DE102008051172B4

DE102008051172B4 - Verfahren zur Regelung eines Massenstromes mit einem Expansionsventil und Expansionsventil

Info

Publication number: DE102008051172B4
Application number: DE102008051172A
Authority: DE
Inventors: Joan Aguilar; Rainer Maurer; Christian Blauth; Jean-Jacques Robin; Matthäus Wollfarth
Original assignee: Otto Egelhof GmbH and Co KG
Current assignee: Otto Egelhof GmbH and Co KG
Priority date: 2008-10-14
Filing date: 2008-10-14
Publication date: 2013-02-21
Anticipated expiration: 2028-10-15
Also published as: WO2010043299A1; DE102008051172A1

Abstract

Verfahren zur Regelung eines Massenstromes eines Kälte- oder Wärmekreislaufes, mit einem Expansionsventil (15), welches ein Ventilgehäuse (23) mit einer Zuführöffnung (20) und einer Abführöffnung (22) aufweist, mit einem Ventilschließglied (32), welches einen Ventilsitz (34) einer Durchgangsbohrung (33), die zwischen der einen Zuführöffnung (20) und Abführöffnung (22) angeordnet ist, schließt und einer an dem Ventilschließglied (32) angreifenden Rückstelleinrichtung (37), wobei eine Öffnungskraft auf das Ventilschließglied (32) aus einer Druckdifferenz zwischen einem Hochdruck vor dem Ventilschließglied (32) und einem Niederdruck nach dem Ventilschließglied (32) resultiert und das Ventilschließglied in Öffnungsrichtung bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine temperatur- und druckabhängige Regeleinrichtung (28) mit dem Ventilschließglied (32) gekoppelt und in einer Startphase des Kälte- oder Wärmekreislaufes eine Öffnungsbewegung in Strömungsrichtung von der Zuführöffnung (20) zur Abführöffnung (22) durch die Regeleinrichtung (28) auf das Ventilschließglied (32) zur Regelung des Massenstromes solange übertragen wird, bis zumindest der auf die Regeleinrichtung (28) wirkende Hochdruck größer als der...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Massenstromes in einem Kälte- beziehungsweise Wärmekreislauf, insbesondere einer mit CO₂ als Kältemittel betriebenen Fahrzeugklimaanlage, sowie ein Expansionsventil.
Aus der DE 10 2004 010 997 A1 ist ein Expansionsventil sowie ein Verfahren zu dessen Steuerung bekannt geworden, welches ein Ventilgehäuse mit einer Zuführöffnung und einer Abführöffnung aufweist. In einer dazwischen liegenden Durchgangsöffnung ist ein Ventilschließglied vorgesehen, welches einen Ventilsitz der Durchgangsöffnung schließt. An dem Ventilschließglied greift eine Rückstelleinrichtung an, welche das Ventilschließglied in Richtung auf den Ventilsitz zubewegt. Eine Öffnungskraft des Ventilschließgliedes resultiert aus eine Druckdifferenz zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite am Ventilschließglied.
Aus der DE 10 2006 057 132 B4 ist ein thermostatisches Expansionsventil zur Regelung eines Hochdrucks eines sowohl transkritisch als auch unterkritisch betreibbaren Kälte- beziehungsweise Pumpenkreislaufs bekannt, welches ein Ventilgehäuse umfasst, bei dem eingangsseitig ein Hochdruck und ausgangsseitig ein Niederdruck anliegt. Ein Ventilelement öffnet und schließt einen Ventilsitz einer Durchgangsöffnung, die zwischen einer Zu- und Abführöffnung angeordnet ist. Diesem Ventilschließglied ist ein erstes Stellglied zugeordnet, welches eine Steuerfüllung enthält. Dieses erste Stellglied ist temperatur- und hochdruckabhängig ansteuerbar, wobei die Steuerfüllung des ersten Stellgliedes eine Fülldichte aufweist, die unmittelbar unterhalb der kritischen Dichte der Steuerfüllung liegt. Ergänzend ist ein zweites Stellglied mit dem ersten Stellglied bewegungsgekoppelt, wobei das zweite Stellglied temperaturabhängig und hochdruckabhängig ansteuerbar ist.
Aufgrund von unterschiedlichen Betriebsbedingungen und Anforderungen ist es erforderlich, die Funktionsweise solcher Expansionsventile und insbesondere das Ansprechverhalten der Expansionsventile zu verbessern.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regelung eines Massenstromes in einem Kälte- beziehungsweise Wärmekreislauf, insbesondere einer mit CO₂ als Kältemittel betriebenen Fahrzeugklimaanlage, mit einem Expansionsventil zu verbessern, sowie ein Expansionsventil zu schaffen, wodurch ermöglicht ist, dass bereits in einer Startphase des Kälte- beziehungsweise Wärmekreislaufes eine optimale Kühlleistung sowie ein verbessertes Ansprechverhalten des Expansionsventils erfolgt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, bei dem eine temperatur- und druckabhängige Regeleinrichtung mit dem Ventilschließglied des Expansionsventils gekoppelt und in einer Startphase des Kälte- beziehungsweise Wärmekreislaufes eine Öffnungsbewegung in Strömungsrichtung von der Zuführöffnung zur Abführöffnung durch die Regeleinrichtung auf das Ventilschließglied zur Regelung des Massenstromes solange übertragen wird, bis zumindest der auf die Regeleinrichtung wirkende Hochdruck größer als der Innendruck der Regeleinrichtung wird.
Dadurch wird das Ansprechverhalten des Expansionsventils zur Regelung des Massenstromes, insbesondere in der Startphase, verbessert. Durch eine solche Ansteuerung des Ventilschließgliedes mit einer Regeleinrichtung wird bereits in der Startphase beim Betrieb des Kälte- beziehungsweise Wärmekreislaufs, in der eine sehr geringe Druckdifferenz zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite vorliegt, ein erhöhter Durchsatz des Massenstromes erzielt, obwohl die Druckdifferenz zur Ansteuerung des Expansionsventils noch nicht aufgebaut ist und ein Öffnen der Durchgangsbohrung nicht oder nur in einem zu geringen Maß angesteuert wird. Dadurch wird gleichzeitig ein zu schneller Aufbau des Hochdrucks auf der Hochdruckseite verhindert. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird somit das Ansprechverhalten des Kälte- beziehungsweise Wärmekreislaufes in der Startphase verbessert, indem das Ventilschließglied bereits in einer Startphase zum Öffnen an der Expansionsstelle durch die Regeleinrichtung gezwungen wird, obwohl der Arbeitsdifferenzdruck beziehungsweise der Bereich der Druckdifferenz zur Ansteuerung des Expansionsventils noch nicht aufgebaut ist beziehungsweise sich eingestellt hat. Sobald in dem Kälte- beziehungsweise Wärmekreislauf sich ein ausreichender Differenzdruck im Arbeitsbereich des Expansionsventils eingestellt hat, kann das Ventilschließglied unabhängig von der Regeleinrichtung anschließend aufgrund des Differenzdruckes vor und nach der Expansionsstelle angesteuert werden. Die Regeleinrichtung wird hierzu zumindest durch den Hochdruck von dem Ventilschließglied entkoppelt.
Die Steuerfüllung der Regeleinrichtung weist bevorzugt eine Fülldichte auf, die unterhalb ihrer kritischen Dichte 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). Dadurch wird ermöglicht, dass die Regeleinrichtung im Wesentlichen aufgrund der Druckdifferenz vor und nach der Expansionsstelle ansteuerbar ist, ohne dass die Regeleinrichtung die Druckdifferenzregelung beeinträchtigt.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Regeleinrichtung als Membranelement oder Balg ausgebildet und mit einem Gas-MOP-Füllmedium. gefüllt wird. Dadurch wird die Umgebungstemperatur beziehungsweise Starttemperatur als Eingangsgröße zur Ansteuerung des Ventilschließglieds durch die Regeleinrichtung berücksichtigt und eine Zwangsöffnung der Durchgangsbohrung einstellbar.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die balg- oder membranartige Regeleinrichtung mit einem Kältemittel, vorzugsweise CO₂ gefüllt wird. Dadurch können die gewünschten Innendrücke in einfacher Weise eingestellt werden. Darüber hinaus kann dadurch eine exakte temperaturabhängige Steuerung der Hubbewegung eingestellt werden.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der auf das Ventilschließglied wirkende Öffnungshub der Regeleinrichtung einen mechanischen Anschlag begrenzt wird. Dies weist den Vorteil auf, dass ab einer bestimmten Druckdifferenz und/oder einem auf der Hochdruckseite auf die Regeleinrichtung wirkenden Hochdruck eine Hubbegrenzung ermöglicht wird, so dass das Ventilschließglied unabhängig von der Regeleinrichtung arbeitet und die Expansion des Massenstromes ermöglicht.
Die Erfindung wird des Weiteren durch eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Dabei ist vorgesehen, dass das Expansionsventil mit einer druck- und temperaturabhängigen Regeleinrichtung gekoppelt ist, die in Öffnungsrichtung des Ventilschließgliedes solange einwirkt, bis eine Hubbewegung des Ventilschließgliedes, welche in Strömungsrichtung von der Zuführöffnung zur Abführöffnung erfolgt, aufgrund der Druckdifferenz zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite ansteuerbar ist. Durch die Anordnung der Regeleinrichtung zum Ventilschließglied, die zumindest in einer Startphase des Kälte- beziehungsweise Wärmekreislaufes im Expansionsventil miteinander gekoppelt sind und in einer Betriebsphase voneinander entkoppelt sind, wird ermöglicht, dass in einer Anfangsphase oder Startphase des Kälte- beziehungsweise Wärmekreislaufes ein schnelleres Ansprechen des Expansionsventils erzielt wird. Dadurch wird auch der Kälte- beziehungsweise Wärmekreislauf innerhalb einer kürzeren Zeitdauer in einen optimalen Regelbereich oder in eine optimale Betriebsphase übergeführt. Insbesondere bei hohen Startdrücken des Kreislaufes und hohen Umgebungstemperaturen beziehungsweise Starttemperaturen wird durch die überlagerte Ansteuerung des Ventilschließgliedes durch die Regeleinrichtung ein vorzeitig erhöhter Massenstrom erzielt, der insbesondere eine langsame Zunahme des Hochdrucks bewirkt, um die für das Ventilschließglied mindestens erforderliche Arbeitsdruckdifferenz durch Absenkung des Niederdruckes aufzubauen.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des Expansionsventils sind die Regeleinrichtung und das Ventilschließglied in Reihe hintereinander in einem hochdruckseitigen Aufnahmeraum des Ventilgehäuses vorgesehen. Dadurch kann eine kompakte Anordnung und ein konstruktiv einfacher Aufbau erzielt werden. Insbesondere weist diese Hintereinanderschaltung von Ventilschließglied und Regeleinrichtung den Vorteil auf, dass zunächst die Regeleinrichtung mit dem hochdruckseitigen Massenstrom umströmt und anschließend zur Expansionsstelle geführt wird. Des Weiteren ermöglicht diese Anordnung eine patronenartige Ausgestaltung eines Expansionsventils, welches in einfacher Weise zwischen jeweils einer Anschlussstelle von zwei Rohrleitungsabschnitten des Kälte- beziehungsweise Wärmekreislaufes vorgesehen ist.
Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass die Regeleinrichtung vollständig von dem Kältemittel umströmt ist. Dadurch kann eine unmittelbare Einwirkung der Temperatur und des Druckes des Massenstromes auf die Regeleinrichtung erzielt werden, um eine direkte und genaue Ansteuerung des Ventilschließgliedes zu erreichen.
Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass die Regeleinrichtung als Balg- oder Membranelement ausgebildet ist, welches mit einem Füllmedium befüllbar ist. Durch die Anordnung eines Balges oder eines Membranelementes kann sowohl eine temperatur- als auch druckabhängige Regeleinrichtung geschaffen werden, so dass beide Parameter bei der Ansteuerung des Ventilschließgliedes Eingang finden.
Die Regeleinrichtung weist bevorzugt eine Steuerfläche auf, die lösbar zur Stirnfläche des Ventilschließgliedes angeordnet ist und vorzugsweise an dem Ventilschließglied gegenüberliegend angreift. Dadurch kann eine zwangsweise Führung des Ventilschließgliedes bei einer Hubbewegung der Regeleinrichtung erfolgen. Sofern ein hinreichender Hochdruck an der Steuerfläche der Regeleinrichtung anliegt, wird die Regeleinrichtung auf einen Hub beschränkt, so dass die Stirnfläche des Ventilschließgliedes von der Steuerfläche abhebt und unabhängig von der Regeleinrichtung in Abhängigkeit der herrschenden Druckdifferenz arbeiten kann.
Die Steuerfläche der Regeleinrichtung ist bevorzugt an einem Balgboden oder einem Membranboden des Membranelementes vorgesehen. Dadurch kann ein konstruktiv einfacher Aufbau gegeben sein, indem der Boden der Regeleinrichtung gleichzeitig die Steuerfläche umfasst.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist in der als Balg- oder Membranelement ausgebildeten Regeleinrichtung ein Anschlag zur Hubbegrenzung der Steuerfläche vorgesehen. Dadurch kann wiederum sichergestellt werden, dass die Regeleinrichtung nur innerhalb vordefinierter Druck- und Temperaturbereiche eine Öffnungsbewegung auf das Ventilschließglied bewirkt und im üblichen Einsatzbereich des Druckdifferenzventils nicht an dem Ventilschließglied angreift, sondern mechanisch entkoppelt ist.
Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass die Steuerfläche der Regeleinrichtung ein Führungselement aufweist, welches relativ in Abhängigkeit der Hubbewegung der Regeleinrichtung zum Anschlag bewegbar ist und den Anschlag zur Begrenzung der Hubbewegung der Steuerfläche hintergreift. Dadurch wird eine konstruktiv einfache Anordnung und ein bauraumreduzierter Aufbau ermöglicht.
Nach einer ersten bevorzugten Ausgestaltung des Expansionsventils ist vorgesehen, dass die Rückstelleinrichtung, welche an dem Ventilschließglied angreift, als Federelement ausgebildet ist, und insbesondere als Druckfeder in Schließrichtung des Ventilschließgliedes wirkt. Bei dieser Ausgestaltung ist bevorzugt vorgesehen, dass ein Einstellelement an einem Ventilschaft des Ventilschließgliedes angreift, so dass die Druckkraft des Federelementes einstellbar ist, welches sich gegenüberliegend an einem Gehäuseabschnitt abstützt, in dem die Durchgangsbohrung und der Ventilsitz angeordnet sind.
Nach einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Rückstelleinrichtung als Federelement ausgebildet ist, welche insbesondere als Zugfeder in Schließrichtung des Ventilschließgliedes wirkt. Diese alternative Ausgestaltung ermöglicht ebenfalls eine konstruktiv einfache Ausgestaltung.
Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass die als Zugfeder ausgebildete Rückstelleinrichtung an einem Ventilschaft des Ventilschließgliedes einerseits und an einer Innenumfangsfläche des Ventilgehäuses andererseits angreift. Obwohl die Zugfeder den Aufnahmeraum durchquert, beeinflusst diese Anordnung der Rückstelleinrichtung die Funktion des Expansionsventils nicht.
Des Weiteren ist bei dieser alternativen Ausführungsform vorgesehen, dass das Ventilschließglied durch ein Führungselement axial verschiebbar zur Durchgangsbohrung gelagert ist. Dadurch kann eine zusätzliche Führung des Ventilschließgliedes zum Ventilgehäuse ermöglicht werden. Das Führungselement ist bevorzugt als Blechstanz- und/oder Biegeteilausgebildet. Diese Anordnung ermöglicht eine Durchströmung des Ventilgehäuses vom Expansionsventil ohne Strömungsumlenkungen.
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:
1 eine schematische Darstellung eines Kältekreislaufes,
2a eine schematische Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform eines Expansionsventils,
2b eine schematisch vergrößerte Ansicht der Reguliereinrichtung gemäß dem Expansionsventil in 2a
3 eine schematische Teilschnittdarstellung einer alternativen Ausführungsform des Expansionsventils gemäß 2a und
4 ein Diagramm, welches die Wirkung der Regeleinrichtung im Expansionsventil verdeutlicht.
1 zeigt einen Kälte- beziehungsweise Wärmekreislauf 11 einer Klimaanlage, welche insbesondere in Kranfahrzeugen eingesetzt wird. In einem Verdichter 12 wird ein Kältemittel, insbesondere R134a, komprimiert. Das komprimierte Kältemittel wird einem Kondensator 13 zugeführt, wobei ein Wärmeaustausch zwischen dem komprimierten Kältemittel und der Umgebung stattfindet, um das Kältemittel zu kühlen. Dem Kondensator 13 nachgeordnet kann ein Akkumulator 17 vorgesehen sein, um Kältemittel der Gasphase und der Flüssigen Phase zu trennen und gleichzeitig flüssiges Kältemittel zu sammeln. Des den Kondensator 13 beziehungsweise den Akkumulator 17 verlassende Kältemittel gelangt an einen inneren Wärmetauscher 14. Zwischen dem inneren Wärmetauscher 14 und dem Verdampfer 16 ist ein Expansionsventil 15 vorgesehen. Durch das Expansionsventil 15 wird der Massenstrom der Klimaanlage in Abhängigkeit der anstehenden Druckdifferenz geregelt. Das unter Hochdruck stehende Kältemittel wird durch das Expansionsventil 15 expandiert und gelangt niederdruckseitig zum Verdampfer 16. Aus dem Verdampfer 16 nimmt das Kältemittel Wärme aus der Umgebung auf. Von dort aus wird das Kältemittel über den inneren Wärmetauscher 14 wieder dem Verdichter 12 zugeführt.
In 2a ist eine erste Ausführungsform des Expansionsventils 15 gemäß 1 im Vollquerschnitt dargestellt. Dieses Expansionsventil 15 ist beispielsweise als patronenförmige Baueinheit ausgebildet und weist ein Ventilgehäuse 23 auf, welches bevorzugt rohrförmig ausgebildet ist.
In dem Ventilgehäuse 23 ist ein Aufnahmeraum 24 mit einer Zuführöffnung 20 und einer Abführöffnung 23 vorgesehen, die über die jeweiligen Anschlussstücke 21 mit einer vom inneren Wärmetauscher 14 kommenden Leitung und einer zum Verdampfer 16 führenden Leitung verbindbar sind. Der Zuführöffnung 20 nachgeschalten ist eine Lochplatte 26 vorgesehen. Diese Lochplatte 26 ermöglicht, dass beispielsweise daran eine Regeleinrichtung 28 in den Aufnahmeraum 24 hochdruckseitig befestigbar ist. Verdampferseitig beziehungsweise niederdruckseitig ist ein Ventilkörper 31 in den Aufnahmeraum 24 des Ventilgehäuses 23 bevorzugt einschraubbar vorgesehen und insbesondere über eine Dichtung 35 zum Ventilgehäuse 23 befestigt ist. Der Ventilkörper 31 nimmt ein Ventilschließglied 32 auf und weist eine Durchgangsbohrung 33 auf, in der das Ventilschließglied 32 vorgesehen ist und mit einem daran angeordneten Ventilsitz 34 in einer Schließposition 36 schließt. Zur Einnahme der Schließposition 36 ist eine Rückstelleinrichtung 37 vorgesehen, welche sich einerseits an dem Ventilkörper 31 abstützt und gegenüberliegend an einer Einstelleinrichtung 38, welche vorzugsweise axial verschiebbar und einstellbar an einem Ventilschaft 39 des Ventilschließgliedes 32 angeordnet ist. In dem Ventilkörper 31 sind Querbohrungen 41 vorgesehen, welche einen Durchgang zwischen dem Aufnahmeraum 24 und der Durchgangsbohrung 33 bilden, damit der Massenstrom niederdruckseitig in das Anschlussstück 21 der Ausgangsöffnung 22 am Ventilgehäuse 23 strömen kann. Eine solche Anordnung und Funktionsweise eines Expansionsventils ohne die Regeleinrichtung 28 ist aus der DE 10 2004 010 997 B3 bekannt, auf die vollumfänglich Bezug genommen wird.
Die Regeleinrichtung 28, die in 2b vergrößert dargestellt ist, ist hochdruckseitig in Reihe zum Ventilschließglied 32 angeordnet, wobei die Regeleinrichtung 28 stromauf zum Ventilschließglied 32 angeordnet ist. Bevorzugt ist die Regeleinrichtung 28 vollständig in dem Aufnahmeraum 24 integriert, so dass das Kältemittel die Regeleinrichtung 28 vollständig umströmen und vollständig auf die Regeleinrichtung 28 einwirken kann.
Bei dieser ersten Ausführungsform ist die Regeleinrichtung 28 als Balg 43, insbesondere Metallbalg, ausgebildet, welcher über ein Befestigungselement 44 an der Lochplatte 26 beziehungsweise am Ventilgehäuse 23 befestigbar ist. An dem Befestigungselement 44 ist ein Halteelement 45 vorgesehen, welches einerseits an dem Befestigungselement 45 aufsteckbar, aufpressbar oder aufschraubbar ist und andererseits entfernt dazu einen Anschlag 53 aufweist. Dem Befestigungselement 44 gegenüberliegend ist am Balg 43 eine Steuerfläche 46 ausgebildet, welche vorzugsweise am Boden 47 des Balges 43 angeordnet ist. Diese Stirnfläche 46 liegt auf einer Stirnfläche 49 des Ventilschließgliedes 32 beziehungsweise dessen Ventilschaftes 39 an. An dem Boden 47 ist bevorzugt ein Führungselement 51 vorgesehen, welches in das Innere des Balges 43 ragt. An diesem Führungselement 51 ist ein Schulter 52 ausgebildet, die an dem Anschlag 53 angreift und eine Hubbewegung des Balges 43 begrenzt. Alternativ kann diese Hubbegrenzung an dem Führungselement 51 und der daran angeordneten Hinterschneidung sowie dem Anschlag 53 auch außerhalb des Balges 43 angeordnet sein. Durch diese Anordnung kann eine maximale Hubbewegung A der Regeleinrichtung 28 eingestellt werden.
Der Balg 43 ist mit einem Gas-MOP-Füllmedium, vorzugsweise CO₂, gefüllt.
In 3 ist eine schematische Teilschnittdarstellung einer alternativen Ausführungsform eines Expansionsventils 15 zum Expansionsventil 15 gemäß 2 dargestellt. Die prinzipielle Anordnung und Funktionsweise entspricht dem Expansionsventil 15 in 2. Das in 3 dargestellte Expansionsventil 15 weicht zum einen dadurch ab, dass die Rückstelleinrichtung 37 anstelle als spiralförmige Druckfeder als spiralförmige Zugfeder ausgebildet ist. Dadurch wird das aus einer Schließposition 36 ausgelenkte Ventilschließglied 32 durch eine Zugkraft in den Ventilsitz 34 wieder zurückgeführt. Hierfür ist an dem Ventilschaft 39 eine nutenförmige Vertiefung 57 vorgesehen, in welche ein ringförmiges Element 58, insbesondere ein Sicherungsring, Federring oder dergleichen, einsetzbar ist, so dass eine erste Windung der Zugfeder an diesem Element 58 angreift. Eine innere Umfangsfläche des Ventilgehäuses 23 weist eine konische Verjüngung 59 auf, an welcher ein gegenüberliegendes Ende der Rückstelleinrichtung 37 anliegt. Durch diese Ausgestaltung ist ermöglicht, dass der Aufnahmeraum 24 unmittelbar ohne Querbohrung in eine Durchgangsbohrung 33 übergeführt werden kann. Zur Führung des Ventilschließgliedes 32 ist beispielsweise ein Führungselement 61 vorgesehen. Hierbei kann es sich um einen blechförmigen Federhalter oder dergleichen handeln. Alternativ kann auch ein Führungselement 61 in Form einer ringförmigen Scheibe eingesetzt werden, welche am Außenumfang Abflachungen oder einen Kranz von Durchgangsbohrungen aufweist, um ein Durchströmen des Massenstromes zu ermöglichen.
Die Ausführungsform gemäß 3 weicht im Hinblick auf die Ausgestaltung der Regeleinrichtung 28 des Weiteren von der Ausführungsform in 2 ab. Bei dieser Ausführungsform umfasst das Führungselement 51 ein Schulter 52, welche durch ein Verstemmen beziehungsweise Verschrauben eines Endes geschaffen wird, so dass dieser Schulter 52 an einem Anschlag 53 anliegt und diesen hintergreift. Damit eine Zugänglichkeit zum Verstemmen des Schulters 52 gegeben ist, wird der Anschlag 53, der auch ein Balgende aufnimmt, auf dem Befestigungselement 44 bevorzugt durch eine Schraubverbindung befestigt.
Eine Steuerfläche 46 am Balg 43 ist bei dieser Ausführungsform beispielsweise als U-förmige Vertiefung ausgebildet, in welche eine Stirnfläche 49, die an einem Zapfen des Ventilschaftes 39 angeformt ist, eingreifen kann. Diese Anordnung weist des Weiteren den Vorteil auf, dass eine Hubbewegung des Balges 43 sicher auf das Ventilschließglied 32 übertragen werden kann. Alternativ kann auch eine ebene Steuerfläche 46 plan an der Stirnfläche 49 des Ventilschließgliedes 32 anliegen.
Die Schnittstelle zwischen der Steuerfläche 46 des Balges 43 und der Stirnfläche 49 des Ventilschließgliedes 32 kann auch nahe am Balgende vorgesehen sein.
Bei dieser Ausführungsform gemäß 3 ist des Weiteren vorgesehen, dass das Ventilgehäuse 23 beispielsweise zweiteilig ausgebildet ist. Die Schnittstelle kann dabei zwischen der konischen Verjüngung 59 und dem Befestigungselement 58 beziehungsweise der Vertiefung 57 am Ventilschaft 39 liegen, so dass beim Einsatz der Prüfstelleinrichtung 37 als Zugfeder eine einfache Montage gegeben ist.
Die Anordnung eines Befestigungselementes 44 zur Aufnahme des Balges 43 erfolgt beispielsweise über ein Zwischenstück 60, welches einerseits mit dem Befestigungselement 44 und andererseits mit dem Ventilgehäuse 23 verbindbar ist. Bevorzugt können jeweils Schraubverbindungen vorgesehen sein. Alternativ können auch Steckverbindungen mit anschließenden Verkrimpungen oder Verpressungen vorgesehen sein. Das Zwischenstück 60 umfasst eine oder mehrere Durchgangsbohrungen oder Durchgangskanäle, die in dem vorzugsweise scheibenförmigen oder hülsenförmigen Zwischenstück 60 eingebracht sind oder an dessen Außenumfang als Aussparungen angeordnet sein können.
Bei der in 3 dargestellten Ausführungsform des Expansionsventils 15 kann des Weiteren am Ventilgehäuse 23 niederdruckseitig eine Nachdrossel oder eine Nachdüse vorgesehen sein. Dies bedeutet, dass in Abhängigkeit des Öffnungshubes des Ventilschließgliedes 32 eine Durchgangsbohrung 33 geschaffen wird, die den maximalen Massenstrom begrenzt. Eine solche Nachdrosselung kann unmittelbar im Ventilgehäuse 23 beziehungsweise an einem Abschnitt des Ventilgehäuses 23, welches den Ventilsitz 34 umfasst, angeformt oder lösbar daran befestigt sein.
Die Funktionsweise der Expansionsventile 15 gemäß den 2 und 3 kann anhand dem Diagramm in 4 näher beschrieben werden.
In 4 ist schematisch ein Mollier-Diagramm dargestellt. Entlang der X-Achse ist die Enthalpie h aufgetragen und auf der Y-Achse der Druck P des Kältemittels dargestellt. Die Linie 24 zeigt den Grenzbereich zwischen der gasförmigen und flüssigen Phase des Kältemittels. Zur Orientierung ist beispielsweise die Isotherme 64 dargestellt, welche 31° entspricht. Der Berührpunkt der Linie 24 und der Isotherme 64 ist der kritische Punkt 65, der beispielsweise für das Kältemittel R134a einer Temperatur von 31°C und einem Druck von 73,8 bar entspricht. In Sommermonaten liegt die Starttemperatur beziehungsweise die Umgebungstemperatur bei der Inbetriebnahme von Fahrzeugklimaanlagen zumeist höher als 31°C. Beispielsweise liegt eine Starttemperatur zwischen 40°C und 50°C, wie dies durch den Startpunkt 67 dargestellt ist. Solche Temperaturen werden auch schnell dann erreicht, wenn ein Fahrzeug bereits nach einer kurzen Fahrt abgestellt wird, so dass sich der Motorraum aufheizt.
Das Ventilschließglied 32 steuert den Massenstrom, welcher die Durchgangsbohrung 33 in Abhängigkeit des Öffnungshubes durchströmt. Dadurch wird gleichzeitig auch die Kühlleistung bestimmt. Die Hubbewegung des Ventilschließgliedes 32 wird bei diesem Expansionsventil 15 durch die Druckdifferenz zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite geregelt. Dabei ist ein üblicher Arbeitsbereich in einer Betriebsphase vorgesehen, der sich beispielsweise in dem Bereich des dargestellten Dreiecks B, C, D befindet. In diesem Arbeitsbereich liegen die Druckdifferenzen im Allgemeinen größer als 80 bar zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite.
Die Regeleinrichtung 28 weist einen Arbeitsbereich zwischen den Kennlinien 71 und 72 auf. Die Kennlinie 71 sowie ein darüber liegender Bereich bewirken, dass die Regeleinrichtung 28 nicht arbeitet bzw. geschlossen ist. Die Kennlinie 72 und ein darunter liegender Bereich bewirken eine volle oder maximale Hubbewegung bzw. eine geöffnete Position des Expansionsventils 15. Dazwischenliegend wird eine zustandsbedingte Ansteuerung einer Hubbewegung der Regeleinrichtung 28 angesteuert.
Sofern der Startpunkt 67 bei der Inbetriebnahme des Kälte- beziehungsweise Wärmekreislaufes 11 außerhalb des Arbeitsbereiches liegt, greift die Regeleinrichtung 28 ein, damit das Expansionsventil 15 schnell in den üblichen Arbeitsbereich übergeführt werden kann. Dabei ist vorgesehen, dass bei einem beispielsweise vorliegenden Startpunkt 67 aufgrund der erhöhten Start- oder Umgebungstemperatur von beispielsweise ≥ 30°C die Regeleinrichtung 28 eine Hubbewegung von beispielsweise 50% des Hubweges ansteuert, welche über die Steuerfläche 46 auf das Ventilschließglied 32 übertragen wird, so dass dieses die Durchgangsbohrung 33 betragsmäßig öffnet. Dadurch wird bereits in der Startphase ein erhöhter Massenstrom bewirkt, der ohne diese Regeleinrichtung 28 aufgrund der vorliegenden Druckdifferenz zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite nicht gegeben wäre. Dieses zwangsweise Öffnen des Expansionsventils 15 ermöglicht, dass sich auf der Niederdruckseite der Niederdruck schneller auf einen niedrigeren Druck absenkt, so dass beispielsweise ausgehend von einem Startdruck, bei dem auf der Hoch- und Niederdruckseite beispielsweise 80 bar anliegen, ein schnelleres Absenken auf einen Niederdruck von unter 40 bar erzielt wird. Auf der Hochdruckseite wird durch den Verdichter 12 relativ schnell ein Hochdruck von beispielsweise 120 bar erzeugt. Sobald die Druckdifferenz am Expansionsventil 15 zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite größer wird und anwächst, bedarf es des Einsatzes der Regeleinrichtung 28 immer weniger, da der Startpunkt 67 beziehungsweise die zu diesem Zeitpunkt vorherrschenden Betriebsbedingungen gemäß Pfeil 69 in den Arbeitsbereich des Expansionsventils 15, welches als Differenzdruckventil arbeitet, übergeführt wird. Sobald der Hochdruck im Aufnahmeraum 24 gleich einem Innendruck des Füllmediums im Balg 43 ist beziehungsweise größer wird, wirkt der Hochdruck auf die Regeleinrichtung 28 und setzt diese auf eine Ausgangsposition zurück beziehungsweise bewirkt, dass die Steuerfläche 46 von der Stirnfläche 49 des Ventilschließgliedes 32 abhebt und somit entkoppelt wird. Anschließend kann das Ventilschließglied 32 entkoppelt von der Regeleinrichtung 28 völlig unabhängig innerhalb des Arbeitsbereiches, der durch die Punkte B, C und D beschrieben ist, arbeiten.
Durch die Anordnung der Regeleinrichtung 28, die temperatur- und druckabhängig eine Hubbewegung ausübt und auf das Ventilschließglied 32 unmittelbar, wie in den Ausführungsbeispielen dargestellt ist, oder mittelbar einwirkt, kann erzielt werden, dass das Ansprechverhalten in einer Startphase des Kälte- beziehungsweise Wärmekreislaufes 11 wesentlich verbessert wird, so dass das Expansionsventil 15 schneller in den Arbeitsbereich übergeführt wird. Dadurch wird auch die Leistungsfähigkeit des Kälte- beziehungsweise Wärmekreislaufs 11 erhöht.

Claims

Verfahren zur Regelung eines Massenstromes eines Kälte- oder Wärmekreislaufes, mit einem Expansionsventil (15), welches ein Ventilgehäuse (23) mit einer Zuführöffnung (20) und einer Abführöffnung (22) aufweist, mit einem Ventilschließglied (32), welches einen Ventilsitz (34) einer Durchgangsbohrung (33), die zwischen der einen Zuführöffnung (20) und Abführöffnung (22) angeordnet ist, schließt und einer an dem Ventilschließglied (32) angreifenden Rückstelleinrichtung (37), wobei eine Öffnungskraft auf das Ventilschließglied (32) aus einer Druckdifferenz zwischen einem Hochdruck vor dem Ventilschließglied (32) und einem Niederdruck nach dem Ventilschließglied (32) resultiert und das Ventilschließglied in Öffnungsrichtung bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine temperatur- und druckabhängige Regeleinrichtung (28) mit dem Ventilschließglied (32) gekoppelt und in einer Startphase des Kälte- oder Wärmekreislaufes eine Öffnungsbewegung in Strömungsrichtung von der Zuführöffnung (20) zur Abführöffnung (22) durch die Regeleinrichtung (28) auf das Ventilschließglied (32) zur Regelung des Massenstromes solange übertragen wird, bis zumindest der auf die Regeleinrichtung (28) wirkende Hochdruck größer als der Innendruck der Regeleinrichtung (28) wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (28) als Membranelement oder Balg (43) ausgebildet ist und eine Steuerfüllung aufweist, die unterhalb der kritischen Dichte der Steuerfüllung liegt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (28) als Membranelement oder Balg (43) ausgebildet und mit einem Gas-MOP-Füllmedium gefüllt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (28) mit CO₂ als Kältemittel gefüllt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der auf das Ventilschließglied (32) wirkende Öffnungshub der Regeleinrichtung (28) begrenzt wird.
Expansionsventil zur Regelung eines Massenstroms in einem Kälte- oder Wärmekreislauf mit einem Ventilgehäuse (23), welches eine Zuführöffnung (20) und eine Abführöffnung (22) aufweist, mit einem Ventilschließglied (32), welches einen Ventilsitz (34) einer Durchgangsöffnung (33), die zwischen der Zuführöffnung (20) und der Abführöffnung (22) angeordnet ist, schließt und mit einer an dem Ventilschließglied (32) angreifenden Rückstelleinrichtung (37), wobei eine Öffnungskraft auf das Ventilschließglied (32) wirkt, die aus einer Druckdifferenz zwischen einem Hochdruck vor dem Ventilschließglied (32) und einem Niederdruck nach dem Ventilschließglied (32) resultiert und das Ventilschließglied (32) durch den Differenzdruck in Öffnungsrichtung bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilschließglied (32) mit einer temperatur- und druckabhängigen Regeleinrichtung (28) gekoppelt ist, die in Öffnungsrichtung des Ventilschließgliedes (32), welche in Strömungsrichtung von der Zuführöffnung (20) zur Abführöffnung (22) erfolgt, solange auf das Ventilschließglied (32) einwirkt, bis eine Hubbewegung des Ventilschließgliedes (32) zumindest aufgrund der Druckdifferenz zwischen der Hochdruck- und Niederdruckseite des Expansionsventils (15) selbstständig steuerbar ist.
Expansionsventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (28) und das Ventilschließglied (32) in Reihe hintereinander in einem hochdruckseitigen Aufnahmeraum (24) des Ventilgehäuses (23) vorgesehen sind.
Expansionsventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (28) in dem Aufnahmeraum (24) vollständig von dem Kältemittel umströmt ist.
Expansionsventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (28) als Balg (43) oder Membranelement ausgebildet ist, welches mit einem Füllmedium füllbar ist.
Expansionsventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerfläche (46) der Regeleinrichtung (28) lösbar an einer Stirnfläche eines Ventilschaftes (39) angreift.
Expansionsventil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerfläche (46) der Regeleinrichtung (28) an einem Balgboden (47) des Balges (43) oder einem Membranboden des Membranelementes vorgesehen ist.
Expansionsventil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der als Balg (43) oder Membranelement ausgebildeten Regeleinrichtung (28) ein Anschlag (53) zur Hubbegrenzung der Steuerfläche (46) vorgesehen ist.
Expansionsventil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerfläche (46) der Regeleinrichtung (28) an einem Führungselement (51) vorgesehen ist, welches in Abhängigkeit der Hubbewegung der Regeleinrichtung (28) relativ zum Anschlag (53) bewegbar ist und den Anschlag (53) zur Begrenzung der Hubbewegung der Steuerfläche (46) hintergreift.
Expansionsventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstelleinrichtung (37) als Federelement ausgebildet ist, welches als Druckfeder in Schließrichtung des Ventilschließgliedes (32) wirkt.
Expansionsventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstelleinrichtung (37) als Federelement ausgebildet ist, welches als Zugfeder in Schließrichtung des Ventilschließgliedes (32) wirkt.
Expansionsventil nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ende der Zugfeder an einem Ventilschaft (39) des Ventilschließgliedes (32) durch ein an dem Ventilschaft (39) anordenbares Befestigungselement (58) positionierbar ist.
Expansionsventil nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugfeder an einer konischen Verjüngung (51) des Ventilgehäuses (23) angreift, die entfernt zum Befestigungselement (58) am Ventilschließglied (32) vorgesehen ist.
Expansionsventil nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilschließglied (32) durch ein in das Ventilgehäuse (23) einsetzbares Führungselement (61) axial verschiebbar zur Durchgangsbohrung (33) gelagert ist.