-
Die
Erfindung betrifft ein Expansionsventil für einen Kältekreis nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen
Kältekreises.
-
Bei
einem mit Kohlendioxyd (R744) unterkritisch oder transkritisch betriebenen
Kältekreis
wird durch den Öffnungsgrad
eines stromab eines Gaskühlers
angeordneten Expansionsventils der Druck des Kältemittels stromab des Expansionsventils
reduziert und zugleich der Druck des Kältemittels stromauf des Expansionsventils
auf der Hochdruckseite beeinflusst. Der Öffnungsgrad des Expansionsventils
wird in Abhängigkeit
von der Temperatur und des Druckes am Auslass des Gaskühlers oder
am Auslass eines internen Wärmeübertragers
gesteuert, sodass das Expansionsventil eine thermostatische Drucksteuereinrichtung
für den
Hochdruck stromauf des Expansionsventils bildet.
-
Bei
einem Kältekreis
mit Kohlendioxyd als Kältemittel
liegt die kritische Temperatur bei etwa 31°C, sodass der Kältekreis
bei Umgebungstemperaturen nahe oder über der kritischen Temperatur transkritisch
betrieben werden muss, damit eine ausreichende Wärmeübertragung zwischen Kältemittel im
Gaskühler
und durch den Gaskühler
strömender Umgebungsluft
stattfindet. Die spezifische Enthalpie des Kältemittels ändert sich in der Nähe des kritischen
Drucks bei einer gegebenen Temperatur sehr stark gegenüber einer
Druckänderung.
Um eine optimale Kälteleistungszahl
zu erreichen, müsste
ein gewisser Druck auf der Hochdruckseite des Kältekreises aufrechterhalten
werden, der durch den bekannten Aufbau eines Expansionsventils nicht
immer gewährleistet
wird. Andererseits darf der Druck auf der Hochdruckseite nicht so
hoch ausgelegt werden, dass wegen der damit verbundenen erhöhten Kompressorleistung
die Kälteleistungszahl
wieder reduziert wird.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kältekreis der eingangs angegebenen
Art so auszubilden, dass eine Verbesserung der Kälteleistungszahl bzw. Leistung
erreicht wird.
-
Erfindungsgemäß wird zusätzlich zu
der vorhandenen Drucksteuereinrichtung des Expansionsventils eine
zweite Drucksteuereinrichtung für
den Hochdruck stromauf des Expansionsquerschnittes im oder am Expansionsventil
vorgesehen, sodass am Ausgang des Gaskühlers oder eines internen Wärmeübertragers
ein zuvor errechneter bzw. vorgegebener Hochdruck bei vorgegebener
Temperatur eingestellt wird. Hierzu wird im Expansionsventil zusätzlich zu
der schon vorhandenen thermostatischen Drucksteuereinrichtung die
zusätzliche
Drucksteuereinrichtung mit einer zweiten Stelleinrichtung ausgebildet,
die vorzugsweise mit der ersten Stelleinrichtung der schon vorhandenen
ersten Drucksteuereinrichtung zusammenwirkt und mit dieser im Expansionsventil
integriert ist.
-
Bei
einem bekannten Aufbau des Expansionsventils mit thermostatisch
wirkender Steuereinrichtung wirkt die Temperatur des vom Gaskühler oder
einem internen Wärmeübertrager
kommenden Kältemittels
oder die über
einen Fühler
vorgegebene Temperatur auf die Steuerfüllung der Steuereinrichtung
ein, die wiederum auf eine Membran dem Kältemitteldruck des an der Membran
anliegenden Kältemittels
entgegengesetzt einwirkt, die durch ein Kraftübertragungselement, beispielsweise
durch einen Ventilschaft, einen Ventilstößel oder Druckstift mit einem
Ventilelement verbunden ist, das den Expansionsquerschnitt des Expansionsventils
steuert. Hierdurch wird die Stelleinrichtung dieser thermostatischen
Drucksteuereinrichtung ausgebildet. Erfindungsgemäß wird zusätzlich zu
dieser ersten Stelleinrichtung der thermostatischen Drucksteuereinrichtung
eine zweite Stelleinrichtung der zweiten Drucksteuereinrichtung
vorgesehen, die vorzugsweise zusammen mit der ersten Stelleinrichtung
auf den Expansionsquerschnitt des Expansionsventils bzw. auf dessen
Drosselstelle einwirkt.
-
Vorteilhafterweise
wird die zusätzliche
zweite Stelleinrichtung durch eine mit dem Kraftübertragungselement bzw. dem
Ventilschaft gekoppelte Druckfläche
ausgebildet, die von dem hochdruckseitig in das Expansionsventil
einströmenden
Kältemittel
beaufschlagt wird.
-
Nach
einer Ausführungsform
kann an dem Kraftübertragungselement
bzw. am Ventilschaft, der auch als Druckstift oder Ventilstößel ausgebildet
sein kann, eine Scheibe oder eine Membran mit vorgegebener Flächenabmessung
angebracht werden, wobei in oder neben der Scheibe beziehungsweise
der Membran eine Drosselöffnung
für das
Kältemittel
vorhanden ist, sodass auf der stromaufwärtigen Seite der Scheibe oder
Membran ein höherer
Druck herrscht als auf der stromabwärtigen Seite. Diese Druckdifferenz
ergibt über
die Fläche
der Scheibe bzw. der Membran eine zusätzliche Stellkraft am Kraftübertragungselement
bzw. an dessen Ventilschaft des Expansionsventils.
-
Die
an der Druckfläche
der Scheibe bzw. der Membran wirksame Druckdifferenz kann in Betrag und
Richtung einstellbar sein. So kann die Druckdifferenz beispielsweise
durch ein thermisch aktives Element beeinflusst werden.
-
Nach
einer weiteren Ausführungsform
kann eine mit dem Kraftübertragungselement
bzw. Ventilschaft gelenkig verbundene Druckfläche vorgesehen werden, die
um eine feste Lagerachse und um eine Anlenkstelle am Ventilschaft
verschwenkbar ist.
-
Die
Auslenkung der Druckfläche
um ihre Lagerachse kann dabei einen Wechsel der stromaufwärts gerichteten
Seite zur stromabwärts
gerichteten Seite und zugleich einen Wechsel der stromabwärts gerichteten
Seite zur stromaufwärts
gerichteten Seite bewirken. In einer Zwischen- bzw. Neutralstellung kann
die Wirksamkeit der Druckfläche
umgangen werden.
-
Durch
die an dem Ventilschaft des Expansionsventils zusätzlich angelegte
Stellkraft, erzeugt durch die Druckdifferenz an der Druckfläche, kann eine
Steuerung des Hochdrucks stromauf des Expansionsventils entsprechend
einer vorgegebenen Kennlinie erreicht werden.
-
Die
Erfindung wird beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert. Es
zeigen
-
1 schematisch verschiedene Ausführungsformen
eines Kältekreises,
-
2 schematisch Ausführungsformen eines bekannten
Expansionsventils,
-
3 schematisch Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Expansionsventils,
-
4 die
Anordnung mit einer Membran als Druckfläche der zweiten Drucksteuereinrichtung,
-
5 schematisch
eine andere Ausführungsform
einer zweiten Drucksteuereinrichtung in einem Expansionsventil,
-
6 eine
weitere Ausführungsform
eines Expansionsventils,
-
7 schematisch
die Grundstruktur einer Drucksteuerung nach zwei Kennlinien durch
die zweite Drucksteuereinrichtung in einem Expansionsventil,
-
8 ein
Ausführungsbeispiel
eines weiteren Expansionsventils,
-
9 schematisch
die Grundstruktur der Drucksteuerung in einem Expansionsventil mit
einer kippbaren Druckfläche,
-
10 schematisch weitere Ausführungsformen
eines Expansionsventils mit einer Drucksteuerung nach zwei Kennlinien,
-
11 weitere Ausführungsformen eines Expansionsventils
mit kippbarer Druckfläche,
-
12 schematisch federbeaufschlagte Expansionsventile
mit zusätzlicher
Stelleinrichtung,
-
13 eine
weitere Ausführungsform
eines Expansionsventils mit drehbarer Druckfläche,
-
14 ein
Diagramm mit Wiedergabe des Druckregelverhaltens eines bekannten
thermostatischen Expansionsventils und eines um eine zweite Drucksteuereinrichtung
erweiterten thermostatischen Expansionsventils, und
-
15 ein
Diagramm mit Wiedergabe von zwei Kennlinien des geregelten Hochdrucks.
-
1A, 1B und 1C zeigen
schematisch einen Kältekreis
mit einem Kompressor 1, der Kältemittel verdichtet und an
einen Gaskühler 2 liefert,
der von Umgebungsluft L durchströmt
wird, wobei eine Wärmeübertragung
zwischen Kältemittel im
Gaskühler 2 und
durch den Gaskühler
strömender Umgebungsluft
L stattfindet. Das aus dem Gaskühler 2 austretende
Kältemittel
strömt
durch die Hochdruckseite 3a eines internen Wärmeübertragers 3, von
dem aus das Kältemittel
durch ein Expansionsventil 4 zu einem Verdampfer 5 strömt, in dem
das Kältemittel
durch Wärmeentzug
aus der zu kühlenden
Luft verdampft. Vom Verdampfer 5 strömt das Kältemittel durch die Niederdruckseite 3b des
internen Wärmeübertragers 3 zu
einem Akkumulator 6, aus dem das Kältemittel wieder vom Kompressor 1 angesaugt
wird.
-
Bei
den Ausführungsformen
eines Kältekreises
nach 1D und 1E entfällt ein
interner Wärmeübertrager,
sodass das Kältemittel
vom Gaskühler 2 über das
Expansionsventil 4 direkt zum Verdampfer 5 gelangt.
Der interne Wärmeübertrager 3 kann
optional vorgesehen werden.
-
Bei
den Ausführungsformen
eines Kältekreises
nach 1A und 1D wird
die Temperatur T und der Druck p des Kältemittels am Austritt des
Gaskühlers 2 bei 4a zur
Steuerung des Expansionsventils 4 verwendet, während bei
der Ausführungsform nach 1B Druck
und Temperatur am Ausgang der Hochdruckseite 3a des internen
Wärmetübertragers 3 bei 4b verwendet
werden. Bei den Ausführungsformen
nach 1C und 1E wird
die Temperatur zur Steuerung des Druckes über einen externen Fühler 4c z.
B. aus der den Gaskühler
anströmenden bzw.
abströmenden
Luft L aufgenommen, während der
Druck p des Kältemittels
am Ausgang des Gaskühlers 2 bei 4d auf
die Stelleinrichtung im Expansionsventil einwirkt.
-
Abhängig von
der Ausführung
des Kältekreises
wird der zu steuernde Druck nach dem Gaskühler (1A, 1D und 1E)
oder nach dem Hochruckteil 3a des inneren Wärmeübertragers 3 (1B und 1C)
aufgenommen.
-
2A und 2C zeigen
schematisch den Aufbau eines bekannten Expansionsventils 4 für den Kältekreis
nach 1A, während 2B und 2D schematisch
den Aufbau eines bekannten Expansionsventils 4 für den Kältekreis
nach 1B wiedergeben.
-
2E und 2F zeigen
schematisch den Aufbau eines bekannten Expansionsventils 4 für den Kältekreis
nach 1C und 1E mit
externem Temperaturfühler 4c.
-
Bei
einem derartigen Expansionsventil 4 nach dem Stand der
Technik ist bei 4.1 ein geschlossenes Volumen mit einer
Gasfüllung
vorgesehen, das auf einer Seite durch eine Membran 4.2 begrenzt ist,
die mit einem Ventilschaft, einem Druckstift oder einem Ventilstößel 4.3 verbunden
ist, der ein Kraftübertragungselement
bildet und mit einem Ventilelement 4.4 verbunden ist, das
den Öffnungsquerschnitt 4.5 des
Expansionsventils 4 öffnet
oder schließt.
-
Parallel
zur Strömungsrichtung
durch den Öffnungsquerschnitt 4.5 des
Expansionsventils kann eine Bypassöffnung 4.6 vorgesehen
sein, durch die das Kältemittel
vom internen Wärmeübertrager 3 (Kältekreisschema
wie in 1A, 1B und 1C gezeigt)
beziehungsweise vom Gaskühlers 2 (Kältekreisschema
wie in 1D und 1E gezeigt)
unter Umgehung des variablen Öffnungsquerschnittes
im Expansionsventil zum Verdampfer 5 strömt, wenn
niedrige Lastbedingungen im Kältekreis herrschen.
-
Die
in 1A bzw. 1D am
Austritt des Gaskühlers 2,
in 1B am Austritt der Hochdruckseite 3a des
internen Wärmeübertragers 3 und
in 1C bzw. 1E an
einen externen Fühler 4c vorhandene
Temperatur T wirkt in allen Fällen
auf das mit einem Gas gefüllte
Volumen 4.1 des Expansionsventils 4 ein.
-
Bei
diesem bekannten Aufbau eines Expansionsventils 4 bildet
das Referenzgasvolumen 4.1 mit Membran 4.2, Ventilschaft 4.3 und
Ventilelement 4.4 eine erste Stelleinrichtung einer ersten
thermostatischen Drucksteuereinrichtung. Bei einem solchen Expansionsventil
steigt der geregelte Druck auf der Hochdruckseite für eine thermostatisch
wirksame Temperatur T mit größer werdendem
Ventilhub bzw. vergrößertem Massenfluss
durch das Expansionsventil, wie dies 14 durch
die Linie IV wiedergibt.
-
Erfindungsgemäß wird eine
zweite Stelleinrichtung einer zweiten Drucksteuereinrichtung vorgesehen,
welche die Stellbewegung der ersten Stelleinrichtung und damit das
Ventilelement 4.4 relativ zum Öffnungsquerschnitt 4.5 beeinflusst.
Die Stellkraft der zweiten Drucksteuereinrichtung bzw. der zweiten Stelleinrichtung
wird aus der Strömung
des Kältemittels
durch das Expansionsventil abgeleitet und bildet somit keine thermostatische
Drucksteuereinrichtung. Hierbei wird die Massenflussabhängigkeit
der Drucksteuerung der ersten Stelleinrichtung (14,
Linie IV) kompensiert, wobei ein aus dem Kältemittelstrom erzeugter Druckabfall
die Öffnungsbewegung
des Expansionsventils unterstützt,
womit sich der Verlauf der Linie V in 14 ergibt.
-
Bei
dem Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Expansionsventils 40 nach
den 3A und 3B ist
an dem Ventilschaft 40.2 eine Druckfläche 41 vorgesehen,
die den Ventilschaft umgibt und zusammen mit dem Expansionsventilgehäuse einen
Drosselquerschnitt 42 ausbildet. Damit auf den gegenüberliegenden
Seiten dieser Druckfläche 41 unterschiedliche
Drücke
aufgebaut werden können,
ist bei dieser schematischen Darstellung im Ventilschaft 40.2 ein
Kältemitteldurchtritt 40.3 ausgebildet,
der durch die Druckfläche 41 hindurchfährt. Das
von der Hochdruckseite 3a des internen Wärmeübertragers 3 bzw.
des Gaskühlers 2 kommende
Kältemittel
mit dem Druck p1 wird zur Unterseite der Druckfläche 41 geleitet,
worauf nach Durchtritt des Kältemittels
durch den Drosselquerschnitt 42 das Kältemittel über den Durchtritt 40.3 innerhalb
des Ventilschaftes 40.2 zum Öffnungsquerschnitt 4.5 des Expansionsventils
geleitet wird. Auf der Oberseite der Druckfläche 41 herrscht ein
gegenüber
dem Druck p1 geringerer Druck p2,
sodass sich durch die durch den Drosselquerschnitt 42 erzeugte
Druckdifferenz p1–p2 eine
Kraft an der Druckfläche 41 in Öffnungsrichtung
des Ventilelementes 4.4 ergibt.
-
Auf
den beiden Seiten der Druckfläche 41 ist im
Expansionsventil 40 jeweils eine erste Druckkammer 41a für den höheren Druck
p1 und auf der gegenüberliegenden Seite eine zweite
Druckkammer 41b für
den niedrigeren Druck p2 ausgebildet. Um
bei der Bauform nach 3B eine nach oben gerichtete Stellkraft
durch die Druckfläche 41 zu
erhalten, wird das von der Hochdruckseite 3a des Wärmeübertragers 3 bzw.
des Gaskühlers 2 kommende
Kältemittel mit
dem Druck p1 über den Durchtritt 40.3 innerhalb des
Ventilschafts 40.2 in die unter der Druckscheibe 41 liegende
Druckkammer 41a geleitet, worauf nach Durchtritt durch
den Drosselquerschnitt 42 in der oberen Druckkammer 41b der
niedrigere Druck p2 herrscht, aus der das
Kältemittel über eine
Durchleitung 43 im Gehäuse
des Expansionsventils zum Öffnungsquerschnitt 4.5 des
Expansionsventils strömt, wie
dies durch eine Pfeillinie in 3B wiedergegeben
ist.
-
Anstelle
der Führung
des Kältemittels
durch den Ventilschaft wie in 3A und 3B skizziert kann
das Kältemittel
auch durch Leitungen im Gehäuse
des Expansionsventils 40 so geführt werden, dass sich die Druckdifferenz
p1–p2 an der Druckfläche 41 ergibt, wie
dies 3C und 3D zeigen,
wobei in 3D zwei Leitungen 43 im
Gehäuse
des Expansionsventils zur Kältemittelführung ausgebildet
sind.
-
Durch
die Druckdifferenz p1–p2 tritt
in Abhängigkeit
von der wirksamen Fläche
der Druckfläche 41 eine
Stellkraft auf, die bei der Ausführungsform
nach 3A, 3B, 3C und 3D nach
oben in Öffnungsrichtung
des Ventilelementes 4.4 am Ventilschaft 40.2 der
ersten Stelleinrichtung wirkt.
-
Wie 4 zeigt,
kann anstelle der scheibenförmigen
Druckfläche 41 in
den 3A, 3B, 3C und 3D auch
eine Membran 410 am Ventilschaft 40.2 befestigt
werden, die mit einem Drosselquerschnittes 420 anstelle
des Drosselquerschnittes 42 in 3A, 3B, 3C und 3D versehen
ist, um zwischen den beiden Seiten der Membran 410 eine
Druckdifferenz aufzubauen.
-
5 zeigt
in einer schematischen Schnittansicht in 5a und
in einer Draufsicht in 5b eine Ausführungsform, bei der die zweite
Stelleinrichtung als kippbare Druckfläche 41 ausgebildet
ist, die bei 4.31 am Ventilschaft 4.3 angelenkt
und bei 44 an einer Anlenkachse in einem Abstand davon
exzentrisch am Gehäuse
des Expansionsventils abgestützt ist,
wie die Draufsicht in 5b zeigt. Bei einer Stellbewegung
des Ventilschafts 4.3 in Schließrichtung nach unten durch
die erste Stelleinrichtung in Form der Gasfüllung im Steuerkopf 4.1 wird
die scheibenförmige
Druckfläche 41 im
Uhrzeigersinn um die Anlenkachse 44 geschwenkt, während bei
einer Öffnungsbewegung
des Ventilschafts 4.3 nach oben die Druckfläche 41 im
Gegenuhrzeigersinn verschwenkt wird. Über der Druckfläche 41 herrscht
der höhere Druck
p1 gegenüber
dem geringeren Druck p2 unter der Druckscheibe 41,
wobei auf dem Umfang der Druckfläche 41 ein
Drosselquerschnitt 42 mit dem Gehäuse des Expansionsventiles
ausgebildet ist.
-
6 zeigt
eine andere Bauform eines Expansionsventils 40 mit einer
zweiten Stelleinrichtung in Form einer Druckfläche 41, die durch
eine Hebelscheibe 60 relativ zum Ventilschaft 4.3 beweglich
ist. 6a zeigt schematisch einen Längsschnitt durch den Ventilaufbau,
während 6b eine
Draufsicht auf die Hebelscheibe 60 wiedergibt, deren Wirkprinzip
in 6c schematisch wiedergegeben ist. Die Hebelscheibe 60 ist
in 6b als Ringscheibe ausgebildet, die vom Innenumfang 60.1 ausgehende Schlitze 60a und
vom Außenumfang 60.2 ausgehende
Schlitze 60b aufweist, die sich jeweils in Richtung auf
den Bereich zwischen den gegenüberliegenden Schlitzen
erstrecken. Durch diese Ausgestaltung der Hebelscheibe 60 ist
der Innenumfang 60.1 in Achsrichtung relativ zum Außenumfang 60.2 beweglich. Bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel
ist die ringförmige
Hebelscheibe 60 im Mittelbereich ihrer radialen Erstreckung
in der Draufsicht der 6b am Gehäuse des Expansionsventils abgestützt und
mit dem Innenumfang 60.1 mit dem Ventilschaft (Druckschrift
oder Ventilstößel) 4.3 verbunden,
während
der Außenumfang 60.2 mit
der scheibenförmigen
Druckfläche 41 verbunden
ist, wie die schematische Darstellung in 6c zeigt.
Durch den höheren
Druck p1 wird die Druckfläche 41 in 6c nach
unten gedrückt,
wodurch über
die Hebelwirkung der Hebelscheibe 60 der Ventilschaft 4.3 in Öffnungsrichtung beaufschlagt
wird. Die Hebelscheibe 60 ist dabei auf dem Ventilschaft 4.3 verschiebbar.
-
Durch
die beschriebene zweite Stelleinrichtung am Kraftübertragungselement
bzw. Ventilschaft der ersten Stelleinrichtung kann für die Steuerung des
Drucks am Austritt des Gaskühlers 2 oder
am Austritt der Hochdruckseite 3a des internen Wärmeübertragers 3 eine
vorgegebene Kennlinie weitgehend erreicht werden, die bei einer
vorgegebenen Temperatur T am Ausgang des Gaskühlers 2 oder am Ausgang
der Hochdruckseite des internen Wärmeübertragers 3 dem auslegungsgemäß optimalen Hochdruck
entspricht. Auf diese Weise kann die Kälteleistungszahl oder die Kälteleistung
des Kältekreises
verbessert werden, weil durch die erfindungsgemäße zweite Drucksteuereinrichtung
der erwünschte Hochdruck
vor dem Expansionsquerschnitt 4.5 des Expansionsventils
eingestellt wird und dabei die Abhängigkeit des zu regelnden Hochdruckes
vom Öffnungsgrad
des Ventilelementes bzw. vom Kältemittelmassenstrom
kompensiert wird, wie 14 zeigt.
-
Neben
der Verbesserung der Regelung des Drucks auf der Hochdruckseite
durch die zweite Drucksteuereinrichtung ergeben sich durch diese weitere
Vorteile.
- – Aufgrund
der zweiten Drucksteuereinrichtung kann das Referenzgasvolumen 4.1 der
ersten Drucksteuereinrichtung kleiner ausgelegt werden und aufgrund
geringerer Masse kann das Niveau der Druckabweichung hinsichtlich
der Zeit verbessert werden.
- – Durch
die zweite Drucksteuereinrichtung ergibt sich ein vergrößerter Ventilhub
bei gleichen Rahmenbedingungen (Druck, Massenstrom), wodurch sich
eine höhere
Dämpfung
durch Reibung ergibt.
- – Die
Abnahme des Hochdruckniveaus bei hohen Temperaturen vermeidet eine
frühe Druckbegrenzungssteuerung
durch den Kompressor, wodurch sich eine Verbesserung der Kühlwirkung
des Kältekreises
ergibt.
- – Wenn
eine Leckage an der Membran 4.2 des Referenzgasvolumens 4.1 auftritt,
wird der Ventilschaft 4.3 durch die Druckfläche 41 (bzw. 410 in 4)
in Öffnungsrichtung
bewegt, sodass das Auftreten einer Druckspitze vermieden wird.
-
Um
mittels der zweiten Drucksteuereinrichtung zwei Druckkennlinien,
wie in 15 gezeigt, einstellen zu können, wird
an der zweiten Stelleinrichtung eine zuschaltbare zweite Drosselöffnung vorgesehen,
die geöffnet
oder geschlossen werden kann, um die eine oder andere Kennlinie
der Hochdrucksteuerung einzustellen. Hierdurch kann die Kälteleistungszahl
bzw. auslegungsgemäß die Kälteleistung
des Kältekreises
weiter verbessert werden.
-
7 zeigt
schematisch den Ventilschaft 4.3 mit einer scheibenförmigen Druckfläche 41,
deren Umfang in einem Abstand von dem umgebenden Gehäuse liegt
und dadurch die erste Drosselöffnung 42 bildet,
sodass über
der Druckfläche 41 der
höhere Druck
p1 und unter der Druckfläche der niedrigere Druck p2 herrscht. Zusätzlich ist eine die Druckfläche 41 umgehende
Leitung 45 mit einer darin vorgesehenen zweiten Drossel 46 vorgesehen,
deren Querschnitt durch eine nicht dargestellte Steuereinrichtung
von außen
geöffnet
oder geschlossen werden kann, sodass der Drosselquerschnitt 42 an
der Druckfläche 41 durch
die zusätzliche
zweite Drossel 46 vergrößert werden
kann. Die zweite Drossel 46 kann durch eine temperaturabhängige Einrichtung oder
durch eine elektrische Betätigungseinrichtung gesteuert
werden.
-
8 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer derartigen Ausführungsform
mit einer zuschaltbaren Drosselöffnung 46,
wobei in der Draufsicht der 8a ein
Bimetallstreifen 47 über
einer Drosselbohrung 46 in der Druckfläche 41 bei 47a befestigt ist. 8b zeigt
den Bimetallstreifen 47 in der Schließstellung und 8c in
der Öffnungsstellung, in
der die zusätzliche
Drosselbohrung 46 in der Druckfläche 41 freigegeben
ist, sodass in Verbindung mit dem Drosselquerschnitt 42 auf
dem Umfang der Druckfläche 41 ein
größerer Drosselquerschnitt
vorhanden ist.
-
9 zeigt
eine andere Ausführungsform der
Steuerung des Hochdrucks nach zwei Kennlinien, wobei die Druckfläche 41 am
Ventilschaft 4.3 kippbar angebracht ist. 9a zeigt
die Druckfläche 41 in
einer Neutralstellung und 9b in
einer Kippstellung. In der Neutralstellung nach 9a wird über der
Druckfläche 41 der
höhere
Druck p1 dadurch aufgebaut, dass die Druckfläche 41 unter
die Einströmöffnung des
Kältemittels
abgesenkt wird, sodass durch die Drosselöffnung 42 auf dem
Umfang auf der Unterseite der Druckfläche 41 der niedrigere Druck
p2 herrscht. In der Stellung der 9b wird
die Wirksamkeit der Drosselöffnung 42 in
der Weise umgangen, dass die Druckscheibe 41 gekippt wird,
so dass der am Umfang der Druckscheibe vorhandene Drosselquerschnitt 42 aufgehoben
wird. Eine wirksame Druckdifferenz kann sich in dieser Stellung
nach 9b an der Druckscheibe 41 nicht ausbilden.
-
Bei
dieser Ausführungsform
erfolgt die Drucksteuerung nach der einen Kennlinie in der Neutralstellung
der Druckfläche 41 und
die Drucksteuerung nach der anderen Kennlinie in der Kippstellung der
Druckfläche 41.
Die Druckfläche
kann beispielsweise durch ein Bimetallelement oder auch durch eine
andere Steuereinrichtung zwischen Kippstellung und Neutralstellung
umgeschaltet werden.
-
Es
ist auch möglich,
die Ausführungsformen nach 7 und 9 miteinander
zu kombinieren, sodass eine Drucksteuerung auf der Hochdruckseite nach
drei Kennlinien möglich
ist.
-
10A zeigt schematisch ein Expansionsventil 40 für zwei Kennlinien
der Hochdrucksteuerung für
einen Kältekreis
nach 1A, wobei im Gegensatz zu der Bauform nach 3A bzw. 3C die Druckfläche 41 der
zweiten Stelleinrichtung in dem Kältemitteldurchtritt zwischen
Gaskühler 2 und
Eingang der Hochdruckseite 3a des internen Wärmeübertragers 3 angeordnet
ist und in Schließrichtung des
Ventilelements 4.4 auf den Ventilstößel 4.3 wirkt. Der
höhere
Druck p1 über der Druckfläche 41 kann durch
eine in einer Bypass-Leitung 45 ange ordnete Drossel 46 entsprechend
der Bauform nach 7 und durch den Drosselquerschnitt 42 auf
den niedrigeren Druck p2 unter der Druckfläche 41 abgebaut werden.
Hierbei gelangt das Kältemittel
mit dem Druck p2 zum Eingang der Hochdruckseite 3a des
internen Wärmeübertragers 3 und
von diesem zum Öffnungsquerschnitt 4.4 des
Expansionsventils und zum Verdampfer 5.
-
Die
zweite Drossel 46 kann durch eine thermostatisch oder elektrisch
betriebene Verstelleinrichtung geöffnet oder geschlossen werden,
um den Druckunterschied p1–p2 zu verändern.
Mit 4.7 ist eine Dichtung am Ventilschaft 4.3 bezeichnet
und mit 4.6 eine wahlweise vorzusehende Bypassöffnung für niedrigere
Lastzustände
des Kältekreises,
wie sie auch in 2 wiedergegeben ist.
-
10B zeigt die entsprechende Bauform eines Expansionsventils 40 für einen
Kältekreis
nach 1B bzw. 1D, wobei
das von der Hochdruckseite 3a des Wärmeübertragers 3 oder
vom Gaskühler 2 kommende
Kältemittel
für den
Aufbau der Druckdifferenz p1–p2 unmittelbar vor dem Öffnungsquerschnitt 4.5 des
Expansionsventils verwendet wird.
-
11A zeigt eine Ausgestaltung des Expansionsventils 40 entsprechend 10A, wobei für die
Hochdrucksteuerung nach zwei Kennlinien, anstelle einer zuschaltbaren
zweiten Drossel 46 eine kippbare Druckfläche 41 der
zweiten Stelleinrichtung verwendet wird. 11A zeigt
die Anordnung des Expansionsventils 46 mit einer kippbaren
Druckfläche 41 entsprechend 9,
wobei die aktive Position der Druckfläche 41 in der neutralen
Position durch eine ausgezogene Linie und die gekippte, inaktive Position
durch eine strichpunktierte Linie wiedergegeben ist. In entsprechender
Weise ist in 11B ein der 10B entsprechendes Expansionsventil 40 für den Kältekreis
nach 1B und 1D wiedergegeben.
-
12A zeigt ein Expansionsventil 40, bei dem
an der ersten Stelleinrichtung in Form der vom Referenzgas beaufschlagten
Membran 4.2 eine Druckfeder 49 zwischen Membran 4.2 und
einer Trennscheibe 50 in dem Ventilhohlraum vorgesehen ist,
die die Trennscheibe 50 in ihrer Einbauposition in dem
Hohlraum hält.
Mit 48 ist eine Dichtung in dieser Trennscheibe 50 bezeichnet.
-
12B zeigt die Bauform des Expansionsventils nach 12A mit einer kippbaren Druckfläche 41.
-
Eine
weitere Ausführungsform,
wie sie 13 zeigt, sieht vor, den Drosselquerschnitt 42 durch
eine um den oder mit dem Druckstift 4.3 drehbar gelagerte
Druckscheibe 41 in einer Stellung nach 13a mit dem Kältemittelstrom
voll zu beaufschlagen und eine wirksame Druckdifferenz an der Druckscheibe 41 zu
erzeugen, währen
in einer Position nach 13b der
Drosselquerschnitt 42 nicht mehr wirksam ist und somit
eine wirksame Druckdifferenz an der Druckscheibe nicht ermöglicht wird.
-
Die
Drehbewegung der Druckscheibe 41 kann durch eine Bi-Metallfeder
oder eine andere Steuereinrichtung umgesetzt werden.
-
Bei
dieser Ausführungsform
einer am Ventilschaft oder Ventilstößel 4.3 der ersten
Stelleinrichtung angebrachten Druckfläche 41 sind zur Steuerung
der Druckdifferenz p1–p2 auf
deren Umfang Steuerflächen 41.1 und 41.2 vorgesehen,
wie dies die perspektivische Ansicht in 13c zeigt. 13a zeigt schematisch eine Seitenansicht entsprechend 13c, während 13b eine Ansicht von links in 13a bzw. 13c wiedergibt.
Je nach Drehstellung der Druckfläche 41 relativ
zu den auf dem Umfang vorgesehenen Leitungsquerschnitten wird der
Drosselquerschnitt 42 verändert. Die maximale Drosselstellung
ergibt sich in der Stellung der 13a und 13c gegenüber
der neutralen Drehstellung in 13b,
in der keine Druckdifferenz zwischen Ober- und Unterseite der Druckfläche 41 aufgebaut
wird. Die in 13 angedeuteten Leitungsanschlüsse 3a und 5 entsprechen
beispielsweise der Anordnung des Expansionsventils in 1A.
-
Bei
den Ausführungsformen
der 7 bis 13 wirkt die zweite Stelleinrichtung
der Öffnungsbewegung
der ersten Stelleinrichtung entgegen.
-
15 zeigt
den Verlauf des gesteuerten Hochdrucks über der Temperatur des Kältemittels
am Auslass des Gaskühlers,
wobei die Linie I den Druckverlauf wiedergibt, wenn die Druckfläche 41 die Schließbewegung
des Expansionsventils unterstützt, während die
Linie II den Druckverlauf über
der Temperatur wiedergibt, wenn die Druckfläche 41 nicht wirksam
ist bzw. sich in der in 9b wiedergegebenen
Kippstellung befindet. Die Umschaltung erfolgt bei diesem Ausführungsbeispiel
bei etwa 52°C
bei Verwendung von R744 bzw. bei einer vorgegebenen Temperatur.
-
Anstelle
des geschlossenen Gasvolumens 4.1 kann auch eine andere
erste Stelleinrichtung vorgesehen sein, die den Öffnungsquerschnitt 4.4 des Expansionsventils
in Abhängigkeit
von Temperatur und Druck des vom Gaskühler 2 oder einem
internen Wärmeübertrager 3 kommenden
Kältemittels
steuert.
-
Weiterhin
können
verschiedene Abwandlungen der beschriebenen Bauformen insbesondere auch
durch Kombination von Merkmalen der einzelnen Ausführungsformen
vorgesehen werden. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich
dargestellten Merkmale für
sich oder in beliebig sinnvoller Kombination den Gegenstand der
vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung
in den Ansprüchen
und deren Rückbeziehung.
-
So
sind z. B. die verschiedenen wiedergegebenen Ausführungsformen
der zweiten Drucksteuereinrichtung bei jedem der bekannten Expansionsventile
nach den 2A bis 2F anwendbar.
-
Bei
den beschriebenen Ausführungsformen ist
die zweite Drucksteuereinrichtung im Expansionsventil 40 integriert,
wobei je nach Auslegung der Ventilhub des Expansionsventils durch
die zweite Drucksteuereinrichtung unterstützt oder diesem entgegengewirkt
wird. Es ist aber auch möglich,
die zweite Drucksteuereinrichtung außerhalb oder außen am Gehäuse des
Expansionsventils 40 anzubringen, wobei die zweite Drucksteuereinrichtung
durch eine Kraftübertragungseinrichtung
mit dem Kraftübertragungselement 4.3 des
Expansionsventils gekoppelt sein kann. Nach einer weiteren Abwandlung
kann die zweite Drucksteuereinrichtung unabhängig vom Expansionsventil vor
diesem in Strömungsrichtung
des Kältemittels
zur Hochdrucksteuerung vorgesehen werden.
-
- 1
- Kompressor
- 2
- Gaskühler
- 3
- innerer
Wärmeübertrager
- 3a
- innerer
Wärmeübertrager,
Hochdruckseite
- 3b
- innerer
Wärmeübertrager,
Niederdruckseite
- 4
- Expansionsventil
- 4
- Expansionsventil
mit externem Temperaturfühler
- 4
- thermisches
Expansionsventil
- 4.1
- Gasfüllung im
Steuerkopf
- 4.2
- Membran
- 4.3
- Ventilstößel
- 4.31
- Anlenkpunkt
Druckfläche
zum Ventilstößel
- 4.4
- Ventilelement
- 4.5
- Öffnungsquerschnitt,
Ventilsitz
- 4.6
- optionaler
Bypass
- 4.7
- Dichtung
- 4.8
- Feder
in Schließrichtung
wirkend
- 4a
- Temperatur-/Druckfühler
- 4b
- Temperatur-/Druckfühler
- 4c
- externer
Temperaturfühler
- 4d
- Druckfühler
- 40
- Expansionsventil
- 40.2
- Ventilstößel
- 40.3
- Durchleitung
- 41
- Druckscheibe
- 41
- Druckscheibe
(kippbar)
- 41
- Druckfläche
- 41
- Druckfläche (drehbar)
- 41.1
- Steuerfläche
- 41.2
- Steuerfläche
- 41a
- Druckkammer
1
- 41b
- Druckkammer
2
- 410
- Druckfläche
- 420
- Drosselquerschnitt
- 42
- Drosselquerschnitt
- 43
- Durchleitung
- 44
- Anlenkpunkt
Druckfläche
zum Gehäuse
- 45
- Leitung
- 46
- Drossel
- 46
- Drosselbohrung
- 47
- Bimetalstreifen
- 47a
- Befestigungspunkt
des Bimetalstreifens an der Druckfläche
- 48
- Dichtung
- 49
- Druckfeder
- 5
- Verdampfer
- 50
- Trennscheibe
- 6
- Akkumulator
- 60
- Hebelscheibe
- 60.1
- Innenumfang
- 60.2
- Außenumfang
- 60a
- vom
Innenumfang ausgehende Schlitze
- 60b
- vom
Außenumfang
ausgehende Schlitze
- L
- Umgebungsluft
- I
- Druckregelverhalten
mit schließungsunterstützender
zweiten Stelleinrichtung
- II
- Druckregelverhalten
mit inaktiver zweiten Stelleinrichtung
- III
- max.
Anlagendruck auf der Hochdruckseite
- IV
- Druckregelverhalten
eines bekannten Aufbaus eines Expansionsventils
- V
- Druckregelverhalten
mit öffnungsunterstützender
zweiter Stelleinrichtung