DE102006060099A1

DE102006060099A1 - Thermostatic expansion valve

Info

Publication number: DE102006060099A1
Application number: DE102006060099A
Authority: DE
Inventors: Joan Aquilar; Siegfried Roth; Rainer Maurer
Original assignee: Otto Egelhof GmbH and Co KG
Current assignee: Otto Egelhof GmbH and Co KG
Priority date: 2006-12-18
Filing date: 2006-12-18
Publication date: 2008-06-19
Also published as: WO2008074383A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein thermostatisches Expansionsventil zur Überhitzungsregelung eines Hochdrucks eines zumindest unterkritisch betreibbaren Kältekreislaufs, mit einem Ventilgehäuse (12), mit einem Ventilelement (25), welches einen Ventilsitz (26) einer Durchtrittsöffnung (16), die zwischen einer Zuführöffnung (14) und einer Abführöffnung (15) angeordnet ist, schließt und zum Durchströmen des Kältemittels mit einer Betätigungseinrichtung (31) ansteuerbar ist, wobei zumindest eine Bypassbohrung (41), welche die Zuführöffnung (14) mit der Abführöffnung (15) verbindet, mit einem Begrenzungselement (45) ansteuerbar ist und das Begrenzungselement (45) in einer Grundposition die Bypassbohrung (41) für den Massenstrom zum Durchströmen freigibt und eine Schließbewegung des Begrenzungselementes (45) ansteuerbar ist, sobald das Begrenzungselement (45) im Massenstrom einen Anstieg eines Unterkühlungswertes oberhalb eines vordefinierten kritischen Wertes für den unterkritischen Kältemittelkreislauf aufweist.The invention relates to a thermostatic expansion valve for overheating control of a high pressure of an at least subcritically operable refrigeration cycle, with a valve housing (12) having a valve member (25) having a valve seat (26) of a passage opening (16) between a feed opening (14) and a discharge opening (15) is arranged, closes and for the flow through the refrigerant with an actuating device (31) is controllable, wherein at least one bypass bore (41) which connects the feed opening (14) with the discharge opening (15) with a limiting element (45 ) is controllable and the limiting element (45) in a basic position, the bypass bore (41) for the mass flow to flow through and a closing movement of the limiting element (45) is controlled as soon as the limiting element (45) in mass flow an increase in a supercooling above a predefined critical Value for the subcrit has a refrigerant circuit.

Description

Die Erfindung betrifft ein thermostatisches Expansionsventil zur Überhitzungsregelung eines unterkritisch betreibbaren Kältekreislaufs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to a thermostatic expansion valve for overheating control a subcritically operable refrigeration cycle according to the preamble of claim 1.

Aus der US-PS 3,367,130 geht ein thermostatisches Expansionsventil zur Regelung eines Hochdrucks für einen Kältekreislauf hervor. Ein solches Expansionsventil umfasst ein Ventilgehäuse, bei dem eingangsseitig ein Hochdruck in einer Zuführöffnung und ausgangsseitig ein Niederdruck an einer Abführöffnung anliegt. Dazwischen liegend ist ein Ventilelement vorgesehen, welches eine Durchtrittsöffnung zwischen der Zuführ- und Abführöffnung ansteuert. Parallel zur Durchtrittsöffnung ist im Ventilgehäuse eine Bypassbohrung vorgesehen, welche die Zuführöffnung unmittelbar mit der Abführöffnung verbindet. Diese Bypassöffnung ermöglicht, dass bereits vor dem Öffnen der Drosselstelle beziehungsweise Betätigen der Reguliervorrichtung ein Durchströmen des Kältemittels und somit ein Kühlen der Temperatur der Komponenten ermöglicht ist. Diese nicht steuerbare Bypassöffnung dient somit als Fixdrossel für einen geringen aber konstanten Massenstrom zum Kühlen der Elemente des Kältemittelkreislaufes und wirkt unabhängig von der Reguliervorrichtung.From the U.S. Patent 3,367,130 is a thermostatic expansion valve for controlling a high pressure for a refrigeration cycle out. Such an expansion valve comprises a valve housing, in which a high pressure in a feed opening and on the output side a low pressure at a discharge opening rests on the input side. Between lying, a valve element is provided, which controls a passage opening between the supply and discharge opening. Parallel to the passage opening, a bypass bore is provided in the valve housing, which connects the supply opening directly to the discharge opening. This bypass opening allows already before opening the throttle point or actuation of the regulating device, a flow through the refrigerant and thus a cooling of the temperature of the components is made possible. This non-controllable bypass opening thus serves as a fixed throttle for a small but constant mass flow for cooling the elements of the refrigerant circuit and acts independently of the regulating device.

Aus der DE 10 2004 049 790 A1 geht ein Expansionsventil hervor, bei welchem das Ventilelement durch eine als Thermokopf ausgebildete Betätigungseinrichtung über einen Übertragungsstift angesteuert wird, so dass die Durchtrittsöffnung zwischen der Zuführöffnung und Abführöffnung in Abhängigkeit der durch den Thermokopf erfassten Betriebszustände ansteuerbar ist. Beim Einsatz solcher Expansionsventile in unterkrischen Kältekreisläufen können Betriebszustände eintreten, bei denen ein Dampfgehalt am Ausgang der Durchtrittsöffnung des als Hauptdrosselstelle ausgebildeten Ventilelementes kritisch niedrige Werte erreichen. Dies bedeutet, dass der Dampfgehalt nach der Drosselung beziehungsweise Expansion aufgrund des verengten Ringspaltes, der zwischen dem Übertragungsstift und der Durchgangsbohrung gebildet ist, aus diesem Ringspalt heraustritt, so dass nahezu nur noch ein flüssiger Kältemittelstrom durch die Durchtrittsöffnung hindurchtritt. Dadurch kann ein überproportionaler Volumenstromanstieg eintreten, der zu einer Überflutung eines nachgeschalteten Verdampfers und somit zum vollständigen Verschwinden eines Überhitzungssignals nach dem Verdampfer und gegebenenfalls nach dem inneren Wärmetauscher führen kann.From the DE 10 2004 049 790 A1 shows an expansion valve, in which the valve element is driven by a trained as a thermal head actuator via a transmission pin, so that the passage opening between the supply port and discharge opening in response to the detected by the thermal head operating states can be controlled. When such expansion valves are used in subcratic refrigeration circuits, operating conditions can occur in which a vapor content at the outlet of the passage opening of the valve element designed as the main throttle point reaches critically low values. This means that the steam content after throttling or expansion due to the narrowed annular gap formed between the transmission pin and the through hole emerges from this annular gap, so that almost only a liquid refrigerant flow passes through the passage opening. As a result, a disproportionate increase in volume flow can occur, which can lead to flooding of a downstream evaporator and thus to the complete disappearance of an overheating signal after the evaporator and optionally after the inner heat exchanger.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein thermostatisches Expansionsventil zur Überhitzungsregelung zu schaffen, welches einen starken Abfall des Dampfgehalts am Ventilausgang durch eine indirekte Unterkühlungsregelung verhindert, und den maximalen zulässigen bzw. angeforderten Kältemittelmassenstrom auf einem vordefinierten Niveau hält.Of the The invention is therefore based on the object, a thermostatic Expansion valve for overheating control to create a strong drop in the vapor content at the valve outlet through an indirect supercooling control prevented, and the maximum allowable or requested refrigerant mass flow keeps at a predefined level.

Diese Aufgabe wird durch ein thermisches Expansionsventil gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 ermöglicht. Weitere vorteilhafte Ausgestal tungen und Weiterbildungen sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.These The object is achieved by a thermal expansion valve according to the features of claim 1 allows. Further advantageous Ausgestal lines and developments are in the further claims specified.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des thermostatischen Expansionsventils mit einem thermisch ansteuerbaren Begrenzungselement wird erzielt, dass ein Dampfgehalt des Massenstromes nach der Expansion an einer Hauptdrosselstelle beziehungsweise einer mit einem Ventilelement ansteuerbaren Durchtrittsöffnung durch ein zumindest eine Bypassbohrung regelndes Begrenzungselement überwacht wird. Diese Überwachung erfolgt durch ein Stellglied des Begrenzungselementes, welches ein Ventilschließglied im Normalbetrieb des Kältemittelkreislaufs in einer geöffneten Grundposition zur Bypassbohrung ansteuert und aus einer geöffneten Grundposition in eine Schließposition überführt, sobald eine Abnahme des Dampfgehaltes an der Hauptdrosselstelle, also in der Durchtrittsöffnung, erfolgt. Bei einer Abnahme des Dampfgehaltes im Massenstrom unterhalb eines kritischen Wertes bzw. eines dazu korrespondierenden Unterkühlungswertes nimmt der Flüssigkeitsanteil des Massenstromes zu, wodurch die im Normalbetrieb eintreffende Durchflussbegrenzung zumindest teilweise verschwindet. Ein Anstieg des Unterkühlungswertes oberhalb des oben genannten kritischen Wertes wird durch das Stellglied des Begrenzungselementes erkannt und steuert das Ventilschließglied des Begrenzungselementes an und schließt die Bypassbohrung. Dadurch wird der gesamte von der Zuführöffnung über die Hauptdrosselstelle und die zumindest Bypassbohrung zur Abführöffnung gelangende Massenstrom um den Anteil minimiert, der durch den freigebenden Öffnungsquerschnitt der Bypassbohrung oder die Bypassbohrungen bestimmt ist. Da die Zunahme des effektiven Querschnitts in der Durchtrittsöffnung aufgrund des geringer werdenden Dampfgehaltes in der Hauptdrossel das Schließen der Bypassbohrung oder der Bypassbohrungen kompensiert, bleibt der gesamte Öffnungsquerschnitt des Expansionsventils annähernd gleich und ein Anstieg des Kältemittelvolumenstroms wird verhindert. Gleichzeitig bleibt die Überhitzungsregelung durch die Betätigungseinrichtung vollständig aufrecht erhalten. Durch dieses erfindungsgemäße Expansionsventil kann somit indirekt der Dampfgehalt im Massenstrom an der Drosselstelle des Expansionsventils erfasst und geregelt werden, so dass ein Überfluten des Verdampfers verhindert ist und der Kältemittelkreislauf auf einen vorbestimmten Unterkühlungswert zum Betrieb der Kältemittelanlage begrenzbar ist.The inventive design of the thermostatic expansion valve with a thermally drivable limiting element is achieved that a vapor content of the mass flow is monitored after expansion at a main throttle or a controllable with a valve element passage opening by a at least one bypass hole regulating limiting element. This monitoring is performed by an actuator of the limiting element, which controls a valve closing member in the normal operation of the refrigerant circuit in an open basic position to the bypass bore and transferred from an open basic position to a closed position, as soon as a decrease in the vapor content at the main throttle, ie in the passage opening occurs. When the vapor content in the mass flow decreases below a critical value or a corresponding supercooling value, the liquid fraction of the mass flow increases, as a result of which the flow restriction arriving in normal operation at least partially disappears. An increase in the subcooling value above the above-mentioned critical value is detected by the actuator of the restriction member and controls the valve closure member of the restriction member and closes the bypass bore. As a result, the entire mass flow reaching from the feed opening via the main throttle point and the at least bypass bore to the discharge opening is minimized by the proportion determined by the opening opening cross section of the bypass bore or by the bypass bores. Since the increase in the effective cross section in the passage opening due to the decreasing steam content in the main throttle compensates for the closing of the bypass bore or the bypass bores, the entire opening cross section of the expansion valve remains approximately the same and an increase in the refrigerant flow rate is prevented. At the same time, the overheating control is fully maintained by the actuator. By this expansion valve according to the invention thus indirectly the vapor content in the mass flow at the throttle point of the expansion valve can be detected and regulated, so that flooding of the evaporator is prevented and the refrigerant circuit to a predetermined supercooling value for the operation of Käl can be limited.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Begrenzungselement hochdruckseitig vorgesehen ist. Dadurch kann eine einfache und integrierte Volumenstromregelung bzw. Massenstrombegrenzung parallel zur Hauptdrosselstelle ermöglicht sein.To A preferred embodiment of the invention provides that the limiting element is provided on the high pressure side. This can be a Simple and integrated volume flow control or mass flow limitation be enabled parallel to the main throttle.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Querschnittsfläche bzw. -flächen der Bypassbohrung bzw. -bohrungen gleich groß oder kleiner als die Querschnittsfläche der Hauptdrosselstelle für den maximalen Massenstrom sind. Dadurch kann erzielt werden, dass eine Steuerung des Kältekreislaufes mit dem maximal erforderlichen Massenstrom ermöglicht ist, wobei gleichzeitig eine vollständige Ansteuerung zur Überhitzungsregelung über die Hauptdrosselstelle erhalten bleibt.To a further preferred embodiment of the invention is provided that the cross-sectional area or surfaces the bypass bore or holes equal to or smaller than the cross-sectional area of the Main throttle point for are the maximum mass flow. This can be achieved that a control of the refrigeration cycle with the maximum required mass flow is possible, at the same time a complete Control for overheating control via the Main throttle is maintained.

Die zumindest eine Bypassbohrung ist durch das Begrenzungselement bevorzugt dann vollständig geschlossen, sobald die Unterkühlung vor der Hauptdrosselstelle einen von außen einstellbaren Wert überschritten hat. Dieser Unterkühlungswert entspricht dem kritischen Dampfgehalt nach der Hauptdrossel, ab dem die Blasenbildung in der Kältemittelströmung vollständig aus der Hauptdrossel verschwindet und der Volumenstrom aufgrund des deutlich größeren, zur Verfügung stehenden effektiven Strömungsquerschnittes der Hauptdrossel sprunghaft zuzunehmen anfängt. Das vollständige Schließen der zumindest einen Bypassbohrung verhindert bzw. eliminiert diese Zunahme und verhindert eine Überflutung des Verdampfers.The at least one bypass bore is preferred by the limiting element then completely closed, once the hypothermia exceeded an externally adjustable value before the main throttle Has. This supercooling value corresponds to the critical steam content after the main throttle, from the blistering in the refrigerant flow completely the main throttle disappears and the volume flow due to the much larger, to disposal standing effective flow cross-section the main thrall starts to increase dramatically. The complete closing of the at least one bypass hole prevents or eliminates this increase and prevents flooding of the evaporator.

Das Begrenzungselement umfasst bevorzugt ein thermisch ansteuerbares Stellglied, welches zumindest aus einem tellerfederförmigen Bi-Metallelement ausgebildet ist. Bei zunehmender Unterkühlung wird die Vorspannung des tellerfederförmigen Bi-Metallelementes verringert, wodurch die Schließbewegung des Begrenzungselementes eingeleitet wird. Dem zumindest einen Bi-Metallelement gegenüberliegend ist bevorzugt ein Kraftspeicherelement angeordnet, welches beim Überschreiten einer als kritisch definierten Unterkühlung größere Druckkräfte aufbringt als das zumindest eine tellerfederförmige Bi-Metallelement zur Einleitung der Schließbewegung und Aufrechterhaltung der Schließposition.The Limiting element preferably comprises a thermally controllable Actuator, which is formed at least from a plate-spring-shaped bi-metal element is. With increasing hypothermia the bias of the plate spring-shaped bi-metal element is reduced, causing the closing movement the limiting element is initiated. The at least one bi-metal element opposite a force storage element is preferably arranged, which when crossing as a critically defined hypothermia applies greater pressure forces as the at least one plate spring-shaped bi-metal element for Initiation of the closing movement and maintaining the closed position.

Alternativ kann vorgesehen sein, dass das Begrenzungselement ein thermisch ansteuerbares Stellglied umfasst, welches aus einer Formgedächtnislegierung (SMA = Shape Memory Alloy) hergestellt ist. Dabei wird die gleiche Funktion wie beim vorstehend beschriebenen thermisch ansteuerbaren Stellglied aus Bi-Metallelementen erzielt.alternative it can be provided that the limiting element is a thermal controllable actuator comprises, which consists of a shape memory alloy (SMA = Shape Memory Alloy) is made. It will be the same Function as in the thermally controlled actuator described above made of bi-metal elements.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Begrenzungselement ein Stellglied aufweist, welches temperatur- und druckabhängig ansteuerbar ist. Dies weist den Vorteil auf, dass eine weitere Regelgröße des hochdruckseitigen Massenstromes erfasst werden kann. Dadurch ist eine Überwachung eines Kältekreislaufes bei unterschiedlich voreingestellten Betriebsdrücken ermöglicht und eine automatische Überwachung des Dampfgehaltes an der Durchtrittsöffnung der Hauptdrosselstelle bei allen Betriebsdrücken (Hochdruck) gegeben.To a further preferred embodiment of the invention is provided that the limiting element has an actuator, which temperature and pressure dependent is controllable. This has the advantage that a further controlled variable of the high-pressure side Mass flow can be detected. This is a monitoring a refrigeration cycle enabled at different preset operating pressures and automatic monitoring the vapor content at the passage opening of the main throttle body at all operating pressures (High pressure).

Das Begrenzungselement weist bevorzugt als temperatur- und druckabhängiges Stellglied eine membran- oder balgförmige Kammer auf, welche mit einer Steuerfüllung befüllt ist. Die Steuerfüllung steht in Abhängigkeit der Anwendungsfälle.The Limiting element preferably has a temperature and pressure-dependent actuator a membranous or bellows-shaped Chamber on which is filled with a tax filling. The tax filling is in dependence the use cases.

Alternativ kann das Begrenzungselement mit einem temperatur- und druckabhängigen Stellglied eine Steuerfüllung aufweisen, welche mit einem zweiphasigen Gemisch gefüllt ist, deren Fülldichte unterhalb deren kritischen Dichte liegt.alternative can the limiting element with a temperature and pressure-dependent actuator a control charge which is filled with a biphasic mixture, their filling density below their critical density is.

Nach einer weiteren alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mehrere Begrenzungselemente parallel zur Hauptdrosselstelle vorgesehen sind, wobei das jeweilige Begrenzungselement mit einem zumindest thermisch ansteuerbaren Stellglied zur Ansteuerung der jeweiligen Bypassbohrung ausgebildet ist und verschiedene Arbeitspunkte für den Beginn der Schließbewegung vorgesehen sind. Dadurch kann eine stufenweise Abkühlung in Abhängigkeit der Eintrittstemperatur an der Hauptdrosselstelle vorgesehen sein. Alternativ können die zumindest thermisch ansteuerbaren Stellglieder derart ausgelegt sein, dass eine nahezu konstante Schließbewegung über die Gesamtheit aller Bypassbohrungen durch das nacheinander folgende und aufeinander abgestimmte Schließen der Bypassbohrungen angesteuert wird.To a further alternative embodiment of the invention is provided that several limiting elements provided in parallel to the main throttle are, wherein the respective limiting element with an at least thermally controlled actuator for controlling the respective Bypass hole is formed and different working points for the beginning the closing movement provided are. This allows a gradual cooling depending on the inlet temperature may be provided at the main throttle. Alternatively you can the at least thermally actuable actuators designed in such a way be that a nearly constant closing movement across the entirety of all the bypass bores by the successive and coordinated closing of the bypass bores is controlled.

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:

1 eine schematische Schnittdarstellung eines thermostatischen Expansionsventils in einem Kältekreislauf, 1 a schematic sectional view of a thermostatic expansion valve in a refrigeration cycle,

2a–c eine schematisch vergrößert dargestellte Hauptdrosselstelle in verschiedenen Betriebszuständen, 2a C shows a schematically enlarged main throttle point in different operating states,

3a + b schematische Diagramme zu den verschiedenen Betriebszuständen gemäß den 2a bis c, 3a + b schematic diagrams of the different operating states according to the 2a to c,

4 ein schematisches Diagramm, welches den Dampfgehalt im Massenstrom in Abhängigkeit zur Unterkühlung darstellt, 4 a schematic diagram showing the vapor content in the mass flow as a function of supercooling,

5a ein schematisches Zustandsdiagramm des Massenstromes in dem Betriebszustand gemäß 2a, 5a a schematic state diagram of the mass flow in the operating condition according to 2a .

5b ein schematisches Zustandsdiagramm der Massenströme von der Hauptdrosselstelle und von zumindest einem Begrenzungselement, 5b 3 is a schematic state diagram of the mass flows from the main throttle point and at least one delimiting element,

5c ein schematisches Zustandsdiagramm des resultierenden Massenstromes durch das erfindungsgemäße Expansionsventil, 5c a schematic state diagram of the resulting mass flow through the expansion valve according to the invention,

6 eine schematisch vergrößerte Darstellung eines erfindungsgemäßen Expansionsventils mit einer Hauptdrosselstelle und einem Begrenzungselement, 6 1 is a schematic enlarged view of an expansion valve according to the invention with a main throttle and a limiting element,

7 eine schematisch vergrößerte Darstellung einer alternativen Ausführungsform zu 6 und 7 a schematic enlarged view of an alternative embodiment to 6 and

8 ein schematisches Diagramm für ein thermostatisches Expansionsventil mit mehreren Begrenzungselementen. 8th a schematic diagram of a thermostatic expansion valve with a plurality of limiting elements.

In 1 ist beispielsweise ein thermostatisches Expansionsventil 11 dargestellt. Dieses Expansionsventil 11 umfasst ein Gehäuse 12 mit einer Zuführöffnung 14 und einer Abführöffnung 15, welche durch eine Durchtrittsöffnung 16 miteinander verbunden sind. In dem Gehäuse 12 ist eine weitere Zuführöffnung 17 und Abführöffnung 18 vorgesehen, die durch einen Kühlmittelkanal 19 miteinander verbunden sind. An die Zuführöffnung 14 ist eine Austrittsseite eines Verflüssigers 21 angeschlossen, dessen Eintrittsseite mit einer Austrittsseite eines Kompressors 22 verbunden ist. Die Eintrittsseite des Kompressors 22 steht mit einer Austrittsseite eines Verdampfers 23 in Verbindung.In 1 is for example a thermostatic expansion valve 11 shown. This expansion valve 11 includes a housing 12 with a feed opening 14 and a discharge opening 15 , which pass through an opening 16 connected to each other. In the case 12 is another feed opening 17 and discharge opening 18 provided by a coolant channel 19 connected to each other. To the feed opening 14 is an outlet side of a condenser 21 connected, the inlet side with an outlet side of a compressor 22 connected is. The inlet side of the compressor 22 stands with an exit side of an evaporator 23 in connection.

Zwischen dem Verflüssiger 21 und der Zuführöffnung 14 kann auch ein Zusatzkühler 20 oder ein innerer Wärmetauscher vorgesehen sein. Alternativ kann auch ein stark unterkühlender Kondensator bzw. Verflüssiger 21 im Kältemittelkreislauf integriert werden.Between the condenser 21 and the feed opening 14 can also be an auxiliary cooler 20 or an internal heat exchanger may be provided. Alternatively, a strong supercooling condenser or condenser 21 be integrated in the refrigerant circuit.

Das Gehäuse 12 des Expansionsventils 11 weist eine Reguliervorrichtung 24 auf, die gemäß dem Ausführungsbeispiel als Einschraubpatrone vorgesehen ist. Des Weiteren kann diese Reguliervorrichtung 24 auch als separates Bauteil an dem Gehäuse 12 vorgesehen sein. Ebenso kann die Reguliervorrichtung 24 zusätzlich durch eine Wegerzeugungseinrichtung und ein Abschaltventil oder Servoventil betätigbar sein. Die Reguliervorrichtung 24 umfasst ein Ventilelement 25, welches in einer Schließposition einen Ventilsitz 26 der Durchtrittsöffnung 16 schließt. Die Reguliervorrichtung 24 kann zusätzlich ein Dämpfungselement 28 umfassen.The housing 12 of the expansion valve 11 has a regulating device 24 on, which is provided according to the embodiment as Einschraubpatrone. Furthermore, this regulating device 24 also as a separate component on the housing 12 be provided. Likewise, the regulating device 24 additionally be operable by a path generating device and a shut-off valve or servo valve. The regulating device 24 comprises a valve element 25 which in a closed position a valve seat 26 the passage opening 16 closes. The regulating device 24 Can additionally a damping element 28 include.

Das Ventilelement 25 und Durchtrittsöffnung 16 bilden eine Hauptdrosselstelle. Zur Überhitzungsregelung des Kältekreislaufes durch die Hauptdrosselstelle beziehungsweise zur Betätigung des Ventilelementes 25 ist eine Betätigungseinrichtung 31, beispielsweise in Form eines Thermokopfes, vorgesehen, welche über einen Übertragungsstift 32 auf das Ventilelement 25 einwirkt und die Durchtrittsöffnung 16 öffnet und schließt. Die Betätigungseinrichtung 31 umfasst eine Kammer 33 zur Aufnahme einer temperatursensitiven Steuerfüllung, insbesondere einem Gas. In Abhängigkeit ihrer Temperatur wirkt die Steuerfüllung auf eine Membran 34, deren Bewegung über den Übertragungsstift 32 auf das Ventilelement 35 übertragen wird.The valve element 25 and passage opening 16 make up a main throttle. For overheating control of the refrigeration cycle through the main throttle or for actuating the valve element 25 is an actuator 31 , For example, in the form of a thermal head, provided which via a transmission pin 32 on the valve element 25 acts and the passage opening 16 opens and closes. The actuating device 31 includes a chamber 33 for receiving a temperature-sensitive control charge, in particular a gas. Depending on its temperature, the control filling acts on a membrane 34 , whose movement over the transmission pin 32 on the valve element 35 is transmitted.

Parallel und vorzugsweise benachbart zur Durchtrittsöffnung 16 des Expansionsventils 11 ist in einem Gehäuseabschnitt 40, der einen Hochdruckraum von einem Niederdruckraum trennt, eine Bypassbohrung 41 vorgesehen, welche die Zuführöffnung 14 mit der Abführöffnung 15 verbindet. Diese Bypassbohrung 41 ist durch ein Begrenzungselement 45 ansteuerbar. Dieses Begrenzungselement 45 umfasst ein Stellglied 43, durch welches das Ventilschließglied 42 ansteuerbar ist. Das Ventilschließglied 42 wird durch das Stellglied 43 in einer geöffneten Grundposition gehalten. Die Funktion des zumindest einen Begrenzungselementes 45 zur Unterkühlungsregelung in Abhängigkeit des Dampfgehaltes im Massenstrom an der Hauptdrosselstelle wird nachfolgend erläutert.Parallel and preferably adjacent to the passage opening 16 of the expansion valve 11 is in a housing section 40 separating a high pressure chamber from a low pressure chamber, a bypass bore 41 provided, which the feed opening 14 with the discharge opening 15 combines. This bypass hole 41 is by a limiting element 45 controllable. This limiting element 45 includes an actuator 43 through which the valve closing member 42 is controllable. The valve closure member 42 is through the actuator 43 held in an open basic position. The function of the at least one limiting element 45 for supercooling control as a function of the steam content in the mass flow at the main throttle point will be explained below.

Die 2a bis c zeigen schematisch vergrößert die Hauptdrosselstelle beziehungsweise die Durchtrittsöffnung 16, wobei das Ventilelement 25 aufgrund dessen Betätigung über den Übertragungsstift 32, der die Durchtrittsöffnung 16 durchquert, vom Ventilsitz 26 abgehoben ist. Die 2a zeigt einen Normalzustand des Massenstromes in einem Ringspalt 48 der Durchtrittsöffnung 16, der sich aus der verbleibenden Frei fläche zwischen dem in der Durchtrittsöffnung 16 angeordneten Übertragungsstift 32 ergibt. Im Normalbetrieb des Kältekreislaufes umfasst der Massenstrom in diesem Ringspalt 48 einen hohen Dampfgehalt, der beispielsweise größer als 15 oder 20 % des gesamten Massenstromes ist. Bei einem längeren Betrieb bei sehr hohen Unterkühlungswerten, d.h. bei tiefer Eintrittstemperatur in die Hauptdrosselstelle baut sich dieser Dampfgehalt in der Durchtrittsöffnung 16 ab, das heißt, der Dampfanteil in dem Massenstrom wandert aus der Durchtrittsöffnung 16 hinaus. Ein solcher Betriebszustand ist in 2b dargestellt. Sobald der Dampfgehalt unter einen kritischen Wert gelangt, ist in der Durchtrittsöffnung 16 ein nur geringer oder quasi kein Dampfgehalt mehr vorhanden und ein flüssiger Massenstrom tritt vollständig durch die Durchtrittsöffnung 16 hindurch, wie in 2c dargestellt ist.The 2a to c show schematically enlarged the main throttle or the passage opening 16 , wherein the valve element 25 due to its actuation via the transmission pin 32 that the passage opening 16 crosses, from the valve seat 26 is lifted off. The 2a shows a normal state of the mass flow in an annular gap 48 the passage opening 16 , the surface of the remaining free between that in the passage opening 16 arranged transmission pin 32 results. In normal operation of the refrigeration cycle, the mass flow in this annular gap comprises 48 a high vapor content, for example, greater than 15 or 20% of the total mass flow. For a longer operation at very high supercooling, ie at low inlet temperature in the main throttle this vapor builds up in the passage opening 16 from, that is, the vapor content in the mass flow migrates out of the passage opening 16 out. Such an operating state is in 2 B shown. Once the vapor content reaches below a critical value, is in the passage opening 16 a little or virtually no vapor content is present and a liquid mass flow completely passes through the passage opening 16 through, as in 2c is shown.

Aus diesen Betriebsphasen ergibt sich für den Dampfgehalt relativ zum effektiv wirksamen Durchflussquerschnitt an der Hauptdrosselstelle eine Kennlinie 49, welche gemäß 3a dargestellt ist. Diese Kennlinie 49 ist unmittelbar den Betriebszuständen gemäß den darüber dargestellten 2a bis c zuzuordnen. Bei einem hohen Dampfgehalt, wie dies bei 2a der Fall ist, ist der effektiv wirksame Querschnitt für den Massenstrom gering. Sobald ein kritischer Dampfgehalt beziehungsweise ein kritischer Wert 52 unterschritten wird, steigt der effektiv wirksame Querschnitt in der Durchtrittsöffnung 16 für den Massenstrom an. In gleichem Maße reduziert sich der Dampfgehalt im Massenstrom. Dies ist beim Übergang des Betriebszustandes aus 2b auf 2c durch die ansteigende Kennlinie links des kritischen Wertes 52 in 3a dargestellt.From these operating phases results for the vapor content relative to the effective effective flow cross-section at the main throttle point a characteristic 49 which according to 3a is shown. This characteristic 49 is directly the operating conditions according to the above 2a assign to c. At a high steam content, like this 2a the case is, the effective effective cross section for the mass flow is low. Once a critical steam content or a critical value 52 is exceeded, increases the effective effective cross section in the passage opening 16 for the mass flow. To the same extent reduces the vapor content in the mass flow. This is at the transition of the operating state 2 B on 2c by the increasing characteristic left of the critical value 52 in 3a shown.

In 3b ist der prozentuale Anteil des Dampfgehaltes über den Massenstrom durch die Kennlinie 50 dargestellt, der aus 3a abgeleitet ist. Diese Kennlinie 50 stimmt qualitativ mit der Kennlinie 49 gemäß 3a überein.In 3b is the percentage of steam content over the mass flow through the characteristic 50 shown that out 3a is derived. This characteristic 50 is qualitatively consistent with the characteristic 49 according to 3a match.

In 4 ist ein schematisches Diagramm für den prozentualen Anteil des Dampfgehaltes in Abhängigkeit zur Unterkühlung des Massenstromes für einen konstant vordefinierten Hochdruck durch die Kennlinie 51 dargestellt. Diese Kennlinie ist z.B. im Fall von R134a als Kältemittel linear. Somit kann jedem beliebigen, als kritisch definierten Dampfgehalt ein kritischer Unterkühlungswert bei konstantem vordefinierten Hochdruck zugeordnet werden.In 4 is a schematic diagram of the percentage of vapor content versus subcooling of the mass flow for a constant predefined high pressure through the characteristic 51 shown. This characteristic is linear in the case of R134a as a refrigerant, for example. Thus, any, as critically defined vapor content, a critical supercooling value can be assigned at a constant predefined high pressure.

Unter Unterkühlung wird die Temperaturdifferenz des Kältemittels zwischen der am Ventileingang des Expansionsventils 11 anliegenden Temperatur und der Temperatur des Sättigungsdruckes des Kältemittels auf der Hochdruckseite verstanden.Under subcooling, the temperature difference of the refrigerant between the at the valve inlet of the expansion valve 11 adjacent temperature and the temperature of the saturation pressure of the refrigerant on the high pressure side understood.

In 5a ist der für den Massenstrom effektiv wirksame Öffnungsquerschnitt durch die Kennlinie 51 der Durchtrittsöffnung 16 in Abhängigkeit der Unterkühlung aufgetragen. Diese Kennlinie 51 entspricht den Betriebszuständen gemäß den 2a bis c. Sobald ein kritischer Wert 52 der Unterkühlung überschritten wurde, nimmt der Massenstrom sprunghaft zu, das heißt, diese Zunahme entspricht dem Übergang von dem Betriebszustand gemäß 2b nach 2c.In 5a is the effective effective for the mass flow opening cross section through the characteristic 51 the passage opening 16 applied as a function of subcooling. This characteristic 51 corresponds to the operating conditions according to 2a to c. As soon as a critical value 52 of the subcooling has been exceeded, the mass flow increases abruptly, that is to say this increase corresponds to the transition from the operating state according to FIG 2 B to 2c ,

Ausgehend hiervon wird nun in den 5b und c die Funktionsweise des erfindungsgemäßen thermostatischen Expansionsventils 11 mit zumindest einem Begrenzungselement 45 zur Überhitzungsregelung eines unterkritischen betreibbaren Kältemittelkreislaufes dargelegt. Die Überhitzung des Kältekreislaufes wird durch die überhitzte Temperatur des Kältemittels im Vergleich zur Sättigungstemperatur des Kältemittels bei einem bestimmten Druck definiert. Das Ventilelement 25 wird zur Steuerung des Kältekreislaufes, also Überhitzungsregelung, durch die Betätigungseinrichtung 31 angesteuert, wobei ein verhältnismäßig geringerer Volumenstromanteil freigegeben ist, wie qualitativ durch die Kennlinie 53' in 5b im Vergleich zu 5a dargestellt ist. Das zumindest eine parallel zum Ventilelement 25 angeordnete Begrenzungselement 45 ist in seiner Grundposition, bei kleinen Unterkühlungswerten, geöffnet. Die Bypassbohrung 41 ist somit vollständig freigegeben. Daraus ergibt sich die Kennlinie 54 links vom kritischen Wert 52. Der effektiv wirksame Öffnungsquerschnitt ergibt sich aus dem geometrischen Öffnungsquerschnitt der Bypassbohrung beziehungsweise Bypassbohrungen und der Hauptdrosselstelle in Abhängigkeit des Dampfgehaltes. Im Normalbe trieb der Kälteanlage sind die Verhältnisse der Massenstromanteile so eingestellt, dass der Massenstrom durch die zumindest eine Bypassbohrung 41 größer als durch die Hauptdrosselstelle ist. Sobald ein Übergang des Betriebszustandes gemäß 2b nach 2c erfolgt, das heißt, bei Überschreitung des kritischen, für jeden Kältemittelkreislauf bestimmbaren und einstellbaren Unterkühlungswertes 52, wird das zumindest eine Begrenzungselement 45 geschlossen. Der Massenstrom durch die Bypassbohrung 41 nimmt kontinuierlich ab und wird Null. Gleichzeitig erfolgt ein sprunghafter Anstieg des Massenstromes an der Durchtrittsöffnung 16 gemäß der Kennlinie 53' in 5b. Aufgrund der Überlagerung der effektiv wirksamen Öffnungsquerschnitte des zumindest einen Begrenzungselementes 45 und der Hauptdrosselstelle erfolgt eine resultierende Kennlinie 56 gemäß 5c mit einem nahezu konstanten effektiv wirksamen Öffnungsquerschnitt für den Massenstrom, so dass eine Überflutung des Verdampfers verhindert wird.Starting from this is now in the 5b and c the operation of the thermostatic expansion valve according to the invention 11 with at least one limiting element 45 for the superheat control of a subcritical operable refrigerant circuit. The overheating of the refrigeration cycle is defined by the superheated temperature of the refrigerant compared to the saturation temperature of the refrigerant at a certain pressure. The valve element 25 is used to control the refrigeration cycle, so overheating control, by the actuator 31 controlled, with a relatively lower volume flow rate is released, as qualitatively by the characteristic 53 ' in 5b compared to 5a is shown. The at least one parallel to the valve element 25 arranged limiting element 45 is open in its basic position, with small subcooling values. The bypass bore 41 is thus completely released. This results in the characteristic curve 54 to the left of the critical value 52 , The effectively effective opening cross section results from the geometric opening cross section of the bypass bore or bypass boreholes and the main throttle point as a function of the steam content. In normal operation of the refrigeration system, the ratios of the mass flow components are adjusted so that the mass flow through the at least one bypass bore 41 greater than through the main throttle. As soon as a transition of the operating state according to 2 B to 2c takes place, that is, when exceeding the critical, for each refrigerant circuit determinable and adjustable supercooling value 52 , this becomes at least a limiting element 45 closed. The mass flow through the bypass bore 41 decreases continuously and becomes zero. At the same time there is a sudden increase in the mass flow at the passage opening 16 according to the characteristic 53 ' in 5b , Due to the superposition of the effective effective opening cross sections of the at least one limiting element 45 and the main throttle point is a resulting characteristic 56 according to 5c with a nearly constant effectively effective opening cross section for the mass flow, so that flooding of the evaporator is prevented.

Zur Erzielung der in 5c dargestellten Wirkung weist das thermostatische Expansionsventil 11 gemäß einer ersten Ausführungsform in 6 ein Begrenzungselement 45 auf, welches zumindest ein tellerfederförmiges Bi-Metallelement als thermisch ansteuerbares Stellglied 43 umfasst. Bevorzugt sind mehrere Bi-Metallelemente übereinander angeordnet. Diesem Stellglied 43 gegenüberliegend greift ein Kraftspeicherelement 55 an dem Ventilschließglied 42 an. Das Stellglied 43 und das Kraftspeicherelement 55 sind derart aufeinander abgestimmt, dass im normalen Betriebszustand des Kältemittelkreislaufes das Ventilschließglied 42 von der Bypassbohrung 41 abgehoben ist. Sobald der kritische Unterkühlungswert überschritten wird, reduziert sich die Kraft des tellerfederförmigen Bi-Metallelementes, so dass eine Schließbewegung eingeleitet wird.To achieve the in 5c The effect shown has the thermostatic expansion valve 11 according to a first embodiment in 6 a boundary element 45 on, which is at least one plate spring-shaped bi-metal element as a thermally actuable actuator 43 includes. Preferably, a plurality of bi-metal elements are arranged one above the other. This actuator 43 opposite engages a force storage element 55 on the valve closing member 42 at. The actuator 43 and the force storage element 55 are matched to one another such that in the normal operating state of the refrigerant circuit, the valve closing member 42 from the bypass hole 41 is lifted off. As soon as the critical subcooling value is exceeded, the force of the plate-spring-shaped bi-metal element is reduced, so that a closing movement is initiated.

Alternativ zu einem solchen thermisch ansteuerbaren Stellglied 43 kann anstelle der Bi-Metallelemente auch ein Kraftspeicherelement aus einer Formgedächtnislegierung vorgesehen sein. Die Anordnung und Funktion ist analog.Alternatively to such a thermally actuable actuator 43 it is also possible to provide a force storage element made of a shape memory alloy instead of the bi-metal elements. The arrangement and function is analog.

Eine weitere alternative Ausführungsform zu 7 sieht vor, dass anstelle einem thermisch ansteuerbaren Stellglied 43 ein temperatur- und druckabhängiges Stellglied 43 vorgesehen ist. Beispielsweise ist eine membran- oder balgförmige Kammer ausgebildet, welche mit einer Steuerfüllung versehen ist. Es kann sowohl eine Flüssigkeit, beispielsweise ein Kältemittel, Wachs oder Alkohol, als auch eine zumindest teilweise gasförmige Füllung sein.Another alternative embodiment too 7 provides that instead of a thermally actuable actuator 43 a temperature and pressure dependent actuator 43 is provided. For example, a membrane- or bellows-shaped chamber is formed, which is provided with a control filling. It may be both a liquid, for example a refrigerant, wax or alcohol, as well as an at least partially gaseous filling.

In 8 ist ein schematisches Diagramm für eine weitere alternative Ausgestaltung eines thermostatischen Expansionsventils 11 dargestellt. Bei diesem Diagramm ist wiederum der effektiv wirksame Öffnungsquerschnitt für den Massenstrom zwischen der Zuführöffnung 14 und Abführöffnung 15 über der Unterkühlung aufgetragen. Bei diesem thermostatischen Expansionsventil 15 sind beispielsweise drei Begrenzungselemente 45 vorgesehen, welche jeweils auf unterschiedliche Unterkühlungstemperaturen ansprechen, so dass nach und nach eine Verringerung des effektiv wirksamen Öffnungsquerschnittes zwischen der Zuführöffnung 14 und der Abführöffnung 15 erfolgt. Alternativ kann auch ein konstanter Abfall mit einem ansteuerbaren Drosselkörper vorgesehen sein, wie dies durch die Kennlinie 59 dargestellt ist.In 8th FIG. 12 is a schematic diagram of another alternative embodiment of a thermostatic expansion valve. FIG 11 shown. In this diagram, in turn, the effective effective opening cross-section for the mass flow between the feed opening 14 and discharge opening 15 applied over the subcooling. In this thermostatic expansion valve 15 For example, there are three boundary elements 45 provided, which in each case respond to different subcooling temperatures, so that gradually a reduction of the effective effective opening cross section between the feed opening 14 and the discharge opening 15 he follows. Alternatively, a constant drop with a controllable throttle body may be provided, as by the characteristic 59 is shown.

Für alle Ausführungsformen gilt, dass der maximal mögliche Strömungsquerschnitt des Massenstromes an dem von der Kälteanlage maximal geforderten Massenstrom bei den entsprechenden Kältemittelanlagenrandbedingungen angepasst werden muss, so dass keine Leistungseinbußen bei hoher Kälteleistungsanforderung registriert werden. Sobald das zumindest thermisch gesteuerte Begrenzungselement 45 außer Funktion gesetzt ist, gibt die Hauptdrosselstelle nur so viel effektiven Strömungsquerschnitt frei, wie für den vorhandenen Betriebsfall notwendig ist, um einen hinreichend großen Massenstrom bereitzustellen, so dass der Verdampfer 23 weder zu stark überhitzt noch überflutet wird, das heißt, dass immer ein definiertes Überhitzungssignal ausgegeben werden kann.For all embodiments, the maximum possible flow cross-section of the mass flow at the maximum required by the refrigeration system mass flow must be adjusted at the corresponding refrigerant plant boundary conditions, so that no performance losses are registered at high cooling capacity requirement. Once the at least thermally controlled limiting element 45 is disabled, the main throttle only gives as much effective flow area, as is necessary for the existing operating case, to provide a sufficiently large mass flow, so that the evaporator 23 is neither overheated nor flooded, that is, that always a defined overheating signal can be output.

Alle vorbeschriebenen Merkmale sind jeweils für sich erfindungswesentlich und können beliebig miteinander kombiniert werden.All above-described features are essential to the invention in each case and can be combined with each other as desired.

Claims

Thermostatic expansion valve for overheating control of a high pressure of an at least subcritically operable refrigeration cycle, with a valve housing ( 12 ), in which the input side, a high pressure in a feed opening ( 14 ) and on the output side a low pressure in a discharge opening ( 15 ) is applied, with a valve element ( 25 ), which has a valve seat ( 26 ) a passage opening ( 16 ) located between the feed opening ( 14 ) and the discharge opening ( 15 ) and closes and flows through the refrigerant with an actuating device ( 31 ) is controllable, characterized in that at least one bypass bore ( 41 ), which the feed opening ( 14 ) with the discharge opening ( 15 ), with a boundary element ( 45 ) is controllable, wherein the limiting element ( 45 ) in a basic position the bypass bore ( 41 ) for the mass flow to flow through and a closing movement of the limiting element ( 45 ) is controllable as soon as the limiting element ( 45 ) an increase in a subcooling value above a predefined critical value for the subcritical refrigerant circuit increases in the mass flow.

Apparatus according to claim 1, characterized in that the at least one limiting element ( 45 ) is arranged on the high pressure side.

Thermostatic expansion valve according to claim 1 or 2, characterized in that the cross-sectional area of the at least one bypass bore ( 41 ) equal to or smaller than the cross-sectional area of the passage opening ( 16 ) are formed.

Thermostatic expansion valve according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one bypass bore ( 41 ) through the respective bypass bore ( 41 ) associated boundary element ( 45 ) is completely closed as soon as the subcooling in front of the main throttle exceeds a defined and adjustable value.

Thermostatic expansion valve according to one of the preceding claims, characterized in that the limiting element ( 45 ) a thermally actuable actuator ( 43 ), which comprises at least one plate-spring-shaped bi-metal element.

Thermostatic expansion valve according to one of claims 1 to 4, characterized in that the limiting element ( 45 ) at least one thermally actuable actuator ( 43 ), which at least one formed from a shape memory alloy energy storage element to summarizes.

Thermostatic expansion valve according to one of claims 1 to 4, characterized in that the limiting element ( 45 ) an actuator ( 43 ), which can be controlled by temperature and pressure.

Thermostatic expansion valve according to claim 7, characterized in that the actuator ( 43 ) has a membrane- or bellows-shaped chamber, which is filled with a control filling, in particular a liquid.

Thermostatic expansion valve according to claim 7, characterized in that the actuator ( 43 ) of the delimiting element ( 45 ) has a membrane or bellows-shaped element which is filled with a biphasic mixture whose filling density is below its critical density.

Thermostatic expansion valve according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of limiting elements ( 45 ) whose respective actuators ( 43 ) have a different operating point for the beginning of a closing movement.