DE102006057131B3 - Thermo-static expansion valve for controlling high pressure of transcritically and/or subcritically operable cooling and heating pump circuit, has control member controllable independent of pressure whose movement is coupled with area - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein thermostatisches Expansionsventil für einen Kälte- bzw. Wärmepumpenkreislauf gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to a thermostatic expansion valve for a Cold- or heat pump cycle according to the generic term of claim 1.
Bei transkritischen Kälte- beziehungsweise 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 Freiheitsgrad im Kreislaufprozess. Speziell bei Kreisprozessen, 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.In transcritical refrigeration or heat pump cycles, the high-pressure side heat release is usually above the critical pressure of the applied refrigerant. Due to the resulting sliding temperature gradient in the gas cooler, the pressure at the gas cooler outlet is a degree of freedom in the circulation process. Especially in cycles that use CO 2 as a refrigerant, it is very important to regulate the high pressure as a function of the ambient or gas cooler outlet temperature in an optimal efficiency range. In CO 2 air conditioners mostly only fixed throttles or externally controlled expansion elements are used in the regulation of the refrigeration cycle. The former do not allow adaptation of the high pressure to the process boundary conditions during operation.
Fremdgesteuerte Expansionsorgane müssen hierfür durch elektronische Steuerelemente geregelt werden, deren Reaktionsfähigkeit insbesondere für die automobile Anwendung nicht ausreichend ist. Dementsprechend können sie keine genügende Betriebssicherheit bieten. Weitere Nachteile sind durch hohe Störanfälligkeit, hohe Entwicklungs- und Anschaffungskosten gegeben.Externally controlled Must have expansion organs therefor be controlled by electronic controls whose responsiveness especially for the automotive application is insufficient. Accordingly can they do not have sufficient operating safety Offer. Other disadvantages are high susceptibility to failure, high development and cost.
Die
Aus
der
Aus
der
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Expansionsventil weiterzuentwickeln, das den Hochdruck eines transkritischen als auch unterkritisch betreibbaren Kälte- beziehungsweise Wärmepumpenkreislaufes innerhalb eines optimalen Bereiches einregeln und ein Überschreiten eines maximal zulässigen Wertes selbständig verhindern kann.task Therefore, the present invention is an expansion valve to further develop the hypertension of a transcritical than also subcritically operable refrigeration or heat pump cycle Adjust within an optimal range and an exceeding a maximum allowable Value independently can prevent.
Diese Aufgabe wird durch ein Expansionsventil gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Durch den Einsatz eines thermisch steuerbaren Stellgliedes, dessen Stellbewegung mit einer ersten Wirkfläche eines ersten Stellgliedes nur dann bewegungsgekoppelt ist, wenn eine temperaturabhängige Stellbewegung des zweiten, also des thermisch steuerbaren Stellgliedes gegen die Stellbewegung der ersten Wirkfläche des ersten Stellgliedes wirkt, ist ermöglicht, dass eine Druckbegrenzungsfunktion beziehungsweise eine Sicherheitsfunktion gegen zu hohe Betriebsdrücke gegeben ist, die keiner externen Ansteuerung bedarf.These The object is achieved by an expansion valve according to the features of the claim 1 solved. Through the use of a thermally controllable actuator whose Actuating movement with a first effective area of a first actuator is only motion coupled, if a temperature-dependent actuating movement the second, so the thermally controllable actuator against the Actuating movement of the first effective surface the first actuator acts, is that a pressure limiting function or given a safety function against excessive operating pressures is that does not require external control.
Dabei wird ein Temperatureinsatzwert des thermisch ansteuerbaren Stellgliedes für eine Stellbewegung gewählt, welche einem Temperaturwert des MOT der Steuerfüllung entspricht. Der Temperatureinsatzwert ist die Temperatur, bei der das thermisch steuerbare Stellglied eine Stell- oder Hubbewegung erzeugt. Die Arbeitskennlinie des thermisch gesteuerten Stellgliedes weist den gleichen Gradienten wie die Arbeitskennlinen der Steuerfüllung im überhitzten Dampfzustand auf, aber in entgegengesetzter Richtung. Dadurch wird die Sicherheitsfunktion erzielt. Des Weiteren wird eine absolute Druckbegrenzung, also die Erzielung der MOP-Funktion (maximum operation pressure), auf allen Temperaturniveaus ermöglicht. Während das erste Stellglied mit seiner ersten Wirkfläche vorzugsweise von einem hochdruckseitigen, vom inneren Wärmetauscher kommenden Kältemittel druckbeaufschlagt wird und dessen Temperatur aufnimmt, ist das Arbeitsverhalten des thermisch ansteuerbaren Stellglieds vom Kältemitteldruck unabhängig.In this case, a temperature input value of the thermally actuable actuator is selected for an actuating movement, which corresponds to a temperature value of the MOT of the control charge. The temperature usage value is the temperature at which the thermally controllable actuator generates an actuating or lifting movement. The operating characteristic of the thermally controlled actuator has the same gradient as the operating characteristics of the control charge in the superheated steam state, but in the opposite direction. This achieves the safety function. Furthermore, an absolute pressure limitation, ie the achievement of the MOP function (maximum operation pressure), is made possible at all temperature levels. While the first actuator with its first effective area preferably of a high-pressure side, coming from the inner heat exchanger refrigerant is pressurized and absorbs its temperature, the working behavior of the thermally actuable actuator is independent of the refrigerant pressure.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen dem ersten Stellglied und dem zweiten, thermisch steuerbaren Stellglied eine lösbare mechanische Koppelung vorgesehen ist und das zweite Stellglied an einer ersten Wirkfläche des ersten Stellgliedes oder an einem mit dem ersten Stellglied in Verbindung stehenden Ventilelement angreift. Diese mechanische Koppelung, die ab einem vorbestimmbaren Temperaturwert auftritt, ermöglicht, dass im normalen Betrieb bei einem üblichen Temperatureinsatzbereich das erste Stellglied unabhängig von dem thermisch steuerbaren Stellglied arbeitet und das erste Steuerglied mit dem Ventilelement nur dann bewegungsgekoppelt ist, wenn ein weiterer Temperaturanstieg erfolgt, der den Einsatz der Sicherheitsfunktion erfordert.To a further advantageous embodiment of the invention is provided that between the first actuator and the second, thermally controllable Actuator a detachable mechanical coupling is provided and the second actuator a first effective area the first actuator or at one with the first actuator engaged valve element attacks. This mechanical Coupling, which occurs from a predeterminable temperature value, allows that in normal operation at a common temperature range the first actuator independent of the thermally actuatable actuator operates and the first Control member is only motion coupled to the valve element, when a further increase in temperature occurs, the use of the Safety function required.
Die Steuerfüllung des ersten Stellgliedes ist bevorzugt in einer Kammer vorgesehen, die membran- oder faltenbalgähnlich ausgebildet ist und die Temperatur des hochdruckseitigen Kältemittels aufnimmt. An der Wirkfläche des ersten Stellgliedes liegt der temperaturabhängige Druck der Steuerfüllung in der Kammer des Stellgliedes an als auch der Hochdruck. Aus der sich hieraus resultierenden Druckdifferenz ergibt sich eine Verstellkraft, die das Ventilelement in Bewegung setzt und in Abhängigkeit der Drosseleigenschaften des dazugehörigen Ventilsitzes einen bestimmten Strömungsquerschnitt freigibt.The control charge the first actuator is preferably provided in a chamber, the membrane or bellows-like is formed and the temperature of the high-pressure side refrigerant receives. At the effective surface the first actuator is the temperature-dependent pressure of the control filling in the Chamber of the actuator and the high pressure. Out of himself resulting pressure difference results in an adjusting force, which sets the valve element in motion and in dependence the throttle properties of the associated valve seat a specific Flow area releases.
Bevorzugt kann noch ein zusätzliches, insbesondere vorgespanntes Federelement vorgesehen sein, das die Wirkung gegen den Hochdruck verstärkt. Dies hat zu Folge, dass eine Öffnungsbewegung des Ventilelementes dann erfolgt, wenn der temperaturunabhängige, an der Wirkfläche vom Hochdruck der Kältemittelanlage erzeugte Kraftüberschuss ausreicht, um die Vorspannung des insbesondere vorgespannten Federelementes und die Kraftwirkung der Kammer zu überwinden, wodurch ein Durchgang zwischen dem Ventilsitz und dem Ventilelement freigegeben beziehungsweise der Querschnitt der Durchgangsöffnung vergrößert wird.Prefers can be an additional, be provided in particular biased spring element, the Increased effect against the high pressure. This has the consequence that an opening movement the valve element then takes place when the temperature independent, on the effective area from the high pressure of the refrigerant system generated excess power sufficient to the bias of the particular preloaded spring element and overcome the force of the chamber, creating a passage released between the valve seat and the valve element, respectively the cross section of the passage opening is enlarged.
Die Steuerfüllung der Kammer des ersten Stellgliedes weist bevorzugt eine Fülldichte auf, die unterhalb ihrer kritischen Dichte liegt. Bevorzugt ist des Weiteren vorgesehen, dass darüber hinaus ein Stoffgemisch für die Steuerfüllung gewählt wird, welches eine kritische Temperatur besitzt, die oberhalb der kritischen Temperatur des zu regelnden Kältemittels liegt. Dadurch weist die Steuerfüllung in den meisten Temperatureinsatzbereichen einen zweiphasigen Zustand mit hohem Dampfanteil auf. Erst wenn die von der Steuerfüllung aufgenommene Energie ausreicht, um die in Abhängigkeit der herrschenden Fülldichte vorhandene Flüssigphase vollständig zu verdampfen, geht die Steuerfüllung in den überhitzten Dampfzustand über. Unter diesen Umständen entwickelt sich ein Steuerdruck bei einem weiteren Temperaturanstieg nur noch mit einem niedrigeren Gradienten als im vorherigen zweiphasigen Zustand der Steuerfüllung weiter, der nicht gleich Null ist. Den Temperaturwert, ab dem dieser physikalische Effekt auftritt, bezeichnet man als MOT (Maximum Operating Temperature). Den dazugehörigen Druckwert für die Steuerfüllung bezeichnet man als MOP (Maximum Operation Pressure). Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass die temperaturabhängige Kraft des thermisch ansteuerbaren und hochdruckunabhängigen Stellgliedes der Steigung der Steuerfüllung des ersten Stellgliedes im überhitzten Zustand entspricht. Bei einem weiteren Temperaturanstieg im überhitzten Dampfzustand steigt der Druck mit nur einem deutlich niederen Gradienten als im vorherigen zweiphasigen Zustand an. Aufgrund der Anpassung des thermisch ansteuerbaren Stellgliedes an diesen Gradienten wird die Sicherheitsfunktion erzielt, indem das thermisch ansteuerbare und hochdruckunabhängige Stellglied in entgegensetzter Richtung mit dem gleichen Gradienten wirkt, so dass ein maximaler Betriebsdruck einstellbar ist, der wunschgemäß einem horizontalen Druckverlauf auf einem MOP-Niveau entspricht.The control charge the chamber of the first actuator preferably has a filling density which is below its critical density. Preferred is the Further provided that about it addition, a mixture for the tax filling chosen which has a critical temperature which is above the critical temperature of the refrigerant to be controlled. This shows the tax filling a two-phase condition in most temperature ranges with high vapor content. Only when the of the tax filling absorbed Energy is enough to depend on the prevailing filling density existing liquid phase Completely to evaporate, goes the tax filling in the overheated Steam condition over. Developed under these circumstances a control pressure at a further temperature rise only with a lower gradient than in the previous two-phase State of taxation next, which is not equal to zero. The temperature value from which this physical effect occurs, referred to as MOT (Maximum Operating Temperature). The associated Pressure value for the control charge is called MOP (Maximum Operation Pressure). Furthermore is preferably provided that the temperature-dependent force of the thermally controlled and high pressure independent Actuator of the slope of the control filling of the first actuator in the overheated State corresponds. At a further temperature rise in the overheated Steam state, the pressure rises with only a significantly lower gradient as in the previous two-phase state. Due to the adaptation of the thermally controlled actuator to these gradients is the Safety function achieved by the thermally controlled and High pressure independent Actuator in the opposite direction with the same gradient acts, so that a maximum operating pressure is adjustable, the as desired horizontal pressure response at a MOP level.
Der vorgenannte Temperaturwert beziehungsweise Temperatureinsatzwert wird bevorzugt durch die konstruktive Ausgestaltung des thermisch ansteuerbaren Stellgliedes bestimmt. Nach einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung eines thermisch ansteuerbaren Stellgliedes ist vorgesehen, dass aufeinander gestapelte Bi-Metall-Elemente, insbesondere Bi-Metall-Scheiben, vorgesehen sind. Diese aufeinander gestapelten Bi-Metall-Scheiben sind beispielsweise balgförmig angeordnet. In Abhängigkeit von deren Voreinstellung führen diese Bi-Metall-Elemente erst ab einer bestimmten Temperatur eine Stellbewegung aus.Of the the aforesaid temperature value or temperature application value is preferred by the structural design of the thermally drivable Actuator determined. According to a first advantageous embodiment a thermally actuable actuator is provided that stacked bi-metal elements, in particular bi-metal discs, are provided. These stacked bi-metal discs are for example, bellows-shaped arranged. Dependent on lead from their default These bi-metal elements only from a certain temperature one Actuating movement.
Eine zweite alternative Ausführungsform zur Ausbildung eines thermisch ansteuerbaren Stellgliedes sieht vor, dass eine Membran, ein Faltenbalg oder ein Federelement, insbesondere eine Spiralfeder oder ein Spiralbalg aus einer Formgedächtnislegierung hergestellt ist. Dadurch kann wiederum eine temperaturabhängige Ansteuerung ermöglicht sein.A second alternative embodiment sees to the formation of a thermally actuable actuator in that a diaphragm, a bellows or a spring element, in particular a spiral spring or a spiral bellows made of a shape memory alloy is made. This in turn can be a temperature-dependent control allows be.
Eine weitere alternative Ausgestaltung des Stellgliedes ist durch ein gefülltes, faltenbalgähnliches Federelement gegeben, welches vorzugsweise mit einem Medium gefüllt ist, das oberhalb seines Dampfdruckes beziehungsweise unterhalb seiner Sättigungstemperatur im Arbeitsbereich im flüssigen Aggregatzustand existiert.A further alternative embodiment of the actuator is given by a filled, bellows-like spring element, which is preferably filled with a medium above its vapor pressure or below its saturation temperature in the working area in the liquid Physical state exists.
Geeignete Füllmedien sind zum Beispiel Öle oder allgemein Kohlenwasserstoffe mit hohem Siedepunkt. Diese Temperatur-Weggeberelemente sind vorzugsweise hermetisch dicht gefügte Membran-, Wellrohr-, Faltenbalgelemente oder auch Zylinder-Kolbenausführungen, die durch thermische Dehnung ihrer Flüssigkeitsfüllung hohe Stellkräfte bewirken. Diese Elemente können so ausgelegt werden, dass ihre Hub-Temperatur-Kennlinie erst ab einer bestimmten Temperatur beginnt.suitable filling media are for example oils or generally hydrocarbons with a high boiling point. These temperature-Weggeberelemente are preferably hermetically sealed membrane, corrugated tube, Faltenbalgelemente or also cylinder piston designs, causing high thermal forces due to thermal expansion of their liquid filling. These elements can be designed so that their stroke-temperature characteristic only from a certain Temperature begins.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die thermisch ansteuerbaren Stellglieder eine druckunabhängige Vorrichtung aufweisen, um diese vorzuspannen. Dadurch wird ermöglicht, dass der Temperaturwert, bei dem die thermische Sicherheitsfunktion des Ventils einsetzt, justierbar ist. Bevorzugt ist eine solche Vorrichtung manuell von außen justierbar. Alternativ kann auch eine elektronische bzw. motorische Ansteuerung vorgesehen sein.Prefers is provided that the thermally actuable actuators a pressure independent Have device to bias this. This will allow that the temperature value at which the thermal safety function of the valve is adjustable. Preferred is such Device manually from the outside adjustable. Alternatively, an electronic or motorized control be provided.
Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass die Kammer des ersten Stellgliedes, insbesondere eine innere Kontur der Kammer, durch eine Hülse oder Stege geführt wird. Dadurch ist ermöglicht, dass Verformungen durch die Wirkung der Steuerfüllung verhindert werden.Of Furthermore, it is preferably provided that the chamber of the first actuator, in particular an inner contour of the chamber, through a sleeve or Footbridges led becomes. This allows that Deformations are prevented by the effect of tax filling.
In einer Ruhestellung des Ventilelementes des thermostatischen Expansionsventils ist bevorzugt vorgesehen, dass eine Mindestdurchlassöffnung freigegeben ist. Dies bedeutet, dass wenn der temperatur- und druckabhängige Kraftüberschuss an der Unterseite des thermisch angesteuerten Stellgliedes 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 selbst einstellt.In a rest position of the valve element of the thermostatic expansion valve is preferably provided that a minimum passage opening released is. This means that if the temperature and pressure dependent excess force not at the bottom of the thermally actuated actuator sufficient to overcome its bias, just a purposefully predefined Throttle cross section is released and the thermostatic expansion valve acts as a fixed throttle, causing the high pressure in the circuit self-adjusting.
In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt somit ein transkritischer oder unterkritischer Kälte- beziehungsweise Wärmepumpenkreislauf mit einem inneren Wärmetauscher, der ein thermostatisches Expansionsventil mit einer selbständig einstellbaren Überströmungsfunktion beziehungsweise Sicherheitsfunktion ermöglicht, ohne dass beispielsweise eine zusätzliche Leitungsverlegung am Verdampfeintritt erfolgen muss. Gleichzeitig kann die thermostatische Regelmöglichkeit des COP-optimalen Hochdrucks erhalten bleiben.In the scope of the present invention thus falls a transcritical or subcritical cold or heat pump cycle with an internal heat exchanger, a thermostatic expansion valve with a self-adjustable overflow function or safety function allows without, for example an additional Cable routing must occur at the evaporation inlet. simultaneously can the thermostatic control option of the COP-optimal High pressure is maintained.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen derselben werden im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Beispiele näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmenden Merkmale können einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination erfindungsgemäß angewandt werden. Es zeigen:The Invention and further advantageous embodiments and further developments The same will be described below with reference to the drawings Examples closer described and explained. The features to be taken from the description and the drawings can individually for applied to one or more in any combination according to the invention become. Show it:
Anhand
des Zustandsdiagramms der
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 inneren Wärmetauschers
In
dem Diagramm gemäß
In
Im
Hochdruckraum
Des
Weiteren ist ein Federelement
Die
Kammer
Im
Ausführungsbeispiel
gemäß
Bei
ausreichendem Kraftüberschuss
wird des Hochdruckes gegenüber
der Druckkraft der Kammer
Durch
das erfindungsgemäße Expansionsventil
Des
Weiteren 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
Durch
die Anordnung eines solchen thermostatischen Expansionsventils
In
In
Alle vorgenannten Merkmale sind jeweils erfindungswesentlich und können beliebig miteinander kombinierbar sein.All The aforementioned features are each essential to the invention and can be arbitrary be combined with each other.
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