DE2705073A1

DE2705073A1 - Drosselventil zur entspannung des kaeltemittels im kaeltemittelkreislauf einer kraftfahrzeug-klimaanlage

Info

Publication number: DE2705073A1
Application number: DE19772705073
Authority: DE
Inventors: David H Boerger
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1976-02-09
Filing date: 1977-02-08
Publication date: 1977-08-11
Also published as: CA1043117A; US4009592A; GB1550956A

Description

Patentanwälte

Dipl.-Ing. W. Beyer

Dipl.-Wirtsch.-Ing. B. Joehem

Frankfurt/ll/Iain Staufenstraße 36

Pord-Werke AG
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 66_t 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

ι Patentansprüche

Drosselventil 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, 74_f 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—

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laßquerschnitt 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.

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