EP0356642B1 - Thermostatisches Expansionsventil - Google Patents

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EP0356642B1
EP0356642B1 EP89111082A EP89111082A EP0356642B1 EP 0356642 B1 EP0356642 B1 EP 0356642B1 EP 89111082 A EP89111082 A EP 89111082A EP 89111082 A EP89111082 A EP 89111082A EP 0356642 B1 EP0356642 B1 EP 0356642B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
expansion valve
evaporator
refrigerant
spring
compressor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP89111082A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0356642A1 (de
Inventor
Roland Burk
Karl Dipl. Ing. Lochmahr (Fh)
Hans-Joachim Dipl. Ing. Ingelmann (Fh)
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mahle Behr GmbH and Co KG
Original Assignee
Behr GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Behr GmbH and Co KG filed Critical Behr GmbH and Co KG
Publication of EP0356642A1 publication Critical patent/EP0356642A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0356642B1 publication Critical patent/EP0356642B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B41/00—Fluid-circulation arrangements
    • F25B41/30—Expansion means; Dispositions thereof
    • F25B41/31—Expansion valves
    • F25B41/33—Expansion valves with the valve member being actuated by the fluid pressure, e.g. by the pressure of the refrigerant
    • F25B41/335—Expansion valves with the valve member being actuated by the fluid pressure, e.g. by the pressure of the refrigerant via diaphragms
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2341/00—Details of ejectors not being used as compression device; Details of flow restrictors or expansion valves
    • F25B2341/06—Details of flow restrictors or expansion valves
    • F25B2341/063—Feed forward expansion valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2341/00—Details of ejectors not being used as compression device; Details of flow restrictors or expansion valves
    • F25B2341/06—Details of flow restrictors or expansion valves
    • F25B2341/068—Expansion valves combined with a sensor
    • F25B2341/0683—Expansion valves combined with a sensor the sensor is disposed in the suction line and influenced by the temperature or the pressure of the suction gas
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2500/00—Problems to be solved
    • F25B2500/08—Exceeding a certain temperature value in a refrigeration component or cycle

Definitions

  • the invention relates to a thermostatic expansion valve for a refrigeration system with a compressor, a condenser and an evaporator, wherein the refrigerant liquefied in the condenser flows through a throttle point of the expansion valve and the opening width of the throttle point is determined by the position of a throttle body, and the position of the throttle body can be influenced by a pressure and / or temperature sensor or a membrane, the Throttle body facing side is acted upon by a control medium, which acts in an opening sense on the throttle body, while a spring acts in a closing sense on the throttle body, furthermore the overheating value ( ⁇ tü) of the refrigerant after the evaporator can be detected and via one sensor the signal corresponding to the overheating setpoint ( ⁇ tü / Soll) can be acted on the throttle body in a regulating sense via a controllable device.
  • ⁇ tü overheating value
  • thermostatic expansion valve is known from DE-A-27 49 250. It is used in conjunction with a conventional refrigeration system, with the signals for regulating the superheating temperature being taken directly from the coolant circuit to a predetermined target value.
  • a control unit For this purpose, there are sensors in front of and behind the evaporator, which convert the determined temperature value into an electrical signal, which is transmitted to a control unit. The latter then in turn has a corresponding regulating action on the throttle body in the sense of transferring the instantaneous actual value to the target value.
  • a similar thermostatic expansion valve has become known from US Pat. No. 4,750,334, which is likewise inserted into a coolant circuit which is the same as that of the present expansion valve or that of DE-A-27 49 250 corresponds.
  • the temperature is only recorded at the outlet of the evaporator. This measured value is also used for control purposes, the throttle body being adjusted so that the actual value of the superheating temperature is brought up to the target value.
  • FIG. 1 A further thermostatic expansion valve of this type is shown in FIG. 1 of the drawing of the subject matter of the invention.
  • refrigerant vapor suction gas
  • a compressor 1 At low pressure and low temperature and brought to a higher pressure.
  • the refrigerant is heated.
  • condensation in condenser 2 at high pressure with heat being released to the environment.
  • the liquefied refrigerant is then passed through the throttle 3 of the expansion valve 4.
  • the throttling leads to a decrease in pressure and temperature with partial evaporation of the liquid refrigerants.
  • the refrigerant then passes from the throttling point 3 to the evaporator 5.
  • the refrigerant is removed from the environment to be cooled, e.g. the interior of the motor vehicle, heat is supplied.
  • the remaining part of the refrigerant is evaporated.
  • the cycle then begins anew.
  • the control head 7 is located above the suction gas chamber 6 the control head 7, in which a membrane 8 is arranged. Its lower surface has thermal contact with the suction gas space 6 and thus with the refrigerant vapor flowing from the evaporator 5 to the compressor 1.
  • the control head 7 is filled with control medium 9 above the membrane 8. This is usually identical to the refrigerant in the circuit.
  • the control medium is designed so that it is present as an overheated gas under operating conditions with evaporation temperatures below approx. + 10 ° C as a wet steam mixture, above approx. 15 ° C at maximum operating pressure.
  • a transmission rod 10 is connected to the membrane 8.
  • the throttle body 11 is fastened at its lower end. Its relative position in relation to the throttle point 3 determines the cross-section through which it flows and thus the degree of throttling of the refrigerant.
  • the liquefied refrigerant coming from the condenser 2 first enters the room 26 (high pressure side) and from there via the throttle 3 in the room 29 (low pressure side).
  • a spring 12 acts on the throttle body 11 from below, the preload of which can be adjusted by means of a spindle 13.
  • the transmission rod 10 is sealed by means of a seal 14, the spindle 13 by means of a seal 15 in the housing.
  • the force resulting from the pressure of the control medium 9 in the control head 7 is on the membrane 8, the force exerted on the membrane 8 by the pressure of the suction gas in the suction gas 6, and by the spring 12 on the Throttle body 11 exerted force in equilibrium.
  • the aim of setting the working conditions of the expansion valve 4 is to work with a relatively large "overheating" of the suction steam behind the evaporator 5 and thus also in the suction gas space 6 for reasons of the effectiveness of the cooling capacity. This is necessary, among other things, because part of the liquid refrigerant remains dissolved in the oil added to lubricate the compressor and thus does not contribute to cooling. This proportion of refrigerant dissolved in the oil decreases with increasing overheating.
  • the refrigerant behind the compressor 1 should not exceed a maximum temperature tmax of, for example, 150 ° C. On average, the temperature should not be higher than 130 ° C, for example.
  • Overheating is the temperature difference between the refrigerant vapor and the refrigerant present as a wet vapor mixture at the same pressure.
  • Curve K denotes the boiling or dew line, ie it includes the wet steam range.
  • the lines AB or A'B ', BC or B'C, CD and DA or CA' denote the changes in state in the compressor 1, in the condenser 2, in the expansion valve 4 and in the evaporator 5.
  • some temperature values have been entered.
  • the superheating ⁇ tü after the evaporator 5 is, for example, 5 ° C.
  • the driving speed is 32 km / h
  • the gear shift position is second gear. This is an im general uncritical driving condition.
  • 64/2 64 km / h; 2nd gear
  • 64/2 64 km / h; 2nd gear
  • the dash-dotted curve results from FIG. 2 as a typical course of the overheating ⁇ tü.
  • IT and 64/2 the maximum permissible temperature of the refrigerant vapor tmax is reached. This is not the case in operating state 32/2.
  • B ' only a lower temperature is reached behind the compressor.
  • B ' would also lie on the curve tmax.
  • the dash-dotted line results from these requirements as the desired characteristic curve ⁇ tü / Soll.
  • the overheating should be around 8 K for reasons of effectiveness, but that it should be controllable down to 1 to 2 K in certain operating conditions in order to avoid inadmissibly high refrigerant vapor temperatures and to avoid early evaporator icing.
  • the object is to develop a thermostatic expansion valve of the type described in the introduction in such a way that the superheating ⁇ tü of the refrigerant vapor is regulated according to the Evaporator depending on the operating conditions of a motor vehicle in which the expansion valve is installed or depending on new criteria of the known coolant circuit is possible such that the maximum permissible temperature tmax after the compressor is not exceeded.
  • the spring 12, which presses the throttle body 11 in the closed position is supported on an adjusting plate 20 which is arranged in a pressure cell 21 so as to be displaceable in height.
  • the space 22 below the adjusting plate 20 is connected in terms of pressure to the suction gas space 6 via a line 23.
  • the space 24 above the adjusting plate 20 is connected via a line 25 to the space 26 (high pressure side) into which the liquefied refrigerant flows from the condenser.
  • a further spring 27 acts on the adjusting plate 20 Pressure on the adjusting plate 20 is adjustable by means of the setting wheel 28.
  • the adjusting plate 20 is therefore also subject to the differential pressure between the pressure in the space 26 (high pressure side) and the pressure in the suction gas space 6 (low pressure side). Since the decisive pressure drop takes place in the entire refrigerant circuit at the throttle point 3 of the expansion valve 4, the pressure in the space 26 is greater than the suction gas space 6. The differential pressure is therefore in the opposite direction to the pressures of the two springs 12, 27 on the adjusting plate 20 on the throttle body 11 in Opening direction of throttle 3 effective. As a result:
  • the spring force is changed by an electrically controllable control element.
  • the spring 12, which presses the throttle body 11 in the closing direction, is mounted on a platform 30, which is arranged on the top of a control piston 31, which can be moved up and down in a pressure cell 32.
  • the control piston 31 is pressed upwards by a spring 33.
  • the pressure cell 33 is connected via the connecting piece 34 to a cylindrical space 35 in which a servo piston 36 swings back and forth.
  • the servo piston 36 is provided with two collars 37, 38.
  • the high pressure in front of the throttle point 3 acts on the left collar 37 via opening 43, space 44 and opening 45.
  • a further spring 39 acts on the right collar 38 of the servo piston 36 and is supported on the housing.
  • the left end of the servo piston 36 is connected to the tappet 40 of a solenoid valve 41.
  • the space to the right of the collar 38, in which the spring is arranged, is connected via the opening 46, the space 47 and the line 48 to the low pressure in space 29 behind the throttle 3.
  • the solenoid valve 41 When the solenoid valve 41 is de-energized, the high pressure of the liquefied refrigerant coming from the condenser 2 acts on the servo piston to the left of the collar 37 and to the right of the collar 38 the spring 39.
  • the servo piston 35 swings back and forth, whereby in one end position the collar 37 opens the opening 45 and in the other end position the collar 38 briefly opens, the other opening to the room 35 then being closed.
  • the solenoid valve 41 can be clocked as a function of a measurement of the temperature downstream of the compressor. With appropriate clocking, this exemplary embodiment also enables a sliding overheating setting between two limit values. It is characterized by a high response speed.
  • the magnetic valve 41 only has a servo function, and can therefore be made correspondingly small. With a flushing facility and a comparatively large size There is practically no risk of clogging in cross-sections in the connecting channels. In the event of electrical faults, the valve works with slight overheating. This results in good emergency running properties.
  • thermomotor 60 as a control element, which is formed by a control medium 62 in a corrugated bellows 61 and a heating plate 63, which can be heated via a connection 64, and is surrounded by an insulation 65.
  • a further spring 66 for high pressure compensation is provided in the corrugated bellows 61.
  • the thermal motor 60 is located inside the insulation 65 in a can 67, which is vented via line 68.
  • the thermal motor 60 acts on an adjusting plate 70 which is arranged such that it can be displaced in height between the seals 71 and which in turn supports the spring 72.
  • the spring 72 presses with its upper end against the throttle body 11, in addition to the spring 12, which is supported on a platform 30 which is seated on the collar 50.
  • the control medium 62 expands in the corrugated bellows 61 and thus presses the adjusting plate 70 upwards and thus increases the pressure of the spring 72 on the throttle body 11 .
  • the thermal motor 61 is connected via line 68 to the cooled refrigerant in the space 29 behind the throttle 3 stands, so that the thermal motor can be cooled in this way.
  • the heating plate 63 can preferably be implemented by an intrinsically safe PTC resistor.
  • the corrugated bellows construction is suitable with regard to the required travel, which in practice is 1.5 to 2 mm.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 6 is a particularly simple mechanical system with small time constants. If the heating fails, reliable emergency running properties result, since the expansion valve 4 then works with low overheating (throttle 3 far open).
  • a further variation (not shown) of the exemplary embodiment according to FIG. 6 could consist in that the thermal motor is also placed in the suction gas space 6 because of the cooling and the power transmission to the throttle body 11 is realized by a lever linkage.
  • the control head 7 is surrounded by an induction coil 80.
  • an induction coil 80 In this way, more heat is supplied to the control head when the induction coil is excited than would be necessary per se to control the overheating ⁇ tü.
  • a power of approx. 3 W is required.
  • valve housing as a whole should be made of poorly electrically conductive material in order to increase the effectiveness of the action of the induction coil 80 on the control membrane 8.
  • the embodiment according to Figure 8 shows the direct heating of the control medium 9 by the same above the control head 7 in a cup-like recess disposed electric heating plate 90 with terminal 91, by a PTC resistor (ositive P T emperature C oefficient) or a Peltier element can be formed and is surrounded by an insulating cap 92.
  • a PTC resistor electric P T emperature C oefficient
  • a Peltier element can be formed and is surrounded by an insulating cap 92.
  • an electrical heating power of the heating plate 90 of approximately 8 W is required in order to reduce the overheating ⁇ tü from 7 K to approximately 1.5 K.
  • the exemplary embodiment is particularly suitable for retrofitting existing refrigeration systems.
  • This exemplary embodiment is particularly cost-effective and, because of the low electrical heating line required, represents only a very low load on the vehicle electrical system.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein thermostatisches Expansionsventil für eine Kälteanlage mit einem Verdichter, einem Kondensator sowie einem Verdampfer, wobei durch eine Drosselstelle des Expansionsventils das im Kondensator verflüssigte Kältemittel strömt und die Öffnungsweite der Drosselstelle durch die Stellung eines Drosselkörpers bestimmt ist, und wobei die Stellung des Drosselkörpers von einem Druck- und/oder Temperaturgeber oder einer Membrane beinflußbar ist, deren vom Drosselkörper wegweisende Seite durch ein Steuermedium beaufschlagt ist, welches in öffnendem Sinne auf den Drosselkörper einwirkt, während eine Feder in schließendem Sinne auf den Drosselkörper einwirkt, wobei desweiteren über wenigstens einen Sensor der Überhitzungswert (Δ tü) des Kältemittels nach dem Verdampfer erfaßbar und über ein dem Überhitzungs-Sollwert (Δ tü/soll) entsprechendes Signal in abregelndem Sinne über eine ansteuerbare Einrichtung auf den Drosselkörper einwirkbar ist.
  • Ein derartiges thermostatisches Expansionsventil ist durch die DE-A-27 49 250 bekannt geworden. Es wird in Verbindung mit einer herkömmlichen Kälteanlage verwendet, wobei die Signale zur Regelung der Überhitzungstemperatur auf einen vorgegebenen Soll-Wert unmittelbar am Kühlmittelkreislauf abgenommen werden. Zu diesem Zwecke befinden sich vor und hinter dem Verdampfer Fühler, welche den festgestellten Temperaturwert in ein elektrisches Signal umwandeln, welches an eine Steuereinheit übermittelt wird. Letztere wirkt dann ihrerseits ein entsprechendes regelndes Einwirken auf den Drosselkörper im Sinne einer Überführung des momentanen Ist-Werts auf den Soll-Wert.
  • Durch die US-A-4,750,334 ist ein ähnliches thermostatisches Expanisonsventil bekannt geworden, welches gleichfalls in einen Kühlmittelkreislauf eingesetzt ist, welcher demjenigen des vorliegenden Expansionsventils oder desjenigen der DE-A-27 49 250 entspricht. Dabei wird die Termperatur lediglich am Ausgang des Verdampfers erfaßt. Auch dieser Meßwert wird zu Regelungszwecken herangezogen, wobei der Drosselkörper so verstellt wird, daß der Ist-Wert der Überhitzungstemperatur an den Soll-Wert herangeführt wird.
  • In Figur 1 der Zeichnung des Erfindungsgegenstands ist ein weiteres thermostatisches Expanisonsventil dieser Art dargestellt. Dabei wird Kältemitteldampf (Sauggas) bei niedrigem Druck und tiefer Temperatur von einem Verdichter 1 angesaugt und auf einen höheren Druck gebracht. Dabei erfolgt eine Erwärmung des Kältemittels. Danach folgt im Kondensator 2 die Verflüssigung bei hohem Druck unter Wärmeabgabe an die Umgebung. Das verflüssigte Kältemittel wird dann durch die Drosselstelle 3 des Expansionsventils 4 geführt. Die Drosselung führt zu einer Druck- und Temperaturabnahme bei teilweiser Verdampfung der flüssigen Kältemittel. Das Kältemittel gelangt dann von der Drosselstelle 3 zum Verdampfer 5. Dort wird dem Kältemittel aus der zu kühlenden Umgebung, also z.B. dem Innenraum des Kraftfahrzeugs, Wärme zugeführt. Dabei wird der restliche Teil des Kältemittels verdampft. Darauf beginnt der Kreislauf aufs neue.
  • Bei der Rückführung des Sauggases vom Verdampfer 5 zum Verdichter 1 wird das Kältemittel durch den Sauggasraum 6 des Expansionsventils 4 geleitet. Über dem Sauggasraum 6 befindet sich der Steuerkopf 7, in dem eine Membran 8 angeordnet ist. Ihre untere Fläche hat Wärmekontakt mit dem Sauggasraum 6 und damit mit dem vom Verdampfer 5 zum Verdichter 1 strömenden Kältemitteldampf. Oberhalb der Membran 8 ist der Steuerkopf 7 mit Steuermedium 9 gefüllt. Dies ist in der Regel identisch mit dem Kältemittel im Kreislauf. Das Steuermedium ist so ausgelegt, daß es unter Betriebsbedingungen mit Verdampfungstemperaturen unter ca. + 10°C als Naßdampfgemisch, oberhalb ca. 15°C bei maximalem Betriebsdruck als überhitztes Gas vorliegt. Mit der Membran 8 ist eine Übertragungsstange 10 verbunden. An ihrem unteren Ende ist der Drosselkörper 11 befestigt. Seine relative Stellung gegenüber der Drosselstelle 3 bestimmt den durchströmten Querschnitt derselben und damit den Grad der Drosselung des Kältemittels. Das vom Kondensator 2 kommende verflüssigte Kältemittel gelangt zuerst in den Raum 26 (Hochdruckseite) und von dort über die Drosselstelle 3 in Raum 29 (Niederdruckseite). Auf den Drosselkörper 11 wirkt von unten eine Feder 12, deren Vorspannung mittels einer Spindel 13 einstellbar ist. Die Übertragungsstange 10 ist mittels einer Dichtung 14, die Spindel 13 mittels einer Dichtung 15 im Gehäuse abgedichtet. Stellt sich ein bestimmter Betriebszustand ein, so befinden sich die aus dem Druck des Steuermediums 9 im Steuerkopf 7 resultierende Kraft auf die Membran 8, die aus dem Druck des Sauggases im Sauggas 6 auf die Membran 8 ausgeübte Kraft, sowie durch die Feder 12 auf den Drosselkörper 11 ausgeübte Kraft im Gleichgewicht.
  • Es ist Ziel der Einstellung der Arbeitsbedingungen des Expansionsventils 4, aus Gründen der Effektivität der Kälteleistung mit einer relativ großen "Überhitzung" des Saugdampfes hinter dem Verdampfer 5 und somit auch im Sauggasraum 6 zu arbeiten. Das ist u.a. erforderlich, weil ein Teil des flüssigen Kältemittels in dem zur Schmierung des Kompressors beigemischten Öl gelöst bleibt und somit zur Kühlung nichts beiträgt. Dieser im Öl gelöste Kältemittelanteil nimmt mit zunehmender Überhitzung ab. Andererseits soll das Kältemittel hinter dem Verdichter 1 eine maximale Temperatur tmax von z.B. 150°C nicht überschreiten. Im Mittel soll die Temperatur sogar nicht höher als z.B. 130°C sein. Als Überhitzung bezeichnet man dabei den Temperaturunterschied des Kältemitteldampfes gegenüber dem als Naßdampfgemisch vorliegenden Kältmittels bei gleichem Druck. Zur Verdeutlichung wird auf das Enthalpie(log p/h)-Diagramm nach Figur 2 Bezug genommen. Die Kurve K bezeichnet die Siede- bzw. Taulinie, d.h. sie schließt den Nassdampfbereich ein. Die Linien AB bzw. A'B', BC bzw. B'C, CD und DA bzw. CA' bezeichnen die Zustandsänderungen im Verdichter 1, im Kondensator 2, im Expansionsventil 4 und im Verdampfer 5. Zur Verdeutlichung sind einige Temperaturwerte eingetragen. Bei einer Auslegung, die durch die Punkte A und B gekennzeichnet ist, beträgt die Überhitzung Δ tü nach dem Verdampfer 5 z.B. 5°C. Dies führt unter den angenommenen Betriebsbedingungen dazu, daß hinter dem Verdichter 1 der Kältemitteldampf die maximal zulässige Temperatur tmax von 150°C erreicht. Bei einer anderen Auslegung, die durch die Punkte A' und B' gekennzeichnet ist, beträgt die Überhitzung nach dem Verdampfer 5 z.B. 3°C mit der Folge, daß hinter dem Verdichter 1 lediglich die als Durchschnittswert tolerierbare Temperatur des Kältemitteldampfes von ca. 130°C erreicht wird. In Figur 2 ist zur Vervollständigung noch der bei Durchtritt durch das Expansionsventil 4 auftretende Druckverlust PEX, sowie ferner der im Verdampfer 5 auftretende Druckverlust PV eingetragen.
  • Bei Kälte-Anlagen in Kraftfahrzeugen besteht das Problem darin, daß sich die Betriebsbedingungen dauernd ändern; die Leistung des Verdichters, der vom Motor des Kraftsfahrzeuges angetrieben wird, ändert sich laufend mit der Drehzahl: In Figur 3 sind in das Enthalpie-Diagramm typische Betriebszustände, nämlich die Betriebszustände 64/2, 32/2 und IT eingezeichnet. Es handelt sich dabei um in der Kfz-Technik übliche Abnahmefahrwerte, in denen maximale Kälteleistung = minimale Innenraumtemperatur gefordert wird. IT (Idle-Test) ist ein Betriebszustand einer Kfz-Klimaanalge, bei dem sich das Fahrzeug im Stillstand befindet und der Verdichter von dem mit Leerlaufdrehzahl laufenden Fahrzeugmotor angetrieben wird. Die Belüftung des Kondensators ist in diesem Fall am ungünstigtsten, so daß besonders hohe Drücke und Heißgastemperaturen auftreten können. Im Betriebszustand 32/2 beträgt die Fahrgeschwindigkeit 32 km/h, die Getriebeschaltstellung ist der zweite Gang. Dies ist ein im allgemeinen unkritischer Fahrzustand. 64/2 (64 km/h; 2. Gang) ist ein Fahrzustand, bei dem zur Zeit die kritischsten Heißgastemperaturen auftreten.
  • Aus Figur 2 ergibt sich die strichpunktierte Kurve als typischer Verlauf der Überhitzung Δ tü. In den Betriebszuständen IT und 64/2 wird die maximal zulässige Temperatur des Kältemitteldampfes tmax erreicht. Im Betriebszustand 32/2 ist dies nicht der Fall. Hier wird bei B' lediglich eine geringere Temperatur hinter dem Verdichter erreicht. Es wäre aus Gründen der Erhöhung der Effektivität der Kälteanlage in diesem Betriebszustand durchaus wünschenswert und auch möglich mit einer höheren Überhitzung zu arbeiten, und zwar maximal soweit, daß B' ebenfalls auf der Kurve tmax liegen würde. Aus diesen Forderungen ergibt sich die strichpunktiert eingezeichnete Linie als gewünschte Kennlinie Δ tü/Soll. Vereinfacht kann man die Forderung dahingehend ausdrücken, daß die Überhitzung aus Gründen der Effektivität um 8 K betragen sollte, daß sie aber zur Vermeidung unzulässig hoher Kältemitteldampftemperaturen sowie zur Vermeidung zu früher Verdampfervereisung bei bestimmten Betriebsbedingungen bis auf 1 bis 2 K herab regelbar sein sollte.
  • Es liegt die Aufgabe vor, ein thermostatisches Expansionsventil der eingangs beschriebenen Art so weiterzubilden, daß eine Regelung der Überhitzung Δ tü des Kältemitteldampfes nach dem Verdampfer in Abhängigkeit von Betriebsbedingungen eines Kraftfahrzeugs, in welches das Expansionsventil eingebaut wird oder in Abhängkeit von neuen Kriterien des bekannten Kühlmittelkreislaufs derart möglich ist, daß die maximal zulässige Temperatur tmax nach dem Verdichter nicht überschritten wird.
  • Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung und ihrer vorteilhaften Weiterbildungen werden im folgenden beschrieben. Die Zeichnungen stellen dar:
    • Figur 1
    den Kreislauf einer Kälteanlage nach dem vorbekannten Stand der Technik;
    Figur 2
    das Enthalpie-Diagramm für den Kreislauf nach Figur 1;
    Figur 3
    verschiedene Betriebszustände eines Kraftfahrzeugs im Enthalpie-Diagramm;
    Figuren 4 bis 8
    5 Ausführungsbeispiele
       Soweit die Teile in den Figuren 4 bis 8 nicht besonders gezeichnet sind, sind sie dieselben wie in Figur 1; außerdem sind in den Figuren 4 bis 8 Verdichter Kondensator und Verdampfer der Einfachheit halber weggelassen.
  • Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 4 ist die Feder 12, die den Drosselkörper 11 in Schließstellung drückt, auf einem Einstellteller 20 abgestützt, der höhenverschiebbar in einer Druckdose 21 angeordnet ist. Der Raum 22 unterhalb des Einstelltellers 20 steht druckmäßig mit dem Sauggasraum 6 über eine Leitung 23 in Verbindung. Der Raum 24 oberhalb des Einstelltellers 20 steht über eine Leitung 25 mit dem Raum 26 (Hochdruckseite) in Verbindung, in den das verflüssigte Kältemittel vom Kondensator her einströmt. Auf den Einstellteller 20 wirkt ferner eine weitere Feder 27, deren Druck auf den Einstellteller 20 mittels des Einstellrades 28 einstellbar ist. Der Einstellteller 20 unterliegt also zusätzlich zur Kraft der Federn 12, 27 noch dem Differenzdruck zwischen dem Druck im Raum 26 (Hochdruckseite) und dem Druck im Sauggasraum 6 (Niederdruckseite). Da an der Drosselstelle 3 des Expansionsventils 4 im gesamten Kältemittelkreislauf der entscheidende Druckabfall stattfindet, ist der Druck im Raum 26 größer als der Sauggasraum 6. Der Differenzdruck wird also in Gegenrichtung zu den Drücken der beiden Federn 12, 27 am Einstellteller 20 am Drosselkörper 11 in Öffnungsrichtung der Drosselstelle 3 wirksam. Das hat zur Folge:
  • Tritt hinter dem Verdichter 1 und damit auch hinter dem Kondensator 2 ein zu hoher Druck des in den Raum 26 des Expansionsventils 4 eintretenden verflüssigten Kältemittels auf, der mit einer zu hohen Temperatur hinter dem Vercichter 1 einhergeht, so führt das zu einer entsprechenden Druckerhöhung im Raum 24 und damit zu einer Entlastung der Federn 12, 27. Damit bewegt sich der Drosselkörper 11 abwärts. Der Querschnitt der Drosselstelle 3 wird vergrößert. Es fließt ein erhöhter Massestrom durch die Drosselstelle 3. Dies führt zu einer Verringerung der Überhitzung Δ tü im Sauggasraum 6. Derselbe Effekt tritt ein, wenn der Druck im Sauggasraum 6 absinkt. Das System wird so ausgelegt, daß bei Verdampfungstemperaturen von 0°C mit leistungsoptimaler Überhitzung Δ tü gefahren wird. Es ergibt sich dabei eine Überhitzung im Betriebszustand IT bei Fahrwerten von t(pRVa) größer oder gleich 0°C (R: Kältemittel; V: Verdampfer; a: Austritt). Es ist also möglich, unter Verwendung dieses Ausführungsbeispiels mit maximalem Betriebsdruck (Maximum Operating Pressure = MOP) zu fahren. Außerdem sind die bei heute in Serie befindlichen Expansionsventilen erforderlichen Änderungen gering.
  • Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 5 erfolgt eine Änderung der Federkraft durch ein elektrisch ansteuerbares Regelorgan. Die Feder 12, die den Drosselkörper 11 in Schließrichtung drückt, ist auf einer Plattform 30 gelagert, die auf der Oberseite eines Steuerkolbens 31 angeordnet ist, der in einer Druckdose 32 auf und ab verschiebbar ist. Der Steuerkolben 31 wird durch eine Feder 33 nach oben gedrückt. Die Druckdose 33 steht über den Anschlußstutzen 34 mit einem zylindrischen Raum 35 in Verbindung, in dem ein Servokolben 36 hin und her schwingt. Der Servokolben 36 ist mit zwei Bunden 37, 38 versehen. Auf den linken Bund 37 wirkt über Öffnung 43, Raum 44 und Öffnung 45 der Hochdruck vor der Drosselstelle 3. Auf den rechten Bund 38 des Servokolbens 36 wirkt eine weitere Feder 39, die am Gehäuse abgestützt ist. Das linke Ende des Servokolbens 36 ist mit dem Stößel 40 eines Magnetventils 41 verbunden. Der Raum rechts des Bundes 38, in dem die Feder angeordnet ist, steht über die Öffnung 46, den Raum 47 und die Leitung 48 mit dem Niederdruck in Raum 29 hinter der Drosselstelle 3 in Verbindung. Bei stromlosem Magnetventil 41 wirkt auf den Servokolben demgemäß links vom Bund 37 der Hochdruck des vom Kondensator 2 her kommenden verflüssigten Kältemittels und rechts des Bundes 38 die Feder 39. Der Servokolben 35 schwingt hin und her, wobei in der einen Endlage der Bund 37 die Öffnung 45 und in der anderen Endlage der Bund 38 die Öffnung 46 jeweils kurzfristig öffnet, wobei dann jeweils die andere Öffnung zum Raum 35 verschlossen ist. Demzufolge findet parallel zur (Haupt-)Drosselstelle 3 über die Öffnungen 45 und 46 und Raum 35 intermittierend ein weiterer, kleinerer Kältemittel-Teilstrom statt. Dieser Kältemittel-Teilstrom wird unterbrochen, wenn das Magnetventil 41 erregt und in seiner linken Endstellung fixiert wird, in der der linke Bund 37 die Öffnung 45 mit dem Raum 35 zwischen den beiden Bunden 37, 38 verbindet. Dann kann sich der Druck der Hochdruckseite des Expansionsventils 4 im Raum 26, bis in das Innere der Druckdose 32 fortpflanzen und drückt somit den Steuerkolben 31 zusätzlich zu den Federn 12, 33 nach oben. Der Querschnitt der Drosselstelle 3 wird also verkleinert. Entsprechend wird der Massestrom durch die Drosselstelle und damit die Kühlung verringert, so daß die Überhitzung tü vergrößert wird. Durch gezieltes Ablassen des Druckes in der Druckdose 32 (Steuerdruck) sind auch Zwischenstellungen möglich. Die Taktung des Magnetventils 41 kann in Abhängigkeit einer Messung der Temperatur hinter dem Verdichter erfolgen. Dieses Ausführungsbeispiel ermöglicht durch entsprechende Taktung auch eine gleitende Überhitzungseinstellung zwischen zwei Grenzwerten. Es zeichnet sich durch eine hohe Ansprechgeschwindigkeit aus. Das Magentventil 41 hat lediglich Servofunktion, kann also entsprechend klein ausgebildet sind. Durch eine Spülmöglichkeit und vergleichsweise große Querschnitte in den Verbindungskanälen ist praktisch keine Verstopfungsgefahr gegeben. Bei elektrischen Störungen arbeitet das Ventil mit kleiner Überhitzung. Das ergibt somit gute Notlaufeigenschaften.
  • Das Ausführungsbeispiel nach Figur 6 arbeitet mit einem Thermomotor 60 als Regelorgan, der durch ein Steuermedium 62 in einem Wellbalg 61 und eine Heizplatte 63, die über einen Anschluß 64 beheizbar ist, gebildet wird und von einer Isolierung 65 umgeben ist. Im Wellbalg 61 ist eine weitere Feder 66 zur Hochdruckkompensation vorgesehen. Der Thermomotor 60 befindet sich innerhalb der Isolierung 65 in einer Dose 67, die über Leitung 68 entlüftet wird.
  • Der Thermomotor 60 wirkt auf einen Einstellteller 70, der zwischen den Dichtungen 71 höhenverschiebbar angeordnet ist und seinerseits die Feder 72 abstützt. Die Feder 72 drückt mit ihrem oberen Ende gegen den Drosselkörper 11, und zwar zusätzlich zu der Feder 12, die auf einer Plattform 30 abgestützt ist, die auf den Kragen 50 aufsitzt. Je nach Heizleistung, die der Heizplatte 63 zugeführt wird, dehnt sich das Steuermedium 62 im Wellbalg 61 aus und drückt damit den Einstellteller 70 nach oben und erhöht somit den Druck der Feder 72 auf den Drosselkörper 11. Wegfall der Heizleistung bedeutet also Verringerung von Δ tü. Bei dem in Figur 6 gezeigten Ausführungsbeispiel ist noch vorteilhaft, daß der Thermomotor 61 über Leitung 68 mit dem abgekühlten Kältemittel im Raum 29 hinter der Drosselstelle 3 in Verbindung steht, so daß auf diese Weise eine Kühlung des Thermomotors erfolgen kann. Die Heizplatte 63 kann vorzugsweise durch einen eigensicheren PTC-Widerstand realisiert werden. Die Wellbalg-Konstruktion eignet sich im Hinblick auf die erforderlichen Hubwege, die in der Praxis 1,5 bis 2 mm betragen. Es handelt sich bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 6 um ein besonders einfaches mechanisches System mit kleinen Zeitkonstanten. Bei Ausfall der Heizung ergeben sich gesicherte Notlaufeigenschaften, da das Expansionsventil 4 dann mit niedriger Überhitzung (Drosselstelle 3 weit auf) arbeitet. Eine weitere Variation (nicht gezeigt) des Ausführungsbeispiels nach Figur 6 könnte darin bestehen, daß man den Thermomotor auch - der Kühlung wegen - in den Sauggasraum 6 legt und die Kraftübertragung auf den Drosselkörper 11 durch ein Hebelgestänge realisiert.
  • Im Ausführungsbeispiel nach Figur 7 ist der Steuerkopf 7 mit einer Induktionsspule 80 umgeben. Auf diese Weise wird dem Steuerkopf bei Erregung der Induktionsspule mehr Wärme zugeführt als an sich zur Ausregelung der Überhitzung Δ tü notwendig wäre. Dies hat einen Druckanstieg der Steuerfüllung 9 oberhalb der Membrane 8 zur Folge, der die durch Drosselkörper 11 und Übertragungsstange 10 gebildete Einheit stärker nach unten schiebt, so daß sich dadurch ein erhöhter Massestrom und demzufolge eine bessere Kühlung und damit eine geringere Überhitzung Δ tü ergibt. Bei einer praktischen Realisierung dieses Ausführungsbeispiels ergab sich, daß, ausgehend von einer Basiseinstellung von Δ tü = 8 K
    Figure imgb0001
     bei ca. 3 bar Verdampfungdruck zur Abregeglung der Überhitzung auf 2 K eine Leistung von ca. 3 W erforderlich ist. Sie setzt sich zusammen aus der für die Zustandsänderung der Steuerfüllung 9 notwendigen Leistung und dem Wärmeverlust über der Membranfläche 8. Einschließlich weiterer Verluste an die Umgebung kann mit einer Leistung unter 20 W gerechnet werden. Wichtig ist, daß das Ventilgehäuse in seiner Gesamtheit aus elektrisch schlecht leitendem Werkstoff ausgebildet sein sollte, um die Effektivität der Einwirkung der Induktionsspule 80 auf die Steuermembran 8 zu erhöhen.
  • Das Ausführungsbeispiel nach Figur 8 zeigt die direkte Beheizung des Steuermediums 9 durch ein oberhalb des Steuerkopfes 7 in einer tassenartigen Vertiefung desselben angeordnete elektrische Heizplatte 90 mit Anschluß 91, die durch einen PTC-Widerstand (Positive Temperature Coefficient) oder ein Peltier-Element gebildet werden kann und von einer Isolierkappe 92 umgeben ist. Bei dieser Anordnung ist eine elektrische Heizleistung der Heizplatte 90 von ca. 8 W erforderlich, um die Überhitzung Δ tü von 7 K auf ca. 1,5 K abzusenken. Da bei diesem Ausführungsbeispiel lediglich der Steuerkopf gegenüber herkömmlichen Expanisionsventilen (vgl. Figur 1) geändert werden muß, eignet sich das Ausführungsbeispiel ganz besonders für die Nachrüstung bestehender Kälteanlagen. Dieses Ausführungsbeispiel ist besonders kostengünstig und stellt wegen der niedrigen erforderlichen elektrischen Heizleitung nur eine sehr geringe Belastung des Bordnetzes eines Kraftfahrzeuges dar.
  • Als Kriterien für die Ansteuerung der Ventile (Figur 5) bzw. Heizelemente (Figuren 6 bis 8) kommen in Frage:
    • (a) die Heißgastemperatur, ermittelt durch Temperatursensoren in oder an der Hochdruckleitung vom Verdichter zum Kondensator bzw. im oder am Verdichtergehäuse selbst;
    • (b) die Drehzahl des Verdichters, ermittelt z.B. aus der Motordrehzahl oder mit Hilfe eines Drehzahlaufnehmers am Verdichter
    • (c) die Oberflächentemperatur des Verdampfers ermittelt z.B. durch Temperatursensoren im Verdampfernetz bzw. in oder an der Leitung vom Verdampfer zum Verdichter;
    • (d) die Lufttemperatur nach Verdampfer ermittelt durch einen Temperatursensor im Luftstrom nach Verdampfer.

Claims (6)

  1. Thermostatisches Expansionsventil (4) für eine Kälteanlage mit einem Verdichter (1), einem Kondensator (2) sowie einem Verdampfer (5), wobei durch eine Drosselstelle (3) des Expansionsventils (4) das im Kondensator (2) verflüssigte Kältemittel strömt und die Öffnungsweite der Drosselstelle (3) durch die Stellung eines Drosselkörpers (11) bestimmt ist, und wobei die Stellung des Drosselkörpers (11) von einem Druck- und/oder Temperaturgeber oder einer Membrane (8) beinflußbar ist, deren vom Drosselkörper (11) wegweisende Seite durch ein Steuermedium (9) beaufschlagt ist, welches in öffnendem Sinne auf den Drosselkörper (11) einwirkt, während eine Feder (12) in schließendem Sinne auf den Drosselkörper einwirkt, wobei desweiteren über wenigstens einen Sensor der Überhitzungswert (Δ tü) des Kältemittels nach dem Verdampfer (5) erfaßbar und über ein dem Überhitzungs-Sollwert (Δ tü/soll) entsprechendes Signal in abregelndem Sinne über eine ansteuerbare Einrichtung (36,41;60,63;80;90) auf den Drosselkörper (11) einwirkbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Expansionsventil (4) in ein Kraftfahrzeug eingebaut ist und das Signal zur Ansteuerung der Einrichtung (36,41;60,63;80;90) aus der Temperatur des Heißgases nach dem Verdichter (1), aus der Drehzahl des Kraftfahrzeugmotors oder des Verdichters (1) oder aus der Temperatur des Kaltluftstroms nach dem Verdampfer (5) abgeleitet ist, und daß die dem Drosselkörper (11) zugewandte Seite der Membrane (8) vom Kältemitteldampf zwischen Verdampfer (5) und Verdichter (1) beaufschlagt ist.
  2. Thermostatisches Expansionsventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (12) auf einem beweglich angeordneten Einstellteller (20) abgestützt ist, dessen eine Seite (22) vom Kältemitteldampf zwischen Verdampfer (5) und Verdichter (1) und dessen andere Seite vom verflüssigten Kältemittel nach dem Kondensator (2) beaufschlagt wird.
  3. Thermostatisches Expanisonsventil nach Anspruch 1, bei dem die Einrichtung zur Abregelung der Überhitzung (Δ tü) des Kältemitteldampfes nach dem Verdampfer durch ein elektronisch ansteuerbares Regelorgan (36,41;60,63) zur Beeinflussung der Vorspannung der Feder (12) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (12) auf einem Steuerkolben (31) sitzt, der mit dem Druck in einem Raum (35) beaufschlagt wird, der mittels eines Servokolbens (36) entweder über eine erste Öffnung (45) mit der Hochdruckseite (26) des Expansionsventils (4) oder über eine zweite Öffnung (46) mit der Niederdruckseite (29) desselben in Verbindung gebracht werden kann.
  4. Thermostatisches Expansionsventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Servokolben (36) auf seiner einen Seite (37) über die genannte erste Öffnung (45) mit dem Druck des verflüssigten Kältemittels und auf seiner anderen Seite (38) von einer Feder (39) beaufschlagt wird derart, daß er (36) bei abwechselnder Freigabe einer der beiden Öffnungen (45, 46) eine Dauerschwingung ausführt, und daß über den Raum (35) ein Teilstrom des verflüssigten Kältemittels fließt, wobei das Regelorgan durch ein Magnetventil (41) gebildet wird, durch das der Servokolben (36) feststellbar ist.
  5. Thermostatisches Expanisonsventil nach Anspruch 1, bei dem die Einrichtung zur Abregelung der Überhitzung (Δ tü) des Kältemitteldampfes nach dem Verdampfer durch ein elektronisch ansteuerbares Regelorgan (36,41;60,63) zur Beeinflussung der Vorspannung (12) der Feder (12) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Abregelung des Überhitzungs-Sollwertes durch einen Thermomotor (60) gebildet wird, der einen Einstellteller (70) für die Feder (12) abstützt und über ein elektrisches Heizelement (63) betätigbar ist.
  6. Thermostatisches Expansionsventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Thermomotor durch einen mit einem Steuermedium (62) gefüllten Wellbalg (61) gebildet wird.
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