaturdifferenz eine ausreichende Regelung des
Expansionsventils bzw. der Überhitzung
möglich
ist. Insgesamt können
hierdurch Herstellungskosten gespart werden, da ein erfindungsgemäßes Expansionsventil
einfacher in der Herstellung ist.
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In
bevorzugter Ausführung
ist zumindest eines der Stellglieder als elastische Feder aus Bimetall ausgebildet.
Insbesondere kann die elastische Feder dabei eine geschlossene Hülse aus
Bimetallblech umfassen. Besonders bevorzugt sind dabei beide Stellglieder
jeweils als elastische Feder aus Bimetall ausgebildet. Allgemein
stellt Bimetall eine zuverlässige
und preisgünstige
Möglichkeit
dar, ein Stellglied zur temperaturabhängigen Verstellung des Ventilschiebers
bei hoher Betriebssicherheit bereitzustellen. Alternativ oder ergänzend kann
zumindest eines der beiden Stellglieder aus einem Memorymetall bestehen.
Insbesondere in jüngerer
Zeit sind sogenannte Memorymetalle als Legierungen mit einem temperaturabhängigen Formgedächtnis entwickelt worden,
die in ihrem Verhalten bei geeignetem Einsatz Bimetall- Elementen ähnlich sind.
Grundsätzlich können die
Stellglieder auch andere Bauteile umfassen, die eine entsprechend
ausreichende temperaturabhängige
Ausdehnung oder Formänderung
aufweisen, wie etwa Wachsaktuaktoren oder Ähnliches.
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In
besonders bevorzugter Ausführung
sind die Federkonstanten der beiden Stellglieder im wesentlichen
gleich groß.
Hierdurch ist eine gute Regelcharakteristik über einen relativ breiten Temperaturbereich
somit eine universelle Einsetzbarkeit des Expansionsventils erzielt.
Alternativ können
die Federkonstanten jedoch auch unterschiedlich groß sein;
insbesondere vorteilhaft kann die Federkonstante des Stellglieds
des ersten Kanals größer sein als
die Federkonstante des anderen Stellglieds. Durch eine solche Auslegung
kann vorteilhaft eine besonders geeignete Regelcharakteristik erzielt
werden, etwa dahingehend, dass die geregelte Überhitzung gezielt vom Verdampfungsdruck
abhängig
gemacht wird. Dabei wird bei zunehmenden Temperaturen, was ansteigendem
Verdampfungsdruck bei gleichbleibender Überhitzung entspricht, der
Ventilöffnungsgrad
vorteilhaft reduziert, wodurch sich eine höhere Gleichgewichtsüberhitzung
einstellt. In Richtung abnehmender Verdampfungstemperaturen wird somit
die Überhitzung
verringert, um beispielsweise die Heißgastemperaturen bei hohen
Verdichterdrehzahlen zu begrenzen oder auch die Rückführung des bei
solcher Betriebsart viskoseren Kälteöls zum Verdichter
zu begünstigen.
Allgemein kann die Unterschiedlichkeit der Federkonstanten auch
dazu verwendet werden, eine zu starke Abhängigkeit der zu regelnden Überhitzung
vom Massenstrom etwas abzuschwächen.
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Alternativ
oder ergänzend
kann es vorgesehen sein, dass das erste Stellglied eine von dem zweiten
Stellglied verschiedene zeitliche Antwortfunktion auf Temperaturänderungen
des Kältemittels aufweist.
Besonders bevorzugt ist dabei eine mit dem Kältemittel in Kontakt stehende
Oberfläche
des ersten Stellglieds größer als
mit dem Kältemittel
in Kontakt stehende Oberfläche
des zweiten Stellglieds, so dass das einlassseitige erste Stellglied
im allgemeinen schneller auf eine Temperaturänderung reagiert. Hierdurch
kann die dynamische Stabilität
des Kältekreislaufs
positiv beeinflusst werden.
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Allgemein
bevorzugt ist zumindest eines der Stellglieder über ein Einstellmittel selektierbar
vorspannbar. Hierdurch können
Expansionsventile der gleichen Bauart auf unterschiedliche Kältekreise
einjustiert werden oder es können
unvermeidliche bauliche Toleranzen durch Feinjustage kompensiert
werden.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird für
ein Expansionsventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 11 durch
die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 11 gelöst. Auch
bei dieser alternativen Lösung
lassen sich Herstellungskosten einsparen. Die Bimetallmembran wird
in ihrer Auslenkung sowohl von dem Kältemitteldruck des zweiten
Kanals als auch von der Kältemitteltemperatur
des zweiten Kanals beeinflusst, wobei die Konstruktion erheblich einfacher
ist als bei bekannten Steuerköpfen,
die regelmäßig über gekapselte
Materialvolumina unter definiertem Druck verfügen.
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In
bevorzugter Weiterbildung ist die Ventilstange im Bereich des ersten
Kanals an einem weiteren, insbesondere als Feder ausgebildeten Stellglied aufgenommen.
Hierdurch lässt
sich eine insbesondere einstellbare Vorspannung der Ventilstange
gegen die Bimetallmembran erzielen, wodurch die mechanische Stabilität und Zuverlässigkeit
des Gesamtventils verbessert ist.
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Das
Expansionsventil gemäß Anspruch
11 kann selbstverständlich
im Sinne der bereits in Bezug auf anderweitige Bauformen beschriebenen
bzw. noch folgenden Weiterbildungsmöglichkeiten ausgeführt werden.
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Erfindungsgemäß umfasst
eine Klimaanlage für
ein Kraftfahrzeug ein Expansionsventil nach einem der Ansprüche 1 bis
12. In besonders bevorzugter Weiterbildung umfasst die Klimaanlage
dabei einen massenstromgeregelten Verdichter. Solche Verdichter
sind in modernen Fahrzeug-Klimaanlagen üblich und
arbeiten z. B. so, dass bei steigender Drehzahl über eine Steuermechanik ein
Kolbenhub des Verdichters verringert wird und umgekehrt. Hierdurch wird
eine allzu große
Variation des Kältemittel-Massenstroms vermieden,
so dass insbesondere die erfindungsgemäßen Expansionsventile auf besonders betriebssichere
Weise hiermit kombinierbar sind.
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Weite
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend
beschriebenen Ausführungsbeispielen
sowie aus den abhängigen Ansprüchen.
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Nachfolgend
werden zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele
eines erfindungsgemäßen Expansionsventils
beschrieben und anhand der anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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1 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Expansionsventils
von der Seite.
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2 zeigt
eine Schnittdarstellung durch das Expansionsventil aus 1 von
vorne.
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3 zeigt
ein Kraft-Weg-Diagramm des Expansionsventils aus 1 bei
geschlossenem Ventilschieber.
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4 zeigt
das Kraft-Weg-Diagramm aus 3 bei aufgrund
gegenüber 3 geänderter Temperaturen
teilweise geöffnetem
Ventilschieber.
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5 zeigt
das Kraft-Weg-Diagramm aus 3 bei teilweise
geöffnetem
Ventilschieber bei anderen Temperaturen als im Fall von 4.
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6 zeigt
das Kraft-Weg-Diagramm einer Abwandlung des Expansionsventils aus 1,
wobei die beiden Stellglieder unterschiedliche Federkonstanten aufweisen.
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7 zeigt
einen schematischen Temperaturverlauf eines Kältemittels entlang einer Verdampferstrecke.
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8 zeigt
eine schematische Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Expansionsventils
von der Seite.
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9 zeigt
eine schematische Schnittansicht des Expansionsventils aus 8 von
vorne.
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Das
erste Ausführungsbeispiel
eines Expansionsventils gemäß 1 umfasst
ein einstückiges Ventilgehäuse 1,
in dem ein erster Kanal 2 und ein hierzu im wesentlichen
paralleler zweiter Kanal 3 zur Führung eines Kältemittels
ausgebildet sind. Die Pfeile in den Kanälen 2, 3 zeigen
die Fließrichtung des
Kältemittels
an. Der erste Kanal 2 ist dabei vor einem Einlass eines
Verdampfers 4 eines Kältekreises angeordnet
und der zweite Kanal 3 ist nach dem Auslass des Verdampfers 4 angeordnet.
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Der
zweite Kanal 2 weist eine Expansionsöffnung 5 in Form einer
Engstelle auf, die von einer Ventilstange 6 mit einem daran
angeordneten Ventilschieber 7 durchgriffen wird. Die Ventilstange 6 ist beweglich,
aber kältemitteldicht
in einer Durchführung 8 durch
eine die Kanäle 2, 3 trennende
Wand geführt.
Bei einer maximal nach oben verschobenen Stellung der Ventilstange 6 verschließt der Ventilschieber 7 die
Engstelle 5, die zugleich als Ventilsitz für den Ventilschieber 7 ausgeformt
ist.
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Die
Ventilstange 6 mündet
mit einem oberen Ende im zweiten Kanal 3 und mit einem
unteren Ende, das in der schematischen Darstellung mit dem Ventilschieber 7 zusammenfällt, in
den ersten Kanal 2. Das untere Ende ist an einem ersten
Stellglied 9 abgestützt
und das obere Ende ist an einem zweiten Stellglied 10 abgestützt. Die
Stellglieder 9, 10 bestehen jeweils im wesentlichen
aus Bimetallblech, so dass sie sich in Abhängigkeit der Temperatur des
den jeweiligen Kanal 2, 3 durchströmenden Kältemittels deutlich
ausdehnen oder zusammenziehen. Vorliegend sind die Stellglieder 9, 10 als
geschlossene Hülsen
ausgebildet, wobei die untere Hülse 9 im
Querschnitt im wesentlichen oval oder kreisförmig ist und die obere Hülse 10 gemäß der Ansicht
nach 2 im wesentlichen D-förmig. Insgesamt ist durch die
Ausformung der Bimetallbleche zu einer Hülse sowohl eine Federelastizität der Stellglieder 9, 10 gegeben wie
auch eine erhebliche Ausdehnung in der Bewegungsrichtung der Ventilstange 6 in
Abhängigkeit
von der Temperatur.
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Das
obere Stellglied 10 ist auf einfache Weise gegen die Innenwand
des Kanals 3 abgestützt. Das
untere Stellglied 9 ist gegen ein Stellmittel 11 abgestützt, das
als Justageschraube mit Feingewinde in die Wandung des ersten Kanals 2 eingeschraubt ist.
Durch das Stellmittel 11 lässt sich eine Vorjustage des
Ventilschiebers 7 bzw. eine Vorspannung der Stellglieder 9, 10 erzielen.
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Gemäß dem vorbeschriebenen
Aufbau wirken auf die Ventilstange 6 sowohl in Schließrichtung wie
auch entgegengesetzt in Öffnungsrichtung
federelastische Kräfte
der jeweiligen Stellglieder 9, 10. Je nach den
Temperaturen des Kältemittels
im ersten Kanal 2 und im zweiten Kanal 3 stellt
sich somit eine andere Gleichgewichtsposition der Ventilstange 6 und
somit des Ventilschiebers 7 ein. Dies wird in 3 bis 5 verdeutlicht,
wobei die waagerechte Achse die Auslenkung der Ventilstange 6 darstellt und
die senkrechte Achse die Kräfte
der Stellglieder 9, 10.
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In 3 sind
die Kraft-Weg-Linie des federelastischen ersten Stellgliedes 9 und
die Kraft-Weg-Linie des federelastischen zweiten Stellgliedes 10 eingezeichnet.
Die x-Achse stellt den Weg, die y-Achse die Kraft dar. Die Federkonstanten
der Stellglieder 9, 10 sind hier gleich groß, was sich
in gleichen Steigungen der Kraft-Weg-Linien ausdrückt. Der
runde Punkt entspricht in dem Diagramm dem sich von alleine einstellenden
stabilen Gleichgewichtszustand, bei dem die nach oben gerichtete
Kraft und die nach unten gerichtete Kraft (senkrechte Pfeile) dem
Betrage nach gleich groß sind.
Dieser Gleichgewichtszustand fällt in 3 in
den Nullpunkt der horizontalen Achse, der als geschlossenen Position
des Ventilschiebers definiert ist.
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In 4 wurde
gegenüber 3 die
Temperatur am Verdampferaustritt bzw. im zweiten Kanal 3 erhöht, so dass
sich die Kraft-Weg-Linie des zweiten Stellglieds 10 gemäß dem Pfeil
nach rechts verschiebt. Hieraus resultiert eine andere Gleichgewichtslage
des Ventilschiebers 7, der bei der nunmehr erhöhten Temperatur
am Verdampferaustritt geöffnet
ist.
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5 zeigt
einen im Vergleich zu 3 und 4 korrespondierenden
Fall, bei dem die Temperatur des Verdampferaustritts die gleiche
ist, jedoch die Temperatur des Verdampfereintritts absinkt (Verschiebung
der oberen Kraft-Weg-Linie
des ersten Stellglieds 9 gemäß dem Pfeil nach rechts). Auch hierbei
erfolgt eine Öffnung
des Ventilschiebers im Kräftegleichgewicht.
Ersichtlich hängt
die Öffnung des
Ventilschiebers somit im wesentlichen von der Temperaturdifferenz
zwischen Verdampfereintritt und Verdampferaustritt ab.
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6 zeigt
ein Kraft-Weg-Diagramm für
eine Abwandlung des Expansionsventils aus 3, bei der
die beiden Stellglieder 9, 10 nicht gleich große Federkonstanten
bzw. Steigungen der Kraft-Weg-Linien wie in 3 bis 5 aufweisen,
sondern bei der die Federkonstante des ersten Stellglieds 9 größer ist
als die Federkonstante des zweiten Stellglieds 10. Dies
drückt
sich in 6 in einer stärkeren Steigung
der Kraft-Weg-Linie 9 im Vergleich zu der Steigung der
Kraft-Weg-Linie 10 aus. Die Verschiebungen der Linien 9, 10 in 6 gemäß der jeweiligen Pfeile
bedeuten eine Verschiebung um eine jeweils gleiche Temperaturänderung
des Kältemittels
im ersten Kanal 2 und des Kältemittels im zweiten Kanal 3, so
dass die resultierende Änderung
der Temperaturdifferenz Null ist. Bei der streng von der Temperaturdifferenz
abhängigen
Anordnung gemäß 3 bis 5 würde somit
keine Änderung
der Position des Ventilschiebers 7 auftreten. Im Falle
der unterschiedlichen Kraftkonstanten gemäß 6 ergibt
sich jedoch auch bei gleicher Temperaturdifferenz, insgesamt jedoch
verändertem
Temperaturniveau eine Änderung
der Position des Ventilschiebers (siehe Vergleich der gestrichelten
Gleichgewichtslinie mit der durchgezogenen Gleichgewichtslinie).
Ersichtlich kann durch eine entsprechend unterschiedliche Auslegung
der Kraftkonstanten auch die Absoluttemperatur des Kältemittels
und nicht nur die Temperaturdifferenz zwischen Einlass und Auslass
zu einer Verschiebung des Ventilschiebers 7 beitragen,
so dass bei entsprechender Auslegung auch eine Reaktion auf den
Kältemittel-Massenstrom
erfolgen kann, ohne dass der am Kältemittelaustritt des Verdampfers
anliegende Druck unmittelbar regelnder Parameter ist.
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7 verdeutlicht
schematisch den Verlauf der Temperatur T des Kältemittels (fette durchgezogene
Linie) über
die Verdampferstrecke V. Das zunächst
im Phasengleichgewicht befindliche Gas-Flüssigkeitsgemisch kühlt sich
aufgrund des Druckabfalls bis zur vollständigen Verdampfung der flüssigen Phase
ab, wonach das rein gasförmige
Kältemittel
sich im Restverlauf der Verdampferstecke zur Erzielung der Überhitzung
TU erwärmt.
Die Temperaturdifferenz TR zwischen der Austrittstemperatur des
Verdampfers und der Eintrittstemperatur des Verdampfers stellt die
Regelgröße des Expansionsventils
gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
dar. Die Temperaturdifferenz TU-TR ist unter den gegebenen Bedingungen
nur eine Funktion des Druckabfalls über dem Verdampfer. Insoweit
der Kältemittel-Massenstrom
bei der vorliegenden Fahrzeug-Klimaanlage weitgehend konstant ist, ändert sich
der Term TU-TR kaum. Dies ist z. B. in guter Nährung erfüllt, wenn der Verdichter der
Fahrzeug-Klimaanlage ein massenstromgeregelter Verdichter ist. Vom
Bautyp her sind hierzu z. B. solche Verdichter geeignet, die in
Abhängigkeit
von der beaufschlagten Drehzahl einen Kolbenhub des Verdichters ändern können, so dass
die Fördermenge
unabhängig
von der Drehzahl des Kraftfahrzeug-Hauptmotors konstant bleibt.
Ersichtlich ist das Expansionsventil gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel
insbesondere in Kombination mit einem solchen massenstromgeregelten
Verdichter besonders gut zur Regelung der Kältemittelüberhitzung geeignet.
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Ein
zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
ist in 8 dargestellt. Hierbei wird nur ein Stellglied 12 von
thermodynamischen Parametern des Kältemittels beeinflusst. Das
Stellglied 12 ist im zweiten Kanal 3, also auslassseitig
des Verdampfers 4, angeordnet und umfasst eine rotationssymmetrische,
konkave Bimetallmembran mit einem ringförmigen Randwulst 13.
Die Bimetallmembran ist mit einem Kragen 14 dicht in einer
kreisförmigen
Durchbrechung des Gehäuses 1 festgelegt,
insbesondere mittels flächiger
Verlötung.
Hierdurch wird die bezüglich
des Kanals 3 jenseitige Fläche der Membran mit Außendruck
beaufschlagt.
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In
der Mitte der konkaven Vertiefung der rotationssymmetrischen Bimetallmembran
ist die Ventilstange 6 abgestützt, die im Prinzip wie im
ersten Ausführungsbeispiel
aufgebaut ist. Anstelle des ersten Stellglieds des ersten Ausführungsbeispiels
ist im ersten Kanal 2 eine herkömmliche Spiralfeder 15 gegen
den Ventilschieber 7 abgestützt, welche über eine
Stellschraube 11 in ihrer Vorspannung justierbar ist. Grundsätzlich kann
die Ventilstange 6 auch fest mit der Membran verbunden
sein, so dass eine Kraftbeaufschlagung durch die Feder 15 für das Funktionsprinzip
nicht notwendig ist.
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Gemäß des Aufbaus
des Expansionsventils nach 8 und 9 wird
das Stellglied 12 bei einem Temperaturanstieg des Kältemittels
im zweiten Kanal 3 durch die Ausdehnung des Bimetalls den Ventilschieber 7 über die
Ventilstange 6 in Öffnungsrichtung
bewegen. Ein Druckanstieg des Kältemittels im
zweiten Kanal 3 bewirkt dagegen eine Bewegung des Ventilschiebers 7 in
Schließrichtung.
Hierdurch nehmen sowohl Druck als auch Temperatur des Kältemittels
am Verdampferaustritt Einfluss auf die Regelung des Öffnungsquerschnitts
des ersten Kanals 2, wodurch ebenfalls eine zuverlässige Sicherstellung
einer ausreichenden Überhitzung
des Kältemittels
am Verdichtereintritt gewährleistet
ist.
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Bei
den der Erfindung unterfallenden Ventilen, insbesondere bei den
dargestellten Ausführungsbeispielen,
kann es sich als vorteilhaft erweisen, parallel zu der Engstelle 5 (bzw.
in diese integriert) einen zusätzlichen
Kältemittelkanal
vorzusehen, der auch bei geschlossenem Ventil (Ventilschieber 7 ganz
auf Engstelle 5) einen Mindest-Kältemittelstrom zulässt. Somit
kann auch bei gänzlich
geschlossenem Strom ein Mindest-Kältemitteldurchsatz ermöglicht werden.