WO2008064816A1 - Thermostatic expansion valve for refrigeration cycles or heat pump cycles, featuring a mechanically controlled safety function - Google Patents

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WO2008064816A1
WO2008064816A1 PCT/EP2007/010117 EP2007010117W WO2008064816A1 WO 2008064816 A1 WO2008064816 A1 WO 2008064816A1 EP 2007010117 W EP2007010117 W EP 2007010117W WO 2008064816 A1 WO2008064816 A1 WO 2008064816A1
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actuator
pressure
expansion valve
opening
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PCT/EP2007/010117
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Juan Aguilar
Rainer Maurer
Jean-Jacques Robin
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Otto Egelhof Gmbh & Co. Kg
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    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B41/00Fluid-circulation arrangements
    • F25B41/30Expansion means; Dispositions thereof
    • F25B41/31Expansion valves
    • F25B41/33Expansion valves with the valve member being actuated by the fluid pressure, e.g. by the pressure of the refrigerant
    • F25B41/335Expansion valves with the valve member being actuated by the fluid pressure, e.g. by the pressure of the refrigerant via diaphragms
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • 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
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25B2341/06Details of flow restrictors or expansion valves
    • F25B2341/063Feed forward expansion valves

Definitions

  • Thermostatic expansion valve for refrigeration or heat pump circuits with mechanically controlled safety function is thermostatic expansion valve for refrigeration or heat pump circuits with mechanically controlled safety function
  • the invention relates to a thermostatic expansion valve for a refrigeration and / or heat pump cycle according to the preamble of claim 1.
  • the high-pressure side heat release is usually above the critical pressure of the applied refrigerant. Due to the resulting sliding temperature gradient in the gas cooler, the pressure at the gas cooler outlet is a degree of freedom in the circulation process. Especially in cycles that use CO 2 as a refrigerant, it is very important to adjust the high pressure as a function of the ambient conditions. to regulate the gas cooler outlet temperature in an optimum efficiency range.
  • CO 2 air conditioning systems only fixed throttles or externally controlled expansion elements are usually used in the regulation of the refrigeration cycle. The former do not allow adaptation of the high pressure to the process boundary conditions during operation.
  • externally controlled expansion devices have to be controlled by electronic control elements, whose reactivity is inadequate, especially for automotive applications. Accordingly, they can not provide sufficient reliability.
  • Other disadvantages include high susceptibility to failure, high development and acquisition costs.
  • DE 102 49 950 B4 discloses an expansion valve for high-pressure refrigeration systems with a valve seat, a valve element which cooperates with the valve seat, a spring arrangement acting on the valve element, and an adjusting device for the spring arrangement, wherein the spring arrangement at least a first spring and a second Spring, which act on the valve element has, the first spring defines a working area and the second spring has a variable by the adjusting spring force.
  • an expansion valve which has a chamber in which the refrigerant is enclosed.
  • the chamber is bounded by a membrane which acts indirectly on a valve element.
  • the membrane is also exposed to the high-pressure side refrigerant.
  • the active surfaces to which the refrigerant trapped in the chamber acts and those to which the high-pressure side refrigerant coming from the gas cooler acts are identical.
  • a thermal expansion valve which has a first and second active surface, which are coupled in movement with a valve element.
  • the first active area is part of a stretchable separating device, which comprises a chamber with a control filling in the thermal head.
  • a stretchable separating device which comprises a chamber with a control filling in the thermal head.
  • Object of the present invention is therefore to provide an expansion valve that adjust the high pressure of a transcritical refrigeration or heat pump cycle within an optimal range and can prevent exceeding a maximum allowable value independently.
  • an expansion valve according to the features of claim 1.
  • a first actuator which is controlled by the high pressure and the temperature of the refrigerant dependent, wherein the control filling of the first actuator has a filling density which is immediately below the critical density of the control filling and a second actuator which thermally independent and high pressure can be driven dependent is created by the movement coupling an expansion valve, which on the one hand controls a refrigerant circuit with optimum high pressure and on the other hand comprises a mechanically controllable security element.
  • a maximum set opening pressure or operating pressure is exceeded, the passage opening is released, so that an excess pressure in the refrigerant circuit prevents and thus a safety function against excessive operating pressures is given.
  • Such an expansion valve allows in a refrigeration or heat pump cycle, in particular with an internal heat exchanger, an optimal high pressure as a function of an outlet temperature. temperature of the refrigerant leaving the inner heat exchanger of the refrigeration pump and / or heat cycle. In addition, in any operating position exceeding a predefined maximum high pressure can be prevented automatically and without external control.
  • the first actuator has a chamber whose inner volume is temperature-dependent variable.
  • the temperature of the high-pressure-side refrigerant, which flows into the expansion valve, for example, from the inner heat exchanger, can be absorbed.
  • an operation-adapted control of the circuit via a first active surface can take place, which is formed on the chamber and preferably receives the valve element.
  • the first active surface of the first actuator is a part of the bellows actuator.
  • the chamber is designed bellows-like or membrane-like and is made of a thermally conductive material.
  • the control filling provided in the chamber of the first actuator is preferably designed such that the valve element allows an opening and closing movement for controlling a COP-optimized high-pressure region. As a result, the first actuator can be actuated under normal operating conditions.
  • the chamber in particular the inner contour of the chamber, by a sleeve. or webs is guided. This allows deformations due to the effect of Control filling and the high-pressure side refrigerant can be prevented.
  • a mixture of substances for the control filling is selected, which has a critical temperature which is below the critical temperature of the refrigerant to be controlled.
  • the second actuator is adjustable to a maximum opening pressure for opening the passage opening. This makes it possible that a voltage applied to the active surface of the second actuator high pressure independent of temperature then causes an actuating movement of the coupled first actuator or its valve element as soon as a maximum operating pressure is exceeded.
  • the second actuator has a membrane or plate spring-shaped element with a second active surface and the first actuator is provided for movement coupled thereto.
  • This membrane or dish spring-shaped element allows an arrangement in a high-pressure chamber, in which the high-pressure chamber is made possible with respect to a space separated by the membrane or plate spring-shaped element with atmospheric pressure.
  • the second actuator is constructed with a discontinuous path-force characteristic, so that the element endeavors to switch from a predefined initial rest position into a second component-specific end position with sufficient force surplus of a force formed by the applied high pressure. In this second component-specific end position, an enlargement of the opening cross-section of the passage opening of the expansion valve takes place.
  • the membrane or plate spring-shaped element has its own biasing force, which is at least partially or completely adjustable to the maximum opening pressure.
  • the membrane- or dish-spring-shaped element separates the valve housing into a high-pressure chamber and a room with atmospheric pressure. This allows the high pressure to operate against the atmospheric pressure, so that in different applications the same conditions of use are given.
  • this embodiment has the advantage that when using a power storage element, which counteracts a lifting movement of the membrane or plate spring-shaped element is adjustable from the outside.
  • the second actuator is alternatively subjected to a mechanical biasing force, in particular by a spring element, which is preferably set such that when the predefined maximum high pressure of the refrigerant circuit is exceeded, the valve element of the first actuator with a valve lift is controlled.
  • a spring element which is preferably set such that when the predefined maximum high pressure of the refrigerant circuit is exceeded, the valve element of the first actuator with a valve lift is controlled.
  • the second actuator comprises a clamping device. This makes it possible that different opening pressures are application-specific adjustable.
  • a maximum stroke movement of the first actuating element is preferably limited by a mechanical stop or a travel limiting element. This makes it possible that a temperature-dependent lifting movement of the first actuator a lifting movement of the second actuator would not override and thus the safety function would be given.
  • the passage opening is advantageously provided in a second valve element, which in turn is arranged in a passage opening between the high-pressure and low-pressure side and the bias acting on the second actuator is set such that when the predefined opening pressure is exceeded, a valve lift of the second valve element is controllable. It is thereby achieved that regardless of the temperature of the refrigerant, the first actuator is disabled, so that the safety function is accepted.
  • a predetermined passage opening is released. This means that if the temperature and pressure dependent excess force on the underside of the prestressed spring element is insufficient to overcome its bias, only a suitably predefined throttle cross-section is released and the thermostatic expansion valve acts as a fixed throttle, causing the high pressure in the circuit by itself established.
  • FIG. 2a shows a state diagram for illustrating the function of a refrigerant circuit with an expansion valve according to the invention
  • FIG. 2b shows a diagram for illustrating a valve opening cross section as a function of a stroke movement of a valve element
  • Figure 3 is a schematic sectional view of a first
  • Figure 4 is a schematic sectional view of a second
  • Figure 5 is a schematic sectional view of a third
  • Embodiment of a thermostatic expansion valve Embodiment of a thermostatic expansion valve.
  • FIG. 1 shows a refrigeration and / or heat pump cycle 11 of an air conditioning system.
  • a gaseous refrigerant in particular CO 2
  • the compressed refrigerant is supplied to a gas cooler 13 where heat exchange takes place between the compressed refrigerant and the ambient to cool the refrigerant.
  • the refrigerant leaving the gas cooler 13 reaches an internal heat exchanger 14, which communicates with an expansion valve 15.
  • the expansion valve 15 acts on the one hand to limit the pressure of the refrigerant and on the other hand to regulate the pressure of the refrigerant at the outlet of the inner heat exchanger 14. From the expansion valve 15, the refrigerant passes to an evaporator 16.
  • the refrigerant absorbs heat from the environment. Downstream of the evaporator 16 is an accumulator 17 to separate refrigerant of the gas phase and the liquid phase and to collect liquid CO 2 at the same time.
  • the accumulator 17 is in turn connected to the inner heat exchanger 14 in connection.
  • a refrigerant for example CO 2
  • in the gas phase is compressed in the refrigerant compressor 12 (AB).
  • the hot, under high pressure, transcritical refrigerant in the gas cooler 13 and in the inner heat exchanger is cooled (B- C or CD).
  • the pressure is reduced in the expansion valve (DE) in order to evaporate the now two-phase (gas and liquid phase) refrigerant in the evaporator 16 (EF) and thereby deprive the environment of heat.
  • the critical temperature of CO 2 is about 31 0 C, which is lower than the critical temperature (often> 100 0 C) of fluorocarbons, which are currently used in air conditioning systems.
  • the temperature of CO 2 at the exit of the internal heat exchanger 14 may become higher than the critical temperature of CO 2 .
  • the CO 2 does not condense even at the outlet of the inner heat exchanger 14. Therefore, the pressure at the exit of the internal heat exchanger 14 must be regulated.
  • the external temperature is high, for example in the summer, it is necessary to set a high pressure at the exit of the internal heat exchanger in order to obtain a sufficient cooling capacity.
  • the starting temperature at the inner heat exchanger 14 depends inter alia on the refrigerant side temperature at the gas cooler outlet, which in turn depends on the ambient temperature. This means that the temperature of the CO 2 at the outlet of the internal heat exchanger 14 can also be used for the regulation of the COP-optimized high-pressure, which is otherwise dependent on the refrigerant-side gas cooler outlet temperature.
  • the COP-optimized control range is represented by the characteristic curves 21 'and 21 "
  • the intermediate double arrow 22 designates a valve stroke range from 0 to approximately 75% of the valve stroke .between the characteristic curve 21" and the characteristic curve 21'"
  • FIG. Characteristic curve 21 "" represents an adjustable high pressure limit for the refrigerant circuit 11 to be controlled. This can be made variable.
  • FIG. 3 shows a first embodiment of a thermostatic expansion valve according to the invention, by means of which a control according to the characteristic curves 21 'to 21 "" is made possible.
  • the thermostatic expansion valve 15 comprises a valve housing 26, which has a high-pressure side feed opening 27, which leads into a high-pressure chamber 28.
  • the high-pressure chamber 28 is connected via a passage opening 29 to a low-pressure-side discharge opening 31.
  • the passage opening 29 has a valve seat 32, in which a valve element 33 is provided in a closed position and the feed opening 27 to the discharge opening 31 separates.
  • a first actuator 36 is provided, which comprises a first active surface 37, on which the valve element 33 is provided.
  • a chamber 38 engages or is formed as part of the chamber 38.
  • the chamber 38 is designed like a membrane or bellows.
  • This chamber 38 is provided with a control filling 41, the pressure in the chamber 38 is temperature-dependent. As soon as a high pressure is applied to the high-pressure side, it acts against the first active surface 37 and opens the passage opening 29, provided that the high pressure applied to the first effective surface 37 has a surplus of force relative to the pressure of the control filling 41 in the chamber 38.
  • the opening or closing movement of the valve element 33 in the COP-optimized control range between the characteristic curves 21 'and 21 "according to Figure 2a is independent of a further second actuator 46 which can be controlled in a high pressure-dependent and thermally independent manner In the opening direction, the valve element 33 likewise experiences a stroke limitation by means of a stop 60.
  • the first actuator 36 can additionally engage inside or outside the chamber 38 not shown in detail spring element for adaptation of the opening and closing movement include.
  • the second actuator 46 which can be actuated as a function of pressure, comprises a second active surface 48, which receives the first actuator 36, so that the first and second actuators 36, 46 are coupled for movement.
  • the second actuator 46 includes, for example, a bellows 49 or a membrane, thereby providing a separation between the high pressure in the high pressure space 28 and an atmospheric pressure, which rests within the bellows 49 due to an opening to the environment in the valve housing 26.
  • a temperature-independent spring element 51 is preferably provided within the bellows 49. This spring element 51 operates against the pressure prevailing in the high pressure chamber 28 high pressure and is set to a predetermined, to be controlled high pressure.
  • the lifting movement of the second actuator 46 is limited in the opening direction by a stop 61 and closing movement by a stop 62.
  • This expansion valve allows a stroke movement of the second actuator 46 to be controlled and the prestress of the prestressed spring element 51 to be overcome by a force excess generated in the refrigerant circuit via the second active surface 48. As a result, a flow cross-section of the passage opening 29 is released or increased as a function of the pressure and independently of the temperature.
  • the refrigerant side gas cooler exit temperature is the preferable control temperature in the cycle in view of COP optimization, and the high pressure side exit temperature at the inner heat exchanger can also be applied for the purpose of regulating the high pressure in a COP optimum range.
  • the expansion valve is used, which determines for each COP optimal gas cooler outlet state corresponding exit states on the inner heat exchanger.
  • the high-pressure-side outlet temperature at the inner heat exchanger thus results in a COP-optimized pressure profile, to which the optimum valve stroke characteristic curve is aligned (FIG. 2a).
  • this COP-optimal valve lift characteristic is limited to a portion of the total valve lift range to be determined in the application, for example, between 0 and 75% in the case where a thermostatic expansion valve has a single throttle body, as compared to the expansion valve 15. Beyond this approximately 75% range, the overpressure function starts, which is controlled by the second actuator 48.
  • the switching characteristic and the bias applied to the second actuator 48 are selected such that the second actuator 48 of the expansion valve 15 is capable, under all circumstances, of exceeding the predefined opening pressure, the valve element 33 beyond the above limit of the valve lift range to move. If the mass flow characteristic of the passage opening 29 above the above limit, ie the 75% range, is sufficiently steep enough to reach 100% of the total valve lift, so much mass flow from the high to the low pressure side degraded and thus a further rise of the High pressure of the refrigerant circuit can be avoided. Consequently, the safety function is achieved against excessive system pressures.
  • thermostatic expansion valve at the evaporator inlet also avoids complex Ichssatzverteil, as required for example in the application of a thermostatic expansion valve according to US Pat. No. 6,012,300, since the valve described therein must absorb the refrigerant side outlet temperature at the gas cooler - either by a local arrangement at the gas cooler passage or by the laying of a capillary line between valve and gas cooler outlet.
  • the scope of the present invention thus includes a transcritical or subcritical refrigeration or heat pump cycle with an internal ren heat exchanger, which has a prescribed thermostatic expansion valve and the further advantage that the expansion valve allows an independent adjustable overpressure or safety function and can be placed without additional wiring at the evaporator inlet - as in today's systems common, without affecting the thermostatic control option of the COP having to do without optimal high pressure.
  • an independently adjustable overpressure and safety function is thus made possible so that the refrigerant circuit can operate in COP-optimal high pressure.
  • the first actuator 36 operates in the COP-optimal high-pressure region.
  • the high-pressure acts against the first active surface 37 and the control filling 41, which builds up a temperature-dependent internal pressure.
  • the opening pressure can preferably be adjustable by a biasing device, which engages, for example, on the spring element 51 or another force element that builds up a prestressing force, starting from a preset high pressure.
  • FIG. 4 shows an alternative embodiment to FIG. Instead of a bellows 49, the second actuator 46 has a dish-shaped element 52, which comprises the analogous function to the bellows 49.
  • This plate spring-shaped element 52 may have its own biasing force, so that a coordination of the compressive forces by the atmospheric pressure, at least one acting on the dish-shaped element 52 spring element 51 and the plate spring-shaped element 52 against the maximum high pressure of the refrigerant circuit can take place. If the pretensioning force of the dish-shaped element 52 is large enough, it is possible to dispense with a spring element 51 which is arranged in the atmospheric pressure space.
  • an additional spring element in the form of a spiral spring is located in the high-pressure chamber 28 and between the plate-spring-shaped element 52 on the one hand and one Passage opening 29 surrounding bearing surface 53 on the other hand rests. As a result, the opening movement of the plate-spring-shaped element 52 can be supported.
  • the stops 59 to 62 are provided.
  • FIG. 5 shows a further alternative embodiment of the expansion valve 15.
  • this expansion valve 15 has a travel transfer element 54 which is fastened to the active surface 48 of the second actuator 46 and acts on a further valve element 56, which comprises the passage opening 29 and the valve seat 32 and is itself provided in a valve seat 58 ,
  • This path transmission element 54 enables the safety function to be ensured independently of the temperature of the mass flow. With an increase in temperature of the mass flow, an adjusting movement of the first actuator 36 and thus of the valve element 33 would take place in the valve seat 32, so that a stroke of the second actuator 46 would not lead to opening of the passage opening 29, but the flow cross-section would be reduced or even closed.
  • the second actuator 46 is connected via the path transmission element 54 with the additional valve member 56 zugbeiert connected, so that at an adjustable maximum pressure, the valve element 56 raised from the valve seat 58 and the flow cross-section is increased.
  • the plate-spring-shaped element 51 may also be provided as a separation surface a membrane.
  • a membrane comprises an annular cross-section, which is clamped with an outer circumference on the outer wall of the high-pressure chamber 28 and receives the first actuator 36 by an analogous clamping.
  • the membrane may be partially formed as a rubbery member or may have a rubbery, refrigerant-leakage-sealing coating to define the high-pressure space 28 in the valve body against atmospheric pressure. The setting of the opening force as a safety function is carried out in such a case only by additional spring elements in the high-pressure chamber or are provided at the opposite room with atmospheric pressure.
  • the stop 59 may be designed to set a throttle cross-section.
  • the stops 60 to 62 may be provided.

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Abstract

The invention relates to a thermostatic expansion valve for regulating a high pressure in a refrigeration cycle or heat pump cycle (11) that can be operated both transcritically and subcritically. A first actuator (36) of said thermostatic expansion valve comprises a chamber (38) that is delimited by a first effective surface (37) that contains a control filling (41). The first actuator (36) can be triggered according to the high pressure and the temperature and is movably coupled to a second actuator (46). The second actuator (46) can be triggered regardless of the temperature and in accordance with the high pressure and can be adjusted to a maximum operating pressure for opening the through-hole (29).

Description

Thermostatisches Expansionsventil für Kältebeziehungsweise Wärmepumpenkreisläufe mit mechanisch gesteuerter Sicherheitsfunktion Thermostatic expansion valve for refrigeration or heat pump circuits with mechanically controlled safety function
Die Erfindung betrifft ein thermostatisches Expansionsventil für einen Kälte- und/oder Wärmepumpenkreislauf gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a thermostatic expansion valve for a refrigeration and / or heat pump cycle according to the preamble of claim 1.
Bei transkritischen Kälte- beziehungsweise Wärmepumpenkreisläufen erfolgt die hochdruckseitige Wärmeabgabe meist oberhalb des kritischen Drucks des angewandten Kältemittels. Aufgrund des sich hierbei ergebenden gleitenden Temperaturgradienten im Gaskühler ist der Druck am Gaskühleraustritt ein Freiheitsgrad im Kreislaufprozess. Speziell bei Kreisprozessen, die CO2 als Kältemittel verwenden, ist es von großer Bedeutung, den Hochdruck in Abhängigkeit der Umgebungs- bezie- hungsweise Gaskühleraustrittstemperatur in einem wirkungsgradoptimalen Bereich einzuregeln. Bei CO2-KlimaanIagen finden meistens nur Festdrosseln oder fremdgesteuerte Expansionsorgane in der Regelung des Kältekreislaufes Verwendung. Erstere ermöglichen im laufenden Betrieb keine Anpassung des Hochdrucks an die Prozessrandbedingungen. Fremdgesteuerte Expansionsorgane müssen hierfür durch elektronische Steuerelemente geregelt werden, deren Reaktionsfähigkeit insbesondere für die automobile Anwendung nicht ausreichend ist. Dementsprechend können sie keine genügende Betriebssicherheit bieten. Weitere Nachteile sind durch hohe Störanfälligkeit, hohe Entwicklungs- und Anschaffungskosten gegeben.In transcritical refrigeration or heat pump cycles, the high-pressure side heat release is usually above the critical pressure of the applied refrigerant. Due to the resulting sliding temperature gradient in the gas cooler, the pressure at the gas cooler outlet is a degree of freedom in the circulation process. Especially in cycles that use CO 2 as a refrigerant, it is very important to adjust the high pressure as a function of the ambient conditions. to regulate the gas cooler outlet temperature in an optimum efficiency range. For CO 2 air conditioning systems, only fixed throttles or externally controlled expansion elements are usually used in the regulation of the refrigeration cycle. The former do not allow adaptation of the high pressure to the process boundary conditions during operation. For this purpose, externally controlled expansion devices have to be controlled by electronic control elements, whose reactivity is inadequate, especially for automotive applications. Accordingly, they can not provide sufficient reliability. Other disadvantages include high susceptibility to failure, high development and acquisition costs.
Die DE 102 49 950 B4 offenbart ein Expansionsventil für Hochdruckkälteanlagen mit einem Ventilsitz, einem Ventilelement, das mit dem Ventilsitz zusammenwirkt, einer Federanordnung, die auf das Ventilelement wirkt, und einer Verstelleinrichtung für die Federanordnung, wobei die Federanordnung mindestens eine erste Feder und eine zweite Feder, die auf das Ventilelement wirken, aufweist, die erste Feder einen Arbeitsbereich definiert und die zweite Feder eine durch die Verstelleinrichtung veränderbare Federkraft aufweist.DE 102 49 950 B4 discloses an expansion valve for high-pressure refrigeration systems with a valve seat, a valve element which cooperates with the valve seat, a spring arrangement acting on the valve element, and an adjusting device for the spring arrangement, wherein the spring arrangement at least a first spring and a second Spring, which act on the valve element has, the first spring defines a working area and the second spring has a variable by the adjusting spring force.
Aus der US 6,012,300 ist ein Expansionsventil bekannt geworden, welches eine Kammer aufweist, in der das Kältemittel eingeschlossen ist. Die Kammer ist durch eine Membran begrenzt, die mittelbar auf ein Ventilelement wirkt. Die Membran ist jedoch auch dem hochdruckseitigen Kältemittel ausgesetzt. Insbesondere sind die Wirkflächen, auf die das in der Kammer eingeschlossene Kältemittel wirkt und die, auf die das vom Gaskühler kommende hochdruckseitige Kältemittel wirkt, identisch. Mit dem beschriebenen Expansionsventil ist keine Absicherung gegen Hochdrücke oberhalb eines maximal zulässigen Wertes (zum Beispiel 120 bar) möglich. Außerdem ist ein sicheres Anfahrverhalten bei Eintrittstemperaturen am Expansionsventil oberhalb der kritischen Temperatur des Kältemittels nicht möglich. Eine betriebssichere Anwendung kann mit dem Expansionsventil des Standes der Technik daher nicht realisiert werden. Aus der DE 10 2005 034 709.6 ist ein thermisches Expansionsventil bekannt, welches eine erste und zweite Wirkfläche aufweist, die mit einem Ventilelement bewegungsgekoppelt sind. Die erste Wirkfläche ist Teil einer dehnbaren Trennvorrichtung, welche eine Kammer mit einer Steuerfüllung im Thermokopf umfasst. Dadurch kann die Temperatur des hochdruckseitigen Kältemittels erfasst werden. Über diese dehnbare Trennvorrichtung des Thermokopfes wird der temperaturabhängige Druck der Steuerfüllung in der Kammer auf ein temperaturunabhängiges Federelement übertragen, das mit der zweiten Wirkfläche in Verbindung steht, an dem auch der Hochdruck anliegt. Durch diese Ausgestaltung soll eine hochdruckbegrenzende Funktion im überkritischen Regelbereich erzielt werden.From US 6,012,300 an expansion valve has become known, which has a chamber in which the refrigerant is enclosed. The chamber is bounded by a membrane which acts indirectly on a valve element. However, the membrane is also exposed to the high-pressure side refrigerant. In particular, the active surfaces to which the refrigerant trapped in the chamber acts and those to which the high-pressure side refrigerant coming from the gas cooler acts are identical. With the described expansion valve, no protection against high pressures above a maximum permissible value (for example 120 bar) is possible. In addition, a safe starting behavior at inlet temperatures at the expansion valve above the critical temperature of the refrigerant is not possible. A reliable application can therefore not be realized with the expansion valve of the prior art. From DE 10 2005 034 709.6 a thermal expansion valve is known, which has a first and second active surface, which are coupled in movement with a valve element. The first active area is part of a stretchable separating device, which comprises a chamber with a control filling in the thermal head. Thereby, the temperature of the high-pressure side refrigerant can be detected. About this stretchable separating device of the thermal head of the temperature-dependent pressure of the control filling in the chamber is transferred to a temperature-independent spring element, which is in communication with the second effective surface, which also bears the high pressure. This refinement is intended to achieve a high-pressure-limiting function in the supercritical control range.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Expansionsventil zu schaffen, das den Hochdruck eines transkritischen Kälte- beziehungsweise Wärmepumpenkreislaufes innerhalb eines optimalen Bereiches einregeln und ein Überschreiten eines maximal zulässigen Wertes selbstständig verhindern kann.Object of the present invention is therefore to provide an expansion valve that adjust the high pressure of a transcritical refrigeration or heat pump cycle within an optimal range and can prevent exceeding a maximum allowable value independently.
Diese Aufgabe wird durch ein Expansionsventil gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Durch den Einsatz eines ersten Stellgliedes, welches vom Hochdruck und von der Temperatur des Kältemittels abhängig ansteuerbar ist, wobei die Steuerfüllung des ersten Stellgliedes eine Fülldichte aufweist, die unmittelbar unterhalb der kritischen Dichte der Steuerfüllung liegt und einem zweiten Stellglied, welches thermisch unabhängig und vom Hochdruck abhängig ansteuerbar ist, wird durch deren Bewegungskoppelung ein Expansionsventil geschaffen, welches einerseits einen Kältemittelkreislauf mit optimalem Hochdruck ansteuert und andererseits ein mechanisch ansteuerbares Sicherheitselement umfasst. Beim Überschreiten eines maximal eingestellten Öffnungsdruckes beziehungsweise Betriebsdruckes wird die Durchlassöffnung freigegeben, so dass eine Drucküberhöhung in dem Kältemittelkreislauf verhindert und somit eine Sicherheitsfunktion gegen zu hohe Betriebsdrücke gegeben ist. Ein solches Expansionsventil ermöglicht in einem Kälte- beziehungsweise Wärmepumpenkreislauf, insbesondere mit innerem Wärmetauscher, einen optimalen Hochdruck in Abhängigkeit einer Austrittstem- peratur des Kältemittels beim Verlassen des inneren Wärmetauschers des Kältepumpen- und/oder Wärmekreislauf. Zusätzlich kann in jeder Betriebslage ein Überschreiten eines vordefinierten Maximalhochdruckes selbstständig und ohne Fremdansteuerung verhindert werden.This object is achieved by an expansion valve according to the features of claim 1. Through the use of a first actuator, which is controlled by the high pressure and the temperature of the refrigerant dependent, wherein the control filling of the first actuator has a filling density which is immediately below the critical density of the control filling and a second actuator which thermally independent and high pressure can be driven dependent is created by the movement coupling an expansion valve, which on the one hand controls a refrigerant circuit with optimum high pressure and on the other hand comprises a mechanically controllable security element. When a maximum set opening pressure or operating pressure is exceeded, the passage opening is released, so that an excess pressure in the refrigerant circuit prevents and thus a safety function against excessive operating pressures is given. Such an expansion valve allows in a refrigeration or heat pump cycle, in particular with an internal heat exchanger, an optimal high pressure as a function of an outlet temperature. temperature of the refrigerant leaving the inner heat exchanger of the refrigeration pump and / or heat cycle. In addition, in any operating position exceeding a predefined maximum high pressure can be prevented automatically and without external control.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das erste Stellglied eine Kammer aufweist, deren Innenvolumen temperaturabhängig veränderbar ist. Dadurch kann die Temperatur des hochdruckseitigen Kältemittels, welches beispielsweise vom inneren Wärmetauscher in das Expansionsventil einströmt, aufgenommen werden. Somit kann eine betriebsangepasste Regelung des Kreislaufes über eine erste Wirkfläche erfolgen, welche an der Kammer ausgebildet ist und vorzugsweise das Ventilelement aufnimmt. Bevorzugt ist die erste Wirkfläche des ersten Stellgliedes ein Teil des faltenbalgartigen Stellgliedes. Dadurch kann eine bauteilreduzierte Anordnung und eine unmittelbare Kraftwirkung erzielt werden.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the first actuator has a chamber whose inner volume is temperature-dependent variable. As a result, the temperature of the high-pressure-side refrigerant, which flows into the expansion valve, for example, from the inner heat exchanger, can be absorbed. Thus, an operation-adapted control of the circuit via a first active surface can take place, which is formed on the chamber and preferably receives the valve element. Preferably, the first active surface of the first actuator is a part of the bellows actuator. As a result, a component-reduced arrangement and an immediate force effect can be achieved.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kammer faltenbalg- oder membranähnlich ausgeführt ist und aus einem wärmeleitfähigen Material hergestellt ist. Dadurch kann die Temperatur des hochdruckseitigen Kältemittels, welches an den Wirkflächen der Kammer im Hochdruckraum anliegt, exakt sensiert werden. Daraus resultiert eine schnelle Ansteuerung des ersten Stellgliedes beziehungsweise das den Strömungsquerschnitt bestimmende Ventilelement.According to a preferred embodiment of the invention, it is provided that the chamber is designed bellows-like or membrane-like and is made of a thermally conductive material. As a result, the temperature of the high-pressure side refrigerant, which rests against the active surfaces of the chamber in the high-pressure chamber, can be exactly sensed. This results in a fast control of the first actuator or the flow cross-section determining valve element.
Die in der Kammer des ersten Stellgliedes vorgesehene Steuerfüllung ist bevorzugt derart ausgelegt, dass das Ventilelement eine Öffnungs- und Schließbewegung zur Regelung eines COP-optimierten Hochdruckbereiches ermöglicht. Dadurch kann das erste Stellglied bei üblichen Betriebsbedingungen angesteuert werden.The control filling provided in the chamber of the first actuator is preferably designed such that the valve element allows an opening and closing movement for controlling a COP-optimized high-pressure region. As a result, the first actuator can be actuated under normal operating conditions.
Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass die Kammer, insbesondere die innere Kontur der Kammer, durch eine Hülse. oder Stege geführt wird. Dadurch ist ermöglicht, dass Verformungen durch die Wirkung der Steuerfüllung als auch des hochdruckseitigen Kältemittels verhindert werden.Furthermore, it is preferably provided that the chamber, in particular the inner contour of the chamber, by a sleeve. or webs is guided. This allows deformations due to the effect of Control filling and the high-pressure side refrigerant can be prevented.
Bevorzugt ist des Weiteren vorgesehen, dass darüber hinaus ein Stoffgemisch für die Steuerfüllung gewählt wird, welche eine kritische Temperatur besitzt, die unterhalb der kritischen Temperatur des zu regelnden Kältemittels liegt. Damit wird erzielt, dass die Isochore, temperaturabhängige Druckänderung der Steuerfüllung näherungsweise mit der gleichen Steigung weiter verläuft wie im zweiphasigen Zustand, nachdem sie den Dampfdruckbereich verlassen hat.In addition, it is preferably provided that, in addition, a mixture of substances for the control filling is selected, which has a critical temperature which is below the critical temperature of the refrigerant to be controlled. Thus, it is achieved that the isochore, temperature-dependent pressure change of the control charge continues approximately at the same slope as in the two-phase state after it has left the vapor pressure range.
Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass das zweite Stellglied auf einen maximalen Öffnungsdruck zum Öffnen der Durchlassöffnung einstellbar ist. Dadurch wird ermöglicht, dass ein an der Wirkfläche des zweiten Stellgliedes anliegender Hochdruck temperaturunabhängig dann eine Stellbewegung des gekoppelten ersten Stellgliedes beziehungsweise dessen Ventilelementes bewirkt, sobald ein maximaler Betriebsdruck überschritten wird.Furthermore, it is preferably provided that the second actuator is adjustable to a maximum opening pressure for opening the passage opening. This makes it possible that a voltage applied to the active surface of the second actuator high pressure independent of temperature then causes an actuating movement of the coupled first actuator or its valve element as soon as a maximum operating pressure is exceeded.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das zweite Stellglied ein membran- oder tellerfederförmiges Element mit einer zweiten Wirkfläche aufweist und das erste Stellglied bewegungsgekoppelt daran vorgesehen ist. Dieses membran- beziehungsweise tellerfederförmige Element ermöglicht eine Anordnung in einem Hochdruckraum, bei dem der Hochdruckraum gegenüber einem durch das membran- oder tellerfederförmige Element getrennten Raum mit atmosphärischem Druck ermöglicht ist. Bevorzugt ist das zweite Stellglied mit einer unstetigen Weg-Kraftkennlinie aufgebaut, so dass das Element bestrebt ist, bei ausreichendem Kraftüberschuss einer durch den anliegenden Hochdruck ausgebildeten Kraft von einer vordefinierten Anfangsruhestellung in eine zweite bauteilspezifische Endstellung zu schalten. In dieser zweiten bauteilspezifischen Endstellung erfolgt eine Vergrößerung des Öffnungsquerschnittes der Durchlassöffnung des Expansionsventils. Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass das membran- oder teller- federförmige Element eine eigene Vorspannkraft aufweist, welche zumindest teilweise oder vollständig auf den maximalen Öffnungsdruck einstellbar ist. Dadurch kann eine geringe Anzahl von Bauteilen und ein einfacher Aufbau ermöglicht sein.According to a further advantageous embodiment of the invention, it is provided that the second actuator has a membrane or plate spring-shaped element with a second active surface and the first actuator is provided for movement coupled thereto. This membrane or dish spring-shaped element allows an arrangement in a high-pressure chamber, in which the high-pressure chamber is made possible with respect to a space separated by the membrane or plate spring-shaped element with atmospheric pressure. Preferably, the second actuator is constructed with a discontinuous path-force characteristic, so that the element endeavors to switch from a predefined initial rest position into a second component-specific end position with sufficient force surplus of a force formed by the applied high pressure. In this second component-specific end position, an enlargement of the opening cross-section of the passage opening of the expansion valve takes place. Furthermore, it is preferably provided that the membrane or plate spring-shaped element has its own biasing force, which is at least partially or completely adjustable to the maximum opening pressure. As a result, a small number of components and a simple structure can be made possible.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass das membran- oder tellerfederförmige Element das Ventilgehäuse in einen Hochdruckraum und einen Raum mit atmosphärischem Druck trennt. Dadurch wird ermöglicht, dass der Hochdruck gegen den atmosphärischen Druck arbeitet, so dass in verschiedenen Einsatzgebieten gleiche Einsatzbedingungen gegeben sind. Darüber hinaus weist diese Ausgestaltung den Vorteil auf, dass beim Einsatz eines Kraftspeicherelementes, welches eine Hubbewegung des membran- oder tellerfederförmigen Elementes entgegenwirkt von außen einstellbar ist.It is preferably provided that the membrane- or dish-spring-shaped element separates the valve housing into a high-pressure chamber and a room with atmospheric pressure. This allows the high pressure to operate against the atmospheric pressure, so that in different applications the same conditions of use are given. In addition, this embodiment has the advantage that when using a power storage element, which counteracts a lifting movement of the membrane or plate spring-shaped element is adjustable from the outside.
Das zweite Stellglied ist alternativ mit einer mechanischen Vorspannkraft, insbesondere durch ein Federelement, beaufschlagt, welche vorzugsweise derart eingestellt ist, dass beim Überschreiten des vordefinierten maximalen Hochdruckes des Kältemittelkreislaufes das Ventilelement des ersten Stellgliedes mit einem Ventilhub ansteuerbar ist. Dies ermöglicht, dass eine Durchlassöffnung in Abhängigkeit des anstehenden Druckes geöffnet und somit ein ausreichender Strömungsquerschnitt freigegeben wird, um ein weiteres Ansteigen des maximal zulässigen Hochdrucks zu vermeiden.The second actuator is alternatively subjected to a mechanical biasing force, in particular by a spring element, which is preferably set such that when the predefined maximum high pressure of the refrigerant circuit is exceeded, the valve element of the first actuator with a valve lift is controlled. This makes it possible for a passage opening to be opened as a function of the applied pressure and thus a sufficient flow cross-section to be released in order to avoid a further increase in the maximum permissible high pressure.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das zweite Stellglied eine Spannvorrichtung umfasst. Dadurch wird ermöglicht, dass unterschiedliche Öffnungsdrücke anwendungsspezifisch einstellbar sind.According to a further preferred embodiment of the invention, it is provided that the second actuator comprises a clamping device. This makes it possible that different opening pressures are application-specific adjustable.
Eine maximale Hubbewegung des ersten Stellelementes ist bevorzugt durch einen mechanischen Anschlag beziehungsweise ein Wegbegrenzungselement begrenzt. Dadurch wird ermöglicht, dass eine temperaturabhängige Hubbewegung des ersten Stellgliedes eine Hubbewegung des zweiten Stellgliedes nicht außer Kraft setzen würde und somit die Sicherheitsfunktion gegeben wäre.A maximum stroke movement of the first actuating element is preferably limited by a mechanical stop or a travel limiting element. This makes it possible that a temperature-dependent lifting movement of the first actuator a lifting movement of the second actuator would not override and thus the safety function would be given.
Des Weiteren ist vorteilhafterweise die Durchlassöffnung in einem zweiten Ventilelement vorgesehen, welches wiederum in einer Durchtrittsöffnung zwischen der Hochdruck- und Niederdruckseite angeordnet und die auf das zweite Stellglied wirkende Vorspannung derart eingestellt ist, dass beim Überschreiten des vordefinierten Öffnungsdruckes ein Ventilhub des zweiten Ventilelementes ansteuerbar ist. Dadurch wird erzielt, dass unabhängig der Temperatur des Kältemittels das erste Stellglied außer Funktion gesetzt ist, so dass die Sicherheitsfunktion durchgreift.Furthermore, the passage opening is advantageously provided in a second valve element, which in turn is arranged in a passage opening between the high-pressure and low-pressure side and the bias acting on the second actuator is set such that when the predefined opening pressure is exceeded, a valve lift of the second valve element is controllable. It is thereby achieved that regardless of the temperature of the refrigerant, the first actuator is disabled, so that the safety function is accepted.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in einer Ruhestellung des Ventilelements zwischen Ventilelement und Ventilsitz eine vorgegebene Durchtrittsöffnung frei gegeben ist. Dies bedeutet, dass, wenn der temperatur- und druckabhängige Kraftüberschuss an der Unterseite des vorgespannten Federelements nicht ausreicht, um seine Vorspannung zu überwinden, nur ein zweckmäßig vordefinierter Drosselquerschnitt freigegeben wird und das thermostatische Expansionsventil als Festdrossel fungiert, wodurch sich der Hochdruck im Kreislauf von selbst einstellt.According to a further embodiment of the invention, it is provided that in a rest position of the valve element between the valve element and the valve seat, a predetermined passage opening is released. This means that if the temperature and pressure dependent excess force on the underside of the prestressed spring element is insufficient to overcome its bias, only a suitably predefined throttle cross-section is released and the thermostatic expansion valve acts as a fixed throttle, causing the high pressure in the circuit by itself established.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen derselben werden im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Beispiele 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:The invention and further advantageous embodiments and developments thereof are described in more detail below with reference to the examples shown in the drawings and explained. The features to be taken from the description and the drawings can be applied individually according to the invention individually or in combination in any combination. Show it:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Kältemittelkreislaufes,1 shows a schematic representation of a refrigerant circuit,
Figur 2a ein Zustandsdiagramm zur Veranschaulichung der Funktion eines Kältemittelkreislaufes mit einem erfindungsgemäßen Expansionsventil, Figur 2b ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Ventilöffnungsquerschnittes in Abhängigkeit einer Hubbewegung eines Ventilelementes,2a shows a state diagram for illustrating the function of a refrigerant circuit with an expansion valve according to the invention, FIG. 2b shows a diagram for illustrating a valve opening cross section as a function of a stroke movement of a valve element,
Figur 3 eine schematische Schnittdarstellung einer erstenFigure 3 is a schematic sectional view of a first
Ausführungsform eines thermostatischen Expansionsventils,Embodiment of a thermostatic expansion valve
Figur 4 eine schematische Schnittdarstellung einer zweitenFigure 4 is a schematic sectional view of a second
Ausführungsform eines thermostatischen Expansionsventils undEmbodiment of a thermostatic expansion valve and
Figur 5 eine schematische Schnittdarstellung einer drittenFigure 5 is a schematic sectional view of a third
Ausführungsform eines thermostatischen Expansionsventils.Embodiment of a thermostatic expansion valve.
Figur 1 zeigt einen Kälte- und/oder Wärmepumpenkreislauf 11 einer Klimaanlage. In einem Kältemittelverdichter 12 wird ein gasförmiges Kältemittel, insbesondere CO2, komprimiert. Das komprimierte Kältemittel wird einem Gaskühler 13 zugeführt, wo ein Wärmeaustausch zwischen dem komprimierten Kältemittel und der Umgebung stattfindet, um das Kältemittel zu kühlen. Das den Gaskühler 13 verlassende Kältemittel gelangt an einen inneren Wärmetauscher 14, der mit einem Expansionsventil 15 in Verbindung steht. Das Expansionsventil 15 wirkt zum einen dahingehend, den Druck des Kältemittels zu begrenzen und zum anderen, um den Druck des Kältemittels am Ausgang des inneren Wärmetauschers 14 zu regeln. Vom Expansionsventil 15 gelangt das Kältemittel an einen Verdampfer 16. Im Verdampfer 16 nimmt das Kältemittel Wärme aus der Umgebung auf. Dem Verdampfer 16 nachgeordnet ist ein Akkumulator 17, um Kältemittel der Gasphase und der flüssigen Phase zu trennen und gleichzeitig flüssiges CO2 zu sammeln. Der Akkumulator 17 steht wiederum mit dem inneren Wärmetauscher 14 in Verbindung.FIG. 1 shows a refrigeration and / or heat pump cycle 11 of an air conditioning system. In a refrigerant compressor 12, a gaseous refrigerant, in particular CO 2 , is compressed. The compressed refrigerant is supplied to a gas cooler 13 where heat exchange takes place between the compressed refrigerant and the ambient to cool the refrigerant. The refrigerant leaving the gas cooler 13 reaches an internal heat exchanger 14, which communicates with an expansion valve 15. The expansion valve 15 acts on the one hand to limit the pressure of the refrigerant and on the other hand to regulate the pressure of the refrigerant at the outlet of the inner heat exchanger 14. From the expansion valve 15, the refrigerant passes to an evaporator 16. In the evaporator 16, the refrigerant absorbs heat from the environment. Downstream of the evaporator 16 is an accumulator 17 to separate refrigerant of the gas phase and the liquid phase and to collect liquid CO 2 at the same time. The accumulator 17 is in turn connected to the inner heat exchanger 14 in connection.
Anhand des Zustandsdiagramms der Figur 2, in dem der Druck p gegenüber der spezifischen Enthalpie H aufgetragen ist, soll nun die Funktionsweise der Klimaanlage erläutert werden. Ein Kältemittel, zum Beispiel CO2, in der Gasphase wird im Kältemittelverdichter 12 verdichtet (A-B). Dann wird das heiße, unter einem hohen Druck stehende, transkritische Kältemittel im Gaskühler 13 und im inneren Wärmetauscher gekühlt (B- C beziehungsweise C-D). Der Druck wird im Expansionsventil reduziert (D-E), um das nun zweiphasige (Gas- und Flüssigkeitsphase) Kältemittel im Verdampfer 16 zu verdampfen (E-F) und der Umgebung dadurch Wärme zu entziehen. Der COP wird bestimmt durch das Verhältnis der Enthalpieänderung Δi im Schritt E-F und der Enthalpieänderung ΔL im Schritt A-B, also COP=Δi/ΔL.Based on the state diagram of Figure 2, in which the pressure p is plotted against the specific enthalpy H, the operation of the air conditioner will now be explained. A refrigerant, for example CO 2 , in the gas phase is compressed in the refrigerant compressor 12 (AB). Then, the hot, under high pressure, transcritical refrigerant in the gas cooler 13 and in the inner heat exchanger is cooled (B- C or CD). The pressure is reduced in the expansion valve (DE) in order to evaporate the now two-phase (gas and liquid phase) refrigerant in the evaporator 16 (EF) and thereby deprive the environment of heat. The COP is determined by the ratio of the enthalpy change Δi in step EF and the enthalpy change ΔL in step AB, ie COP = Δi / ΔL.
Die kritische Temperatur von CO2 liegt bei etwa 31 0C, was niedriger ist als die kritische Temperatur (häufig > 100 0C) von Fluorkohlenwasserstoffen, die bisher in Klimaanlagen verwendet werden. Dies führt dazu, dass die Temperatur von CO2 am Ausgang des internen Wärmetauschers 14 höher werden kann als die kritische Temperatur von CO2. In diesem Zustand kondensiert das CO2 selbst am Ausgang des inneren Wärmetauschers 14 nicht. Deshalb muss der Druck am Ausgang des inneren Wärmetauschers 14 geregelt werden. Wenn also die externe Temperatur, beispielsweise im Sommer, hoch ist, ist es notwendig, am Ausgang des inneren Wärmetauschers einen hohen Druck einzustellen, um eine ausreichende Kälteleistung zu erhalten. Die Ausgangstemperatur am inneren Wärmetauscher 14 hängt unter anderem von der kältemittelseitigen Temperatur am Gaskühleraustritt ab, die wiederum von der Umgebungstemperatur abhängt. Dies bedeutet, dass die Temperatur des CO2 am Ausgang des inneren Wärmetauschers 14 auch für die Regelung des sonst von der kältemittelseitigen Gaskühleraustrittstemperatur abhängigen COP-optimierten Hochdrucks verwendet werden kann.The critical temperature of CO 2 is about 31 0 C, which is lower than the critical temperature (often> 100 0 C) of fluorocarbons, which are currently used in air conditioning systems. As a result, the temperature of CO 2 at the exit of the internal heat exchanger 14 may become higher than the critical temperature of CO 2 . In this state, the CO 2 does not condense even at the outlet of the inner heat exchanger 14. Therefore, the pressure at the exit of the internal heat exchanger 14 must be regulated. Thus, when the external temperature is high, for example in the summer, it is necessary to set a high pressure at the exit of the internal heat exchanger in order to obtain a sufficient cooling capacity. The starting temperature at the inner heat exchanger 14 depends inter alia on the refrigerant side temperature at the gas cooler outlet, which in turn depends on the ambient temperature. This means that the temperature of the CO 2 at the outlet of the internal heat exchanger 14 can also be used for the regulation of the COP-optimized high-pressure, which is otherwise dependent on the refrigerant-side gas cooler outlet temperature.
In dem Diagramm gemäß Figur 2a ist durch die Kennlinien 21' und 21" der COP-optimierte Regelbereich dargestellt. Der dazwischen liegende Doppelpfeil 22 kennzeichnet einen Ventilhubbereich von O bis circa 75 % des Ventilhubes. Zwischen der Kennlinie 21" und der Kennlinie 21'" ist der Überdruckregelbereich dargestellt. Durch eine weitere Hubbewegung des Ventilelementes über die circa 75 % des Ventilhubbereiches hinaus kann dank der steiler ausgelegten Doppelquerschnittskennlinie des Ventilelementes (Fig. 2b) eine Drucküberhöhung abgebaut werden. Die Kennlinie 21"" stellt eine einstellbare Hochdruckgrenze für den zu regelnden Kältemittelkreislauf 11 dar. Dieser kann variabel gestaltet werden.2a, the COP-optimized control range is represented by the characteristic curves 21 'and 21 "The intermediate double arrow 22 designates a valve stroke range from 0 to approximately 75% of the valve stroke .between the characteristic curve 21" and the characteristic curve 21'" As a result of a further stroke movement of the valve element over approximately 75% of the valve lifting range, an increase in pressure can be reduced thanks to the steeper double-cross-section characteristic of the valve element (FIG Characteristic curve 21 "" represents an adjustable high pressure limit for the refrigerant circuit 11 to be controlled. This can be made variable.
In Figur 3 ist eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen thermostatischen Expansionsventils dargestellt, durch welches eine Ansteuerung gemäß den Kennlinien 21' bis 21"" ermöglicht wird.FIG. 3 shows a first embodiment of a thermostatic expansion valve according to the invention, by means of which a control according to the characteristic curves 21 'to 21 "" is made possible.
Das thermostatische Expansionsventil 15 umfasst ein Ventilgehäuse 26, welches eine hochdruckseitige Zuführöffnung 27 aufweist, die in einen Hochdruckraum 28 führt. Der Hochdruckraum 28 ist über eine Durchlassöffnung 29 mit einer niederdruckseitigen Abführöffnung 31 verbunden. Die Durchlassöffnung 29 weist einen Ventilsitz 32 auf, in dem ein Ventilelement 33 in einer Schließposition vorgesehen ist und die Zuführöffnung 27 zur Abführöffnung 31 trennt.The thermostatic expansion valve 15 comprises a valve housing 26, which has a high-pressure side feed opening 27, which leads into a high-pressure chamber 28. The high-pressure chamber 28 is connected via a passage opening 29 to a low-pressure-side discharge opening 31. The passage opening 29 has a valve seat 32, in which a valve element 33 is provided in a closed position and the feed opening 27 to the discharge opening 31 separates.
In dem Hochdruckraum 28 ist ein erstes Stellglied 36 vorgesehen, welches eine erste Wirkfläche 37 umfasst, an der das Ventilelement 33 vorgesehen ist. An dieser ersten Wirkfläche 37 greift eine Kammer 38 an oder ist als Teil der Kammer 38 ausgebildet. Die Kammer 38 ist memb- ran- oder faltenbalgähnlich ausgebildet. Diese Kammer 38 ist mit einer Steuerfüllung 41 versehen, deren Druck in der Kammer 38 temperaturabhängig ist. Sobald auf der Hochdruckseite ein Hochdruck anliegt, wirkt dieser gegen die erste Wirkfläche 37 und öffnet die Durchlassöffnung 29, sofern der an der ersten Wirkfläche 37 anliegende Hochdruck einen Kräf- teüberschuss gegenüber dem Druck der Steuerfüllung 41 in der Kammer 38 aufweist. Die Öffnungs- oder Schließbewegung des Ventilelementes 33 ist im COP-optimierten Regelbereich zwischen den Kennlinien 21' und 21" gemäß Figur 2a unabhängig von einem weiteren zweiten Stellglied 46, welches hochdruckabhängig und thermisch unabhängig ansteuerbar ist. Die Hubbewegung des Ventilelementes 33 ist in Schließrichtung durch einen Anschlag 59 begrenzt, so dass eine Minimaldurchlassöffnung gewährleistet ist. In Öffnungsrichtung erfährt das Ventilelement 33 durch einen Anschlag 60 ebenfalls eine Hubbegrenzung. Das erste Stellglied 36 kann zusätzlich innerhalb oder außerhalb der Kammer 38 ein nicht näher dargestelltes Federelement zur Anpassung von der Öff- nungs- und Schließbewegung umfassen.In the high-pressure chamber 28, a first actuator 36 is provided, which comprises a first active surface 37, on which the valve element 33 is provided. At this first active surface 37, a chamber 38 engages or is formed as part of the chamber 38. The chamber 38 is designed like a membrane or bellows. This chamber 38 is provided with a control filling 41, the pressure in the chamber 38 is temperature-dependent. As soon as a high pressure is applied to the high-pressure side, it acts against the first active surface 37 and opens the passage opening 29, provided that the high pressure applied to the first effective surface 37 has a surplus of force relative to the pressure of the control filling 41 in the chamber 38. The opening or closing movement of the valve element 33 in the COP-optimized control range between the characteristic curves 21 'and 21 "according to Figure 2a is independent of a further second actuator 46 which can be controlled in a high pressure-dependent and thermally independent manner In the opening direction, the valve element 33 likewise experiences a stroke limitation by means of a stop 60. The first actuator 36 can additionally engage inside or outside the chamber 38 not shown in detail spring element for adaptation of the opening and closing movement include.
Das zweite Stellglied 46, welches druckabhängig ansteuerbar ist, um- fasst eine zweite Wirkfläche 48, welche das erste Stellglied 36 aufnimmt, so dass das erste und zweite Stellglied 36, 46 bewegungsgekoppelt sind. Das zweite Stellglied 46 umfasst beispielsweise einen Faltenbalg 49 oder eine Membran, wodurch eine Trennung zwischen dem Hochdruck in dem Hochdruckraum 28 und einem atmosphärischen Druck gewährleistet wird, der innerhalb des Faltenbalgs 49 aufgrund einer Öffnung zur Umgebung im Ventilgehäuse 26 anliegt. Innerhalb des Faltenbalgs 49 ist bevorzugt ein temperaturunabhängiges Federelement 51 vorgesehen. Dieses Federelement 51 arbeitet gegen den im Hochdruckraum 28 herrschenden Hochdruck und ist auf einen vorbestimmten, zu regelnden Hochdruck eingestellt. Die Hubbewegung des zweiten Stellgliedes 46 ist in Öffnungsrichtung durch einen Anschlag 61 und in Schließbewegung durch einen Anschlag 62 begrenzt.The second actuator 46, which can be actuated as a function of pressure, comprises a second active surface 48, which receives the first actuator 36, so that the first and second actuators 36, 46 are coupled for movement. The second actuator 46 includes, for example, a bellows 49 or a membrane, thereby providing a separation between the high pressure in the high pressure space 28 and an atmospheric pressure, which rests within the bellows 49 due to an opening to the environment in the valve housing 26. Within the bellows 49, a temperature-independent spring element 51 is preferably provided. This spring element 51 operates against the pressure prevailing in the high pressure chamber 28 high pressure and is set to a predetermined, to be controlled high pressure. The lifting movement of the second actuator 46 is limited in the opening direction by a stop 61 and closing movement by a stop 62.
Dieses Expansionsventil ermöglicht, dass bei einem in dem Kältemittelkreislauf erzeugten Kraftüberschuss über die zweite Wirkfläche 48 eine Hubbewegung des zweiten Stellgliedes 46 angesteuert und die Vorspannung des vorgespannten Federelementes 51 überwunden wird. Dadurch wird ein Strömungsquerschnitt der Durchlassöffnung 29 in Abhängigkeit des Druckes und unabhängig von der Temperatur freigegeben beziehungsweise vergrößert.This expansion valve allows a stroke movement of the second actuator 46 to be controlled and the prestress of the prestressed spring element 51 to be overcome by a force excess generated in the refrigerant circuit via the second active surface 48. As a result, a flow cross-section of the passage opening 29 is released or increased as a function of the pressure and independently of the temperature.
Bei ausreichendem Kraftüberschuss wird also über eine vordefinierte Hub-Kennlinie der optimale Öffnungsquerschnitt freigegeben und somit der optimale Hochdruck in Abhängigkeit von der hochdruckseitigen Austrittstemperatur des Kältemittels vorzugsweise am inneren Wärmetauscher eingestellt. Die kältemittelseitige Gaskühleraustrittstemperatur ist im Hinblick auf COP-Optimierung die zu bevorzugende Regeltemperatur im Kreislauf, wobei die hochdruckseitige Austrittstemperatur am inneren Wärmetauscher ebenfalls zum Zweck der Regelung des Hochdruckes in einem COP-optimalen Bereich angewandt werden kann. Hierfür werden entweder simulations- oder versuchstechnisch für den Kreislauf, in dem das Expansionsventil Verwendung findet, die zu jedem COP-optimalen Gaskühleraustrittszustand korrespondierenden Austrittszustände am inneren Wärmetauscher ermittelt. Über die hochdruckseitige Austrittstemperatur am inneren Wärmetauscher ergibt sich somit ein COP- optimierter Druckverlauf, auf den die optimale Ventil-Hubkennlinie ausgerichtet wird (Figur 2a). Diese COP-optimale Ventil-Hubkennlinie beschränkt sich jedoch im Vergleich zum Expansionsventil 15 auf einen im Sinne der Anwendung festzulegenden Teil des gesamten Ventilhubbereichs, zum Beispiel zwischen 0 und 75 % in dem Fall, wenn ein thermostatisches Expansionsventil einen einzigen Drosselkörper beziehungsweise -stelle aufweist. Über diesen circa 75 % Bereich hinaus setzt die Ü- berdruckfunktion ein, die vom zweiten Stellglied 48 gesteuert wird. Das heißt, dass die Schaltcharakteristik und die auf das zweite Stellglied 48 aufgebrachte Vorspannung so ausgewählt werden, dass das zweite Stellglied 48 des Expansionsventils 15 in der Lage ist, unter allen Umständen beim Überschreiten des vordefinierten Öffnungsdrucks das Ventilelement 33 über die oben genannte Grenze des Ventilhubbereichs zu bewegen. Wenn die Massenstromkennlinie der Durchtrittsöffnung 29 oberhalb der oben genannten Grenze, also dem 75 % Bereich, bis zum Erreichen von 100 % des gesamten Ventilhubbereichs ausreichend steil ausgelegt ist, kann so viel Massenstrom von der Hoch- in die Niederdruckseite abgebaut und somit ein weiteres Steigen des Hochdrucks des Kältemittelkreislaufs vermieden werden. Folglich wird die Sicherheitsfunktion gegen zu hohe Systemdrücke erreicht.With sufficient excess force is thus released via a predefined stroke characteristic of the optimal opening cross-section and thus set the optimum high pressure as a function of the high-pressure side outlet temperature of the refrigerant preferably at the inner heat exchanger. The refrigerant side gas cooler exit temperature is the preferable control temperature in the cycle in view of COP optimization, and the high pressure side exit temperature at the inner heat exchanger can also be applied for the purpose of regulating the high pressure in a COP optimum range. For this purpose, either simulation or trial for the circulation, in the the expansion valve is used, which determines for each COP optimal gas cooler outlet state corresponding exit states on the inner heat exchanger. The high-pressure-side outlet temperature at the inner heat exchanger thus results in a COP-optimized pressure profile, to which the optimum valve stroke characteristic curve is aligned (FIG. 2a). However, this COP-optimal valve lift characteristic is limited to a portion of the total valve lift range to be determined in the application, for example, between 0 and 75% in the case where a thermostatic expansion valve has a single throttle body, as compared to the expansion valve 15. Beyond this approximately 75% range, the overpressure function starts, which is controlled by the second actuator 48. That is, the switching characteristic and the bias applied to the second actuator 48 are selected such that the second actuator 48 of the expansion valve 15 is capable, under all circumstances, of exceeding the predefined opening pressure, the valve element 33 beyond the above limit of the valve lift range to move. If the mass flow characteristic of the passage opening 29 above the above limit, ie the 75% range, is sufficiently steep enough to reach 100% of the total valve lift, so much mass flow from the high to the low pressure side degraded and thus a further rise of the High pressure of the refrigerant circuit can be avoided. Consequently, the safety function is achieved against excessive system pressures.
Durch die vorteilhafte Anordnung des thermostatischen Expansionsventil am Verdampfereingang vermeidet man außerdem komplexe Leitungssatzverlegungen, wie sie zum Beispiel bei der Anwendung eines thermostatischen Expansionsventils nach Patent US 6,012,300 notwendig sind, da das dort beschriebene Ventil die kältemittelseitige Austrittstemperatur am Gaskühler aufnehmen muss - entweder durch eine lokale Anordnung am Gaskühlerastritt oder durch die Verlegung einer Kapillarleitung zwischen Ventil und Gaskühleraustritt.The advantageous arrangement of the thermostatic expansion valve at the evaporator inlet also avoids complex Leitungssatzverlegung, as required for example in the application of a thermostatic expansion valve according to US Pat. No. 6,012,300, since the valve described therein must absorb the refrigerant side outlet temperature at the gas cooler - either by a local arrangement at the gas cooler passage or by the laying of a capillary line between valve and gas cooler outlet.
In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt somit ein transkritischer oder unterkritischer Kälte- oder Wärmepumpenkreislauf mit einem inne- ren Wärmetauscher, der ein vorbeschriebenes thermostatisches Expansionsventil und den weiteren Vorteil aufweist, dass das Expansionsventil eine selbstständige einstellbare Überdruck- beziehungsweise Sicherheitsfunktion ermöglicht und ohne zusätzliche Leitungsverlegung am Verdampfereintritt platziert werden kann - wie in heutigen Anlagen gängig, ohne dabei auf die thermostatische Regelmöglichkeit des COP-optimalen Hochdrucks verzichten zu müssen.The scope of the present invention thus includes a transcritical or subcritical refrigeration or heat pump cycle with an internal ren heat exchanger, which has a prescribed thermostatic expansion valve and the further advantage that the expansion valve allows an independent adjustable overpressure or safety function and can be placed without additional wiring at the evaporator inlet - as in today's systems common, without affecting the thermostatic control option of the COP having to do without optimal high pressure.
Durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung ist also eine selbstständig einstellbare Überdruck- und Sicherheitsfunktion ermöglicht, so dass der Kältemittelkreislauf im COP-optimalen Hochdruck arbeiten kann. Dies erfolgt durch eine zweistufige Regelung. Im COP-optimalen Hochdruckbereich arbeitet das erste Stellglied 36. Dabei wirkt der Hochdruck gegen die erste Wirkfläche 37 und die Steuerfüllung 41, welche einen temperaturabhängigen Innendruck aufbaut. Erst ab einem voreingestellten Hochdruck erfolgt eine Öffnungsbewegung über das zweite Stellglied 46. Der Öffnungsdruck kann bevorzugt durch eine Vorspanneinrichtung einstellbar sein, welche beispielsweise an dem Federelement 51 oder einem anderen, eine Vorspannung aufbauenden Kraftelement angreift.By means of this embodiment according to the invention an independently adjustable overpressure and safety function is thus made possible so that the refrigerant circuit can operate in COP-optimal high pressure. This is done by a two-stage control. The first actuator 36 operates in the COP-optimal high-pressure region. The high-pressure acts against the first active surface 37 and the control filling 41, which builds up a temperature-dependent internal pressure. The opening pressure can preferably be adjustable by a biasing device, which engages, for example, on the spring element 51 or another force element that builds up a prestressing force, starting from a preset high pressure.
In Figur 4 ist eine alternative Ausführungsform zu Figur 3 dargestellt. Das zweite Stellglied 46 weist anstelle eines Faltenbalges 49 ein tellerfe- derförmiges Element 52 auf, welches die analoge Funktion zum Faltenbalg 49 umfasst. Dieses tellerfederförmige Element 52 kann eine eigene Vorspannkraft aufweisen, so dass eine Abstimmung der Druckkräfte durch den atmosphärischen Druck, das zumindest eine an dem tellerfe- derförmigen Element 52 angreifende Federelement 51 und das tellerfederförmige Element 52 gegenüber dem maximalen Hochdruck des Kältemittelkreislaufs erfolgen kann. Sofern die Vorspannkraft des tellerfe- derförmigen Elementes 52 groß genug ist, kann auf ein Federelement 51, welches im atmosphärischen Druckraum angeordnet ist, verzichtet werden.FIG. 4 shows an alternative embodiment to FIG. Instead of a bellows 49, the second actuator 46 has a dish-shaped element 52, which comprises the analogous function to the bellows 49. This plate spring-shaped element 52 may have its own biasing force, so that a coordination of the compressive forces by the atmospheric pressure, at least one acting on the dish-shaped element 52 spring element 51 and the plate spring-shaped element 52 against the maximum high pressure of the refrigerant circuit can take place. If the pretensioning force of the dish-shaped element 52 is large enough, it is possible to dispense with a spring element 51 which is arranged in the atmospheric pressure space.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass ein zusätzliches Federelement in Form einer Spiralfeder sich in dem Hochdruckraum 28 befindet und zwischen dem tellerfederförmigen Element 52 einerseits und einer die Durchlassöffnung 29 umgebenden Auflagefläche 53 andererseits anliegt. Dadurch kann die Öffnungsbewegung des tellerfederförmigen Elements 52 unterstützt werden. In Analogie zu Figur 3 sind die Anschläge 59 bis 62 vorgesehen.Alternatively, it can be provided that an additional spring element in the form of a spiral spring is located in the high-pressure chamber 28 and between the plate-spring-shaped element 52 on the one hand and one Passage opening 29 surrounding bearing surface 53 on the other hand rests. As a result, the opening movement of the plate-spring-shaped element 52 can be supported. In analogy to FIG. 3, the stops 59 to 62 are provided.
In Figur 5 ist eine weitere alternative Ausgestaltung des Expansionsventils 15 dargestellt. Dieses Expansionsventil 15 weist ergänzend zu Figur 4 ein Wegübertragungselement 54 auf, das an der Wirkfläche 48 des zweiten Stellgliedes 46 befestigt ist und an einem weiteren Ventilelement 56, welches die Durchlassöffnung 29 und den Ventilsitz 32 umfasst und selbst in einem Ventilsitz 58 vorgesehen ist, angreift. Dieses Wegübertragungselement 54 ermöglicht, dass die Sicherheitsfunktion unabhängig der Temperatur des Massenstromes sichergestellt ist. Bei einer Temperaturüberhöhung des Massenstromes würde eine Stellbewegung des ersten Stellgliedes 36 und somit des Ventilelementes 33 in den Ventilsitz 32 erfolgen, so dass eine Hubbewegung des zweiten Stellgliedes 46 nicht zu einem Öffnen der Durchlassöffnung 29 führen würde, sondern der Strömungsquerschnitt verringert oder sogar geschlossen würde. Das zweite Stellglied 46 ist über das Wegübertragungselement 54 mit dem zusätzlichen Ventilelement 56 zugbeansprucht verbunden, so dass bei einem einstellbaren Maximaldruck das Ventilelement 56 aus dem Ventilsitz 58 angehoben und der Strömungsquerschnitt vergrößert wird.FIG. 5 shows a further alternative embodiment of the expansion valve 15. In addition to FIG. 4, this expansion valve 15 has a travel transfer element 54 which is fastened to the active surface 48 of the second actuator 46 and acts on a further valve element 56, which comprises the passage opening 29 and the valve seat 32 and is itself provided in a valve seat 58 , This path transmission element 54 enables the safety function to be ensured independently of the temperature of the mass flow. With an increase in temperature of the mass flow, an adjusting movement of the first actuator 36 and thus of the valve element 33 would take place in the valve seat 32, so that a stroke of the second actuator 46 would not lead to opening of the passage opening 29, but the flow cross-section would be reduced or even closed. The second actuator 46 is connected via the path transmission element 54 with the additional valve member 56 zugbeansprucht connected, so that at an adjustable maximum pressure, the valve element 56 raised from the valve seat 58 and the flow cross-section is increased.
Anstelle des tellerfederförmigen Elementes 51 kann auch eine Membran als Trennfläche vorgesehen sein. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst eine solche Membran einen ringförmigen Querschnitt, der mit einem Außenumfang an der Außenwand des Hochdruckraumes 28 eingespannt ist und durch eine analoge Einspannung das erste Stellglied 36 aufnimmt. Die Membran kann teilweise als gummiartiges Element ausgebildet sein oder eine gummiartige, kältemittelleckageabdichtende Beschichtung aufweisen, um den Hochdruckraum 28 in dem Ventilgehäuse gegen atmosphärischen Druck abzugrenzen. Die Einstellung der Öffnungskraft als Sicherheitsfunktion erfolgt in einem solchen Fall ausschließlich durch zusätzliche Federelemente, die in dem Hochdruckraum oder an dem gegenüberliegenden Raum mit atmosphärischem Druck vorgesehen sind.Instead of the plate-spring-shaped element 51 may also be provided as a separation surface a membrane. In a preferred embodiment, such a membrane comprises an annular cross-section, which is clamped with an outer circumference on the outer wall of the high-pressure chamber 28 and receives the first actuator 36 by an analogous clamping. The membrane may be partially formed as a rubbery member or may have a rubbery, refrigerant-leakage-sealing coating to define the high-pressure space 28 in the valve body against atmospheric pressure. The setting of the opening force as a safety function is carried out in such a case only by additional spring elements in the high-pressure chamber or are provided at the opposite room with atmospheric pressure.
Der Anschlag 59 kann zur Einstellung eines Drosselquerschnitts ausgebildet sein. In Analogie zu den vorherigen Ausführungsformen können die Anschläge 60 bis 62 vorgesehen sein.The stop 59 may be designed to set a throttle cross-section. In analogy to the previous embodiments, the stops 60 to 62 may be provided.
Alle vorgenannten Merkmale sind jeweils erfindungswesentlich und können beliebig miteinander kombinierbar sein. All of the aforementioned features are essential to the invention and can be combined with one another as desired.

Claims

Ansprüche claims
1. Thermostatisches Expansionsventil zur Regelung eines Hochdrucks eines sowohl transkritisch als auch unterkritisch betreibbaren Kältebeziehungsweise Wärmepumpenkreislaufs (11) mit einem Ventilgehäuse (26), bei dem eingangsseitig ein Hochdruck in einer Zuführöffnung (27) und ausgangsseitig ein Niederdruck an einer Abführöffnung (31) anliegt, mit einem Ventilelement (33), welches einen Ventilsitz (32) einer Durchtrittsöffnung (29), die zwischen der Zufuhröffnung und der Abführöffnung (31) angeordnet ist, zum Durchströmen des Kältemittels schließt und in Öffnungsrichtung bewegt und einem ersten Stellglied (36) zugeordnet ist, wobei das erste Stellglied (36) eine mit einer ersten Wirkfläche (37) begrenzte Kammer (38) umfasst, die eine Steuerfüllung (41) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Stellglied (36) temperatur- und hochdruckabhängig ansteuerbar ist, wobei die Steuerfüllung (41) des ersten Stellgliedes (36) eine Fülldichte aufweist, die unmittelbar unterhalb der kritischen Dichte der Steuerfüllung (41) liegt und dass das erste Stellglied (36) mit einem zweiten Stellglied (46) bewegungsgekoppelt ist und dass das zweite Stellglied (46) temperaturunabhängig und vom Hochdruck abhängig ansteuerbar und auf einen maximalen Betriebsdruck zum Öffnen der Durchlassöffnung (29) einstellbar ist.1. Thermostatic expansion valve for controlling a high pressure of a transcritical as well as subcritically operable Kältebeziehungsweise heat pump cycle (11) with a valve housing (26) in which the input side, a high pressure in a feed port (27) and the output side, a low pressure at a discharge opening (31) is present with a valve element (33) which closes a valve seat (32) of a passage opening (29), which is arranged between the supply opening and the discharge opening (31), for flowing through the refrigerant and is moved in the opening direction and associated with a first actuator (36) in which the first actuator (36) comprises a chamber (38) bounded by a first active surface (37) and containing a control filling (41), characterized in that the first actuator (36) is temperature-controlled. and high-pressure-dependent can be controlled, wherein the control filling (41) of the first actuator (36) has a filling density which is immediately below the critical density of the control filling (41) and that the first actuator (36) with a second actuator (46) is motion-coupled and that the second actuator (46) is temperature-independent and dependent on the high pressure controllable and adjustable to a maximum operating pressure for opening the passage opening (29).
2. Expansionsventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (38) des ersten Stellgliedes (36) ein Innenvolumen umfasst, welches temperaturabhängig veränderbar ist und die erste Wirkfläche (37) mit einer Hubbewegung ansteuert.2. Expansion valve according to claim 1, characterized in that the chamber (38) of the first actuator (36) comprises an inner volume which is temperature-dependent variable and the first active surface (37) controls with a lifting movement.
3. Expansionsventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Stellglied (36) eine Kammer (38) aufweist, die faltenbalg- oder membranähnlich ausgeführt und aus einem wärme- leitfähigen Material hergestellt ist.3. Expansion valve according to claim 1 or 2, characterized in that the first actuator (36) has a chamber (38), the bellows or membrane-like running and made of a heat-conductive material.
4. Expansionsventil nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (38) des ersten Stellgliedes (36) mit einer Steuerfüllung (41) gefüllt und das erste Stellglied (36) durch die Temperatur des hochdruckseitigen Kältemittels im COP- optimalen Hochdruckbereich ansteuerbar ist.4. Expansion valve according to one of the preceding claims, characterized in that the chamber (38) of the first actuator (36) filled with a control filling (41) and the first actuator (36) controlled by the temperature of the high-pressure side refrigerant in the COP optimal high-pressure region is.
5. Expansionsventil nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (38), insbesondere die innere Kontur der Kammer (38), durch eine Hülse oder Stege geführt ist.5. Expansion valve according to one of the preceding claims, characterized in that the chamber (38), in particular the inner contour of the chamber (38) is guided by a sleeve or webs.
6. Expansionsventil nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerfüllung (41) eine kritische Temperatur unterhalb der kritischen Temperatur des Kältemittels aufweist. 6. Expansion valve according to one of the preceding claims, characterized in that the control filling (41) has a critical temperature below the critical temperature of the refrigerant.
7. Expansionsventil nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Stellglied (56) auf einen maximalen Öffnungsdruck zum Öffnen der Durchlassöffnung (29) einstellbar ist und seine Stellbewegung auf das erste Stellglied (36) überträgt.7. Expansion valve according to one of the preceding claims, characterized in that the second actuator (56) is adjustable to a maximum opening pressure for opening the passage opening (29) and transmits its actuating movement to the first actuator (36).
8. Expansionsventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Stellglied (46) ein membran- oder tellerfederförmiges Element (49, 52) mit einer zweiten Wirkfläche (48) aufweist, an der das erste Stellglied (36) bewegungsgekoppelt vorgesehen ist.8. Expansion valve according to claim 1, characterized in that the second actuator (46) has a membrane or plate spring-shaped element (49, 52) with a second active surface (48) on which the first actuator (36) is provided for movement coupled.
9. Expansionsventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das membran- oder tellerfederförmige Element (49, 52) das Ventilgehäuse (26) in einem Hochdruckraum (28) und einen Raum mit atmosphärischem Druck trennt.9. Expansion valve according to claim 8, characterized in that the membrane or dish spring-shaped element (49, 52) separates the valve housing (26) in a high-pressure chamber (28) and a room with atmospheric pressure.
10. Expansionsventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das membran- oder tellerfederförmige Element eine eigene Vorspannkraft aufweist, welche teilweise oder vollständig auf den maximalen Öffnungsdruck einstellbar ist.10. Expansion valve according to claim 1, characterized in that the membrane or dish spring-shaped element has its own biasing force which is partially or completely adjustable to the maximum opening pressure.
11. Expansionsventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine auf das zweite Stellglied (46) wirkende mechanische Vorspannkraft eines Kraftspeicherelementes (51) derart eingestellt ist, dass beim Überschreiten des vordefinierten Öffnungsdruckes das Ventilelement (33) des ersten Stellgliedes (36) mit einem Ventilhub ansteuerbar ist und den Strömungsquerschnitt der Durchlassöffnung (29) vergrößert.11. Expansion valve according to claim 1, characterized in that on the second actuator (46) acting mechanical biasing force of a force storage element (51) is set such that when exceeding the predefined opening pressure, the valve element (33) of the first actuator (36) with a Valve stroke is controlled and increases the flow cross-section of the passage opening (29).
12. Expansionsventil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung der mechanischen Vorspannkraft eine Spannvorrichtung vorgesehen ist, welche bevorzugt außerhalb des Ventilgehäuses (26) einstellbar und insbesondere atmosphärischem Druck ausgesetzt ist. 12. Expansion valve according to claim 11, characterized in that for adjusting the mechanical biasing force, a tensioning device is provided, which is preferably outside of the valve housing (26) adjustable and in particular exposed to atmospheric pressure.
13. Expansionsventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Hubbewegung des ersten Stellgliedes (36) durch ein Wegbegrenzungselement (54) vorbestimmt ist.13. Expansion valve according to claim 1, characterized in that the maximum stroke movement of the first actuator (36) by a Wegbegrenzungselement (54) is predetermined.
14. Expansionsventil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Wegbegrenzungselement (54) ein weiteres Ventilelement (56) aufweist, welches eine Durchlassöffnung (29) begrenzt und beim Überschreiten des vordefinierten Öffnungsdruckes ein Abheben des Ventilelementes (56) zum Ventilsitz (58) zur Veränderung des Strömungsquerschnittes der Durchlassöffnung (29) ansteuert.14. Expansion valve according to claim 13, characterized in that the Wegbegrenzungselement (54) has a further valve element (56) which limits a passage opening (29) and when the predefined opening pressure is exceeded lifting the valve element (56) to the valve seat (58) Modification of the flow cross-section of the passage opening (29) drives.
15. Expansionsventil nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Ruhestellung des zumindest einen Ventilelementes (33) eine vorgegebene Mindestdurchlassöffnung zwischen dem Ventilelement (33) und dem Ventilsitz (32) gegeben ist.15. Expansion valve according to one of the preceding claims, characterized in that in a rest position of the at least one valve element (33) is given a predetermined Mindestdurchlassöffnung between the valve element (33) and the valve seat (32).
16. Transkritischer oder unterkritischer Kälte- oder Wärmepumpenkreislauf (11) mit einem inneren Wärmetauscher (14), gekennzeichnet durch ein Expansionsventil (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche. 16. Transcritical or subcritical refrigeration or heat pump cycle (11) with an internal heat exchanger (14), characterized by an expansion valve (15) according to one of the preceding claims.
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