DE2705073A1 - Drosselventil zur entspannung des kaeltemittels im kaeltemittelkreislauf einer kraftfahrzeug-klimaanlage - Google Patents
Drosselventil zur entspannung des kaeltemittels im kaeltemittelkreislauf einer kraftfahrzeug-klimaanlageInfo
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Description
Patentanwälte
Dipl.-Ing. W. Beyer
Dipl.-Wirtsch.-Ing. B. Joehem
Frankfurt/ll/Iain Staufenstraße 36
Pord-Werke AG
Ottoplatz 2
5000 Köln 21
Ottoplatz 2
5000 Köln 21
Drosselventil zur Entspannung des Kältemittels im Kältemittelkreislauf einer
Kraftfahrzeug-Klimaanlage
Die Erfindung betrifft ein Drosselventil zur Entspannung
des Kältemittels im Kältemittelkreislauf einer Kraftfahrzeug— Klimaanlage, bestehend aus einem Kompressor,
einem Kondensator und einem Verdampfer. Das Drosselventil befindet sich dabei in bekannter Weise im Kältemittelkreislauf
zwischen dem Kondensator und dem Einlaß des Verdampfers und hat die Punktion, das unter hohem
Druck stehende flüssige Kältemittel auf niedrigem Druck und in einen flüssig- gasförmigen Zustand zu bringen.
Die Zustandsänderung wird begleitet von einem Temperaturabfall. Der Verdampfer nimmt Wärme aus der umgebenden,
über ihn geleiteten Luft auf, und das durch den Verdampfer zirkulierende Kältemittel wird zum Kompressor
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zurückgeleitet, wobei sich im Strömungsweg zwischen dem Verdampfer und dem Kompressor eine weitere Drossel befindet
,^daß auf den Verdampferrippen Kondensat gefriert,
um zu verhindern,
Die Erfindung ist aber auch bei Klimaanlagen anwendbar, welche mit unterbrochenem Betrieb des Kompressors arbeiten,
um das Gefrieren von Kondensat am Verdampfer zu verhindern. Im letzteren Fall kann eine durch einen
Thermoschalter betätigte Kupplung dazu benutzt werden, den Kompressor ein- und auszuschalten.
Es ist bei Kraftfahrzeug-Klimaanlagen bekannt, das zwischen dem Kondensator und dem Verdampfer angeordnete,
zur Entspannung des Kältemittels vorgesehene Drosselventil in Abhängigkeit von Temperaturänderungen an der
Außenseite des Verdampfers und vom Druck im Verdampfer so zu steuern, daß der Kältemittelfluß verringert wird,
wenn die Belastung des Verdampfers hoch ist, während der Motor im Leerlauf betrieben wird. Das Drosselventil
reagiert außerdem auf Temperatur- und Druckänderungen, um bei niedriger und mäßiger Belastung des Verdampfers
den Kältemitteldurchfluß zu verringern, damit nicht unnötigerweise Kältemittel im Kreislauf gepumpt, dafür
Energie verbraucht und die Lebensdauer des Kompressors herabgesetzt wird.
Die bekannten Drosselventile brauchen für die vorstehend geschilderten Punktionen verhältnismäßig aufwendige und
komplizierte Steuerungen, und der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein im Aufbau sehr einfaches, be
triebssicheres Drosselventil der eingangs bezeichneten Art zu schaffen, bei welchem sich die Steuerungsfunktionen aus dem Ventilaufbau ergeben.
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Die Erfindungsaufgabe wird dadurch gelöst, daß das Drosselventil aus drei in Serie angeordneten Drosseln
besteht, von denen die in Strömungsrichtung erste und letzte mit Bypasskanälen versehen sind
und die mittlere als Bohrung in einem von der an ihr auftretenden Druckdifferenz gegen Federkraft
zwischen der ersten und letzten Drossel verschieb— liehen Kolben ausgebildet und an diese dicht anschließbar
ist, wodurch die jeweils zugeordneten Bypa3skanäle absperrbar sind.
Das vorgeschlagene Drosselventil stellt gleichzeitig sicher, daß auch im Zustand geringer Belastung ein
minimaler Kältemittelumlauf aufrecht erhalten wird, der zur Schmierung des Kompressors dient.
Nachdem das Kältemittel im Kreislauf zum Verdampfer gelangt ist, geht es in die Dampfphase über. Teilweise
tritt eine Verdampfung auch in dem Drosselventil ein. Das vor dem Kompressor angeordnete weitere
Drosselventil bewirkt eine Verringerung des Drucks des Kältemittels erst an diesem Punkt, womit verhindert
wird, daß der Druck im Verdampfer unter einen vorbestimmten Wert fällt, unterhalb dessen Kondensat
am Verdampfer gefrieren würde.
Diese Wirkung des vor dem Kompressor angeordneten Drosselventils erfordert eine entsprechende Reaktion des
das Kältemittel entspannenden Drosselventils zwischen Kondensator und Verdampfer, um den Kältemittelfluß
während des Leerlaufs des Kotors bei hoher Belastung
des Verdampfers und auch unabhängig von der Drehzahl des Motors bei geringer Belastung des Verdampfers einzuschränken.
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Die angestrebte Punktion des zur Kältemittelcntspan—
nung vorgesehenen, erfindungsgemäßen Drosselventils wird einmal dadurch erreicht, daß der Kolben durch
die am Drosselventil auftretende Druckdifferenz gegen
die Federkraft, v/elche ihn in dichte Anlage an die einlaßseitige Drossel zu schieben bestrebt ist, von
dieser Drossel weggeschoben wird. Daraus resultiert ein größerer Durchlaßquerschnitt des Drosselventils,
denn es werden beim Abheben des Kolbens von der ein— laßseitigen Drossel deren Bypasskanäle zunehmend freigegeben.
Bei weiterem Anstieg der Druckdifferenz am Drosselventil legt sich der Kolben, dessen zentrale
Bohrung die mittlere Drossel des Ventils bildet, dicht gegen die äuslaßseitige Drossel an, wodurch der wirksame
Durchlaßquerschnitt des Drosselventils insgesamt wieder verringert wird, denn dadurch werden die Bypass—
kanäle der auslaßseitigen Drossel abgesperrt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch das erfin—
dungsgemäße Drosselventil,
Fig. 2 eine schematische Darstellung des Kältemittelkreislaufs einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage
,
Fig. 3 ein Diagramm der Betriebskennlinie des Drosselventils nach Fig. 1 im
Vergleich zu bekannten thermostatisch gesteuerten Drosselventilen.
Die in Fig. 2 schematisch dargestellte Kraftfahrzeug-Klimaanlage besteht aus einem von der Kurbelwelle des
Motors über einen Riementrieb und eine Riemenscheibe angetriebenen Kompressor 10, einem mittels einer Lei—
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tung 16 an dessen Auslaßseite angeschlossenen Kondensator 14, einem im Kreislauf dahinter angeordneten, mit
dem Kondensator 14 über eine Leitung 18 verbundenen Drosselventil 20 zur Entspannung des Kältemittels, sowie
einem Verdampfer 22, der über eine Leitung 24 mit dem Drosselventil und über eine Leitung 28 mit dem
Kompressor 10 verbunden ist. Ein Feuchtigkeitsabscheider 22* befindet sich in der Leitung 18, um Feuchtigkeit
vom Kältemittel zu trennen. Zwischen dem Auslaß des Verdampfers 22 und dem Einlaß des Kompressors 10
ist ein Drosselventil 26 vorgesehen. Vom unteren Sam— melbereich des Verdampfers führt eine Olleckleitung
mit einem durch Druck vorbelasteten Rückschlagventil zur Auslaßseite des Drosselventils 26.
Der Kältemitteldruck in der Leitung 18 beträgt normalerweise 7 bis 17,5 kp/cm2. Das Drosselventil 20 bewirkt
einen Druckabfall bis auf ungefähr 2 bis 3 kp/cm t wobei
teilweise Verdampfung stattfindet, die von einem Temperaturabfall begleitet wird.
Das Drosselventil 20 ist mit seinen Einzelheiten in Fig. 1 genauer dargestellt. Es hat ein Gehäuse 32 von
im wesentlichen zylindrischer Gestalt. Auf seine mit Gewinden 34 bzw. 36 versehenen Enden sind Fassungen 38
und 41 aufgeschraubt. Am einlaßseitigen Ende des Drosselventils ist die Kältemittelleitung 18 eingeführt.
Sie ist mit einem Flansch 21 ausgebildet, um eine dichte Verbindung zwischen der Leitung und dem Ventilgehäuse
herstellen zu können. Der Flansch 21 wird beim Aufschrauben der Fassung 38 auf das Gewinde 34 durch eine innere
Schulter 40 der Fassung fest gegen das Ende des Gehäuses gedrückt. Der dichten Verbindung dient dabei ein in eine
Ausdrehung der Gehäusebohrung eingesetzter O-Ring 42.
Eine entsprechende Verbindung ist auf der anderen Seite des Gehäuses zwischen diesem und der Kältendttelleitung
24 vorgesehen. Ein Flansch 44 an der Leitung 24 wird
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durch die Passung 41 gegen das Gehäuse gedruckt. Ein
O-Ring 46 umgibt das in das Gehäuse eingeführte Ende
der Leitung 24.
Das Gehäuse 32 hat eine zentrale Durchgangsbohrung 48,
in welcher ein Kolben 50 verschieblich geführt ist. Das rechte Ende der Bohrung 48 ist mit einem etwas
kleinerem Durchmesser auegeführt, in welchem ein fester Einsatz 52 mit einer Durchgangsbohrung 54 sitzt, welche
als Drossel wirkt. Weiterhin ist am einlaßseiti gen Ende
vor dem Einsatz 52 ein Filter 55 vorgesehen. Die mit
Bezug auf die Zeichnung linke Seite des Einsatzes 52 ist als ringförmiger Ventilsitz 56 ausgebildet, der
mit einer passenden konischen Sitzfläche 58 am Kolben
50 zusammenwirkt. Wenn der Kolben 50 am Sitz 56 anliegt, hat die Bohrung 54 im Einsatz 52 unmittelbar Anschluß an
eine Bohrung 60 im Kolben 50, so daß sich die Drosselwirkung des Ventils aus dem Strömungswiderstand der in
Serie liegenden Bohrungen 54 und 60 ergibt. Der Strömungswiderstand der Bohrung 60 ist geringer als der der
Bohrung 54.
Ein weiterer Einsatz 62 ist am linken, auslaßseitigen Ende des Gehäuses 32 in die Durchgangsbohrung 48 eingesetzt.
Er hat eine zentrale Drosselbohrung 64, die mit den Bohrungen 60 und 54 fluchtet. Ebenso wie der Einsatz
52 sitzt auch der Einsatz 62 unbeweglich fest in der Bohrung 48. Eine Druckfeder 66t die zwischen dem
Einsatz 62 und dem Kolben 50 eingespannt ist, drückt normalerweise den letzteren in Anlage gegen den Einsatz
52.
Wenn am Drosselventil 20. ein Druckunterschied entsteht, wird der Kolben 52 gegen die Kraft der Feder 66 nach
links verschoben, bis das linke Ende des Kolbens 50 gegen die rechte Seite des Einsatzes 62 stößt. Das linke
Ende des Kolbens 50 ist als Ventilsitz 68 ausgebildet,
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der mit einer passenden konischen Sitzfläche 70 am Einsatz 62 zusammenwirkt, wenn sich der Kolben in
seine linke Ehdstellung bewegt. In dieser Stellung liegen die Drosselbohrungen 60 und 64 in Serie und
bestimmen durch ihren Strömungswiderstand die Drossel— wirkung. Der Strömungswiderstand der Bohrung 60 ist
kleiner als der der Bohrung 64.
Wenn der Kolben 50 die rechte Endstellung einnimmt, die in Fig. 1 dargestellt ist, kann das durch die
Bohrung 60 fließende Kältemittel nicht nur durch die Drosselbohrung 64, sondern auch durch Bypassk.inäle 72
und 74 im Einsatz 62 in die Leitung 24 gelangen. Es findet somit praktisch kein Druckabfall an der äuslaßseitigen
Drossel 62, 64 statt, wenn sich <ier Kolben 50 in seiner rechten Endstellung befindet. In entsprechender
Weise kann flüssiges Kältemittel parallel zur Drosselbohrung 52 über Bypasskanäle 76 und 78 in das Ventil
einströmen. Wenn, sich der Kolben 50 jedoch in der
in Pig. 1 gezeigten rechten Endstellung befindet, kann das Kältemittel nur durch die Drosselbohrung 54 zirkulieren,
da die Bypasskanäle 76 und 78 durch die dichte Anlage der Ventilsitzflächen 56, 58 abgesperrt sind.
Die Betriebskennlinie des Drosselventils nach Pig. 1 ist in Fig. 3 dargestellt. Daraus ergibt sich der Zusammenhang
zwischen dem wirksamen Strömungsquerschnitt bzv/. dem Strömungswiderstand und dem Druckabfall am Drosselventil.
Bei kräftigem Kältemittelumlauf ist der Druckabfall am Kolben 50 ausreichend groß, daß der Druckunterschied
zwischen beiden Seiten des Kolbens diesen vom einlaßseitigen Einsatz 52 gegen die Kraft der Feder 66
wegzuschieben vermag. Dieser Betriebszustand ist im mittleren Bereich des Diagramms nach Fig. 3 dargestellt. In
dieser Phase ist die Drosselwirkung der Bohrungen 54 und 64 durch die geöffneten Bypasskanäle 72, 74, 76, 78 aufgehoben.
Der Kolben 50 verschiebt sich aus der freien
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Icittellage in seine Endstellungen, wenn entweder die
Belastung des Verdampfers hoch ist, während der I'otor im Leerlauf dreht, oder bei einer beliebigen T.'otor—
drehzahl die Belastung des Verdampfers nur gering oder mäßig ist, da diesen beiden BetriebszustUnden, welche
in Fig. 3 rechts und links des mittleren Bereichs dargestellt sind, niedrige bzw. hohe Druckunterschicde
am Drosselventil zugeordnet sind, welche den Kolben bis in seine Endstellungen verschieben, in denen dann
die auf der betreffenden Seite angeordneten Bypacskanäle
abgesperrt sind und dadurch die jeweilige Drossel 52, 54 bzv/. 62, 64 aktiviert ist.
'«Vie in Fig. 3 dargestellt, bleibt auch in den Endntellungen
des Kolbens 50, wenn entweder die Drosselbohrungen 54 und 60 oder die Drosselbohrungen 60 und 64 zusammenwirken
und den Strömungswiderstand bestimmen, ein gev/isser Durchfluß aufrecht erhalten. Bei geringem Abstand
der Sitzflächen 56, 58 bzv/. 68, 70 findet eine sich kontinuierlich ändernde Drosselung der Strömung
durch die Bypasskanäle 76, 78 bzw. 72, 74 statt, v/au im Diagramm nach Fig. 3 durch die schrägen Abschnitte
der gestrichelten Betriebskennlinie C-A-B des Drosselventils
nach Fig. 1 zum Ausdruck kommt.
Der in Fig. 3 schraffiert dargestellte Bereich zeigt die Beziehung zwischen Druckabfall und v/irksamen Durch—
laßquerschnitt bei herkömmlichen Entspannungs-Drossel—
ventilen, die sowohl durch den Druck im Verdampfer als
auch durch die Temperatur auf der Auslaßseite des Verdampfers gesteuert werden. Bei dem Vergleich der gestrichelten
Linie mit dem schraffierten Feld wird deutlich, daß sich mit dem erfindungsgemäßen, steuerungstechnisch
sehr einfachen Drosselventil in guter Annäherung dieselbe Funktion erreichen läßt wie bei den
komplizierteren bekannten Ventilen.
Patentansprüche
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M . Leerseite
Claims (3)
- ι PatentansprücheDrosselventil zur Entspannung des Kältemittels im Kältemittelkreislauf einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage, bestehend aus einem Kompressor, einem Kondensator und einem Verdampfer, dadurch gekennzeichnet, daß das Drosselventil (20) aus drei in Serie angeordneten Drosseln (52, 54; 50, 60; 62, 64) besteht, von denen die in Strömungsrichtung erste und letzte mit Bypasnkanälen (76, 78 bzw. 72, 74) versehen sind und die mittlere als Bohrung (60) in einem von der an ihr auftretenden Druckdifferenz gegen Federkraft zwischen der ersten und letzten Drossel (52, 54; 62,64) verschieblichen Kolben (50) ausgebildet und an diese dicht anschließbar ist, wodurch die jeweils zugeordneten Bypasskanäle (72, 74f 76, 78) absperrbar sind.
- 2. Drosselventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in Strömungsrichtung erste und letzte Drossel (52, 54; 62, 64) als zur Bohrung (60) im Kolben (50) koaxiale Bohrungen (54, 64) ausgebildet sind, deren zum Kolben (50) weisende Mündungsränder (56, 70) mit den gegenüberliegenden Mündungsrändern (58,68) der Bohrung (60) im Kolben (50) bei gegenseitigem Anschluß der Drosseln (52, 54; 50, 60; 62, 64) nach Art von Ventilsitzen zusammenwirken.
- 3. Drosselventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens einer der Ventilsitze (56, 58; 68, 70) im Übergangsbereich zwischen der geschlossenen und der offenen Stellung einen kontinuierlich veränderbaren Durch—709832/0331 ORk31NAL1NSPKTE0?o 8808 / 7.2.1977laßquerschnitt im Strömungsweg der zugeordneten Bypasskanäle (76, 78; 72, 74) bildet.Drosselventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (54, 64) und zugeordneten Bypasnkanäle (76, 78; 72, 74) der in Strömungorichtung ersten und letzten Drossel (52, 54; 62, 64) in fest in der Zylinderbohrung (48) des Kolbens (50) angeordneten Einsätzen (52, 62) ausgebildet sind.709832/0331Po 8308 / 7.?.1977
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