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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Kältemittelkreises, der einen einem Kondensator nachgeschalteten Phasenseparator aufweist, sowie ein Expansionsventil für die Steuerung des Phasenseparators.
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Ein für ein Kraftfahrzeug vorgesehener Kältemittelkreis, der einen dem Kondensator nachgeschalteten Phasenseparator aufweist, von dem aus dampfförmiges Kältemittel im Mitteldruckbereich direkt dem Verdichter zugeführt wird, wird im Wärmepumpenbetrieb üblicherweise durch den Öffnungsgrad eines dem Phasenseparator vorgeschalteten Expansionsventils gesteuert. In Abhängigkeit von verschiedenen Parametern des Kältemittelkreises wie Druck und Temperatur wird der Öffnungsquerschnitt des Expansionsventils im Wesentlichen stufenlos eingestellt, wobei der Öffnungsquerschnitt des Expansionsventils auf der Basis der durch Sensoren festgestellten Parameter errechnet und durch eine entsprechende Einstelleinrichtung, wie z. B einen elektrischen Schrittmotor, in einer Vielzahl von Stellschziiten eingestellt wird. Bei dieser Einstellung des Expansionsventils wird mit relativ hohem Aufwand an Sensoren, Software für die Berechnung des einzustellenden Öffnungsgrades, elektrischem Schrittmotor und dafür ausgelegtem Expansionsventil eine gute Regelgenauigkeit erreicht
DE 696 29 881 T2 zeigt ein Beispiel eines solchen Kältemittelkreises.
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1 zeigt vereinfacht einen solchen Kältemittelkreis, der im Wärmepumpenbetrieb und im Kühlbetrieb arbeiten kann Einem Verdichter 1 ist ein innerer Kondensator 2 nachgeschaltet, wobei in der vom Kondensator 2 zu einem äußeren Wärmetauscher 4 führenden Kältemittelleitung 3 ein Phasenseparator 5 angeordnet ist. Von dem äußeren Wärmetauscher 4 führt die Kältemittelleitung 3 zu einem Verdampfer 6 und über einen Akkumulator 7 zurück zum Verdichter 1. Mit 8 ist ein fest eingestelltes Expansionsventil vor dem Verdampfer 6 bezeichnet 9 ist ein Zweiwegeventil in einer Verbindungsleitung 3,1, die das Expansionsventil 8 und den Verdampfer 6 im Wärmepumpenbetrieb umgeht..
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Im Wärmepumpenbetrieb arbeitet der Kondensator 2 als Heizer und der Außenwärmetauscher 4 als Verdampfer Hierbei trennt der Phasenseparator 5, der z.B als Zyklon-Separator ausgebildet sein kann, flüssiges und dampfförmiges Kältemittel, wobei das dampfförmige Kältemittel über eine Leitung 3a dem Verdichter 1 zugeführt bzw. in den Verdichter eingespritzt wird. Das flüssige Kältemittel strömt vom Phasenseparator 5 über die Leitung 3 zu dem Außenwärmetauscher 4. Vor dem Phasenseparator 5 ist ein Expansionsventil 10 angeordnet, mittels dem das vom Kondensator 2 kommende Kältemittel teilweise entspannt und dem Phasenseparator 5 zugeführt wird
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Das Expansionsventil 10 wird in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern des Kältemittelkreises durch einen elektrischen Schrittmotor in vielen Einstellschritten im Wesentlichen stufenlos bezüglich seines Öffnungsgrades eingestellt, um den jeweiligen Anforderungen des Kältemittelkreises gerecht zu werden. Hierbei muss das Expansionsventil 10 insgesamt in einem relativ weiten Bereich des Öffnungsgrades verstellt werden.
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In der Praxis geht die Tendenz dahin, eine Feineinstellung des Öffnungsgrades des Expansionsventils 10 durch die vorhandene aufwendige Steuer- und Regeleinrichtung vorzusehen, wobei verschiedene Parameter an unterschiedlichen Stellen des Kältemittelkreises bei der Einstellung des Öffnungsgrades berücksichtigt werden können..
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Die Erfindung geht davon aus, dass das Expansionsventil vor dem Phasenseparator insbesondere im Wärmepumpenbetrieb vor allem für zwei Hauptbetriebsarten gesteuert werden muss, eine erste Hauptbetriebsart für optimalen Wirkungsgrad (COP) und eine zweite Hauptbetriebsart für maximale Heizleistung.
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Versuche haben gezeigt, dass die Einstellwerte in den beiden Hauptbetriebsarten für unterschiedliche Umgebungstemperaturen und Heizlasterfordernisse jeweils in einem begrenzten Bereich liegen. 2 erläutert die Öffnungsbereiche des Expansionsventils, wobei auf der Abszisse der Öffnungsgrad durch die Anzahl der Einstellschritte des durch einen Schrittmotor gesteuerten Expansionsventils 10 gegenüber der Heizleistung und dem Wirkungsgrad COP wiedergegeben ist
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In der ersten Hauptbetriebsart für optimalen Wirkungsgrad liegt der Einstellbereich zwischen etwa 200 bis 350 Einstellschritten, also im Bereich eines kleineren Öffnungsquerschnitts des Expansionsventils, während in der zweiten Hauptbetriebsart für maximale Heizleistung ein Bereich von etwa 630 bis 700 Einstellschritten, also ein größerer Öffnungsquerschnitt erforderlich ist.
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Es wurde überraschenderweise gefunden, dass durch wenigstens eine Festeinstellung des Öffnungsquerschnitts des Expansionsventils in einer Hauptbetriebsarl insgesamt eine Leistung während des Betriebs des Kältemittelkreises erreicht wird, die nicht nennenswert schlechter ist als bei einer aufwendigen, anhand von internen Parametern des Kältemittelkreises im Wesentlichen stufenlosen Steuerung des Öffnungsgrads des Expansionsventils.
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DE 10 2012 206 357 A1 bezieht sich auf eine Kältemittelkreis-Einrichtung, welche einen Dampfkompressionns-Kaltemittelkreis verwendet, welcher für Fahrzeuge verwendet werden kann, wobei ein Mangel von Heizleistung eines benutzerseitigen Wärmetauschers für ein Fluid zum Wärmetausch in einer Kältemittelkreis-Einrichtung, die dazu geeignet ist, das interessierende Fluid unter Verwendung des benutzerseitigen Wärmetauschers zu erwärmen, reduziert werden soll. 1 liefen wird das Kreisgleichgewicht des Kältemittelkreises derart erreicht, dass der Kältemitteldruck innerhalb des benutzerseitigen Wärmetauschers erhöht wird. Die Temperatur des Abgabekältemittels aus dem Kompressor wird somit erhöht, was eine Temperaturdifferenz. zwischen dem Kältemittel, welches durch den benutzerseiligen Wännetauscher strömt, und dem Fluid zum Wärmetausch, welches in den benutzerseitigen Wärmetauscher strömt, vergrößern kann
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Die Erfindung ist in den unabhängigen Patentansprüchen 1, 7 und 11 angegeben.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Steuern eines Kältemittelkreises vorgesehlagen, der einen Verdichter, einen Kondensator sowie einen dem Kondensator nachgeschalteten Phesenseparator aufweist, der durch Verändern des Öffnungsquerschnids eines dem Phasenseparator vorgeschalteten Expanslnnsventils in einer ersten Hauptbetrlebsart und einer zweiten Hauptbetriebsart betrieben wird, wobei der Phasenseparatür in wenigstens einer der beiden Hauptbetriebsanen durch wenigstens einen fest vorgegebenen Öffnungsquerschnitt des Expansionsventil gesteuert wird.
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Erfindungsgemäß wird in zumindest einer der beiden Hauptbetriebsarten vorzugsweise in der für maximale Leistung, anstelle der Vielzahl von Einstellschritten in Abhängigkeit von internen Parametern des Kältemittelkreises wenigstens eine Festeinstetlung des Öffnungsquerschnitts des Expansionsveniils vorgegeben, sodass für diesen fest vorgegebenen bzw. voreingestellten Öffnungsquerschnitt der Aufwand für die Ermittlung der internen Parameter des Kältemittelkreises ses und eine stufenlose Verstellung des Öffnungsquerschnitts entfällt.
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Vorzugsweise wird das dem Phasenseparator vorgeschaltete Expansionsventil nur in Abhängigkeit von außerhalb des Kältemittelkreises vorliegenden Parametern gesteuert, für deren Ermittlung kein gesonderter Aufwand erforderlich ist. So können beispielsweise Temperatursensoren für die Umgebungstemperatur oder für die Luftaustrietstemperatur des Luftgebläses in der Fahrzeugkabine zum Umschaltein des Expansionsventils verwendet werden, die ohnehin vorhanden sind. Die fest vorgegebenen Öffnungsquerschnitte des Expansionsventils können auch durch Vorauswahl ausgewählt werden, Zwischen der ersten und der zweiten Hauptbetriebsart wird in Abhängigkeit von vorzugsweise außerhalb des Kältemittelkreislaufs ermittelten Parametern automatisch umgeschaltet.
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Zweckmäßiger weise wird in der einen Hauptbetriebsart der Durchtrittsquerschnitt des Expansionsventils durch ein mechanisch gesteuertes Ventil, insbesondere durch ein Thermostatventil gesteuert, während für die andere Hauptbetriebsart ein fest vorgegebener Durchtrittsquerschnitt des Expansionsventils verwendet wird.
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Hierbei kann in Verbindung mit einem mechanisch, z B thermostatgesteuerten Durchtrittsquerschnitt im Expansionsventil für eine Hauptbetriebsart, vorzugsweise für die erste Hauptbetriebsart für optimalen Wirkungsgrad, ein im Bypass dazu angeordneter fest eingestellter Durchtrittsquerschnitt für das Kältemittel in der zweiten Hauptbetriebsart vorgesehen werden, der durch ein Ventilelement absperrbar und freigebbar bzw abschaltbar und zuschaltbar ist.
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Nach einer anderen Ausführungsform wird für beide Hauptbetriebsarten jeweils zumindest ein fester Öffnungsgrad des Expansionsventils vorgegeben, einerseits für optimalen Wirkungsgrad des Kältemittelkreises und andererseits für maximale Heizleistung im Wärmepumpenbetrieb.
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Bei beiden Ausführungsformen kann der für die hochgenaue Steuerung durch interne Parameter des Kältemittelkreises erforderliche Aufwand entfallen und das stufenlos steuerbare Expansionsventil z.B. durch zwei Drosselventile ersetzt werden, die selbst einfach und kostengünstig gestaltet sind, sodass sich bei nur geringer Einbuße an Leistung des Kältemittelkreises eine beträchtliche Kostenersparnis ergibt Hinzu kommt, dass durch die erfindungsgemäße Umschaltung des Expansionsventils durch externe Parameter zwischen unterschiedlichen Durchtrittsquerschnitten ein robuster, wenig störanfälliger Aufbau der Steuerung möglich ist.
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Nach einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der zumindest eine fest vorgegebene Öffnungsquerschnitt des Expansionsventils in Abhängigkeit von außerhalb des Kältemittelkreises ermittelten Parametern während des Betriebs oder durch Vorauswahl ausgewählt werden Es können zumindest für eine der beiden Hauptbetriebsarten mehrere fest vorgegebene Durchtrittsquerschnitte des Expansionsventils für die Steuerung des Phasenseparators vorgesehen werden, auf die das Expansionsventil während des Betriebs anhand von externen Parametern umgeschaltet wird. Beispielsweise können für eine der beiden Hauptbetriebsarten oder für beide zwei bis fünf unterschiedliche Öffnungsquerschnitte vorgegeben werden, zwischen denen das Expansionsventil umschaltbar ist. Bei einer solchen Ausführungsform des Expansionsventils mit mehreren fest vorgegebenen Öffnungsquerschnitten in zumindest einer der beiden Hauptbetriebsaiten kann die Auswahl des jeweiligen Öffnungsquerschnitts beispielsweise in Abhängigkeit von der ermittelten Umgebungstemperatur vorgenommen werden, die z B den Bereich < - 10° C bis > 5° C umfasst
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Die Umschaltung zwischen den verschiedenen Öffnungsquerschnitten des Expansionsventils kann während des Betriebs erfolgen, wenn beispielsweise bei der Hauptbetriebsart für optimalen Wirkungsgrad die erforderliche Heizleistung nicht erreicht wird, oder es kann vor Inbetriebnahme des Kältemittelkreises in Abhängigkeit von vorgegebenen Grenzwerten eine Vorwahl getroffen werden, z.B. wenn die Umgebungstemperatur unter einem Grenzwert liegt, sodass vor Betrieb des Kältemittelkreises auf maximale Heizleistung geschaltet wird
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Das Umschalten in den maximalen COP-Betriebsmodus kann insbesondere automatisch in Abhängigkeit von der erfassten Luftaustrittstemperatur der Klimaanlage und/oder der Innentemperatur der Fahrerkabine erfolgen, Ein Umschalten in die andere Richtung kann automatisch oder auch manuell erfolgen
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Durch die Festeinstellung mehrerer Öffnungsquerschnitte des Expansionsventils in den Hauptbetriebsarten kann nicht nur das Expansionsventil selbst relativ einfach und kostengünstig ausgebildet werden, es entfallen auch Sensoren für die Ermittlung der internen Parameter des Kältemittelkreises sowie der Aufwand für den Antrieb eines Schrittmotors, der allein vier bis fünf Versorgungskabel benötigt, sowie für eine aufwendige Steuereinrichtung mit Soft- und Hardware.
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Insgesamt ergibt sich durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung eine wesentliche Kostenersparnis durch die Reduktion und Vereinfachung des Steueraufwandes, wobei nur eine sehr geringe Einbuße an Leistung in Kauf zu nehmen ist. Die maximale Leistungseinbuße im Vergleich zum ideal geregelten Kältemittelkreislauf nach dem Stand der Technik mit Feinregelung beträgt maximal 4 %. Durch Toleranzen der Sensoren und durch verzögerte Nachsteuerung seitens des Steuergerätes werden auch mit der Regelung nach dem Stand der Technik die idealen theoretisch erreichbaren Weite nicht erreicht. Diese Tatsache mindert die Leistungseinbuße der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Kältemittelkreises im Vergleich zum realen Kältemittelkreis nach dem Stand der Technik mit Feinregelung.
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Die Erfindung wird beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert Es zeigen
- 1 eine schematische Darstellung eines bekannten Kältemittelkreises mit einem Phasenseparator,
- 2 eine graphische Darstellung des Öffnungsgrades des Expansionsventils bei Hauptbetriebsarten des Kältemittelkreises,
- 3 schematisch eine Ausführungsform mit einem zusätzlichen Durchtrittsquerschnitt für das Kältemittel im Expansionsventil,
- 4 eine mögliche Ausführungsform eines Expansionsventils nach 3,
- 5 ein thermostatgesteuertes Expansionsventil in zwei Schaltstellungen in 5a und 5b,
- 6 eine weitere Ausführungsform eines Expansionsventils mit einer zusätzlich möglichen Schaltstellung,
- 7 eine andere Bauform des Expansionsventils mit drei Schaltstellungen,
- 8 eine Abwandlung der Bauform nach 7,
- 9 eine weitere Ausführungsform des Expansionsventils mit drei Schaltstellungen, und
- 10 eine abgewandelte Bauform eines Expansionsventils nach 9 mit einer weiteren Schaltstellung
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3 zeigt schematisch eine einfache Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Expansionsventils 10, wobei in der Kältemittelleitung 3 ein einfach gestaltetes Drossel- bzw. Expansionsventil 10a mit einem fest vorgegebenen Öffnungsquerschnitt angeordnet ist, und in einer Bypassleitung 3.2, die das Expansionsventil 10a umgeht, ein weiteres Drossel- bzw., Expansionsventil 10b mit einem anderen, fest vorgegebenen Öffnungsquerschnitt angeordnet ist, der durch eine einfache elektrische Umschalteinrichtung 11 geöffnet und geschlossen werden kann
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Der Durchtritts- bzw. Öffnungsquerschnitt des Expansionsventils 10a ist z B. so ausgelegt, dass bei geschlossenem Expansionsventil 10b in der Bypassleitung 32 der Kältemittelkreis mit hohem Wirkungsgrad COP im Wärmepumpenbetrieb arbeitet Wenn der Kältemittelkreis zur Erzielung einer maximalen Heizleistung im Wärmepumpenbetiieb arbeiten soll, wird das Expansionsventil 10b in der Bypassleitung geöffnet, sodass sich ein insgesamt größerer Öffnungsquerschnitt in der Kältemittelleitung 3 vor dem Phasenseparator 5 ergibt. Für die Umschaltung zwischen den beiden Hauptbetriebsarten bedarf es somit lediglich des Zu- oder Abschaltens des zusätzlichen Expansionsventils 10b in der Bypassleitung 3,2 Die Umschaltung des Expansionsventils 10 kann beispielsweise in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur oder der Temperatur in der Fahrgastzelle erfolgen, die von einer vorgegebenen Zieltemperatur abweicht. Hierbei handelt es sich um Temperatursensoren, die ohnehin vorhanden sind und für die Steuerung des Expansionsventils 10 nicht zusätzlich vorgesehen werden müssen
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Wie schematisch in 3 angedeutet, können die beiden Expansionsventile 10a und 10b in einem gemeinsamen Gehäuse 12 untergebracht sein.
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4 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines Expansionsventils 10 entsprechend dem Schema in 3, wobei ein erster Durchtrittsquerschnitt 101 entsprechend dem Expansionsventil 10a als fest vorgegebener Öffnungsquerschnitt ohne Ventilelement zum Öffnen und Schließen ausgebildet ist, während im Bypass entsprechend dem Expansionsventil 10b in 3 ein durch eine stromdurchflossene Spule 11 betätigbarer Ventilkörper 11.1 einen zweiten Durchtrittsquerschnitt 102 im Gehäuse 12 freigeben oder verschließen kann.
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Zur Erhöhung der Effizienz kann auch ein thermostatisch geregeltes Ventil zur Regelung der Unterkühlung parallel zu einer verschließbaren Drosselöffnung im Expansionsventil vorgesehen werden, Um eine erhöhte Anlageneffizienz zu gewährleisten, wird die zusätzliche Drosselöffnung geschlossen gehalten. Ist dagegen höchste Heizleistung gefordert, so kann die zusätzliche Drosselöffnung freigegeben werden,
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5 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines Expansionsventils 10.1 mit zwei unterschiedlichen Durchtrittsquerschnitten 101 und 102, wobei der erste Durchtrittsquerschnitt 101 für optimalen Wirkungsgrad (COP) durch ein Thermostatventil 1.3 gesteuert wird, das durch externe Parameter bzw. durch ohnehin vorhandene Sensoren gesteuert wird und einen handelsüblichen, kostengünstigen Aufbau hat. Hierdurch wird in der Schaltstellung der 5a, in der der zweite Durchtrittsquerschnitt 102 geschlossen ist, im Wärmepumpenbetrieb ein optimaler Wirkungsgrad erreicht. Die zweite Durchtrittsöffhung 102 wird durch das Ventilelement 11,1 entsprechend 3 beispielsweise durch eine Spule 11 geöffnet und geschlossen, wobei die zweite Durchtrittsöffhung 102 parallel bzw im Bypass zur ersten Durchtrittsöffnung 101 in dem Gehäuse 12 ausgebildet ist.
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5a zeigt den ersten Durchtrittsquerschnitt 101 in teilweise geöffneter Stellung, während der zweite Durchtrittsquerschnitt 102 geschlossen ist.
In der Stellung der 5b ist der erste Durchtrittsquerschnitt 101 geschlossen und der zweite Durchtrittsquerschnitt 102 offen, um aufgrund des unterschiedlichen bzw. größeren Durchtrittsquerschnitts eine hohe Heizleistung des Kältemittelkreises zu erreichen
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Nach einem Ausführungsbeispiel kann das Expansionsventil so ausgebildet werden, dass in einem einen Durchtrittsquerschnitt absperrenden oder freigebenden Ventilkörper eine Durchtrittsbohrung ausgebildet wird, die absperrbar und freigebbar ist.
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6 zeigt schematisch eine solche Ausführungsform eines Expansionsventils 10.2, bei dem der zweite Durchtrittsquerschnitt 102 in einem Ventilkörper 14 ausgebildet ist. 6a entspricht der Stellung des Expansionsventils in 4, in der der erste Durchtrittsquerschnitt 101 offen und der zweite Durchtrittsquerschnitt 102 im Bypass geschlossen ist. Bei der Ausführungsform nach 6 bildet die im Ventilkörper 14 vorgesehene Querbohrung 14.1 den zweiten Durchtrittsquerschnitt 102, der durch einen Zapfen 15.1 am Magnetkern 15 absperrbar ist, wie 6a zeigt
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Vorzugsweise wird als Ventilbetätigungseinrichtung eine zweistufige Spule 16 mit einer ersten Wicklung 16 1 und einer zweiten Wicklung 16.2 vorgesehen, die getrennt angesteuert werden können Der Magnetkern 15 der Spule 16 betätigt über eine Feder 17 den Ventilkörper 14, der mit der zweiten Durchtrittsöffhung 102 versehen ist, die durch den Zapfen 15.1 am Magnetkern 15 in Abhängigkeit vom Kompressionsgrad der Feder 17 geöffnet oder geschlossen werden kann
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6b zeigt die Stellung, in der die Wicklung 16.2 den Kern 15 mit einer ersten Kraft in die Schließstellung des Ventilkörpers 14 bewegt, in der die Feder 17 nicht oder nicht wesentlich komprimiert wird, sodass der Ventilkörper 14 an einem Durchtrittsquerschnitt 103 im Gehäuse 12 anliegt, während der zweite Durchtrittsquerschnitt 102 im Ventilkörper 14 selbst noch offen ist
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6a zeigt die maximale Schließstellung, in der die erste Wicklung 16.1 mit Spannung beaufschlagt wird, sodass der Magnetkern 15 unter Kompression der Feder 17 weiter nach unten bewegt wird, in der der Zapfen 15.1 an dem Kern 15 auch den zweiten Durchtrittsquerschnitt 102 im Ventilkörper 14 absperrt
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6c zeigt das Expansionsventil 10.2 in einer zusätzlichen dritten Schaltstellung, in der die beiden Wicklungen 16.1 und 16.2 nicht mit Spannung beaufschlagt werden, sodass sich der Magnetkern 15 in einer Stellung zwischen den beiden Wicklungen befindet, in der der Ventilkörper 14 von dem großen Durchtrittsquerschnitt 103 im Gehäuse 12 abgehoben ist. In der Schaltstellung der 6c ist zusätzlich zu dem ersten Durchtrittsquerschnitt 101 der große Durchtrittsquerschnitt 103 im Bypass offen, sodass die Wirkung des Expansionsventils 102 auf den Kältemittelkreis aufgehoben ist und dieser im maximalen Kältebetrieb arbeiten kann.
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7 zeigt eine andere Ausführungsform eines dreistufigen Expansionsventils 10.3, wobei ein zylindrischer Ventilkörper 18 mit unterschiedlichen Umfangsnuten in einem Gehäuse 12 vorzugsweise gegen die Kraft von Federn 19 und 20 längs seiner Achse verstellbar ist, die auf gegenüberliegenden Seiten des Ventilkörpers 18 angeordnet sind, sodass die einzelnen Umfängsnuten mit der durch das Gehäuse 12 führenden Leitung 3 ausgerichtet werden können, die durch Öffnungen 12.1 und 12.2 in dem schematisch als Zylinder wiedergegebenen Gehäuse 12 dargestellt sind. Der Ventilkörper 18 kann durch eine schematisch angedeutete Spule 11 verstellt werden, wobei in 7a eine erste Umfangsnut 18.1 mit dem geringsten Querschnitt mit den Öffnungen 12.1 und 12.2 ausgerichtet ist.
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Die Umfangsnut 18.1 mit dem geringsten Querschnitt entspricht dem Durchtrittsquerschnitt 101 in den vorausgehenden Ausführungsformen, der für einem Wärmepumpenbetrieb mit optimalem Wirkungsgrad COP ausgelegt ist.
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7b zeigt die Ausrichtung der Umfangsnut 18.2 mit einem mittleren Querschnitt und 7c die Ausrichtung der Umfängsnut 18.3 mit dem größten Querschnitt mit den Durchtrittsöffnungen 12.1 und 12.2 im Gehäuse 12
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Bei dieser Ausführungsform nach 7 dienen die beiden kleineren Durchtrittsquerschnitte der Umfangsnuten 18.1 und 18.2 für die unterschiedlichen Hauptbetriebsarten beim Wärmepumpenbetrieb, während die Schaltung in 7c mit maximalem Durchtrittsquerschnitt der Umfangsnut 16.3 für hohe Kühlleistung ausgelegt ist. In dieser Schaltstellung umgeht die Kühlmittelleitung 3 das in Form der Umfangsnuten 18.1 und 18.2 ausgebildete Expansionsventil
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Eine abgewandelte Ausführungsform 10.4 des Expansionsventils 103 in 7 ist in 8 in den drei Schaltstellungen wiedergegeben, wobei der Ventilkörper 18' selbst mit einer Durchtrittsbohrung 21 längs seiner Achse versehen ist, die mit den zwei Umfangsnuten 18.1 und 18 2 mit kleinem und mittleren Querschnitt über radiale Bohrungen in Verbindung steht, während die im Gehäuse 12 vorgesehenen Durchtrittsöffnungen 12.1 und 12.2 mit maximalem Durchtrittsquerschnitt entsprechend dem der Kältemittelleitung 3 ausgelegt sind. In der Stellung der 8c sind die im Gehäuse 12 vorgesehenen Durchtrittsbohrungen vom Ventilkörper 18' nicht abgedeckt, sodass sich der maximale Durchtrittsquerschnitt entsprechend dem der Leitung 3 ergibt. In der Stellung der 8b ist die Umfangsnut 18.2 mit mittlerem Querschnitt mit der Austrittsöffnung 12.2 im Gehäuse 12 ausgerichtet, sodass das hindurchströmende Kältemittel durch den Querschnitt der Umfangsnut 18.2 entspannt wird.
In 8a ist die Umfangsnut 18.1 mit kleinstem Querschnitt mit der Austrittsöffnung 12.2 am Gehäuse 12 ausgerichtet,
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Bei den Ausführungsformen in 7 und 8 wird durch die den Ventilkörper 18 bzw 18' beaufschlagenden Federn 19 und 20 die in 7b und 8b wiedergegebene Ventilstellung erreicht, in der die Spule 11 spannungslos geschaltet ist Durch Pfeile und F ist die Kraftrichtung wiedergegeben, durch die die Spule 11 bei Beaufschlagung mit positiver und negativer Spannung den Ventilkörper 18 bzw. 18' verstellt.
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In 8 ist die Austrittsöffnung 12.2 am Gehäuse 12 größer ausgebildet, damit bei verringertem Stellweg des Ventilkörpers 18' eine Ausrichtung mit den Umfangsnuten am Ventilkörper möglich ist
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9 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Expansionsventils 10.5 mit einem zylinderförmigen Ventilkörper 22, der in dem Gehäuse 12 relativ zu einer Durchtrittsöffhung 23 im Gehäuse 12 um seine Achse verdrehbar ist
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Die obere Reihe der 9a bis 9c zeigt eine Draufsicht auf das Ventil in der darunter angeordneten Schnittansicht der 9a' bis 9c'. Der zylindrische, durch eine nicht dargestellte Stelleinrichtung verdrehbare Ventilkörper 22 weist drei in unterschiedlichen Winkelstellungen zueinander verlaufende Durchtrittsbohrungen 22.1, 22.2 und 22.3 unterschiedlichen Querschnitts quer zu seiner Achse auf Die Durchtrittsbohrung 22,3 mit maximalem Querschnitt ist in 9c mit dem Durchtrittsquerschnitt 24 im Gehäuse 12 ausgerichtet, während die beiden anderen Durchtrittsbohrungen 22 1 und 22 2 geschlossen sind. Diese Stellung in 9c entspricht den Ventilstellungen in 7c und 8c, in denen der Durchtrittsquerschnitt der Kältemittelleitung 3 durch das Expansionsventil nicht behindert wird. In entsprechender Weise entsprechen die Ventilstellungen in 9a und 9b den Ventilstellungen in 7a und 7b bzw 8a und 8b. In der um 60° verdrehten Stellung der 9b ist die Durchtrittsbohrung 22.2 mit mittlerem Querschnitt mit dem Durchtrittsquerschnitt 24 des Gehäuses 12 ausgerichtet, während die beiden Durchtrittsbohrungen 22.3 und 22.1 mit maximalem und minimalem Querschnitt geschlossen sind. In der um weitere 60° verdrehten Stellung der 9a ist die Durchtrittsbohrung 22.1 mit minimalem Querschnitt mit dem Durchtrittsquerschnitt 24 ausgerichtet, während die Durchtrittsbohrungen 22.3 und 22.2 mit maximalem und mittlerem Querschnitt geschlossen sind
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Eine Abwandlung des in 9 wiedergegebenen Expansionsventils 10.5 ist in 10 mit 10.6 bezeichnet, wobei wiederum die obere Reihe eine Draufsicht auf den in dem Gehäuse 12 verdrehbaren zylindrischen Ventilkörper 22 zeigt, der in der unteren Reihe im Schnitt längs seiner Achse wiedergegeben ist. Bei dieser Ausführungsform ist durch die unterschiedliche Ausrichtung der Durchtrittsborhungen 22.1 bis 22.3 bei geringeren Winkelabständen voneinander im Ventilkörper 22 zusätzlich eine Schließstellung des Ventils 10.5 möglich, wie sie in 10d wiedergegeben ist, in der alle drei Durchtrittsbohrungen 22.1 bis 22.3 im Ventilkörper 22 in der dargestellten Relativstellung zum Gehäuse 12 geschlossen sind. Die jeweils um 45° relativ zueinander verstellten Stellungen in 10a bis 10c entsprechen den Stellungen in 9a bis 9c
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Die Schließstellung in 10d kann beispielsweise für Instandhaltungs- oder Reparaturmaßnahmen am Kältekreis verwendet werden.
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Die wiedergegebenen Ausführungsformen eines Expansionsventils 10 bis 10.6 mit unterschiedlichen, fest vorgegebenen Durchtrittsquerschnitten stellen jeweils eine einfach herzustellende Ventilform dar. Es ist aber auch möglich, weitere Bauformen eines Expansionsventils 10 für den erfindungsgemäßen Kältemittelkreis zu verwenden, bei dem anstelle eines während des Betriebs stufenlos oder durch einen Schrittmotor in vielen kleinen Stufen verstellbaren Expansionsventils ein Expansionsventil verwendet wird, das zwei oder mehrere unterschiedliche, fest vorgegebene Durchtrittsquerschnitte für die Steuerung des Kältemittelkreises aufweist, auf die während des Betriebs oder durch Vorauswahl umgeschaltet wird
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Beispielsweise kann in einem Expansionsventil mit vorgegebenem größerem Durchtrittsquerschnitt 102 eine Blende vorgesehen werden, die bei Umschaltung auf die andere Hauptbetriebsart in den Durchtrittsquerschnitt 102 eingeschoben wird und den kleineren Durchtrittsquerschnitt 101 aufweist, sodass durch Verschieben der Blende eine Umschaltung zwischen unterschiedlich großen Durchtrittsquerschnitten 101 und 102 möglich ist. Bei einer solchen Ausgestaltung sind die unterschiedlichen Durchtrittsquerschnitte in der einen Schaltstellung in Reihe und nicht im Bypass angeordnet.
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Die Erfindung ist anhand von fest vorgegebenen Durchtrittsquerschnitten im Expansionsventil 10 beschrieben. Es ist aber auch möglich, die wenigstens zwei unterschiedlichen Durchtrittsquerschnitte einstellbar hinsichtlich ihres Öffnungsgrades auszubilden, wobei nach einer vor Inbetriebnahme des Kältemittelkreises vorgenommenen Einstellung diese während des dynamischen Betriebs des Kältemittelkreises nicht mehr verändert wird. Mit anderen Worten ist bei einer solchen Ausgestaltung nur die Größe des fest vorgegebenen Durchtrittsquerschnitts vor Inbetriebnahme des Kältekreises einstellbar.
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Es wurden Ausführungsformen eines Expansionsventils mit im Wesentlichen zwei unterschiedlichen Durchtrittsquerschnitten für die Steuerung der Hauptbetriebsarten im Wärmepumpenbetrieb beschrieben, es ist aber auch möglich, mehr als zwei unterschiedliche Durchtrittsquerschnitte für die Steuerung des Kältemittelkreises vorzusehen, insbesondere bei einer Ausführungsform eines Expansionsventils nach den 7 bis 10, wobei durch eine größere Anzahl von Umfangsnuten am Ventilkörper 18 bzw. Durchtrittsbohrungen am Ventilkörper 22 weitere Bereiche einer Hauptbetriebsatt eingestellt werden können
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Bei einer Ausführungsform mit einer Blende, wie oben beschrieben, können auch zwei oder mehr Blenden mit unterschiedlichen Durchtrittsquerschnitten vorgesehen werden, um verschiedene Öffnungsquezschnitte einzustellen.
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In der Praxis kann eines der beschriebenen Expansionsventile mit dem Phasenseparator zu einem Bauteil kombiniert werden.
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Der Kältemittelkreis kann automatisch und/oder manuell in Abhängigkeit von außerhalb des Kältemittelkreises gemessenen Temperaturen gesteuert werden,
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Bei einem Ausführungsbeispiel kann ein Öffnungsquerschnitt A1 im Expansionsventil 10 für maximale Heizleistung und es können beispielsweise drei Öffnungsquerschnitte B1 bis B3 für maximalen Wirkungsgrad vorgegeben werden. Als Schwellwerte zur Auswahl der drei Öffnungsquerschnitte für maximalen COP können z.B. Temperaturwerte von - 10° C und + 5° C vorgesehen werden,
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Bei einer solchen in einem Kraftfahrzeug eingebauten Klimaanlage können verschiedene Einstellvorgänge vorgegeben werden
- - Wenn z.B ein Fahrer bei - 15° C in das Fahrzeug einsteigt, kann er den Öffnungsquerschnitt A1 für maximale Heizleistung entweder durch automatische Vorwahl oder durch manuelle Vorwahl mittels eines Schalters einstellen,
- - Auch kann beim Starten des Fahrzeugs nach Messung der Außentemperatur durch das Außenthermometer der Öffnungsquerschnitt B 3 automatisch vorausgewählt werden, worauf der Fahrer die Solltemperatur in der Fahrerkabine einstellen kann. Darauf wird der Temperaturverlauf in der Fahrerkabine und die Luftaustrittstemperatur der Klimaanlage mit der Solltemperatur verglichen. Wenn nach festgelegten Entscheidungskriterien, beispielsweise nach Ablauf von z B einer Minute, die Differenz zur Solltemperatur immer noch einen Grenzwert von z.B. 3° C übersteigt, kann automatisch der Öffnungsquerschnitt A1 für maximale Heizleistung ausgewählt werden,
- - Nach einer anderen möglichen Steuereinstellung kann bei einer Außentemperatur von + 6° C bei Fahrbeginn der Öffnungsquerschnitt B1 für maximalen COP ausgewählt werden
- - Bei einer weiteren Einstellung wird der Öffnungsquerschnitt B3 für maximalen COP ausgewählt, wenn bei einer Außentemperatur von - 15° C die Innentemperatur durch das Innenthermometer erfasst und beispielsweise aufgrund von Sonneneinstrahlung eine relativ hohe Innentemperatur gemessen wird.
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Auf diese Weise kann in Abhängigkeit von der Außentemperatur und/oder der Innentemperatur in der Fahrerkabine eine Anpassung der Klimaanlage an die verschiedenen Erfordernisse in einfacher Weise vorgenommen werden, ohne dass eine aufwendige Überwachung des Kältemittelkreises selbst erforderlich ist,
