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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Entspannungsventil zur
Steuerung des Durchflusses eines Kältemittels, das einem Verdampfer
in einem Kühlkreislauf
eines Kühlschranks,
einer Klimaanlage oder dergleichen zugeführt werden soll, gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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EP 713 063 A1 offenbart
ein herkömmliches Entspannungsventil
der oben genannten Art.
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Diese
Art von Entspannungsventil wird in dem Kühlkreislauf einer Klimaanlage
in Fahrzeugen oder dergleichen verwendet, die nach dem Stand der Technik
wohlbekannt ist.
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4 zeigt
ein weiteres Beispiel eines weit verbreiteten herkömmlichen
Entspannungsventils in einem vertikalen Schnitt gemeinsam mit einer
schematischen Darstellung des Kühlkreislaufs. 5 ist eine
schematische Ansicht des Ventilkörpers
des Entspannungsventils, und 6 ist eine
Vorderansicht des Entspannungsventils aus 4 aus der Richtung
A betrachtet. Das Entspannungsventil 10 umfaßt einen
Ventilkörper 30 aus
Aluminium, der eine im wesentlichen prismatische Form aufweist und
in welchem ein erster Kanal 32 einer Kältemittel-Leitung 11 des
Kühlkreislaufs
geformt ist, der in dem Bereich von dem Kältemittel-Auslaß eines
Kondensators 5 über
einen Behälter 6 zum
Kältemittel-Einlaß eines
Verdampfers 8 angebracht ist, durch welchen ein flüssiges Kältemittel
strömt,
sowie ein zweiter Kanal 34 der Kältemittel-Leitung, der in dem Bereich von dem
Kältemittel-Auslaß des Verdampfers 8 zum
Kältemittel-Einlaß eines
Kompressors 4 angebracht ist, durch welchen ein gasförmiges Kältemittel
strömt.
Die Kanäle
sind so angebracht, dass ein Kanal über dem anderen mit einem Abstand
dazwischen angeordnet ist. Ferner bezeichnet in den 5 und 6 Bezugsziffer 50 Bolzen-Einschraublöcher zur
Befestigung des Entspannungsventils 10.
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An
dem ersten Kanal 32 ist eine Öffnung 32a angebracht,
an welcher eine adiabatische Expansion des von dem Kältemittel-Auslaß des Behälters 6 zugeführten flüssigen Kältemittels
stattfindet. An der Einlaßseite
der Öffnung 32a der
stromaufwärtigen Seite
des ersten Kanals ist ein Ventilsitz ausgebildet, und eine kugelförmige Ventileinrichtung 32b,
die durch das Ventilelement 32c von der stromaufwärtigen Seite
gelagert wird, ist in dem Ventilsitz angeordnet. Das Ventilelement 32c ist
an der Ventileinrichtung durch Schweißen befestigt und zwischen
einer Vorspanneinrichtung 32d einer Kompressions-Schraubenfeder oder
dergleichen angebracht, so dass die Vorspannkraft der Vorspanneinrichtung 32d auf
die Ventileinrichtung 32b übertragen wird und infolgedessen
die Ventileinrichtung 32b in der Richtung zur Annäherung an
den Ventilsitz vorgespannt wird. Durch diesen Vorgang wird die Öffnung des
Ventils eingestellt.
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Der
erste Kanal 32, durch den das Kältemittel in der flüssigen Phase
von dem Behälter 6 eingeführt wird,
dient als Kanal für
das flüssige
Kältemittel. Eine
Einlaßöffnung 321,
die mit dem Behälter 6 verbunden
ist, und eine Ventilkammer 35, die mit der Einlaßöffnung 321 verbunden
ist, sind an dem Ventilkörper 30 ausgebildet,
wobei eine Ventileinrichtung 32b innerhalb der Ventilkammer 35 angeordnet
ist. Eine Auslaßöffnung 322 ist
mit dem Verdampfer 8 verbunden. Die Ventilkammer 35 ist
eine Kammer mit einem Boden, der koaxial mit der Öffnung 32a ausgebildet
ist, und ist durch einen Stopfen 39 abgedichtet, der als
eine Stellschraube ausgebildet ist. Der Stopfen 39 läßt sich
in der Vorschub- oder Rückzugsrichtung
in ein Befestigungsloch 39' einschrauben,
das mit der Ventilkammer 35 kommuniziert, zur Steuerung
der Druckkraft der Schraubenfeder. Der Stopfen 39 ist mit
einem O-Ring 39a versehen, so dass der abgedichtete Zustand
mit dem Ventilkörper 30 gewährleistet
wird.
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Darüber hinaus
ist der Ventilkörper 30 mit
einem Loch mit kleinem Radius 37 und einem Loch mit großem Radius 38 ausgestattet,
welches größer ist als
das Loch 37, welche Löcher
den zweiten Kanal 34 durchdringen und koaxial zu der Öffnung 32a angeordnet
sind, so dass eine Antriebskraft auf die Ventileinrichtung 32b zum Öffnen oder
Schließen
der Öffnung 32a entsprechend
der Auslaßtemperatur
des Verdampfers 8 geschaffen wird. Am oberen Ende des Ventilkörpers 30 ist
ein Schraubloch 361 ausgebildet, an welchem ein Antriebselementbereich 36 befestigt ist,
der als Wärmefühlerbereich
dient.
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Der
Antriebselementbereich 36 umfaßt eine Membran 36a aus
rostfreiem Stahl, eine obere Abdeckung 36d und eine untere
Abdeckung 36h, die miteinander verschweißt sind,
während
die Membran 36a zwischen ihnen angeordnet ist, so dass
sie ein oberes Druckgehäuse 36b und
ein unteres Druckge häuse 36c begrenzen,
die zwei abgedichtete Gehäuse
auf den oberen und unteren Bereichen der Membran 36a bilden,
und ein abgedichtetes Rohr 36i zur Abdichtung eines vorbestimmten
Kältemittels
als Membran-Antriebsflüssigkeit
in dem Innenraum, der mit dem oberen Druckgehäuse 36b kommuniziert, während die
untere Abdeckung 36h auf das Schraubloch 361 mit
einer Dichtung 40 aufgeschraubt ist. Das untere Druckgehäuse 36c kommuniziert
mit dem zweiten Kanal 34 über ein Druckausgleichsloch 36e, das
koaxial mit der Mittelachse der Öffnung 32a ausgerichtet
ist. Der Kältemittel-Dampf
von dem Verdampfer 8 strömt durch den zweiten Kanal 34,
und daher wirkt der zweite Kanal 34 als ein Kanal für das gasförmige Kältemittel,
und der Druck des Kältemittel-Gases
beaufschlagt das untere Druckgehäuse 36c über das
Druckausgleichsloch 36e. Ferner bezeichnet Bezugsziffer 342 eine
Einlaßöffnung,
durch die das von dem Verdampfer 8 übertragende Kältemittel
eintritt, und 341 bezeichnet eine Auslaßöffnung, aus der das an den
Kompressor 4 zu leitende Kältemittel austritt. In den 5 und 6 ist
das abgedichtete Rohr 36i in der Zeichnung weggelassen.
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Innerhalb
des unteren Druckgehäuses 36c, das
die Membran 36a berührt,
befindet sich eine Aluminium-Wärmefühlerstange 36f,
die gleitend innerhalb des Lochs mit großem Radius 38 angeordnet
ist und den zweiten Kanal 34 durchdringt, so dass sie die
Kühlmittel-Auslaßtemperatur
des Verdampfers 8 auf das untere Druckgehäuse 36c überträgt und innerhalb
des Lochs großen
Radius 38 entsprechend der Auslenkung der Membran 36a gleitet,
die mit der Druckdifferenz zwischen dem oberen Druckgehäuse 36c und
dem unteren Druckgehäuse 36b einhergeht, so
dass eine Antriebskraft geschaffen wird, und eine Betätigungsstange 37f aus
rostfreiem Stahl mit einem kleineren Durchmesser als die Wärmefühlerstange 36f ist
gleitend innerhalb des Lochs kleinen Radius 37 zum Drücken der
Ventileinrichtung 32b gegen den Widerstand der elastischen
Kraft der Vorspanneinrichtung 32d entsprechend der Auslenkung der
Wärmefühlerstange 36f angeordnet,
wobei die Wärmefühlerstange 36f mit
einem Dichtungselement wie beispielsweise einem O-Ring 36g ausgestattet ist,
so dass eine Dichtung zwischen dem ersten Kanal 32 und
dem zweiten Kanal 34 sichergestellt wird. Das obere Ende
der Wärmefühlerstange 36f berührt die
untere Oberfläche
der Membran 36a als Aufnahmebereich der Membran 36a,
das untere Ende der Wärmefühlerstange 36f berührt das
obere Ende der Betätigungsstange 37f,
und das untere Ende der Betätigungsstange 37f berührt die
Ventileinrichtung 32b, während die Wär mefühlerstange 36f zusammen
mit der Betätigungsstange 37f eine
Ventil-Antriebsstange bildet. Demnach ist die Ventil-Antriebsstange,
die sich von unteren Oberfläche
der Membran 36a bis zu der Öffnung 32a des ersten
Kanals 32 erstreckt, koaxial innerhalb des Druckausgleichslochs 36e angeordnet.
Ferner ist ein Bereich 37e der Betätigungsstange 37f enger
ausgebildet als der Innendurchmesser der Öffnung 32a, welcher
Bereich die Öffnung 32a durchdringt,
und das Kältemittel
passiert die Öffnung 32a.
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Eine
bekannte Membran-Antriebsflüssigkeit ist
in das obere Druckgehäuse 36b des
Druckgehäuses 36d eingefüllt, und über die
Membran 36a und die Ventil-Antriebsstange, die zu dem zweiten
Kanal 34 und dem Druckausgleichsloch 36e hin freiliegt, das
mit dem zweiten Kanal 34 kommuniziert, wird die Wärme des
durch den zweiten Kanal 34 von dem Kältemittel-Auslaß des Verdampfers 8 strömenden Kältemittel-Dampfes
an die Membran-Antriebsflüssigkeit übertragen.
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Entsprechend
der so übertragenden
Wärme wird
die Membran-Antriebsflüssigkeit
innerhalb des oberen Druckgehäuses 36b in
Gas umgewandelt, dessen Druck auf die obere Oberfläche der
Membran 36a beaufschlagt wird. Die Membran 36a wird
in vertikaler Richtung entsprechend der Differenz zwischen dem Druck
des Membran-Antriebsgases, das auf deren oberer Oberfläche lastet,
und dem auf ihrer unteren Oberfläche
lastenden Druck ausgelenkt.
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Die
vertikale Auslenkung der zentralen Fläche der Membran 36a wird
auf die Ventileinrichtung 32b über die Ventil-Antriebsstange übertragen,
die die Ventileinrichtung 32b näher an den Ventilsitz der Öffnung 32a oder
von diesem fortbewegt. Auf diese Weise wird der Strömungsdurchsatz
des Kältemittels gesteuert.
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Die
Temperatur des unter niederem Druck stehenden Kältemittels in der Gasphase,
das den Auslaß des
Verdampfers 8 verläßt, wird
auf das obere Druckgehäuse 36b übertragen,
und entsprechend der Temperatur wird der Druck innerhalb des oberen Druckgehäuses 36b geändert. Wenn
die Auslaßtemperatur
des Verdampfers 8 ansteigt, mit anderen Worten, wenn die
Wärmelast
des Verdampfers vergrößert wird,
steigt der Druck innerhalb des oberen Druckgehäuses 86b an, und dementsprechend
wird die Wärmefühlerstange 36f oder Ventil-Antriebsstange
nach unten angetrieben und drückt
die Ventileinrichtung 32b nieder. Hierdurch wird die Öffnung 32a geweitet.
Dies vergrößert die
Menge des dem Verdampfer 8 zugeführten Kältemittels und verringert die Temperatur
des Verdampfers 8. Wenn hingegen die Temperatur des Kältemittels,
das den Verdampfer 8 verläßt, verringert wird oder die
Wärmelast
des Verdampfers reduziert wird, wird die Ventileinrichtung 32b in
der entgegengesetzten Richtung angetrieben und verengt die Größe der Öffnung 32a,
so dass die Menge des dem Verdampfer zugeführten Kältemittels reduziert wird und
die Temperatur des Verdampfers 8 angehoben wird.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Bei
dieser Art von Entspannungsventilen soll bevorzugt nur Kältemittel
in der flüssigen
Phase von dem Behälter 6 zugeführt werden.
Es kann jedoch gasförmiges
Kältemittel
in das flüssige
Kältemittel
in den Behälter
eingemischt sein, und es treten Fälle auf, in denen Kältemittel
in einer Gas-Flüssig-Phase der
Einlaßöffnung 321 zugeleitet
wird. In diesem Fall wird dann, wenn Kältemittel, das gasförmiges Kältemittel
enthält,
von der Einlaßöffnung 321 durch
die Ventilkammer 35 und die Öffnung 32a zur Auslaßöffnung 322 strömt, ein
Kältemittel-Strömungsgeräusch erzeugt.
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Die
vorliegende Erfindung zielt darauf ab, ein Entspannungsventil zu
schaffen, das das vorstehend genannte Problem durch Unterdrückung des
Strömungsgeräusches löst. Zur
Lösung
dieses Problems ist das Entspannungsventil gemäß der vorliegenden Erfindung
durch die Merkmale des Anspruchs 1 gekennzeichnet.
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Durch
Bildung eines Drosselbereichs, der den ersten Kanal und die Ventilkammer
verbindet, können
die Blasen in dem Kältemittel
feiner gemacht werden, und infolgedessen kann der Geräuschpegel des
Kältemittel-Strömungsgeräusches,
das durch die Blasen erzeugt wird, reduziert werden.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Zeichnung, die einen Schnitt durch eine Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Entspannungsventils
zusammen mit einer schematischen Darstellung des Kühlkreislaufs
zeigt;
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2 ist
eine vergrößerte Teilansicht
des Hauptbereichs des Entspannungsventils gemäß der Ausführungsform der 1;
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3 ist
ein Diagramm, das die Ergebnisse eines Versuchs zur Messung des
Geräuschpegels des
Entspannungsventils in 1 und des vorbekannten Entspannungsventils
zeigt;
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4 ist
eine Schnittansicht des vorbekannten Entspannungsventils zusammen
mit einer schematischen Darstellung des Kühlkreislaufs;
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5 ist
eine schematische Ansicht des vorbekannten Entspannungsventils;
und
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6 ist
eine Vorderansicht des vorbekannten Entspannungsventils.
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BEVORZUGTE
AUSFÜHRUNGSFORM
DER ERFINDUNG
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Die
bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen
erläutert.
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1 ist
ein Schnitt durch eine Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Entspannungsventils, zusammen
mit einer schematischen Darstellung des Kühlkreislaufs, und 2 ist
eine vergrößerte Teilansicht
der Hauptbereiche des Entspannungsventils gemäß der in 1 gezeigten
Ausführungsform.
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In
dem Entspannungsventil 10' in 1 unterscheiden
sich lediglich der Aufbau des Kanals, durch den das Hochdruck-Kältemittel
von dem Behälter
aus strömt,
und des Kanals, der den Raum der Ventilkammer begrenzt, von dem
in 4 gezeigten Entspannungsventil 10 nach
dem Stand der Technik, und im übrigen
ist der Aufbau der gleiche. Daher werden die gleichen Bezugsziffern
für gleiche
Bauteile verwendet, und auf deren Beschreibung wird verzichtet.
In 1 umfaßt
das Entspannungsventil 10' einen
ersten Kanal 32',
durch den Hochdruck-Kältemittel
vom Behälter 6 in
den Ventilkörper 30 strömt, und an
dem unteren Bereich des Ventilkörpers 30 wird
ein Raum 35a zur Bildung einer Ventilkammer 35' durch einen
Kanal 33 vom Bodenbereich des Ventilkörpers 30 aus in der
axialen Richtung gebildet.
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Der
Kanal 33 verläuft
so, dass er mit einem Befestigungsloch 39' eines Stopfens 39 kommuniziert.
Der Raum 35a wird durch einen Stopfen 39 verschlossen
und abgedichtet, der an dem Bodenabschlußbereich des Ventilkörpers 30 angeschraubt und
befestigt ist, so dass eine Ventilkammer 35' gebildet wird. Die Ventilkammer 35' enthält ein Ventilelement 35c,
das die Ventileinrichtung 32a lagert, und die Ventileinrichtung 32b wird
durch die elastische Kraft einer Schraubenfeder 32d vorgespannt,
die zwischen der Ventileinrichtung 32c und dem Stopfen 39 angebracht
ist.
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Der
erste Kanal 32' und
der Kanal 33, der den Raum 35a begrenzt, sind
so geformt, dass sie im Verlauf einander überlagern, wie durch die gestrichelte
Linie in 2 gezeigt ist, und in dem Überlagerungsbereich
ist ein Drosselbereich 323 ausgebildet. Das heißt, der
erste Kanal 32' ist
so ausgebildet, wie in 2 gezeigt ist, dass sein Durchmesser
sich allmählich
in Richtung der Ventilkammer 35' verringert, und die Größe der Querschnittsfläche des
Kanals wird hierdurch allmählich
verringert. Der Durchmesser der Einlaßöffnung 321 beträgt etwa
14,5 mm, der Durchmesser des Kanals 32' am Überlagerungsbereich mit der
Ventilkammer 35' beträgt etwa
4,5 mm, und der erste Kanal 32' mit einer Querschnittsfläche dieses
Durchmessers ist mit dem Kanal 33 überlagert, der die Ventilkammer 35' begrenzt, zur Bildung
eines Drosselbereichs 323. Der Drosselbereich 323 ist
so geformt, dass er eine Querschnittsfläche entsprechend dem Durchmesser
von etwa 2 mm bis 4 mm hat.
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Ein
Wandbereich 32e ist an dem ersten Kanal 32' zwischen der
Ventilkammer 35' und
dem Bereich des ersten Kanals 32' mit dem kleinsten Durchmesser
vorgesehen und bildet den Drosselbereich 323, und dieser
Wandbereich trägt
zur Funktion der Drosselung des Hochdruck-Kältemittels bei, das durch den
ersten Kanal 32' an
dem Drosselbereich 323 strömt. Das heißt, das Hochdruck-Kältemittel von
dem Behälter 6 strömt von der
Einlaßöffnung 321 des
ersten Kanals 32' her
ein und wird entsprechend der Verminderung des Durchmessers des
ersten Kanals 32 allmählich
gedrosselt. Wenn es dann den Kanal 32' passiert, kollidiert das Kältemittel
mit dem Wandbereich 32e und wird durch diesen gepuffert, und
hierdurch wird der Strom des Kältemittels
von dem ersten Kanal 32' zu
dem Drosselbereich 323 umgeleitet und tritt infolgedessen
von dem Drosselbereich 323 in die Ventilkammer 35' ein. Der Drosselbereich 323 wirkt
als eine Öffnung,
die sowohl zu dem ersten Kanal 32 als auch zu der Ventilkammer 35' hin geöffnet ist
und den ersten Kanal 32' und
die Ventilkammer 35' verbindet,
und die Querschnittsfläche
des Drosselbereichs umfaßt
eine Querschnittsfläche
entsprechend einem Durchmesser von etwa 2 mm bis 4 mm. Die Größe des Drosselbereichs 323 liegt
in dem Bereich einer Querschnittsfläche entsprechend einem Durchmesser
zwischen etwa 2 mm bis 4 mm, da experimentell bestätigt wurde,
dass ein Drosselbereich mit einem Durchmesser von etwa 4 mm oder
kleiner das Kältemittel-Strömungsgeräusch wirkungsvoll
reduziert und ein Drosselbereich mit einem Durchmesser von etwa
2 mm oder mehr erforderlich ist, um den Strömungsdurchsatz des Kältemittels
zu gewährleisten,
ohne dass der Kanalwiderstand vergrößert wird.
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Bei
diesem Aufbau strömt
das Hochdruck-Kältemittel
von dem Behälter 6 durch
den ersten Kanal 32' zu
dem Drosselbereich 323, und hier kollidiert das Hochdruck-Kältemittel
mit dem Wandbereich 32e, der den Stoß der Blasen dämpft, und ändert seinen
Weg von dem ersten Kanal 32' zu
dem Drosselbereich 323 und tritt in die Ventilkammer 35' ein. In diesem
Drosselbereich 323 wird das Hochdruck-Kältemittel gedrosselt, bevor
sein Druck vermindert wird und es durch die Ventileinrichtung 32b und
die Öffnung 32a expandiert,
so dass die Blasen in dem Hochdruck-Kältemittel feiner werden und
das Kältemittel-Strömungsgeräusch reduziert
wird.
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3 zeigt
ein Diagramm, in dem der Geräuschpegel,
der durch das Kältemittel-Strömungsgeräusch bei
der ersten Ausführungsform
erzeugt wird, mit demjenigen des herkömmlichen Entspannungsventils
verglichen wird, wobei der Drosselbereich 323 mit einer
Querschnittsfläche
entsprechend einem Durchmesser von etwa 3 mm ausgebildet ist, die
Raumtemperatur 20° C
beträgt,
die Rotationsgeschwindigkeit des Kompressors 1.000 U/min beträgt und der
Luftstrom des Verdampfers schwach eingestellt ist. Das Diagramm
zeigt das Ergebnis des Versuchs, in welchem das Geräusch in
einem Bereich 10 cm von dem Entspannungsventil entfernt unter den oben
genannten Bedingungen gemessen wurde. Wie dem Diagramm in 3 zu
entnehmen ist, weist das vorliegende Entspannungsventil einen stark
verbesserten Geräuschpegel
im Vergleich zu dem herkömmlichen
Entspannungsventil beim Beginn und im stationären Zustand des Kühlkreislaufs
auf.
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Die
Funktion der Ventileinrichtung 32b und der Öffnung 32a zur
Verminderung des Drucks und zur Ausdehnung des Hochdruck-Kältemittels,
das in die Ventilkammer 35' im
Dampfzustand eingeströmt ist,
sowie zur Übertragung
des Kältemittels
von der Auslaßöffnung 322 in
einen Verdampfer sind die gleichen wie bei dem herkömmlichen
Entspannungsventil in 4. Das heißt, der Druck der oberen Druckkammer 36b des
Antriebselementbereichs 36, der entsprechend der über die
Wärmefühlerstange 36f übertragenen
Temperatur des durch den zweiten Kanal 34 strömenden Kältemittels
variiert, wirkt mit dem Kältemitteldruck
aus dem zweiten Kanal 34, der die Ventileinrichtung 32b in
eine Gleichgewichtsstellung mit der Kraft antreibt, die auf die
Membran 36a über die
Betätigungsstange 37f durch
die Schraubenfeder 32d wirkt. Hierdurch wird die Öffnung der
Ventileinrichtung 32b gesteuert.
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Wie
oben erwähnt,
kann das beim Durchströmen
des Kältemittels
erzeugte Geräusch
durch die vorliegende Erfindung reduziert werden, ohne dass die
Konstruktion des vorbekannten Entspannungsventils in großem Ausmaß geändert werden
muß.
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Ferner
zeigte die oben beschriebene Ausführungsform einen Zustand, in
dem ein Niederdruck-Kältemittelkanal
mit einer Wärmefühlerstange innerhalb
eines Entspannungsventil-Körpers
zur Einstellung der Öffnung
der Ventileinrichtung unter Verwendung eines Antriebselementbereichs
angeordnet ist. Das vorliegende Entspannungsventil kann jedoch auch
mit einer Wärmefüh ler-Leitung
ausgestattet sein. Ferner kann das vorliegende Entspannungsventil
mit einem Antriebselementbereich mit einem Stopfenkörper ausgestattet
sein anstatt mit einem abgedichteten Rohr, um das Kältemittel
einzuschliessen.
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Wie
oben erläutert,
ist erfindungsgemäß ein Drosselbereich
an dem Entspannungsventil an dem Überlagerungsbereich zwischen
dem Hochdruck-Kältemittelkanal
und der Ventilkammer angeordnet, der wirkungsvoll den Geräuschpegel
vermindert, der auftritt, wenn das Kältemittel durch das Entspannungsventil
strömt.
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Ferner
kann erfindungsgemäß dieses
Geräusch
reduziert werden, ohne dass die Konstruktion des nach dem Stand
der Technik bekannten Entspannungsventils in großem Umfang geändert werden
muß.