DE102019123114B3 - Vorrichtung und Verfahren zum Regeln des Durchflusses eines Kältemittels in einem Kältemittelkreislauf - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Regeln des Durchflusses eines Kältemittels in einem Kältemittelkreislauf (1), insbesondere zum Anpassen eines Ansaugvolumens eines Verdichters (2), welcher mit mindestens einem Druckventil (3a) mit einem Ventilkörper (15) und mindestens einem Saugventil (3b) ausgebildet ist. Die Vorrichtung weist eine Steuervorrichtung (7) zum Bereitstellen des Kältemittels auf einem Steuerdruckniveau auf. Dabei ist ein Volumen einer mit Kältemittel auf dem Steuerdruckniveau beaufschlagten Kammer (23) der Steuervorrichtung (7) über eine erste Verbindungsleitung (10) mit einem Volumen einer Steuerkammer (8) des Druckventils (3a) zum Aufbringen des Steuerdruckes auf den Ventilkörper (15), eine zweite Verbindungsleitung (11) mit einem mit Kältemittel auf einem Hochdruckniveau beaufschlagten Volumen des Kältemittelkreislaufs (1) sowie eine dritte Verbindungsleitung (12) mit einem mit Kältemittel auf einem Niederdruckniveau beaufschlagten Volumen des Kältemittelkreislaufs (1) verbunden. Zudem ist das Volumen der Kammer (23) der Steuervorrichtung (7) durch ein elastisch verformbar ausgebildetes Trennelement (22) begrenzt.Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Regeln des Durchflusses eines Kältemittels in einem Kältemittelkreislauf (1) mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Regeln des Durchflusses eines Kältemittels in einem Kältemittelkreislauf, insbesondere zum Anpassen eines Ansaugvolumens eines Verdichters beziehungsweise einer Leistung eines als Verdampfer betriebenen Wärmeübertragers. Der Verdichter ist mit einer Steuervorrichtung zum Bereitstellen des Kältemittels auf einem Steuerdruckniveau verbunden.
• Bei gattungsgemäßen Hubkolbenmaschinen zum Verdichten eines Arbeitsmediums, beispielsweise eines Kältemittels in einem Kältemittelkreislauf einer Kälteanlage, wird zum Übertragen von Arbeit die Drehbewegung einer Welle in eine oszillierende, lineare Bewegung mindestens eines in einem Zylinder angeordneten Kolbens umgewandelt. Durch die oszillierende, lineare Bewegung des innerhalb des Zylinders angeordneten Kolbens wird eine Volumenänderung eines Arbeitsraums und damit des im Arbeitsraum eingeschlossenen Kältemittels erzeugt, wobei das Kältemittel verdichtet wird. Der durch den Kolben und die Zylinderwandung umschlossene Arbeitsraum wird mit Hilfe von Ventilen geöffnet und geschlossen.
  Über die Stellungen der Ventile werden das Einströmen des Kältemittels in den Arbeitsraum und das Ausströmen des Kältemittels aus dem Arbeitsraum der Hubkolbenmaschine gesteuert. Die Ventile werden dabei beispielsweise durch Druckunterschiede des Kältemittels im Arbeitsraum und in einer Niederdruckleitung oder einer Hochdruckleitung betätigt. Bei einer Kompressionsmaschine werden die Ventile herkömmlich durch Druckunterschiede des Kältemittels zwischen dem Arbeitsraum und der Saugleitung oder der Druckleitung geöffnet oder geschlossen.
  Im Arbeitsraum wird das durch ein Saugventil eingeströmte gasförmige Kältemittel auf ein Druckniveau oberhalb des Hochdruckes verdichtet. Ein selbsttätiges Druckventil wird geöffnet und das verdichtete Kältemittel strömt durch eine Ausstromöffnung aus. Bei sehr hohen Widerstandskräften am Druckventil wird das Kältemittel vor dem Ausströmen aus dem Arbeitsraum übermäßig verdichtet, was eine höhere Verdichterleistung und damit eine höhere Leistungsaufnahme der Kälteanlage verursacht. Wenn das Druckventil mit einer zu geringen Rückstellkraft ausgebildet ist, könnte das Ventil nach dem Ausströmen des Kältemittels verspätet schließen und ein Teil des verdichteten Kältemittels in den Arbeitsraum zurückströmen. Dabei ist das Druckventil herkömmlich derart abgestimmt, dass beim Erreichen des minimalen Volumens im Arbeitsraum der Arbeitsraum verschlossen ist.
• Da Kälteanlagen stets auf einen bestimmten Betriebspunkt ausgelegt sind, welcher je nach Anwendungsgebiet jedoch lediglich zu geringen Anteilen im zeitlichen Jahresverlauf auch vorherrscht, ist die Leistung des Kältemittelverdichters an die jeweils erforderliche Kälteleistung anzupassen. Für das Anpassen der Kälteleistung, das heißt der Wärmeleistung am als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager des Kältemittelkreislaufs, sind herkömmlich verschiedene Möglichkeiten bekannt.
  Eine erste, sehr einfach umzusetzende Möglichkeit zum Anpassen der Kälteleistung stellt die Ein/Aus-Regelung dar. Dabei wird der Verdichter bei Erreichen eines unteren Temperaturschwellwertes ausgeschaltet und bei Erreichen eines oberen Temperaturschwellwertes wieder eingeschaltet. Bei mehreren parallel im Kältemittelkreislauf betriebenen Verdichtern, kann auch das Abschalten einzelner Verdichter zu einem stufenweisen Absenken der Leistung dienen.
  Zudem kann die Kälteleistung auch durch eine Änderung der Drehzahl des Verdichters, auch als Drehzahlregelung bezeichnet, an die jeweiligen Erfordernisse angepasst werden. Dabei wird die Drehzahl beispielsweise mittels eines Frequenzumrichters stufenlos beziehungsweise über einen polumschaltbaren Motor oder bei sogenannten offenen Verdichtern über ein im Antriebsstrang angeordnetes Getriebe stufenweise verändert.
  Als weitere Möglichkeiten zum Anpassen der Leistung, insbesondere durch das Anpassen des Förderstroms des Kältemittels, sind das Saugleitung-Drosseln beziehungsweise das Saugleitung-Absperren, das stufenlose oder stufenweise Zuschalten von Schadraum, das Abschalten einzelner Zylinder, das Variieren des Ventilhubs und die Bypass-Regelung bekannt.
• Da die Prozessbedingungen lediglich sehr geringe Abweichungen vom entsprechenden Betriebspunkt zulassen, ist das stufenweise Anpassen der Kälteleistung in herkömmlichen Kälteanlagen jedoch nicht denkbar. Einen sehr geringen Aufwand an der Kälteanlage oder dem Verdichter erfordernde Konzepte sind entweder energetisch nicht hinreichend effizient oder bieten keine hinreichend genaue Regelbarkeit.
  Mit einem Frequenzumrichter ausgebildete drehzahlgeregelte Verdichter können zwar mit einer höheren energetischen Effizienz und einer breiten Variation über den Lastbereich betrieben werden, sind jedoch mit einem erhöhten materiellen und finanziellen Aufwand verbunden.
• Als eine weitere alternative Möglichkeit zum Anpassen der Kälteleistung ist das Offenhalten der im Verdichter selbsttätig gesteuerten Ventile über den eigentlichen Schließpunkt hinaus zu nennen, welche insbesondere aus der Anwendung von Prozessgasverdichtern bekannt ist. Dabei strömt ein Anteil des Kältemittels in zur ursprünglichen Durchflussrichtung entgegengesetzten Richtung, um den tatsächlich geförderten Massenstrom des Kältemittels zu verringern. Ein derartiges Manipulieren ist beispielsweise mittels der Ausbildung zusätzlicher Abhebevorrichtungen insbesondere für das Saugventil bekannt. Für ein Betätigen der zumeist hydraulisch oder elektromagnetisch betriebenen Abhebevorrichtungen ist zusätzlich eine externe Energiequelle vorzusehen. Zudem ist das Offenhalten der Saugventile in Kältemittelverdichtern prozessbedingt ungünstig, da das rückströmende Gas zu einer Erhöhung der Verdichtungsendtemperatur führt.
  Des Weiteren ist das Offenhalten der Druckventile in Verbindung mit dem Abhebekonzept der Ventilelemente über einen sogenannten Niederhalter nicht umsetzbar, da die erforderliche Aktoreinheit innerhalb des Arbeitsraums des Verdichters anzuordnen wäre. Mit der das Ventil offenhaltenden Abhebevorrichtung wird der Ventilkörper aus einem abdichtenden Ventilsitz herausgedrückt. Zum einen ist ein Anziehen des Ventilkörpers an den Ventilsitz mit der Abhebevorrichtung nicht möglich. Zum anderen öffnet der Ventilkörper eines Druckventils in einer vom Arbeitsraum wegweisenden Richtung, sodass auch der Niederhalter den Ventilkörper in der vom Arbeitsraum wegweisenden Richtung drücken müsste.
• In der DE 10 2015 114 225 A1 wird ein Ventil zur Regelung des Durchflusses eines Arbeitsmediums in einer Vorrichtung zur Expansion und Kompression mit einer Ventilkammer, einem in einer Zylinderplatte beweglich angeordneten zylinderförmigen Ventilkörper zum Öffnen und Schließen eines Strömungsquerschnitts für das Arbeitsmedium zwischen einem Arbeitsraum der Vorrichtung und der Ventilkammer offenbart. Die Vorrichtung ist mit einer Möglichkeit zum Offenhalten des Druckventils ausgebildet, wobei ein Steuerdruck mit Hilfe eines elektromagnetisch betätigten Schieberventils zwischen zwei unterschiedlichen Druckniveaus alterniert. Es wird ausschließlich Hochdruckniveau oder Niederdruckniveau verwendet.
  Die derartig elektromagnetisch betätigten Schieberventile sind lediglich stufenweise steuerbar und nicht für die bei der Anwendung in Kältemittelverdichtern notwendigen hohen Schaltfrequenzen geeignet. Zudem ist die Ausbildung der elektrischen Steuerung sehr aufwendig.
• Aus der US 2002 0141884 A1 geht ein Auslasssystem mit einem variablen Abstand für Hubkolbenverdichter hervor. Das System weist eine Ventilanordnung zum Auslassen des Arbeitsmediums aus dem Arbeitsraum mit einem Ventilelement auf. Das Ventilelement wird durch Anpassen eines Steuerdruckes geöffnet und geschlossen, welcher mittels eines in Reihe mit einer Druckquelle geschalteten Druckreglers über einen Verteiler gegen einen Stößel des Ventilelements wirkt. Wenn der innerhalb des Arbeitsraums erzeugte und auf Köpfe der Ventilelemente wirkende Druck den auf die Stößel der Ventilelemente wirkenden Steuerdruck übersteigt, öffnen sich die Ventilelemente selbsttätig und das Arbeitsmedium strömt zumindest teilweise aus dem Arbeitsraum aus. Dabei wird mit dem Auslasssystem ein schädlicher Raum im Zylinder, auch als Schadraum bezeichnet, geregelt, welcher aufgrund der Konstruktion des Verdichters sehr groß ist. Mit der Schadraumregelung wird insbesondere die Rückexpansion des zuvor verdichteten Kältemittels bezüglich des Druck-Volumen-Verhältnisses beeinflusst. Eine selbsttätige Steuerung ist nicht offenbart.
• In der DE 10 2006 060 259 A1 wird ein Kältemittelverdichter mit einer Sauggasdrosselung mit einem variablen Sauggasdrosselventil beschrieben. Neben der Sauggasdrosselung ist der Verdichter zudem mit einer Bypassregelung mit einem Bypassventil ausgebildet, welches auch als Vorsteuerventil für das Sauggasdrosselventil wirkt.
• Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Vorrichtung und eines Verfahren zum Regeln des Durchflusses eines Kältemittels in einem Kältemittelkreislauf, insbesondere einer Ventilanordnung für einen Verdichter, speziell einen Hubkolbenverdichter, sowie zum Optimieren des Leistungsbedarfs von Kältemaschinen, vorzugsweise mit Hubkolbenverdichtern, unter variierenden Randbedingungen und Umgebungsbedingungen, wie Temperaturniveaus und erforderlicher Kälteleistung. Die Vorrichtung soll abhängig von Prozessgrößen im Regelbetrieb ohne zusätzlichen Steuerungsaufwand sowie ohne externe Energiezufuhr betrieben werden können.
  Der Verdichter soll zudem ohne den Einsatz zusätzlicher Medien steuerbar, einfach konstruiert und kompakt aufgebaut sein sowie ein Minimum an Komponenten aufweisen, um damit die Herstellungskosten sowie den Aufwand für die Montage und die Wartung zu minimieren. Der Verdichter soll effizient und mit minimalen Verlusten betrieben werden.
• Die Aufgabe wird durch die Gegenstände mit den Merkmalen der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
• Die Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Regeln des Durchflusses eines Kältemittels in einem Kältemittelkreislauf, insbesondere zum Anpassen eines Ansaugvolumens eines Verdichters und damit eines Massenstroms des Kältemittels sowie einer Leistung eines als Verdampfer betriebenen Wärmeübertragers, gelöst. Der Verdichter ist mit mindestens einem Druckventil mit einem Ventilkörper und mindestens einem Saugventil ausgebildet. Die Vorrichtung weist eine Steuervorrichtung zum Bereitstellen des Kältemittels auf einem Steuerdruckniveau auf.
• Nach der Konzeption der Erfindung ist ein Volumen einer mit Kältemittel auf dem Steuerdruckniveau beaufschlagten Kammer der Steuervorrichtung über eine erste Verbindungsleitung mit einem Volumen einer Steuerkammer des Druckventils zum Aufbringen des Steuerdruckes auf den Ventilkörper, über eine zweite Verbindungsleitung mit einem mit Kältemittel auf einem Hochdruckniveau beaufschlagten Volumen des Kältemittelkreislaufs sowie über eine dritte Verbindungsleitung mit einem mit Kältemittel auf einem Niederdruckniveau beaufschlagten Volumen des Kältemittelkreislaufs verbunden. Dabei ist das Volumen der Kammer der Steuervorrichtung zumindest bereichsweise durch ein elastisch verformbar ausgebildetes Trennelement begrenzt.
  Damit ist die Kammer der Steuervorrichtung mit Kältemittel auf einem Druckniveau im Bereich vom Niederdruck bis zum Hochdruck beaufschlagbar. Der derart innerhalb der Steuerkammer wirkende Steuerdruck dient insbesondere dem Steuern einer Bewegung des Ventilkörpers des Druckventils, speziell dem Offenhalten des Druckventils. Dabei ist die fluidtechnische Verbindung zwischen der Kammer der Steuervorrichtung und der Steuerkammer des Druckventils vorteilhaft stets geöffnet.
• Unter einer Verbindung, insbesondere einer fluidtechnischen Verbindung ist eine derartige Verbindung von unterschiedlichen Volumen miteinander zu verstehen, dass die Volumen von einem fluiden Arbeitsmedium, speziell dem Kältemittel, mit einem Zustand, insbesondere mit gleichem Druck und gleicher Temperatur, beaufschlagt sind. Als ein Arbeitsmedium wird eine Flüssigkeit oder ein Gas, im Speziellen jedoch ein Gas eines Kältemittels, angesehen.
• Der Kältemittelkreislauf ist in Strömungsrichtung des Kältemittels vorzugsweise neben dem als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager und dem Verdichter mindestens mit einem als Kondensator betriebenen Wärmeübertrager und einer Expansionsvorrichtung ausgebildet. Dabei ist es von besonderem Vorteil, dass die zweite Verbindungsleitung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in eine zwischen dem Verdichter, insbesondere dem Druckventil des Verdichters, und dem als Kondensator betriebenen Wärmeübertrager verlaufende Kältemittelleitung einmündet, während die dritte Verbindungsleitung in eine zwischen dem als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager und dem Verdichter, insbesondere dem Saugventil des Verdichters, verlaufende Kältemittelleitung einmündet.
• Das Offenhalten des Druckventils stellt einen Steuereingriff am selbstgesteuerten Ventil zum stufenlosen Regeln der Leistung des Verdichters, insbesondere des Ansaugvolumens und damit des Massenstroms des im Kältemittelkreislauf zirkulierenden Kältemittels, dar. Dabei wird die Krafteinwirkung auf das Ventil und daraus resultierend die Ventildynamik angepasst. Das Regeln des Massenstroms basiert auf einer Kombination aus automatischem Steuern und Offenhalten des Druckventils mit Hilfe von Prozessgrößen des Kältemittelkreislaufs. Die Steuervorrichtung dient dem Bereitstellen des erforderlichen Steuerdruckes, sodass das automatische Anpassen der Leistung des Verdichters durch Anpassen des Steuerdruckes basierend auf den thermodynamischen Gegebenheiten im Kältemittelkreislauf selbst beruht.
• Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist das Trennelement der Steuervorrichtung als eine Membran, insbesondere mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, ausgebildet. Das Trennelement ist zum Beeinflussen des Sollwerts des Steuerdruckes am Druckventil vorteilhaft vorgespannt angeordnet.
• Nach einer ersten alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuervorrichtung zum Vorspannen des Trennelements mit einem Vorspannfederelement ausgebildet. Dabei kann die Vorspannkraft des Vorspannfederelements beispielsweise über eine Stellschraube oder elektromotorisch eingestellt werden.
• Nach einer zweiten alternativen Ausgestaltung der Erfindung weist die Steuervorrichtung ein gasgefülltes, druckdichtes Volumen auf, welches mittels des Trennelements in ein Volumen einer ersten Kammer und ein Volumen einer zweiten Kammer unterteilt ist. Dabei ist das Volumen der ersten Kammer über die erste Verbindungsleitung mit dem Volumen der Steuerkammer des Druckventils, über die zweite Verbindungsleitung mit dem mit Kältemittel auf Hochdruckniveau beaufschlagten Volumen des Kältemittelkreislaufs sowie über die dritte Verbindungsleitung mit dem mit Kältemittel auf Niederdruckniveau beaufschlagten Volumen des Kältemittelkreislaufs verbunden. Das Trennelement ist mit der ersten Oberfläche in Richtung der ersten Kammer und mit der zweiten Oberfläche in Richtung der zweiten Kammer ausgerichtet.
  Die zweite Kammer der Steuervorrichtung ist zum Vorspannen des Trennelements vorzugsweise mit einem Druckgas beaufschlagt. Dabei kann das Volumen der zweiten Kammer beispielsweise über ein Kapillarrohr mit einem Volumenbereich des Kältemittelkreislaufs oder mit einem gasgefüllten Sensor verbunden sein. Der Sensor ist vorteilhaft an einer Komponente des Kältemittelkreislaufs anliegend angeordnet, um zum Beispiel die Temperatur des Kältemittels am Auslass des als Verdampfer betriebenen Wärmeübertragers als Regelgröße zu erfassen.
• Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Steuervorrichtung einen ersten Anschluss zum Verbinden mit der ersten Verbindungsleitung, einen zweiten Anschluss zum Verbinden mit der zweiten Verbindungsleitung und einen dritten Anschluss zum Verbinden mit der dritten Verbindungsleitung auf. Der zweite und der dritte Anschluss der Steuervorrichtung sind vorzugsweise jeweils mit einem Ventilelement zum Öffnen und Schließen des jeweiligen Anschlusses ausgebildet. Die Ventilelemente weisen bevorzugt jeweils einen linear geführten Stößel und ein als Rückstellfeder ausgebildetes Federelement auf, welches den Stößel in Schließrichtung des entsprechenden Anschlusses gegen einen Ventilsitz drückt.
• Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass mindestens eines der Ventilelemente mit dem Trennelement, insbesondere mechanisch derart gekoppelt ist, dass mit einer Auslenkung des Trennelements das Ventilelement bewegt und damit der Anschluss geöffnet oder geschlossen wird. Nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind beide Ventilelemente derart mit dem Trennelement gekoppelt, sodass beide Anschlüsse durch eine Auslenkung des Trennelements jeweils entgegengesetzt geöffnet beziehungsweise geschlossen werden.
• Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist das Druckventil des Verdichters, insbesondere als ein federbelastetes Rückschlagventil, vorteilhaft mit einem als Platte ausgebildeten Ventilsitz und einem Führungselement zum Führen des Ventilkörpers ausgebildet. Das Führungselement weist eine Aufnahmeöffnung auf, in welcher der Ventilkörper in linearer Bewegungsrichtung geführt angeordnet ist. Der Ventilkörper ist mit einer der Steuerkammer zugewandt ausgerichteten Steuerfläche und einer einem Arbeitsraum zugewandt ausgerichteten Dichtfläche ausgebildet, welche zum Verschließen des Druckventils abdichtend am Ventilsitz anliegt. Dabei ist das Volumen der Steuerkammer durch das Führungselement und die Steuerfläche des Ventilkörpers begrenzt. Das innerhalb des Volumens der Steuerkammer eingeschlossene Kältemittel wirkt mit dem Steuerdruck auf die Steuerfläche ein. Das Druckventil ist vorteilhaft mit einem Verbindungskanal und einem Anschluss zum Verbinden mit der ersten Verbindungsleitung ausgebildet, wobei das Volumen der Steuerkammer über den Verbindungskanal mit dem Anschluss verbunden ist.
• Die Aufgabe wird auch durch ein erfindungsgemäßes Verfahren mit der Vorrichtung zum Regeln des Durchflusses eines Kältemittels in einem Kältemittelkreislauf gelöst. Dabei wird im Volumen der von dem elastisch verformbar ausgebildeten Trennelement begrenzten Kammer der Steuervorrichtung über ein Kräftegleichgewicht am Trennelement der Steuerdruck des Kältemittels innerhalb der Kammer der Steuervorrichtung sowie innerhalb der Steuerkammer des Druckventils des Verdichters auf ein Druckniveau zwischen dem Hochdruck und dem Niederdruck des Kältemittelkreislaufs derart geregelt, dass die Leistung des als Verdampfer betriebenen Wärmeübertragers im Kältemittelkreislauf über den durch das Druckventil aus dem Verdichter ausströmenden Massenstrom des Kältemittels variiert wird.
• Nach einer Weiterbildung der Erfindung werden nach einem Vorgang des Verdichtens des Kältemittels im Arbeitsraum des Verdichters das Druckventil offengehalten und erst während des Vorgangs eines Rückströmens des Kältemittels geschlossen, sodass bereits aus dem Arbeitsraum ausgeströmtes Kältemittel in das sich vergrößernde Volumen des Arbeitsraums zurückströmt und der Massenstrom des Kältemittels je nach Bedarf verringert wird.
• Das Trennelement wird vorzugsweise mit einer an einer von der Kammer abweisend ausgerichtet angeordneten Oberfläche anliegenden und auf das Trennelement einwirkenden Kraft vorgespannt.
• Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass jeweils mit dem Trennelement, insbesondere mechanisch gekoppelte Ventilelemente der Steuervorrichtung mit einer Auslenkung des Trennelements bewegt und derart Anschlüsse der Steuervorrichtung geöffnet oder geschlossen werden, sodass abhängig vom Steuerdruck innerhalb der Kammer der Steuervorrichtung Kältemittel aus einem mit Kältemittel auf einem Hochdruckniveau beaufschlagten Volumen aus dem Kältemittelkreislauf in die Kammer einströmt oder Kältemittel aus der Kammer in ein mit Kältemittel auf einem Niederdruckniveau beaufschlagtes Volumen des Kältemittelkreislaufs ausströmt.
• Mit der Steuervorrichtung und deren Einbinden in den Kältemittelkreislauf wird durch die Integration der Prozessgrößen, insbesondere des Druckes des Kältemittels am Einlass und am Auslass des Verdichters beziehungsweise der Temperatur, beispielsweise am Auslass des als Verdampfer betriebenen Wärmeübertragers, der Steuerdruck innerhalb der Steuerkammer des Druckventils selbsttätig erzeugt. Mit dem Anpassen des Steuerdruckes durch direkte Kopplung der Steuervorrichtung mit den thermodynamischen Bedingungen im Kältemittelkreislauf werden das Offenhalten des Druckventils des Verdichters und damit die Effizienz des Verdichters beziehungsweise des Kältemittelkreislaufs beeinflusst.
  Das Offenhalten des Druckventils basiert auf dem Verändern des Schließzeitpunkts des Druckventils, welches ansonsten beim Erreichen des minimalen Volumens im Arbeitsraum den Arbeitsraum verschließt. Die gezielte Abstimmung kann durch ein Verändern des Kräftegleichgewichts am Ventil erreicht werden. Wenn das Druckventil erst nach dem Erreichen des minimalen Volumens im Arbeitsraum und damit bei einem größeren als dem minimalen Volumen des Arbeitsraum schließt, strömt zuvor verdichtetes gasförmiges Arbeitsmedium in den Arbeitsraum zurück, was zum Verringern des Massenstromes des Arbeitsmediums und folglich zum Verringern der Kälteleistung führt.
  Die Erfindung bietet die Möglichkeit eines permanenten Anlegens des Steuerdruckes an die Steuerfläche des Ventilkörpers des Druckventils des Verdichters und damit einer Einflussnahme auf die Ventildynamik. Mit der geänderten Ventildynamik wird der Massenstrom des Kältemittels am Verdichter variiert.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist zudem zusammenfassend weitere Vorteile auf:
• - interne Steuerung des Kältemittelkreislaufs, insbesondere des Verdichters, ohne den Einsatz zusätzlicher Medien, welche beispielsweise das Kältemittel verunreinigen könnten, beziehungsweise ohne den Einsatz oder mit lediglich minimalem Einsatz externer Energie,
• - einfache und kompakte Konstruktion aus einem Minimum an Komponenten sowie einfache Montage,
• - effizienter Betrieb des Kältemittelkreislaufs mit an variierende Randbedingungen sowie an den Bedarf angepasster Kälteleistung.
• Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
• 1: Anordnung eines Verdichters mit einem Druckventil und einem Saugventil sowie einer Steuervorrichtung als eine Vorrichtung zum Regeln des Durchflusses eines Kältemittels innerhalb eines Kältemittelkreislaufs,
• 2a, 2b: das Druckventil des Verdichters, insbesondere eines Hubkolbenverdichters, in einer Draufsicht sowie einer Schnittdarstellung,
• 3: die Steuervorrichtung für das Druckventil in einer Prinzipdarstellung sowie
• 4 ein Indikatordiagramm des Verdichters mit Offenhalten des Druckventils bei idealisiertem Betrieb.
• In 1 ist als eine Vorrichtung zum Regeln des Durchflusses eines Kältemittels innerhalb eines Kältemittelkreislaufs 1 eine Anordnung eines Verdichters 2 mit einem Druckventil 3a und einem Saugventil 3b sowie einer Steuervorrichtung 7 gezeigt.
• Beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs 1 wird das gasförmige Kältemittel auf Niederdruckniveau vom Verdichter 2 durch eine Saugkammer 2b und das Saugventil 3b, welches auch als Niederdruckventil 3b bezeichnet wird, in einen Arbeitsraum angesaugt und auf Hochdruckniveau verdichtet. Das auf den Hochdruck verdichtete Kältemittel strömt durch das Druckventil 3a, welches auch als Hochdruckventil 3a bezeichnet wird, und eine Druckkammer 2a aus dem Arbeitsraum aus. Nach dem Ausströmen aus dem Verdichter 2 wird das Kältemittel durch einen als Kondensator beziehungsweise Gaskühler betriebenen ersten Wärmeübertrager 4 geleitet und unter Wärmeabgabe verflüssigt. Der erste Wärmeübertrager 4 ist dabei als Kältemittelluft-Wärmeübertrager dargestellt, sodass die Wärme vom Kältemittel an Luft übertragen wird.
  Anschließend strömt das auf dem Hochdruckniveau vorliegende, vorzugsweise flüssige Kältemittel durch eine Expansionsvorrichtung 5, beispielsweise ein Expansionsventil, wird auf das Niederdruckniveau entspannt und als ZweiPhasen-Gemisch aus Flüssigkeit und Gas zu einem als Verdampfer betriebenen zweiten Wärmeübertrager 6 geführt. Im zweiten Wärmeübertrager 6 wird die flüssige Phase des Kältemittels unter Aufnahme von Wärme, welche auch als Kälteleistung oder Kältelast bezeichnet wird, verdampft.
  Das beim Ausströmen aus dem zweiten Wärmeübertrager 6 gasförmig vorliegende Kältemittel wird vom Verdichter 2 angesaugt. Der Kältemittelkreislauf 1 ist geschlossen.
• Das Druckventil 3a ist mit einer Steuerkammer 8 ausgebildet, welche über eine erste Verbindungsleitung 10 mit der Steuervorrichtung 7 verbunden ist. Zudem ist die Steuervorrichtung 7 über eine zweite Verbindungsleitung 11 mit dem Hochdruckbereich und über eine dritte Verbindungsleitung 12 mit dem Niederdruckbereich des Kältemittelkreislaufs 1 im Kältemittelkreislauf 1 eingebunden. Dabei mündet die zweite Verbindungsleitung 11 in eine zwischen dem Verdichter 2, insbesondere dem Hochdruckventil 3a des Verdichters 2, und dem ersten Wärmeübertrager 4 verlaufende Kältemittelleitung ein, während die die dritte Verbindungsleitung 12 in eine zwischen dem zweiten Wärmeübertrager 6 und dem Verdichter 2, insbesondere dem Niederdruckventil 3b des Verdichters 2, verlaufende Kältemittelleitung einmündet.
  Die Steuervorrichtung 7 kann zudem mit einem Sensor 9 ausgebildet sein, welcher die Temperatur des Kältemittels am Auslass des zweiten Wärmeübertragers 6 als eine mögliche Regelgröße erfasst.
• Der Vorgang des Erhöhens des Druckes beziehungsweise des Verdichtens des Kältemittels innerhalb des Arbeitsraums des als Hubkolbenverdichter ausgebildeten Verdichters 2 basiert auf einer Volumenänderung des Arbeitsraums. Der Arbeitsraum ist durch eine umfänglich verlaufende Zylinderwand, eine Stirnfläche eines beweglichen Kolbens sowie eine Ventilplatte begrenzt, welche jeweils mindestens ein Saugventil 3b und ein Druckventil 3a aufweist.
  Als Saugventil 3b ist dabei ein federbelastetes Rückschlagventil vorgesehen, welches beim Vorgang des Ansaugens des Kältemittel geöffnet ist und die Saugkammer 2b mit dem Arbeitsraum verbindet. Ansonsten ist das Saugventil 3b geschlossen. Das Druckventil 3a ist ebenfalls als ein federbelastetes Rückschlagventil ausgebildet, welches beim Vorgang des Ausschiebens den Arbeitsraum mit der Druckkammer 2a verbindet.
• Die 2a und 2b zeigen ein Druckventil 3a des Verdichters 2, insbesondere des Hubkolbenverdichters, in einer Draufsicht sowie einer Schnittdarstellung.
• Das Druckventil 3a weist einen als Platte ausgebildeten Ventilsitz 13, auch als Ventilsitzplatte bezeichnet, ein Führungselement 14 für einen Ventilkörper 15 sowie mindestens einen Ventilkörper 15 auf, welcher mit mindestens einem Ventilfederelement 16 in druckloser Position auf dem Ventilsitz 13 gehalten wird. Der als Dichtelement dienende Ventilkörper 15 ist mit einer vom Arbeitsraum des Verdichters 2 abgewandten und der Steuerkammer 8 zugewandten ersten Fläche 15a, auch als Steuerfläche 15a bezeichnet, und einer dem Arbeitsraum des Verdichters 2 zugewandten zweiten Fläche 15b, auch als Dichtfläche 15b bezeichnet, derart ausgebildet und angeordnet, dass sowohl die erste Fläche 15a als auch die zweite Fläche 15b mit Druck beaufschlagt werden können. Als Ventilfederelement 16 ist eine Druckfeder vorgesehen. Die Dichtfläche 15b liegt im geschlossenen Zustand des Druckventils 3a, das Druckventil 3a abdichtend, am Ventilsitz 13 an.
• Das Führungselement 14 weist für jeden Ventilkörper 15 eine Aufnahmeöffnung auf, in welcher der Ventilkörper 15 in linearer Bewegungsrichtung geführt angeordnet ist. Zudem ist innerhalb der Aufnahmeöffnung der Ventilkörper 15 jeweils die Steuerkammer 8 zum Steuern der Bewegung des Ventilkörpers 15 ausgebildet, welche mit Kältemittel auf einem bestimmten Druckniveau beaufschlagt werden kann. Die Steuerkammer 8 wird einerseits durch das Führungselement 14 und andererseits durch den Ventilkörper 15, insbesondere die Steuerfläche 15a des Ventilkörpers 15, begrenzt, sodass der innerhalb der Steuerkammer 8 vorherrschende Druck auf die Steuerfläche 15a des Ventilkörpers 15 einwirkt.
  Während des Betriebs des Verdichters 2 wirken die Rückstellkraft des Ventilfederelements 16, die Trägheitskraft und die Schwerkraft des Ventilkörpers 15 sowie zwei in axialer Richtung und gegeneinander ausgerichtete Druckkräfte auf den Ventilkörper 15 ein. Dabei wirken eine erste Druckkraft an der Steuerfläche 15a aufgrund des Druckes des Kältemittels innerhalb der Steuerkammer 8 sowie eine zweite Druckkraft an der Dichtfläche 15b aufgrund des Druckes des Kältemittels innerhalb des Arbeitsraums.
  Die periodische Änderung des Volumens des Arbeitsraums des Verdichters 2 bewirkt eine periodische Änderung des Druckes des Kältemittels innerhalb des Arbeitsraums und somit eine sich ändernde resultierende Kraftwirkung auf den Ventilkörper 15. Infolge der auf der sich ändernden Kraftwirkung basierenden linearen Verschiebung in axialer Richtung des Ventilkörpers 15 innerhalb des Führungselements 14 wird das Druckventil 3a selbsttätig geöffnet oder geschlossen. Die Vorgänge des Öffnens und Schließens des Ventils 3a werden auch als Ventildynamik bezeichnet.
• Das zwischen dem Führungselement 14 und dem Ventilkörper 15 ausgebildete Volumen der Steuerkammer 8 ist über einen Verbindungskanal 17 mit einem Anschluss 18 zum Koppeln mit einer mit einem Steuerdruck beaufschlagten Verbindungsleitung 10 verbunden. Über den Verbindungskanal 17 wird die Steuerkammer 8 mit Kältemittel mit variierendem Steuerdruck beaufschlagt, welcher Werte zwischen dem Hochdruckniveau und dem Niederdruckniveau des Kältemittelkreislaufs 1 aufweist. Mit der Variation des Steuerdruckes wird die Ventildynamik des Druckventils 3a und damit der aus dem Druckventil 3a ausströmende Massenstrom des Kältemittels beeinflusst. Mit der Variation des Massenstroms des Kältemittels wird die Kälteleistung des Kältemittelkreislaufs 1 an den jeweiligen Bedarf angepasst.
• Das Druckventil 3a ist über den Anschluss 18 und die am Anschluss 18 mit dem Druckventil 3a gekoppelte erste Verbindungsleitung 10, gemäß 1, mit der Steuervorrichtung 7 verbunden, sodass auch die innerhalb des Führungselements 14 ausgebildete Steuerkammer 8 pneumatisch mit der Steuervorrichtung 7 verbunden ist, welche einen Steuerdruck generiert. Der Steuerdruck wird dabei innerhalb der Steuervorrichtung 7 aus den im Kältemittelkreislauf 1 vorherrschenden Druckniveaus Hochdruck und Niederdruck erzeugt und liegt permanent in der Steuerkammer 8 an. Der Steuerdruck wird dabei auf Grundlage der sich mit den thermodynamischen Bedingungen am Kältemittelkreislauf 1 ändernden Lastanforderungen, das heißt der erforderlichen Kälteleistung, variiert. Die Regelgröße ergibt sich folglich aus einem oder mehreren thermodynamischen Kennwerten des Kältemittelkreislaufs 1. Die Regelung erfolgt über eine thermodynamische Kopplung des Kältemittelkreislaufs 1 mit der Steuervorrichtung 7.
• Aus 3 geht die Steuervorrichtung 7 für das Druckventil 3a in einer Prinzipdarstellung hervor. Die Steuervorrichtung 7 ist über einen ersten Anschluss 19 und die erste Verbindungsleitung 10 mit dem Druckventil 3a sowie jeweils über einen zweiten Anschluss 20 in Kombination mit der zweiten Verbindungsleitung 11 und über einen dritten Anschluss 21 in Kombination mit der dritten Verbindungsleitung 12, gemäß 1, im Kältemittelkreislauf 1 eingebunden.
• Die Steuervorrichtung 7 weist ein gasgefülltes, druckdichtes Volumen auf, welches mittels eines als eine elastisch verformbare Membran ausgebildeten Trennelements 22 in eine erste Kammer 23 und eine zweite Kammer 24 unterteilt ist. Das flächig ausgebildete Trennelement 22 ist folglich mit einer ersten Oberfläche beziehungsweise einer ersten Seite in Richtung der ersten Kammer 23 und mit einer zweiten Oberfläche beziehungsweise einer zweiten Seite in Richtung der zweiten Kammer 24 hin ausgerichtet angeordnet. Mit einer an der zweiten Seite des Trennelements 22 anliegenden und damit von der Seite der zweiten Kammer 24 auf das Trennelement 22 einwirkenden Kraft wird eine Vorspannung des Trennelements 22 bewirkt. Die Vorspannung des Trennelements 22 beeinflusst den Soll-Wert des Steuerdruckes.
  
  Die erste Kammer 23 dient zum Bereitstellen des Steuerdruckes und ist über den ersten Anschluss 19 und die erste Verbindungsleitung 10 mit der Steuerkammer 8 des Druckventils 3a verbunden. Die Verbindung zwischen der ersten Kammer 23 der Steuervorrichtung 7 und der Steuerkammer 8 des Druckventils 3a ist stets geöffnet.
  Innerhalb der ersten Kammer 23 wird ein Druck mit Kältemittel auf Niederdruckniveau und damit gasförmigem Kältemittel vor dem Eintritt in den Verdichter 2 sowie Kältemittel auf Hochdruckniveau und damit nach dem Auslass aus dem Verdichter 2 variiert. Die erste Kammer 23 der Steuervorrichtung 7 ist über den zweiten Anschluss 20 und die zweite Verbindungsleitung 11 mit der Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufs 1 sowie über den dritten Anschluss 21 und die dritte Verbindungsleitung 12 mit der Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufs 1 verbunden.
• Der zweite Anschluss 20 und der dritte Anschluss 21 werden jeweils über ein Ventilelement 25, 26 geöffnet oder geschlossen, sodass der Druck innerhalb der ersten Kammer 23 variiert wird. Die Ventilelemente 25, 26 weisen jeweils einen linear geführten Stößel und ein als Rückstellfeder ausgebildetes Federelement 27, 28 auf, welches den Stößel in Schließrichtung des entsprechenden Ventilelements 25, 26 gegen einen Ventilsitz drückt, was damit zu einem Verschließen des entsprechenden Anschlusses 20, 21 führt. Die Ventilelemente 25, 26 der Steuervorrichtung 7 sind zudem jeweils mit dem Trennelement 22 insbesondere mechanisch gekoppelt, sodass mit einer Auslenkung 22a, 22b des Trennelements 22 das Öffnen und Schließen der Ventilelemente 25, 26 zum Einstellen des Steuerdruckes bewirkt wird.
  So wird das Trennelement 22 bei einem zu geringen Wert des Steuerdruckes in eine Richtung der Auslenkung 22a und damit in Richtung der ersten Kammer 23 verformt, sodass das erste Ventilelement 25 als Komponente der Verbindung zum Hochdruckbereich des Kältemittelkreislaufs 1 geöffnet und das zweite Ventilelement 26 als Komponente der Verbindung zum Niederdruckbereich des Kältemittelkreislaufs 1 geschlossen werden. Das dem ersten Ventilelement 25 zugeordnete erste Federelement 27 wird zusammengedrückt, während das dem zweiten Ventilelement 26 zugeordnete zweite Federelement 28 in einer Ausgangslage, gegebenenfalls unter Vorspannung, verbleibt. Dabei strömt Kältemittelgas auf Hochdruckniveau so lange ein die erste Kammer 23 ein, bis das Trennelement 22 aufgrund größer werdenden Einwirkens der Druckkraft in die Ausgangslage zurückkehrt und die Auslenkung 22a des Trennelements 22 Null ist.
  Bei einem zu hohen Wert des Steuerdruckes wird das Trennelement 22 in eine Richtung der Auslenkung 22b und damit in Richtung der zweiten Kammer 24 verformt, sodass das zweite Ventilelement 26 als Komponente der Verbindung zum Niederdruckbereich des Kältemittelkreislaufs 1 geöffnet und das erste Ventilelement 25 als Komponente der Verbindung zum Hochdruckbereich des Kältemittelkreislaufs 1 geschlossen werden. Das dem zweiten Ventilelement 26 zugeordnete zweite Federelement 28 wird zusammengedrückt, während das dem ersten Ventilelement 25 zugeordnete erste Federelement 27 in einer Ausgangslage, gegebenenfalls unter Vorspannung, verbleibt. Dabei strömt Kältemittelgas auf Steuerdruckniveau so lange aus der ersten Kammer 23 aus und in den Niederdruckbereich des Kältemittelkreislaufs 1 über, bis das Trennelement 22 aufgrund geringer werdenden Einwirkens der Druckkraft in die Ausgangslage zurückkehrt und die Auslenkung 22b des Trennelements 22 Null ist.
• Die zweite Kammer 24 dient dem Übertragen der Regelgröße an die Steuervorrichtung 7 und definiert das Kräftegleichgewicht der auf dem Trennelement 22 wirkenden Druckkräfte und Federkräfte. Die an der zweiten Seite des Trennelements 22 anliegende und damit von der Seite der zweiten Kammer 24 auf das Trennelement 22 einwirkende und eine Vorspannung des Trennelements 22 bewirkend Kraft kann dabei auf verschiedene Art und Weise übertragen werden.
  Nach einer ersten alternative Ausführungsform wird das Trennelement 22 über ein Vorspannfederelement 29, gemäß 3, vorgespannt. Dabei können die Vorspannkraft des Vorspannfederelements 29 über eine Stellschraube oder elektromotorisch variiert und somit die Kraftwirkung auf das Trennelement 22 beeinflusst werden.
  Nach einer zweiten alternativen Ausführungsform wird die zweite Kammer 24 und damit das Trennelement 22 mit einem Druckgas beaufschlagt. Neben dem Druckgas kann innerhalb der zweiten Kammer 24 zudem ein Vorspannfederelement 29, gemäß der ersten alternativen Ausführungsform, integriert sein. Die gasgefüllte zweite Kammer 24 kann dabei zum einen direkt an eine Prozessgröße im Kältemittelkreislauf 1, beispielsweise über ein Kapillarrohr zum Druckausgleich, gekoppelt sein. Zum anderen kann, gemäß 1, ein mit dem Volumen der zweiten Kammer 24 verbundener gasgefüllter Sensor 9 mit einer entsprechenden Komponente an den Kältemittelkreislauf 1 gekoppelt sein. Eine prozessbedingte Änderung der Temperatur am Sensor 9 bewirkt eine Änderung des Druckes im abgeschlossenen beziehungsweise gasgefüllten Volumen von Sensor 9 und zweiter Kammer 24, sodass sich das Kräftegleichgewicht am Trennelement 22 ändert.
  Zudem besteht einerseits die Möglichkeit, bei gleichbleibendem Gasdruck auf das Trennelement 22 lediglich die Vorspannung des Vorspannfederelements 29 zu variieren. Andererseits ist eine Kombination aus der Änderung des Gasdruckes innerhalb der zweiten Kammer 24 mittels des Sensors 9 oder des Kapillarrohres an gleichen oder abweichenden Prozesspunkten innerhalb des Kältemittelkreislaufs 1 bei gleichzeitiger Änderung der Vorspannung des Vorspannfederelements 29 denkbar.
  Eine weitere alternative Möglichkeit zum Betreiben der Vorrichtung bietet das elektrische, insbesondere elektromotorische Einstellen des Vorspannwegs und damit der Vorspannkraft des Vorspannfederelements 29, welche den Regelbereich deutlich erhöht. Dabei können ein oder mehrere gemessene und in der Steuervorrichtung 7 verarbeitete Prozessgrößen zum Einstellen der Vorspannung des Vorspannfederelements 29 und somit des Kräftegleichgewichts am Trennelement 22 dienen. Die aufzuwendende elektrische Energie ist im Vergleich zur Gesamtenergie des Verdichters 2 vernachlässigbar.
• Den aufgeführten Ausführungsformen ist gemein, dass das Kräftegleichgewicht am Trennelement 22 derart eingestellt wird, dass in der ersten Kammer 23 der Steuerdruck auf ein Druckniveau derart geregelt wird, dass über das Anpassen des Massenstroms des Kältemittels die erforderliche Kälteleistung im Kältemittelkreislauf 1 eingestellt wird.
• In 4 ist ein Indikatordiagramm des Verdichters 2 mit Offenhalten des Druckventils 3a bei idealisiertem Betrieb, das heißt im Wesentlichen ohne Verluste in den Ventilen 3a, 3b sowie ohne Druckschwankungen innerhalb des Verdichters 2, insbesondere innerhalb der Saugkammer 2b beziehungsweise der Druckkammer 2a, dargestellt. Das Indikatordiagramm zeigt den Druckverlauf des Kältemittels innerhalb des Arbeitsraums des Verdichters 2 für einen Arbeitszyklus abhängig vom Hubkolbenweg beziehungsweise vom Volumen des Arbeitsraums, auch als Hubvolumen VH bezeichnet. Das Volumen V₀ kennzeichnet das Volumen des Schadraums des Verdichters 2, während mit V_s das angesaugte Volumen des Kältemittels ohne Regeleingriff und mit V'_s das angesaugte Volumen des Kältemittels mit Regeleingriff, insbesondere mit Offenhalten des Druckventils 3a, verdeutlicht. Das Diagramm wird auch als p,V-Diagramm bezeichnet.
• Das Indikatordiagramm zeigt vier Zustandspunkte ZP1 bis ZP4 des Kältemittels. Zwischen den Zustandspunkten ZP1, an welchem das Saugventil 3b beziehungsweise Niederdruckventil 3b öffnet, und ZP2 wird das Kältemittel angesaugt. Der Wert des Druckes ist dabei auf Grund von Druckverlusten in den Saugleitungen und dem Ventil 3b tatsächlich geringer als das Niveau des Saugdruckes ps, was jedoch nicht dargestellt ist. Zwischen den Zustandspunkten ZP2, an welchem das Saugventil 3b schließt, und ZP3, an welchem das Druckventil 3a beziehungsweise Hochdruckventil 3a öffnet, wird das Kältemittel verdichtet und anschließend durch das geöffnete Druckventil 3a ausgeschoben. Der Wert des Druckes des Kältemittels liegt zwischen den Zustandspunkten ZP3 und ZP4 auf Grund von zu überwindenden Leitungswiderständen tatsächlich oberhalb des Niveaus des Hochdruckes p_D, was jedoch nicht dargestellt ist. Das Druckventil 3a schließt am Zustandspunkt ZP4 und damit beim Erreichen des minimalen Volumens im Arbeitsraum. Die Verbindungslinie zwischen den Zustandspunkten ZP4 und ZP1 verdeutlicht die Rückexpansion des Kältemittels innerhalb des Arbeitsraums während der Rückbewegung des Kolbens in den Ausgangszustand.
• Mit Hilfe der Steuerung wird das Druckventil 3a nach dem Vorgang des Ausschiebens des Kältemittels offengehalten, sodass verdichtetes Kältemittel aus der Druckkammer 2a in den Arbeitsraum zurückströmt, dessen Volumen sich vergrößert, was als Strecke zwischen den Zustandspunkten ZP4 und ZP4' verdeutlicht ist. Der Wert des Druckes des Kältemittels liegt zwischen den Zustandspunkten ZP4 und ZP4' auf Grund von zu überwindenden Leitungswiderständen tatsächlich unterhalb des Niveaus des Hochdruckes p_D, was ebenfalls nicht dargestellt ist. Damit verschiebt sich der Ausgangspunkt ZP4 der Rückexpansion des Kältemittels innerhalb des Arbeitsraums während der Rückbewegung des Kolbens in den Ausgangszustand zum Zustandspunkt ZP4'. Das Druckventil 3a ist während des Vorgangs der Rückexpansion geschlossen. Ausgehend vom Zustandspunkt ZP4' wird das Kältemittel auf den Zustand ZP1' expandiert. Am Zustandspunkt ZP1' wird das Saugventil 3b geöffnet, wobei sich der Zustandspunkt ZP1' zu einem größeren Wert des Volumens V verschoben hat. Damit ist das angesaugte Volumen V'_s des Kältemittels mit offengehaltenem Druckventil 3a geringer als das angesaugte Volumen V_s des Kältemittels ohne Regeleingriff. Der Massenstrom des Kältemittels wird gezielt verringert, um die Kälteleistung am als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager 6 anzupassen.
• Bezugszeichenliste

1

Kältemittelkreislauf

2

Verdichter

2a

Druckkammer

2b

Saugkammer

3a

Druckventil, Hochdruckventil, Ventil

3b

Saugventil, Niederdruckventil, Ventil

4

erster Wärmeübertrager

5

Expansionsvorrichtung

6

zweiter Wärmeübertrager

7

Steuervorrichtung

8

Steuerkammer Druckventil 3a

9

Sensor

10

erste Verbindungsleitung Steuerkammer 8

11

zweite Verbindungsleitung Steuervorrichtung 7 Hochdruck

12

dritte Verbindungsleitung Steuervorrichtung 7 Niederdruck

13

Ventilsitz Druckventil 3a

14

Führungselement Druckventil 3a

15

Ventilkörper Druckventil 3a

15a

erste Fläche, Steuerfläche Ventilkörper 15

15b

zweite Fläche, Dichtfläche Ventilkörper 15

16

Ventilfederelement Druckventil 3a

17

Verbindungskanal Steuerdruck

18

Anschluss Steuerdruck Druckventil 3a

19

erster Anschluss Steuervorrichtung 7

20

zweiter Anschluss Steuervorrichtung 7

21

dritter Anschluss Steuervorrichtung 7

22

Trennelement Steuervorrichtung 7

22a, 22b

Auslenkung Trennelement 22

23

erste Kammer Steuervorrichtung 7

24

zweite Kammer Steuervorrichtung 7

25

erstes Ventilelement Steuervorrichtung 7

26

zweites Ventilelement Steuervorrichtung 7

27

erstes Federelement erstes Ventilelement 25

28

zweites Federelement zweites Ventilelement 26

29

Vorspannfederelement

Claims (15)

1. Vorrichtung zum Regeln des Durchflusses eines Kältemittels in einem Kältemittelkreislauf (1), insbesondere zum Anpassen eines Ansaugvolumens eines Verdichters (2), welcher mit mindestens einem Druckventil (3a) mit einem Ventilkörper (15) und mindestens einem Saugventil (3b) ausgebildet ist, aufweisend eine Steuervorrichtung (7) zum Bereitstellen des Kältemittels auf einem Steuerdruckniveau, dadurch gekennzeichnet, dass ein Volumen einer mit Kältemittel auf dem Steuerdruckniveau beaufschlagten Kammer (23) der Steuervorrichtung (7) über - eine erste Verbindungsleitung (10) mit einem Volumen einer Steuerkammer (8) des Druckventils (3a) zum Aufbringen des Steuerdruckes auf den Ventilkörper (15), - eine zweite Verbindungsleitung (11) mit einem mit Kältemittel auf einem Hochdruckniveau beaufschlagten Volumen des Kältemittelkreislaufs (1) sowie - eine dritte Verbindungsleitung (12) mit einem mit Kältemittel auf einem Niederdruckniveau beaufschlagten Volumen des Kältemittelkreislaufs (1) verbunden ausgebildet ist, wobei das Volumen der Kammer (23) der Steuervorrichtung (7) durch ein elastisch verformbar ausgebildetes Trennelement (22) begrenzt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (22) vorgespannt angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (7) zum Vorspannen des Trennelements (22) mit einem Vorspannfederelement (29) ausgebildet ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (22) als eine Membran ausgebildet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (7) mit einem gasgefüllten, druckdichten Volumen ausgebildet ist, welches mittels des Trennelements (22) in ein Volumen einer ersten Kammer (23) und ein Volumen einer zweiten Kammer (24) unterteilt ist, wobei das Volumen der ersten Kammer (23) über die erste Verbindungsleitung (10) mit dem Volumen der Steuerkammer (8) des Druckventils (3a), über die zweite Verbindungsleitung (11) mit dem mit Kältemittel auf Hochdruckniveau beaufschlagten Volumen des Kältemittelkreislaufs (1) sowie über die dritte Verbindungsleitung (12) mit dem mit Kältemittel auf Niederdruckniveau beaufschlagten Volumen des Kältemittelkreislaufs (1) verbunden ausgebildet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kammer (24) der Steuervorrichtung (7) zum Vorspannen des Trennelements (22) mit einem Druckgas beaufschlagt ausgebildet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen der zweiten Kammer (24) über ein Kapillarrohr mit einem Volumenbereich des Kältemittelkreislaufs (1) oder mit einem gasgefüllten Sensor (9) verbunden ist, wobei der Sensor (9) an einer Komponente des Kältemittelkreislaufes (1) anliegend angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (7) einen ersten Anschluss (19) zum Verbinden mit der ersten Verbindungsleitung (10), einen zweiten Anschluss (20) zum Verbinden mit der zweiten Verbindungsleitung (11) und einen dritten Anschluss (21) zum Verbinden mit der dritten Verbindungsleitung (12) aufweist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Anschluss (20) und der dritte Anschluss (21) der Steuervorrichtung (7) jeweils mit einem Ventilelement (25, 26) ausgebildet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Ventilelemente (25, 26) mit dem Trennelement (22) derart gekoppelt ist, dass mit einer Auslenkung (22a, 22b) des Trennelements (22) das Ventilelement (25, 26) bewegt und der Anschluss (20, 21) geöffnet oder geschlossen wird.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckventil (3a) des Verdichters (2) mit einem Führungselement (14) zum Führen des Ventilkörpers (15) ausgebildet ist, wobei - das Führungselement (14) eine Aufnahmeöffnung aufweist, in welcher der Ventilkörper (15) in linearer Bewegungsrichtung geführt angeordnet ist, und - der Ventilkörper (15) eine der Steuerkammer (8) zugewandt ausgerichtete Steuerfläche (15a) und eine einem Arbeitsraum zugewandt ausgerichtete Dichtfläche (15b) aufweist, wobei das Volumen der Steuerkammer (8) durch das Führungselement (14) und die Steuerfläche (15a) des Ventilkörpers (15) begrenzt ist und das innerhalb des Volumens der Steuerkammer (8) eingeschlossene Kältemittel mit dem Steuerdruck auf die Steuerfläche (15a) einwirkt.
12. Verfahren zum Regeln des Durchflusses eines Kältemittels in einem Kältemittelkreislauf (1) mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Volumen einer von einem elastisch verformbar ausgebildeten Trennelement (22) begrenzten Kammer (23) einer Steuervorrichtung (7) über ein Kräftegleichgewicht am Trennelement (22) ein Steuerdruck des Kältemittels innerhalb der Kammer (23) der Steuervorrichtung (7) sowie innerhalb einer Steuerkammer (8) eines Druckventils (3a) eines Verdichters (2) auf ein Druckniveau zwischen einem Hochdruck und einem Niederdruck des Kältemittelkreislaufs (1) derart geregelt wird, dass eine Leistung eines als Verdampfer betriebenen Wärmeübertragers (6) im Kältemittelkreislauf (1) über ein durch das Druckventil (3a) aus dem Verdichter (2) ausströmenden Massenstrom des Kältemittels variiert wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass nach einem Vorgang des Verdichtens des Kältemittels im Arbeitsraum des Verdichters (2) das Druckventil (3a) offengehalten und während des Vorgangs eines Rückströmens des Kältemittels geschlossen wird, sodass Kältemittel in den Arbeitsraum zurückströmt und der Massenstrom des Kältemittels je nach Bedarf verringert wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (22) mit einer an einer von der Kammer (23) abweisend ausgerichtet angeordneten Oberfläche anliegenden und auf das Trennelement (22) einwirkenden Kraft vorgespannt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils mit dem Trennelement (22) gekoppelte Ventilelemente (25, 26) der Steuervorrichtung (7) mit einer Auslenkung (22a, 22b) des Trennelements (22) bewegt werden und derart Anschlüsse (20, 21) der Steuervorrichtung (7) geöffnet oder geschlossen werden, sodass abhängig vom Steuerdruck innerhalb der Kammer (23) Kältemittel aus einem mit Kältemittel auf einem Hochdruckniveau beaufschlagten Volumen aus dem Kältemittelkreislauf (1) in die Kammer (23) einströmt oder Kältemittel aus der Kammer (23) in ein mit Kältemittel auf einem Niederdruckniveau beaufschlagtes Volumen des Kältemittelkreislaufs (1) ausströmt.

Images