DE102009025597A1

DE102009025597A1 - Kältekreis mit einem Expansionsventil und Verfahren zum Betrieb des Kältekreises

Info

Publication number: DE102009025597A1
Application number: DE102009025597A
Authority: DE
Inventors: Dennis Wleklik
Original assignee: Denso Automotive Deutschland GmbH; Denso Corp
Current assignee: Denso Automotive Deutschland GmbH; Denso Corp
Priority date: 2009-06-19
Filing date: 2009-06-19
Publication date: 2010-12-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Expansionsventil für einen Kältekreis, insbesondere für einen mit Kohlendioxyd als Kältemittel betriebenen Kältekreis, mit einem Kompressor (1), einem Gaskühler (2) sowie einem stromab des Expansionsventils (40) vorgesehenen Verdampfer (5), wobei das Expansionsventil (40) eine erste thermostatische Drucksteuereinrichtung zur Steuerung des Öffnungsquerschnitts des Expansionsventils und damit des Hochdrucks stromauf des Expansionsventils aufweist, wobei zur Steuerung des Hochdrucks stromauf des Expansionsquerschnitts (4.5) des Expansionsventils (40) eine zweite Drucksteuereinrichtung vorgesehen ist, die den Hochdruck stromauf des Expansionsquerschnitts (4.5) des Expansionsventils (40) beeinflusst.

Description

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

Claims

Expansionsventil für einen Kältekreis, insbesondere für einen mit Kohlendioxyd als Kältemittel betriebenen Kältekreis, mit einem Kompressor (1), einem Gaskühler (2), sowie einem stromab des Expansionsventils (40) vorgesehenen Verdampfers (5), wobei das Expansionsventil (40) eine erste thermostatische Drucksteuereinrichtung zur Steuerung des Öffnungsquerschnitts des Expansionsventils und damit des Hochdrucks stromauf des Expansionsventils aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung des Hochdrucks stromauf des Expansionsquerschnitts (4.5) des Expansionsventils (40) eine zweite Drucksteuereinrichtung vorgesehen ist, die den Hochdruck stromauf des Expansionsquerschnitts (4.5) des Expansionsventils (40) beeinflusst.
Expansionsventil nach Anspruch 1, wobei die zweite Drucksteuereinrichtung zusammen mit der ersten Drucksteuereinrichtung über das Ventilelement (4.4) auf den Öffnungsquerschnitt (4.5) des Expansionsventils (40) einwirkt.
Expansionsventil nach Anspruch 1 oder 2, wobei an einem Kraftübertragungselement (4.3) einer ersten Stelleinrichtung der ersten Drucksteuereinrichtung eine Druckfläche (41) angebracht ist, auf deren gegenüberliegenden Seiten durch einen vom Kältemittel durchströmten Drosselquerschnitt (42) eine Druckdifferenz (p₁–p₂) ausgebildet wird, welche eine zweite Stellkraft am Kraftübertragungselement (4.3) ergibt.
Expansionsventil nach Anspruch 3, wobei die Druckfläche (41) mit dem Kraftübertragungselement (4.3) in einem Drosselquerschnitt (42) verschiebbar ist.
Expansionsventil nach Anspruch 3, wobei die Druckfläche (41) mit dem Kraftübertragungselement (4.3) gelenkig verbunden und um eine Anlenkachse (44) in einem Drosselquerschnitt (42) kippbar ist.
Expansionsventil nach Anspruch 3, wobei die Druckfläche (41) mit dem oder um das Kraftübertragungselement (4.3) drehbar ist.
Expansionsventil nach Anspruch 6, wobei auf dem Umfang der Druckfläche (41) an gegenüberliegenden Stellen im Bereich von Durchtrittsöffnungen im Gehäuse des Expansionsventils Steuerflächen (41.1, 41.2) ausgebildet sind, die sich etwa längs des halben Umfangs der Druckfläche (41) erstrecken.
Expansionsventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Druckfläche (41) am Kraftübertragungselement (4.3) in einem Drosselquerschnitt (42) zwischen einer inaktiven und einer aktiven Stellung kippbar ist.
Expansionsventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zusätzlich zu dem ersten Drosselquerschnitt (42) der zweiten Drucksteuereinrichtung ein zweiter, zuschaltbarer Drosselquerschnitt (46) vorgesehen ist, der zusammen mit dem ersten Drosselquerschnitt (42) den Druckaufbau auf der Hochdruckseite des Expansionsventils beeinflusst.
Kältekreis, insbesondere ein mit Kohlendioxyd betriebener Kältekreis, der ein Expansionsventil (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist.
Verfahren zum Betreiben eines Kältekreises mit Kohlendioxyd als Kältemittel, umfassend einen Kompressor (1), einen Gaskühler (2), sowie einen stromab des Expansionsventils (40) angeordneten Verdampfer (5), wobei das Expansionsventil (40) eine erste thermostatische Drucksteuereinrichtung zur Steuerung des Öffnungsquerschnitts des Expansionsventils und damit des Hochdrucks stromauf des Expansionsventils bildet, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck stromauf des Expansionsventils (40) durch eine zweite Drucksteuereinrichtung so beeinflusst wird, dass er einem auslegungsgemäß optimalen Hochdruck entspricht.