WO2006079408A1 - Expansionsventil - Google Patents

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WO2006079408A1
WO2006079408A1 PCT/EP2005/013892 EP2005013892W WO2006079408A1 WO 2006079408 A1 WO2006079408 A1 WO 2006079408A1 EP 2005013892 W EP2005013892 W EP 2005013892W WO 2006079408 A1 WO2006079408 A1 WO 2006079408A1
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opening
expansion
section
cross
compressor
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PCT/EP2005/013892
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English (en)
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Inventor
Andreas Kemle
Jean-Jacques Robin
Michael Sickelmann
Original Assignee
Otto Egelhof Gmbh & Co. Kg
Behr Gmbh & Co. Kg
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Publication date
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    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B41/00Fluid-circulation arrangements
    • F25B41/30Expansion means; Dispositions thereof
    • F25B41/37Capillary tubes
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    • F25B2309/00Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/06Compression machines, plants or systems characterised by the refrigerant being carbon dioxide
    • F25B2309/061Compression machines, plants or systems characterised by the refrigerant being carbon dioxide with cycle highest pressure above the supercritical pressure
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    • F25B2400/0411Refrigeration circuit bypassing means for the expansion valve or capillary tube
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    • F25B9/008Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant the refrigerant being carbon dioxide

Definitions

  • the invention relates to an expansion valve according to the preamble of claim 1.
  • Carbon dioxide (CO 2 ) is preferred as refrigerant for the refrigerant circuits of air conditioning systems of future motor vehicles, since this material ensures high accident safety due to its incombustibility and, moreover, is not regarded as a pollutant for the environment.
  • the operation for CO 2 refrigeration cycles, in contrast to the R134a refrigeration cycle, also takes place in the supercritical range. This can be done in the refrigeration circuit high pressures occur on the high pressure side under certain operating conditions.
  • an expansion valve which is used in refrigerant circuits of air conditioners with CO 2 .
  • This expansion valve has an expansion member with a fixed cross-section in order to transfer the refrigerant for pressure release from the high-pressure side to the low-pressure side. This cross-section is always open to the flow. If the pressure on the high-pressure side in the refrigerant circuit exceeds a preset high pressure, a bypass valve or pressure limiting valve connected in parallel with the expansion element is opened, so that the excess pressure above the maximum permissible high pressure is reduced.
  • the bypass valve opens at a high pressure side refrigerant pressure exceeding a threshold value, whereby a pressure increase on the high pressure side is limited or slowed down.
  • the invention is therefore based on the object to provide an expansion valve, which allows high efficiency to achieve maximum performance of an expansion valve in the entire scope of a refrigerant circuit.
  • the expansion valve according to the invention which comprises an expansion element with an opening cross-section in the range between 0.06 mm 2 to 0.50 mm 2 and a bypass valve arranged parallel to it, has the advantage that the bypass valve opens only at an overpressure of a preset high pressure through the opening cross-section of the Expansio ⁇ sorgans a high mass flow or a mass flow at high pressure from a supply line to the discharge line passes.
  • a bypass valve opens only at an overpressure of a preset high pressure through the opening cross-section of the Expansio ⁇ sorgans a high mass flow or a mass flow at high pressure from a supply line to the discharge line passes.
  • Too early opening of the bypass valve is prevented.
  • By opening the bypass valve too early the efficiency of the cooling process would be reduced, which would result in a reduction of the coefficient of performance COP.
  • this region of an opening cross-section for the expansion element the effectiveness of the refrigerant circuit, in particular in the supercritical operating state of a CO 2 -Kälte
  • the bypass valve opens at an opening pressure between 100 bar to 130 bar a valve seat on a discharge line, whereby a high mass flow is released in addition to the expansion device.
  • the opening pressure is in the upper region, in order to prevent too early opening of the Bypassventiis, so that a high cooling capacity can be achieved.
  • the bypass valve has an opening characteristic with a slope S in a range between 0.08 mm 2 / bar and 0.2 mm 2 / bar.
  • the increase in the high pressure can be reduced sufficiently quickly, so that a maximum allowable high pressure of 133 bar to the compressor is not exceeded.
  • the expansion valve fulfills the safety requirements for refrigerant circuits, in particular with CO 2 , which also operate in transcritical operating states.
  • the opening cross-section of the expansion element is selected as a function of the stroke volume of the compressor of the refrigerant circuit. This allows in particular a high efficiency at the start of a cooling process.
  • the refrigerant is present at the beginning of a cooling process of a heated space or vehicle with high density, so that the compressor reaches the maximum allowable high pressure very quickly.
  • an opening cross-section of the expansion element is provided in a range between 0.06 mm 2 and 0.25 mm 2 .
  • the opening cross-section of the expansion device is adapted to the capacity of the compressor, so that at relatively high pressures, a large volume flow through the expansion device, without requiring opening of the bypass valve in normal operation, so that the largest cooling capacity for the lowest possible drive power is achieved.
  • an increase in the cross-sectional area of the expansion element is proportional to the increase in the stroke volume of the compressor.
  • Higher performance refrigerant cycles also require appropriately matched components, such as heat exchangers, compressors, and accumulators, so that the proportional increase in the cross-sectional area of the expansion device to the displacement of the compressor maintains a maximum coefficient of performance.
  • a stroke volume of 30 cm 3 preferably an opening cross-section of the expansion element in the range between 0.13 mm 2 to 0.5 mm 2 is provided.
  • An opening cross-section of the bypass valve is advantageously designed as a function of a stroke volume of a compressor. As a result, the pressure rise on the high pressure side can be limited in adaptation to the capacity of the compressor.
  • the opening cross-section of the bypass valve is provided in a range between 0.5 mm 2 and 0.1 mm 2 . This area The opening cross section proves to be particularly suitable for limiting or reducing the pressure increase.
  • the increase in the cross-sectional area of the bypass valve as the swept volume of the compressor increases is made proportionally increasing in a preferred embodiment. As a result, a quick and easy design of the cross-sectional area in dependence on the stroke volume for a compressor can be made possible.
  • FIG. 2 is a schematic sectional view of an expansion valve according to the invention
  • FIG. 3 a is a graph showing the ratio of the coefficient of performance, the high pressure and the mass flow to the cross section of the expansion device for supercritical operation
  • 3b is a graph showing the ratio of the coefficient of performance, the Konde ⁇ sationstiks and the refrigerant mass flow to the cross-section of the Expansionsorga ⁇ s for the subcritical region,
  • FIG. 4 is a diagram showing the opening cross-section of an expansion element of the expansion valve in FIG. dependency of the stroke volume of a compressor
  • Figure 5 is a diagram showing the opening cross-section of
  • FIG. 6 shows a diagram which represents the valve opening cross section of the expansion valve as a function of the high pressure.
  • a refrigeration system 11 is exemplified, which is preferably operated with CO 2 as the refrigerant.
  • a compressor 12 supplies the compressed refrigerant on the high pressure side to an outdoor heat exchanger 14. This communicates with the environment and gives off heat to the outside.
  • This nachgeschalte ⁇ is an inner heat exchanger 15 which supplies the refrigerant to an expansion valve 16 via a feed line 17.
  • an input pressure which may be, for example, 130 bar in the summer and up to 60 bar in the winter.
  • the refrigerant flows through the expansion valve 16 and reaches the low-pressure side.
  • the expansion valve 16 On the output side, the expansion valve 16 has pressures generally between 35 and 60 bar.
  • the cooled by the pressure release refrigerant enters the evaporator 21 and removes heat from the environment, whereby the cooling, for example, a vehicle interior is achieved.
  • the heat exchanger 21, a collector 22 is connected downstream.
  • the vaporous refrigerant flows through the inner heat exchanger 15 and reaches the compressor 12.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a depiction of an expansion valve 16 according to the invention.
  • a Zutechnologyöffnu ⁇ g 34 is provided, which leads to a bypass valve 36. From this, a discharge opening 37 leads into the discharge line 18.
  • the supply opening 34 leads into a pressure chamber 38, in which a valve closing member 39 is provided.
  • the valve closing member 39 comprises a closing body 42, which in a valve seat 41 in a closed position a Abriosö réelle 37 closes.
  • the valve closing member 39 is held in a closed position by a return means 43.
  • the return device 43 is formed for example by a spring element 44 as a coil spring. Further alternative embodiments are possible.
  • a plurality of spring elements 44 with the same or different spring rate can be connected one behind the other and / or in parallel.
  • the restoring device 43 comprises a bellows 45 or a membrane with a spring element, as described in DE 100 12 714, to which reference is made in full.
  • an expansion member 46 is provided, which is designed as a through hole with a fixed opening cross section A F.
  • a mass flow is performed directly from the feed opening 34 to the discharge opening 37 through the expansion valve 16.
  • Only from the exceeding of an adjustable or intended value of a high pressure is an opening of the bypass valve 36 to reduce the pressure.
  • FIG. 3a shows a diagram in which the power coefficient 47, the mass flow 48 and the high pressure 49 relative to the valve opening cross section of the expansion element 46 are shown in an expansion valve 16 which is operated in the supercritical range.
  • the supercritical range is, for example, at an ambient temperature above a range of 25 to 28 ° C, in which an optimal high pressure of a CO 2 cycle exceeds the critical value of 73.8 bar.
  • the maximum M of the characteristic curve 47 of the maximum power coefficient determines the maximum required cross-section Ai of the expansion element 46 for the supercritical operating state.
  • FIG. 3b shows an analogous diagram to FIG. 3a for the subcritical region of a refrigerant process. From the maximum M of the characteristic curve of the coefficient of performance COP 47, in turn, the optimal opening cross-section A 2 of the expansion element 49 is to be determined for the subcritical operating state. As a result, the design range for the opening cross-section A F of the expander 46 is set in a region between the cross-sectional areas Ai and A 2 .
  • the opening cross section Ai is to be selected in a region between the maximum M of the characteristic curve COP 47 and an area to the left thereof, whereas in the subcritical region is advantageous, the opening cross section A 2 of the expansion element 46 starting from to select the maximum M of the COP 47 characteristic in an area to the right thereof for high efficiency.
  • the determination of the opening cross-section Ai of the expansion device 46 for the transcritical operating state and the opening cross-section A 2 of the expansion device 46 for the subcritical operating state can also be determined as a function of the stroke volume of the compressor 12 and plotted according to the diagram in FIG. This results, for example, for a stroke volume of 15 cm 3, a design range of the opening cross-section A F between 0.06 mm 2 and 0.25 mm 2 . With a double stroke volume of, for example, 30 cm 3 , the cross-sectional area is doubled, which lies in a range between 0.13 mm 2 and 0.5 mm 2 . This results in an upper and lower characteristic curve 52 and 53, which represent a proportional increase in the cross-sectional area as a function of the stroke volume of the compressor 12.
  • FIG. 5 shows a diagram representing the opening cross-sections Ai and A 2 of the bypass valve 36 for the supercritical and subcritical operating state as a function of the stroke volume of the compressor 12.
  • the determination of the opening cross-section A 1 and A 2 can in turn on the diagrams 3a and 3b.
  • the cross-sectional area A B is in a range between 1 mm 2 and 2 mm 2 .
  • This results in an upper and lower characteristic curve 54, 55 which represent a proportional increase in the cross-sectional area as a function of the stroke volume of the compressor 12.
  • FIG. 6 shows a diagram of a preferred embodiment of an expansion valve 16.
  • An opening cross-section A F of the expansion element 46 is, for example, in a range between 0.13 mm 2 and 0.5 mm 2 .
  • the bypass valve 36 is set to an opening pressure in a range between 100 and 130 bar. This results in a constant throttle cross section up to a set or preselected refrigerant pressure between 100 and 130 bar, in which the mass flow flows through the expansion element 46.
  • the bypass valve 36 opens, wherein a mass flow flows through the released opening cross section A B of the discharge opening 37 as a function of the return device 43.
  • a flat curve S FK or a steep curve S SK is set.
  • the higher the performance requirements of the refrigerant system the higher the opening pressure of the bypass valve 36 is selected to achieve a high enthalpy difference and thus high refrigeration capacity.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Expansionsventil für eine Kälteanlage, insbesondere eine C02-Kälteanlage, mit einem Gehäuse mit einer Zuführöffnung (34) und einer Abführöffnung (37), mit einem Expansionsorgan (46), das die Zuführöffnung oder eine damit verbundene Fluidverbindung mit der Abführöffnung oder einer damit verbundenen Fluidverbindung verbindet, wobei parallel zu dem Expansionsorgan (46) ein Bypassventil (36) angeordnet ist, wobei das Expansionsorgan (46) einen Öffnungsquerschnitt (AF) in einem Bereich zwischen 0,06 mm2 bis 0,5 mm2 aufweist.

Description

Expansionsventil
Die Erfindung betrifft ein Expansionsveπtil gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Für die Kältemittelkreisläufe von Klimaanlage zukünftiger Kraftfahrzeuge wird als Kältemittel Kohlendioxid (CO2) bevorzugt, da dieser Stoff aufgrund seiner Unbrennbarkeit eine hohe Unfallsicherheit gewährleistet und darüber hinaus nicht als Schadstoff für die Umwelt gilt. Der Betrieb für CO2-Kältekreisläufe erfolgt im Gegensatz zum R134a-Kältekreislauf auch im überkritischen Bereich. Dadurch können im Kältemϊttelkreislauf auf der Hochdruckseite bei bestimmten Betriebsbedingungen hohe Drücke auftreten.
Aus der DE 100 12 714 Al ist ein Expansionsventil bekannt, das in Kältemittelkreisläufen von Klimaanlagen mit CO2 eingesetzt wird. Dieses Expansionsventil weist ein Expansionsorgan mit einem festen Querschnitt auf, um das Kältemittel zur Druckentspannung von der Hoch- druckseite zur Niederdruckseite überzuführen. Dieser Querschnitt ist stets zur Durchströmung offen. Sofern der Druck auf der Hochdruckseite im Kältemittelkreislauf einen voreingestellten Hochdruck übersteigt, wird ein parallel zum Expansionsorgan geschaltetes Bypassventil oder Druckbegrenzungsventil geöffnet, so dass der über den maximalen zulässigen Hochdruck hinausgehende Überdruck abgebaut wird. Das Bypassventil öffnet bei einem einen Schwellwert überschreitenden hochdruckseitigen Kältemitteldruck, wodurch ein Druckanstieg auf der Hochdruckseite begrenzt beziehungsweise verlangsamt wird.
Zum sicheren Einsatz solcher Expansϊonsventile in einem Kältemittelkreislauf, insbesondere CO2-Kreislauf, und zur Erzielung eines maximalen Wirkungsgrades ist erforderlich, dass derartige Expansionsventϊle auf die unterschiedlichen Betriebszustände angepasst oder ausgelegt sind.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Expansionsventil zu schaffen, welches eine hohe Effizienz zur Erzielung von maximalen Leistungsdaten eines Expansionsventils im gesamten Anwendungsbereich eines Kältemittelkreislaufs ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Expansioπsventil, weiches ein Expansionsorgan mit einem Öffnungsquerschnitt im Bereich zwischen 0,06 mm2 bis 0,50 mm2 und parallel dazu angeordnet ein Bypassventil umfasst, weist den Vorteil auf, dass das Bypassventil erst bei einem Überdruck eines voreingestellten Hochdrucks öffnet, da durch den Öffnungsquerschnitt des Expansioπsorgans ein hoher Massenstrom beziehungsweise ein Massenstrom mit hohem Druck aus einer Zuführleitung zur Abführleitung gelangt. Dadurch wird eine Erhöhung des Kältemittelmassenstromes erzielt, wodurch eine größere Kälteleistung erzielt wird. Ein zu frühes Öffnen des Bypassventils wird verhindert. Durch ein zu frühes Öffnen des Bypassventils würde die Effizienz des Abkühlungsprozesses verringert werden, wodurch eine Verringerung des Leistungskoeffizienten COP (coefficient of Performance) gegeben wäre. Durch die Auswahl dieses Bereiches eines Öffnungsquerschnittes für das Expansionsorgan wird die Effektivität des Kältemittelkreislaufes, insbesondere im überkritischen Betriebszustand eines Cθ2-Kältemittelkreislaufs, erhöht.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Bypassventil bei einem Öffnungsdruck zwischen 100 bar bis 130 bar einen Ventilsitz an einer Abführleitung öffnet, wodurch ein hoher Massenstrom zusätzlich zum Expansionsorgan freigegeben ist. Bevorzugt liegt der Öffnungsdruck im oberen Bereich, um ein zu frühes Öffnen des Bypassventiis zu verhindern, so dass eine hohe Kälteleistung erzielt werden kann.
Zum Abbau eines überhöhten Hochdruckes auf der Hochdruckseite des Expansionsventils ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass das Bypassventil eine Öffnungskennlinie mit einer Steigung S in einem Bereich zwischen 0,08 mm2/bar und 0,2 mm2/bar aufweist. Dadurch kann die Überhöhung des Hochdruckes hinreichend schnell abgebaut werden, so dass ein maximaler zulässiger Hochdruck von 133 bar nach Verdichter nicht überschritten wird. Dadurch erfüllt das Expansionsventil die Sicherheitsanforderungen an Kältemittelkreisläufe, insbesondere mit CO2, die auch in transkritischen Betriebszuständen arbeiten.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Öffnungsquerschnitt des Expansionsorgans in Abhängigkeit des Hubvolumens des Kompressors des Kältemittelkreislauf ausgewählt ist. Dies ermöglicht insbesondere eine hohe Effizienz beim Start eines Abkühlprozesses. Das Kältemittel liegt bei Beginn eines Abkühlprozesses eines aufgeheizten Raumes oder Fahrzeugs mit hoher Dichte vor, so dass der Kompressor den maximalen zulässigen Hochdruck sehr schnell erreicht. Durch die Anpassung der Expansionsventilparameter kann einerseits ein hoher Massenstrom zur Wärmeaufnahme vorgesehen sein und andererseits ein Druckanstieg über einen maximalen zulässigen Wert von 133 bar verhindert werden.
Vorteilhafterweise ist bei einem Hubvolumen von beispielsweise 15 cm3 ein Öffnungsquerschnitt des Expansionsorgans in einem Bereich zwischen 0,06 mm2 und 0,25 mm2 vorgesehen. Dadurch wird der Öffnungsquerschnitt des Expansionsorgans an die Förderleistung des Kompressors angepasst, so dass bei relativ hohen Drücken ein großer Volumenstrom das Expansionsorgan durchströmt, ohne im Normalbetrieb ein Öffnen des Bypassventils zu erfordern, so dass die größte Kälteleistung für die kleinstmögliche Antriebsleistung erzielt wird.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Zunahme der Querschnittsfläche des Expansionsorgans proportional zur Zunahme des Hubvolumens des Kompressors ist. Kältemittelkreisläufe mit einer höheren Leistung erfordern auch entsprechend angepasste Komponenten, wie Wärmeübertrager, Kompressor und Sammler, so dass durch die proportionale Zunahme der Querschnittsfläche des Expansionsorgans zum Hubvolumen des Kompressors ein maximaler Leistungskoeffizient erhalten bleibt. Beispielsweise ist bei einem Hubvolumen von 30 cm3 bevorzugt ein Öffnungsquerschnitt des Expansionsorgans im Bereich zwischen 0,13 mm2 bis 0,5 mm2 vorgesehen.
Ein Öffnungsquerschnitt des Bypassventils wird vorteilhafterweise in Abhängigkeit eines Hubvolumens eines Kompressors ausgelegt. Dadurch kann der Druckanstieg auf der Hochdruckseite in Anpassung an die Förderleistung des Kompressors begrenzt werden.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass bei einem Hubvolumen von 15 cm3 des Kompressors der Öffnungsquerschnitt des Bypassventils in einem Bereich zwischen 0,5 mm2 und 0,1 mm2 vorgesehen ist. Dieser Bereich des Öffnungsquerschnitts erweist sich besonders geeignet für die Begrenzung oder Verringerung der Drucküberhöhung.
Die Zunahme der Querschnittsfläche des Bypassventiis bei Zunahme des Hubvolumens des Kompressors wird nach einer bevorzugten Ausführungsform proportional ansteigend ausgelegt. Dadurch kann eine schnelle und einfache Auslegung der Querschnittsfläche in Abhängigkeit des Hubvolumens für einen Kompressor ermöglicht sein.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen derselben werden im Folgenden anhand den in den Zeichnungen dargestellten Beispielen näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmenden Merkmale können einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination erfindungsgemäß angewandt werden. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Kältemittelkreisprozesses,
Figur 2 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Expansionsventils,
Figur 3a ein Diagramm, welches das Verhältnis des Leistungskoeffizienten, des Hochdrucks und des Massenstromes zum Querschnitt des Expansionsorgans für den überkritischen Betrieb darstellt,
Figur 3b ein Diagramm, welches das Verhältnis des Leistungskoeffizienten, des Kondeπsationsdrucks und des Kältemittelmassenstroms zum Querschnitt des Expansionsorgaπs für den unterkritischen Bereich darstellt,
Figur 4 ein Diagramm, welches den Öffnungsquerschnitt eines Expansionsorgans des Expansionsventils in Ab- hängigkeit des Hubvolumens eines Kompressors darstellt,
Figur 5 ein Diagramm, welches den Öffnungsquerschnitt des
Bypassventils in Abhängigkeit des Hubvolumens des Kompressors darstellt und
Figur 6 ein Diagramm, welches den Ventilöffnuπgsquer- schnitt des Expansionsventils in Abhängigkeit des Hochdruckes darstellt.
In Figur 1 ist beispielhaft eine Kälteanlage 11 dargestellt, die bevorzugt mit CO2 als Kältemittel betrieben wird. Ein Kompressor 12 führt das verdichtete Kältemittel hochdruckseitig einem Außenwärmeübertrager 14 zu. Dieser steht mit der Umgebung in Verbindung und gibt Wärme nach außen ab. Diesem nachgeschalteπ ist ein innerer Wärmetauscher 15, der das Kältemittel einem Expansionsventil 16 über eine Zuführleitung 17 zuführt. Vor dem Expansionsventil 16 liegt hochdruckseitig ein Eingangsdruck an, der beispielsweise im Sommer 130 bar und jm Winter bis 60 bar betragen kann. Das Kältemittel durchströmt das Expansionsventil 16 und gelangt zur Niederdruckseite. Ausgaπgsseitig weist das Expansionsventil 16 Drücke im Allgemeinen zwischen 35 und 60 bar auf. Über eine Abführleituπg 18 gelangt das durch die Druckentspannung abgekühlte Kältemittel in den Verdampfer 21 und entzieht der Umgebung Wärme, wodurch die Kühlung beispielsweise eines Fahrzeuginnenraumes erzielt wird. Dem Wärmetauscher 21 ist ein Sammler 22 nachgeschalten. Das dampfförmige Kältemittel durchströmt den inneren Wärmeübertrager 15 und gelangt zum Kompressor 12.
In Figur 2 ist eine schematische Schnϊttdarstellung eines erfindungsge- mäßen Expansionsventils 16 dargestellt. In einem Gehäuse 33 ist eine Zuführöffnuπg 34 vorgesehen, die zu einem Bypassventil 36 führt. Von diesem aus führt eine Abführöffnung 37 in die Abführleitung 18. Die Zuführöffnung 34 führt in einen Druckraum 38, in welchem ein Ventilschließglied 39 vorgesehen ist. Das Ventilschließglied 39 umfasst einen Schließkörper 42, der in einem Ventilsitz 41 in einer Schließposition eine Abführöffnung 37 schließt. Das Ventilschließglied 39 wird durch eine Rückstelleinrichtung 43 in einer Schließposition gehalten. Die Rückstelleinrichtung 43 ist beispielsweise durch ein Federelement 44 wie eine Spiralfeder ausgebildet. Weitere alternative Ausgestaltungen sind möglich. Beispielsweise können mehrere Federelemente 44 mit gleicher oder unterschiedlicher Federrate hintereinander und/oder parallel geschalten werden. Die Rückstelleinrichtung 43 umfasst einen Balg 45 oder eine Membran mit einem Federelement, wie dies in der DE 100 12 714 beschrieben ist, auf die vollinhaltlich bezug genommen wird.
Zwischen der Zuführöffnung 34 und der Abführöffπung 37 ist ein Expansionsorgan 46 vorgesehen, welches als eine Durchgangsbohrung mit einem festen Öffnungsquerschnitt AF ausgebildet ist. Durch dieses Expansionsorgan 46 wird ein Massenstrom unmittelbar von der Zuführöffnung 34 zur Abführöffnung 37 durch das Expansionsventil 16 geführt. , Erst ab dem Überschreiten eines einstellbaren oder vorgesehenen Wertes eines Hochdruckes erfolgt eine Öffnung des Bypassventils 36, um den Überdruck abzubauen.
Zur Auslegung des Expansionsventils 16 wird auf die Figuren 3a bis 6 Bezug genommen.
Figur 3a zeigt ein Diagramm, bei welchem der Leistungskoeffizient 47, der Massenstrom 48 und der Hochdruck 49 im Verhältnis zum Ventilöff- nungsquerschnitt des Expansionsorgans 46 in einem Expansionsventil 16, welches im überkritischen Bereich betrieben wird, dargestellt sind. Der überkritische Bereich liegt beispielsweise bei einer Umgebungstemperatur oberhalb eines Bereiches von 25 bis 28° C vor, bei dem ein optimaler Hochdruck eines CO2-Kreislaufes den kritischen Wert von 73,8 bar überschreitet. Durch das Maximum M der Kennlinie 47 des maximalen Leistungskoeffizienten erfolgt die Festlegung eines maximal erforderlichen Querschnitts Ai des Expansionsorgans 46 für den überkritischen Betriebszustand.
In Figur 3b ist eine analoges Diagramm zu Figur 3a für den unterkritischen Bereich eines Kältemittelprozesses dargestellt. Aus dem Maximum M der Kennlinie des Leistungskoeffizienten COP 47 ist wiederum der optimale Öffnungsquerschnitt A2 des Expansionsorgans 49 für den unterkritischen Betriebszustand zu ermitteln. Dadurch ist der Auslegungsbereich für den Öffπungsquerschnitt AF des Expaπsionsorgans 46 festgelegt in einen Bereich zwischen den Querschnittsflächen Ai und A2. Darüber hinaus ist festgestellt worden, dass im überkritischen Bereich der Öffnungsquerschnitt Ai in einem Bereich zwischen dem Maximum M der Kennlinie COP 47 und einem Bereich links davon zu wählen ist, wohingegen im unterkritischen Bereich von Vorteil ist, den Öffnungsquerschnitt A2 des Expansionsorgans 46 ausgehend von dem Maximum M der Kennlinie COP 47 in einen Bereich rechts davon auszuwählen, um eine hohe Effizienz zu erzielen.
Die Bestimmung des Öffnungsquerschnittes Ai des Expansionsorgans 46 für den transkritischen Betriebszustand und des Öffnungsquerschnittes A2 des Expansionsorgans 46 für den unterkritischen Betriebszustand kann darüber hinaus in Abhängigkeit des Hubvolumens des Kompressors 12 ermittelt und gemäß dem Diagramm in Figur 4 aufgetragen werden. Daraus ergibt sich beispielsweise für ein Hubvolumen von 15 cm3 ein Auslegungsbereich des Öffnungsquerschnitts AF zwischen 0,06 mm2 und 0,25 mm2. Bei einem doppelten Hubvolumen von beispielsweise 30 cm3 erfolgt eine Verdoppelung der Querschnittsfläche, welche in einen Bereich zwischen 0,13 mm2 und 0,5 mm2 liegt. Daraus ergeben sich eine obere und untere Kennlinie 52 und 53, welche einen proportionalen Anstieg der Querschnittsfläche in Abhängigkeit des Hubvolumens des Kompressors 12 darstellen.
Zwischen beiden Kennlinien 52, 53 ergibt sich ein Bereich, innerhalb dessen die optimale Öffnungsquerschnitte eines Expansionsorgans 46 liegen, ohne dass ein Überdruck ein zu frühes Öffnen des Bypassventils 39 erfordert.
In Figur 5 ist ein Diagramm dargestellt, welches die Öffnungsquerschnitte Ai und A2 des Bypassventils 36 für den über- und unterkritischen Betriebszustand in Abhängigkeit des Hubvolumens des Kompressors 12 darstellt. Die Ermittlung des Öffnungsquerschnittes A1 und A2 kann wie- derum über die Diagramme 3a und 3b erfolgen. Daraus ergibt sich für ein Hubvolumen von 15 cm3 gemäß Figur 5 ein Auslegungsbereich des Öffnungsquerschnitts A6 zwischen 0,5 mm2 und 1,0 mm2. Bei einem doppelten Hubvolumen von beispielsweise 30 cm3 liegt die Querschnittsfläche AB in einem Bereich zwischen 1 mm2 und 2 mm2. Daraus resultieren eine obere und untere Kennlinie 54, 55, welche einen proportionalen Anstieg der Querschnittsfläche in Abhängigkeit des Hubvolumens des Kompressors 12 darstellen.
In Figur 6 ist ein Diagramm .einer bevorzugten Auslegung eines Expansionsventils 16 dargestellt. Ein Öffnungsquerschnitt AF des Expansionsorgans 46 liegt beispielsweise in einem Bereich zwischen 0,13 mm2 und 0,5 mm2. Das Bypassventil 36 ist auf einen Öffnungsdruck in einem Bereich zwischen 100 und 130 bar eingestellt. Dadurch ergibt sich ein konstanter Drosselquerschnitt bis zu einem eingestellten oder vorgewählten Kältemitteldruck zwischen 100 und 130 bar, bei dem der Massenstrom das Expansionsorgan 46 durchströmt. Bei Überschreiten dieses Hochdruckes öffnet das Bypassventil 36, wobei in Abhängigkeit der Rückstelleinrichtung 43 ein Massenstrom den freigegebenen Öffnungsquerschnitt AB der Abführöffnung 37 durchströmt. In Abhängigkeit der Rückstellkraft der Rückstelleinrichtung 43 und des Niederdruckes in der Abführöffήung 37, welcher durch die Größe der Abführöffnung 37 bestimmt ist, wird eine flache Kennlinie SFK oder eine steile Kennlinie SSK festgelegt.
Je höher die Leistungsanforderungen der Kältemittelanlage sind, um so höher wird der Öffnungsdruck des Bypassventils 36 gewählt, um eine hohe Enthalpiedifferenz und somit große Kälteleistung zu erzielen.
Bei Berücksichtigung der vorgenannten Parameter zur Erzielung eines maximalen Leistungskoeffizienten COP des Expansionsventils 16 wurde festgestellt, dass ein sicherer Betrieb bei gleichzeitiger Leistungsoptimierung durch eine maximale Querschnittsöffnung AF eines Bypassventils 36 in einem Bereich zwischen 1,0 mm2 bis 2,0 mm2 erzielt wird. Der Öffnungsdruck des Bypassventils 36 liegt in einem Bereich zwischen 100 und 130 bar. Die Steigung der Öffnungskennlinie 56 des Bypassventils 36 liegt in einem Bereich zwischen SFK = 0,08 mm2/bar und der Steigung SSK = 0,20 mm2/bar.
Die in den Ausführungsbeispieleπ beschriebenen Merkmale und Parameter zur Auslegung eines effizienten Expansionsventils 16 sind jeweils für sich betrachtet oder in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich.

Claims

Ansprüche
1. Expansionsveπtil für eine Kälteanlage, insbesondere eine CO2- Kälteanlage, mit einem Gehäuse mit einer Zuführöffnung (34) und einer Abführöffnung (37), mit einem Expansionsorgan (46), das die Zuführöffnuπg oder eine damit verbundene Fluidverbindung mit der Abführöffnung oder einer damit verbundenen Fluidverbindung verbindet, wobei parallel zu dem Expansionsorgan (46) ein Bypassventil (36) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Expansionsorgan (46) einen Öffnungsquerschnitt (AF) in einem Bereich zwischen 0,06 mm2 bis 0,5 mm2 aufweist.
2. Expansionsventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bypassventil (36) einen entgegen der Öffnungsrichtung wirkende Rückstelleinrichtung (43) aufweist, welche bei einem Öffnungsdruck auf der Hochdruckseite zwischen 100 bis 130 bar öffnet.
3. Expansionsventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Öffnungskennlinie (56) des Bypassventils (36) ausgehend von einem vorbestimmten Öffnungsdruck eine Steigung (S) in einem Bereich zwischen 0,2 mm2/bar und 0,08 mm2/bar aufweist.
4. Expansioπsventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungsquerschnitt (AF) des Expansionsorgans (46) in Abhängigkeit eines Hubvolumens eines Kompressors (12) des Kältemittelkreislaufes (11) steht.
5. Expansionsventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass für ein Hubvolumen von 15 cm3 des Kompressors (12) ein Öffnungsquerschnitt (AF) des Expansionsorgans (46) im Bereich zwischen 0,06 mm2 und 0,25 mm2 vorgesehen ist.
6. Expansionsventil nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zunahme der Querschnittsfläche (AF)-des Expansionsorgans (46) proportional zur Zunahme des Hubvolumens des Kompressors (12) ist.
7. Expansionsventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Öffnungsquerschnitt (AB) des Bypassventils (36) in Abhängigkeit eines Hubvolumens eines Kompressors (12) des Kältemittelkreislaufes (11) steht.
8. Expaπsionsventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass für ein Hubvolumen'von 15 cm3 des Kompressors (12) der Öffnungsquerschnitt (AB) des Bypassventils (36) im Bereich zwischen 0,5 mm2 und 1,0 mm2 vorgesehen ist.
9. Expansionsventil nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zunahme der Querschnittsfläche (AB) des Bypassventils (36) proportional zur Zunahme des Hubvolumens des Kompressors (12) ist.
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