WO2008074383A1 - Thermostatisches expansionsventil - Google Patents

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WO2008074383A1
WO2008074383A1 PCT/EP2007/010118 EP2007010118W WO2008074383A1 WO 2008074383 A1 WO2008074383 A1 WO 2008074383A1 EP 2007010118 W EP2007010118 W EP 2007010118W WO 2008074383 A1 WO2008074383 A1 WO 2008074383A1
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WO
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expansion valve
limiting element
thermostatic expansion
opening
mass flow
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PCT/EP2007/010118
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English (en)
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Juan Aguilar
Siegfried Roth
Rainer Maurer
Original Assignee
Otto Egelhof Gmbh & Co. Kg
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Publication date
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    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
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    • F25B41/31—Expansion valves
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25B41/31—Expansion valves
    • F25B41/32—Expansion valves having flow rate limiting means other than the valve member, e.g. having bypass orifices in the valve body
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25B2400/00—General features or devices for refrigeration machines, plants or systems, combined heating and refrigeration systems or heat-pump systems, i.e. not limited to a particular subgroup of F25B
    • F25B2400/04—Refrigeration circuit bypassing means
    • F25B2400/0411—Refrigeration circuit bypassing means for the expansion valve or capillary tube

Definitions

  • the invention relates to a thermostatic expansion valve for overheating control of a subcritically operable refrigeration cycle according to the preamble of claim 1.
  • thermostatic expansion valve for controlling a high pressure for a refrigeration cycle is apparent.
  • Such an expansion valve comprises a valve housing, in which a high pressure in a feed opening and on the output side a low pressure at a discharge opening rests on the input side. Between lying, a valve element is provided, which controls a passage opening between the supply and discharge opening. Parallel to the passage opening, a bypass bore is provided in the valve housing, which connects the supply opening directly to the discharge opening. This bypass opening allows ⁇ mcUdate 1812200610 S7
  • DE 10 2004 049 790 A1 discloses an expansion valve in which the valve element is actuated by an actuating device designed as a thermal head via a transmission pin, so that the passage opening between the supply opening and discharge opening can be controlled as a function of the operating states detected by the thermal head ,
  • actuating device designed as a thermal head via a transmission pin
  • the passage opening between the supply opening and discharge opening can be controlled as a function of the operating states detected by the thermal head
  • operating conditions can occur in which a vapor content at the outlet of the passage opening of the valve element designed as the main throttle point reaches critically low values.
  • a disproportionate increase in volume flow can occur, which can lead to flooding of a downstream evaporator and thus to the complete disappearance of an overheating signal after the evapor
  • the invention is therefore based on the object to provide a thermostatic expansion valve for overheating control, which prevents a large drop in the vapor content at the valve outlet by an indirect supercooling control, and holds the maximum allowable or requested refrigerant mass flow to a predefined level.
  • thermostatic expansion valve with a thermally drivable limiting element Due to the inventive design of the thermostatic expansion valve with a thermally drivable limiting element is achieved that a vapor content of the mass flow is monitored after expansion at a main throttle or a controllable with a valve element passage opening by at least one by- pass bore regulating limiting element.
  • This Cl monitoring takes place by an actuator of the limiting element, which controls a valve closing member in the normal operation of the refrigerant circuit in an open basic position to the bypass bore and transferred from an open basic position to a closed position, as soon as a decrease in the vapor content at the main throttle, ie in the passage opening takes place .
  • the actuator of the restriction member controls the valve closure member of the restriction member and closes the bypass bore.
  • the entire mass flow reaching from the feed opening via the main throttle point and the at least bypass bore to the discharge opening is minimized by the proportion determined by the opening opening cross section of the bypass bore or the bypass bores. Since the increase of the effective cross section in the passage opening due to the decreasing vapor content in the main throttle compensates for the closing of the bypass bore or the bypass bores, the entire opening cross section of the expansion valve remains approximately the same and an increase of the refrigerant flow rate is prevented. At the same time, the overheating control is fully maintained by the actuator.
  • the vapor content in the mass flow at the throttle point of the expansion valve can thus be detected and regulated indirectly, so that the evaporator can flood is prevented and the refrigerant circuit can be limited to a predetermined supercooling value for the operation of the refrigerant system.
  • the limiting element is provided on the high pressure side.
  • the cross-sectional area or surfaces of the bypass bore or bores are equal to or smaller than the cross-sectional area of the main throttle body for the maximum mass flow. It can thereby be achieved that a control of the refrigeration cycle with the maximum required mass flow is made possible, at the same time a complete control is maintained for overheating control via the main throttle.
  • the at least one bypass bore is then preferably completely closed by the limiting element as soon as the subcooling in front of the main throttle point has exceeded an externally adjustable value.
  • This supercooling value corresponds to the critical steam content after the main throttle, from which the bubble formation in the refrigerant flow completely disappears from the main throttle and the volume flow suddenly begins to increase due to the significantly larger, available effective flow cross section of the main throttle.
  • Completely closing the at least one bypass bore prevents or eliminates this increase and prevents flooding of the evaporator.
  • the limiting element preferably comprises a thermally actuable actuator, which is formed at least from a plate spring-shaped Bi- metal element. With increasing hypothermia, the bias of the plate spring-shaped bi-metal element is reduced, whereby the closing movement of the limiting element is initiated.
  • the at least one bi-metal element opposite a force storage element is preferably arranged, which when exceeding a as critically defined subcooling applies greater compressive forces than the at least one plate-spring-shaped bi-metal element for initiating the closing movement and maintaining the closed position.
  • SMA Shape Memory Alloy
  • the limiting element comprises an actuator which can be controlled temperature and pressure dependent. This has the advantage that a further controlled variable of the high-pressure side mass flow can be detected. This allows monitoring of a refrigeration cycle at different preset operating pressures and allows automatic monitoring of the vapor content at the passage opening of the main throttle at all operating pressures (high pressure).
  • the limiting element preferably has as a temperature and pressure-dependent actuator on a membrane or bellows-shaped chamber, which is filled with a tax filling.
  • the tax payment depends on the use cases.
  • the limiting element having a temperature and pressure-dependent actuator may have a control filling which is filled with a two-phase mixture whose filling density is below its critical density.
  • a plurality of limiting elements are provided parallel to the main throttle, wherein the respective limiting element is formed with an at least thermally actuable actuator for controlling the respective bypass bore and different operating points are provided for the beginning of the closing movement.
  • This can a stepwise cooling depending on the inlet temperature may be provided at the main throttle.
  • the at least thermally actuable actuators may be designed such that a nearly constant closing movement over the entirety of all the bypass bores is controlled by the successive following and coordinated closing of the bypass bores.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a thermostatic expansion valve in a refrigeration cycle
  • FIGS. 2a-c show a main throttle point shown schematically enlarged in different operating states
  • FIGS. 3a + b show schematic diagrams of the different operating states according to FIGS. 2a to c
  • FIG. 4 is a schematic diagram illustrating the vapor content in the mass flow as a function of supercooling
  • FIG. 5a shows a schematic state diagram of the mass flow in the operating state according to FIG. 2a
  • FIG. 5b shows a schematic state diagram of the mass flows from the main throttle point and from at least one delimiting element
  • FIG. 5c shows a schematic state diagram of the resulting mass flow through the expansion valve according to the invention
  • FIG. 6 shows a diagrammatically enlarged view of an expansion valve according to the invention with a main throttle point and a delimiting element
  • Figure 7 is a schematically enlarged view of an alternative embodiment to Figure 6 and
  • FIG. 8 shows a schematic diagram for a thermostatic expansion valve with a plurality of limiting elements.
  • FIG. 1 shows, for example, a thermostatic expansion valve 11.
  • This expansion valve 11 comprises a housing 12 having a feed opening 14 and a discharge opening 15 which are interconnected by a passage opening 16.
  • a further supply port 17 and discharge opening 18 is provided, which are interconnected by a coolant channel 19.
  • an outlet side of a condenser 21 is connected, whose inlet side is connected to an outlet side of a compressor 22.
  • the entrance side of the compressor 22 communicates with an exit side of an evaporator 23.
  • condenser 21 Between the condenser 21 and the feed opening 14 and an additional cooler 20 or an inner heat exchanger can be provided. Alternatively, a strong supercooling condenser or condenser 21 can be integrated in the refrigerant circuit.
  • the housing 12 of the expansion valve 11 has a regulating device 24, which is provided according to the embodiment as Einschraubpatrone. Furthermore, this regulating device 24 may also be provided as a separate component on the housing 12. Likewise, the Reguliervoriques 24 additionally be actuated by a path generating device and a shut-off valve or servo valve.
  • the regulating device 24 comprises a valve element 25, which closes a valve seat 26 of the passage opening 16 in a closed position.
  • the regulating device 24 may additionally comprise a damping element 28.
  • the valve element 25 and passage opening 16 form a main throttle.
  • an actuating device 31 for example in the form of a thermal head, which acts via a transmission pin 32 on the valve element 25 and the passage opening 16 opens and closes.
  • the actuating device 31 comprises a chamber 33 for receiving a temperature-sensitive control filling, in particular a gas. Depending on its temperature, the control filling acts on a diaphragm 34, the movement of which is transmitted via the transfer pin 32 to the valve element 35.
  • a bypass bore 41 is provided in a housing portion 40 which separates a high-pressure chamber from a low-pressure space, which connects the supply opening 14 with the discharge opening 15.
  • This bypass bore 41 can be controlled by a limiting element 45.
  • This limiting element 45 comprises an actuator 43, by which the valve closing member 42 is controllable. The valve closing member 42 is held by the actuator 43 in an open basic position. The function of the at least one limiting element 45 for supercooling control as a function of the steam content in the mass flow at the main throttle point is explained below.
  • FIG. 2 a shows a normal state of the mass flow in an annular gap 48 of the passage opening 16, which results from the remaining free space. surface between the arranged in the passage opening 16 transmission pin 32 results.
  • the mass flow in this annular gap 48 comprises a high vapor content, which is for example greater than 15 or 20% of the total mass flow.
  • the characteristic of the steam content relative to the effective effective flow cross-section at the main throttle point is 49, which is shown in FIG. 3a.
  • This characteristic curve 49 is directly attributable to the operating states according to FIGS. 2a to c shown above.
  • the effective effective cross section for the mass flow is low.
  • the effective effective cross section increases in the passage opening 16 for the mass flow. To the same extent reduces the vapor content in the mass flow. This is shown in the transition of the operating state of Figure 2b to 2c by the rising characteristic left of the critical value 52 in Figure 3a.
  • FIG. 3b shows the percentage of the steam content over the mass flow through the characteristic curve 50 which is derived from FIG. 3a.
  • This characteristic curve 50 qualitatively agrees with the characteristic curve 49 according to FIG. 3a.
  • FIG. 4 shows a schematic diagram for the percentage of the steam content as a function of the subcooling of the mass flow for a constantly predefined high pressure through the characteristic curve 51 shown.
  • This characteristic is linear in the case of R134a as a refrigerant, for example.
  • a critical supercooling value can be assigned at a constant predefined high pressure.
  • Undercooling means the temperature difference of the refrigerant between the temperature applied to the valve inlet of the expansion valve 11 and the temperature of the saturation pressure of the refrigerant on the high pressure side.
  • the effective opening cross-section for the mass flow is plotted by the characteristic curve 51 of the passage opening 16 as a function of the subcooling.
  • This characteristic 51 corresponds to the operating states according to FIGS. 2a to c.
  • a critical value 52 of the subcooling As soon as a critical value 52 of the subcooling has been exceeded, the mass flow increases abruptly, that is to say this increase corresponds to the transition from the operating state according to FIG. 2b to FIG. 2c.
  • FIGS. 5b and c the mode of operation of the thermostatic expansion valve 11 according to the invention with at least one limiting element 45 for overheating control of a subcritical operable refrigerant circuit is now set forth in FIGS. 5b and c.
  • the overheating of the refrigeration cycle is defined by the superheated temperature of the refrigerant compared to the saturation temperature of the refrigerant at a certain pressure.
  • the valve element 25 is controlled to control the refrigeration cycle, ie overheating control, by the actuator 31, wherein a relatively lower volume flow rate is released, as shown qualitatively by the characteristic 53 'in Figure 5b in comparison to Figure 5a.
  • the at least one limiting element 45 arranged parallel to the valve element 25 is open in its basic position, with small subcooling values.
  • the bypass bore 41 is thus completely released. This results in the characteristic curve 54 to the left of the critical value 52.
  • the effectively effective opening cross section results from the geometric opening cross section of the bypass bore or bypass boreholes and the main throttle point as a function of the steam content.
  • the ratios of the mass flow components are set so that the mass flow through the at least one bypass bore 41 is greater than through the main throttle.
  • the at least one limiting element 45 is closed. The mass flow through the bypass bore 41 decreases continuously and becomes zero.
  • the thermostatic expansion valve 11 has a delimiting element 45 which encloses at least one plate spring-shaped bi-metal element as a thermally actuable actuator 43.
  • a plurality of bi-metal elements are arranged one above the other.
  • a force storage element 55 engages the valve closure member 42.
  • the actuator 43 and the energy storage element 55 are matched to one another such that in the normal operating state of the refrigerant circuit, the valve closure member 42 is lifted from the bypass bore 41. As soon as the critical subcooling value is exceeded, the force of the plate spring-shaped bi-metal element is reduced, so that a closing movement is initiated.
  • thermally actuable actuator 43 may be provided instead of the bi-metal elements and a force storage element made of a shape memory alloy.
  • the arrangement and function is analog.
  • FIG. 7 provides that, instead of a thermally actuable actuator 43, a temperature-dependent and pressure-dependent actuator 43 is provided.
  • a membrane- or bellows-shaped chamber is formed, which is provided with a control filling. It may be both a liquid, for example a refrigerant, wax or alcohol, as well as an at least partially gaseous filling.
  • FIG. 8 shows a schematic diagram for a further alternative embodiment of a thermostatic expansion valve 11.
  • the effective effective opening cross section for the mass flow between the supply port 14 and discharge opening 15 is plotted against the subcooling.
  • this thermostatic expansion valve 15 for example, three limiting elements 45 are provided, which each respond to different subcooling temperatures, so that gradually a reduction of the effective effective opening cross-section between the supply port 14 and the discharge opening 15 takes place.
  • a constant drop with a controllable throttle body may be provided, as shown by the characteristic 59.
  • the maximum possible flow cross-section of the mass flow at the maximum required by the refrigeration system mass flow must be adjusted at the corresponding refrigerant plant boundary conditions, so that no performance losses are registered at high cooling capacity requirement.
  • the at least thermally controlled limiting element 45 is disabled, the main throttling point releases only as much effective flow area as is necessary for the existing operating case to provide a sufficiently large mass flow, so that the evaporator 23 is neither overheated nor flooded, that is, always a defined overheating signal can be output.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein thermostatisches Expansionsventil zur Überhitzungsregelung eines Hochdrucks eines zumindest unterkritisch betreibbaren Kältekreislaufs, mit einem Ventilgehäuse (12), mit einem Ventilelement (25), welches einen Ventilsitz (26) einer Durchtrittsöffnung (16), die zwischen einer Zuführöffnung (14) und einer Abführöffnung (15) angeordnet ist, schließt und zum Durchströmen des Kältemittels mit einer Betätigungseinrichtung (31) ansteuerbar ist, wobei zumindest eine Bypassbohrung (41), welche die Zuführöffnung (14) mit der Abführöffnung (15) verbindet, mit einem Begrenzungselement (45) ansteuerbar ist und das Begrenzungselement (45) in einer Grundposition die Bypassbohrung (41) für den Massenstrom zum Durchströmen freigibt und eine Schließbewegung des Begrenzungselementes (45) ansteuerbar ist, sobald das Begrenzungselement (45) im Massenstrom einen Anstieg eines Unterkühlungswertes oberhalb eines vordefinierten kritischen Wertes für den unterkritischen Kältemittelkreislauf aufweist.

Description

Anmelder: OTTO EGELHOF GmbH & Co. KG, Stuttgarter Straße 60, 70736 Fellbach
Thermostatisches Expansionsventil
Die Erfindung betrifft ein thermostatisches Expansionsventil zur Überhit- zungsregelung eines unterkritisch betreibbaren Kältekreislaufs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der US-PS 3,367,130 geht ein thermostatisches Expansionsventil zur Regelung eines Hochdrucks für einen Kältekreislauf hervor. Ein solches Expansionsventil umfasst ein Ventilgehäuse, bei dem eingangsseitig ein Hochdruck in einer Zuführöffnung und ausgangsseitig ein Niederdruck an einer Abführöffnung anliegt. Dazwischen liegend ist ein Ventilelement vorgesehen, welches eine Durchtrittsöffnung zwischen der Zuführ- und Abführöffnung ansteuert. Parallel zur Durchtrittsöffnung ist im Ventilgehäuse eine Bypassbohrung vorgesehen, welche die Zuführöffnung unmittelbar mit der Abführöffnung verbindet. Diese Bypassöffnung ermöglicht, εmcUdatum 1812200610 S7
BESTÄTfGUNGSKOPIE dass bereits vor dem Öffnen der Drosselstelle beziehungsweise Betätigen der Reguliervorrichtung ein Durchströmen des Kältemittels und somit ein Kühlen der Temperatur der Komponenten ermöglicht ist. Diese nicht steuerbare Bypassöffnung dient somit als Fixdrossel für einen geringen aber konstanten Massenstrom zum Kühlen der Elemente des Kältemittelkreislaufes und wirkt unabhängig von der Reguliervorrichtung.
Aus der DE 10 2004 049 790 Al geht ein Expansionsventil hervor, bei welchem das Ventilelement durch eine als Thermokopf ausgebildete Betätigungseinrichtung über einen Übertragungsstift angesteuert wird, so dass die Durchtrittsöffnung zwischen der Zuführöffnung und Abführöffnung in Abhängigkeit der durch den Thermokopf erfassten Betriebszu- stände ansteuerbar ist. Beim Einsatz solcher Expansionsventile in unterkrischen Kältekreisläufen können Betriebszustände eintreten, bei denen ein Dampfgehalt am Ausgang der Durchtrittsöffnung des als Hauptdrosselstelle ausgebildeten Ventilelementes kritisch niedrige Werte erreichen. Dies bedeutet, dass der Dampfgehalt nach der Drosselung beziehungsweise Expansion aufgrund des verengten Ringspaltes, der zwischen dem Übertragungsstift und der Durchgangsbohrung gebildet ist, aus diesem Ringspalt heraustritt, so dass nahezu nur noch ein flüssiger Kältemittelstrom durch die Durchtrittsöffnung hindurchtritt. Dadurch kann ein überproportionaler Volumenstromanstieg eintreten, der zu einer Überflutung eines nachgeschalteten Verdampfers und somit zum vollständigen Verschwinden eines Überhitzungssignals nach dem Verdampfer und gegebenenfalls nach dem inneren Wärmetauscher führen kann.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein thermostatisches Expansionsventil zur Überhitzungsregelung zu schaffen, welches einen starken Abfall des Dampfgehalts am Ventilausgang durch eine indirekte Unterkühlungsregelung verhindert, und den maximalen zulässigen bzw. angeforderten Kältemittelmassenstrom auf einem vordefinierten Niveau hält.
Diese Aufgabe wird durch ein thermisches Expansionsventil gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 ermöglicht. Weitere vorteilhafte Ausgestal- tungen und Weiterbildungen sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des thermostatischen Expansionsventils mit einem thermisch ansteuerbaren Begrenzungselement wird erzielt, dass ein Dampfgehalt des Massenstromes nach der Expansion an einer Hauptdrosselstelle beziehungsweise einer mit einem Ventilelement ansteuerbaren Durchtrittsöffnung durch ein zumindest eine By- passbohrung regelndes Begrenzungselement überwacht wird. Diese Cl- berwachung erfolgt durch ein Stellglied des Begrenzungselementes, welches ein Ventilschließglied im Normalbetrieb des Kältemittelkreislaufs in einer geöffneten Grundposition zur Bypassbohrung ansteuert und aus einer geöffneten Grundposition in eine Schließposition überführt, sobald eine Abnahme des Dampfgehaltes an der Hauptdrosselstelle, also in der Durchtrittsöffnung, erfolgt. Bei einer Abnahme des Dampfgehaltes im Massenstrom unterhalb eines kritischen Wertes bzw. eines dazu korrespondierenden Unterkühlungswertes nimmt der Flüssigkeitsanteil des Massenstromes zu, wodurch die im Normalbetrieb eintreffende Durchflussbegrenzung zumindest teilweise verschwindet. Ein Anstieg des Unterkühlungswertes oberhalb des oben genannten kritischen Wertes wird durch das Stellglied des Begrenzungselementes erkannt und steuert das Ventilschließglied des Begrenzungselementes an und schließt die Bypassbohrung. Dadurch wird der gesamte von der Zuführöffnung über die Hauptdrosselstelle und die zumindest Bypassbohrung zur Abführöffnung gelangende Massenstrom um den Anteil minimiert, der durch den freigebenden Öffnungsquerschnitt der Bypassbohrung oder die Bypassbohrun- gen bestimmt ist. Da die Zunahme des effektiven Querschnitts in der Durchtrittsöffnung aufgrund des geringer werdenden Dampfgehaltes in der Hauptdrossel das Schließen der Bypassbohrung oder der Bypassboh- rungen kompensiert, bleibt der gesamte Öffnungsquerschnitt des Expansionsventils annähernd gleich und ein Anstieg des Kältemittelvolumenstroms wird verhindert. Gleichzeitig bleibt die Überhitzungsregelung durch die Betätigungseinrichtung vollständig aufrecht erhalten. Durch dieses erfindungsgemäße Expansionsventil kann somit indirekt der Dampfgehalt im Massenstrom an der Drosselstelle des Expansionsventils erfasst und geregelt werden, so dass ein Überfluten des Verdampfers verhindert ist und der Kältemittelkreislauf auf einen vorbestimmten Unterkühlungswert zum Betrieb der Kältemittelanlage begrenzbar ist.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Begrenzungselement hochdruckseitig vorgesehen ist. Dadurch kann eine einfache und integrierte Volumenstromregelung bzw. Massen- strombegrenzung parallel zur Hauptdrosselstelle ermöglicht sein.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Querschnittsfläche bzw. -flächen der Bypassbohrung bzw. -bohrungen gleich groß oder kleiner als die Querschnittsfläche der Hauptdrosselstelle für den maximalen Massenstrom sind. Dadurch kann erzielt werden, dass eine Steuerung des Kältekreislaufes mit dem maximal erforderlichen Massenstrom ermöglicht ist, wobei gleichzeitig eine vollständige Ansteuerung zur Überhitzungsregelung über die Hauptdrosselstelle erhalten bleibt.
Die zumindest eine Bypassbohrung ist durch das Begrenzungselement bevorzugt dann vollständig geschlossen, sobald die Unterkühlung vor der Hauptdrosselstelle einen von außen einstellbaren Wert überschritten hat. Dieser Unterkühlungswert entspricht dem kritischen Dampfgehalt nach der Hauptdrossel, ab dem die Blasenbildung in der Kältemittelströmung vollständig aus der Hauptdrossel verschwindet und der Volumenstrom aufgrund des deutlich größeren, zur Verfügung stehenden effektiven Strömungsquerschnittes der Hauptdrossel sprunghaft zuzunehmen anfängt. Das vollständige Schließen der zumindest einen Bypassbohrung verhindert bzw. eliminiert diese Zunahme und verhindert eine Überflutung des Verdampfers.
Das Begrenzungselement umfasst bevorzugt ein thermisch ansteuerbares Stellglied, welches zumindest aus einem tellerfederförmigen Bi- Metallelement ausgebildet ist. Bei zunehmender Unterkühlung wird die Vorspannung des tellerfederförmigen Bi-Metallelementes verringert, wodurch die Schließbewegung des Begrenzungselementes eingeleitet wird. Dem zumindest einen Bi-Metallelement gegenüberliegend ist bevorzugt ein Kraftspeicherelement angeordnet, welches beim Überschreiten einer als kritisch definierten Unterkühlung größere Druckkräfte aufbringt als das zumindest eine tellerfederförmige Bi-Metallelement zur Einleitung der Schließbewegung und Aufrechterhaltung der Schließposition.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass das Begrenzungselement ein thermisch ansteuerbares Stellglied umfasst, welches aus einer Formgedächtnislegierung (SMA = Shape Memory Alloy) hergestellt ist. Dabei wird die gleiche Funktion wie beim vorstehend beschriebenen thermisch ansteuerbaren Stellglied aus Bi-Metallelementen erzielt.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Begrenzungselement ein Stellglied aufweist, welches temperatur- und druckabhängig ansteuerbar ist. Dies weist den Vorteil auf, dass eine weitere Regelgröße des hochdruckseitigen Massenstromes erfasst werden kann. Dadurch ist eine Überwachung eines Kältekreislaufes bei unterschiedlich voreingestellten Betriebsdrücken ermöglicht und eine automatische Überwachung des Dampfgehaltes an der Durchtrittsöffnung der Hauptdrosselstelle bei allen Betriebsdrücken (Hochdruck) gegeben.
Das Begrenzungselement weist bevorzugt als temperatur- und druckabhängiges Stellglied eine membran- oder balgförmige Kammer auf, welche mit einer Steuerfüllung befüllt ist. Die Steuerfüllung steht in Abhängigkeit der Anwendungsfälle.
Alternativ kann das Begrenzungselement mit einem temperatur- und druckabhängigen Stellglied eine Steuerfüllung aufweisen, welche mit einem zweiphasigen Gemisch gefüllt ist, deren Fülldichte unterhalb deren kritischen Dichte liegt.
Nach einer weiteren alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mehrere Begrenzungselemente parallel zur Hauptdrosselstelle vorgesehen sind, wobei das jeweilige Begrenzungselement mit einem zumindest thermisch ansteuerbaren Stellglied zur Ansteuerung der jeweiligen Bypassbohrung ausgebildet ist und verschiedene Arbeitspunkte für den Beginn der Schließbewegung vorgesehen sind. Dadurch kann eine stufenweise Abkühlung in Abhängigkeit der Eintrittstemperatur an der Hauptdrosselstelle vorgesehen sein. Alternativ können die zumindest thermisch ansteuerbaren Stellglieder derart ausgelegt sein, dass eine nahezu konstante Schließbewegung über die Gesamtheit aller Bypass- bohrungen durch das nacheinander folgende und aufeinander abgestimmte Schließen der Bypassbohrungen angesteuert wird.
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:
Figur 1 eine schematische Schnittdarstellung eines thermostatischen Expansionsventils in einem Kältekreislauf,
Figuren 2a - c eine schematisch vergrößert dargestellte Hauptdrosselstelle in verschiedenen Betriebszustän- den,
Figuren 3a + b schematische Diagramme zu den verschiedenen Betriebszuständen gemäß den Figuren 2a bis c,
Figur 4 ein schematisches Diagramm, welches den Dampfgehalt im Massenstrom in Abhängigkeit zur Unterkühlung darstellt,
Figur 5a ein schematisches Zustandsdiagramm des Massenstromes in dem Betriebszustand gemäß Figur 2a,
Figur 5b ein schematisches Zustandsdiagramm der Massenströme von der Hauptdrosselstelle und von zumindest einem Begrenzungselement, Figur 5c ein schematisches Zustandsdiagramm des resultierenden Massenstromes durch das erfindungsgemäße Expansionsventil,
Figur 6 eine schematisch vergrößerte Darstellung eines erfindungsgemäßen Expansionsventils mit einer Hauptdrosselstelle und einem Begrenzungselement,
Figur 7 eine schematisch vergrößerte Darstellung einer alternativen Ausführungsform zu Figur 6 und
Figur 8 ein schematisches Diagramm für ein thermostatisches Expansionsventil mit mehreren Begrenzungselementen.
In Figur 1 ist beispielsweise ein thermostatisches Expansionsventil 11 dargestellt. Dieses Expansionsventil 11 umfasst ein Gehäuse 12 mit einer Zuführöffnung 14 und einer Abführöffnung 15, welche durch eine Durchtrittsöffnung 16 miteinander verbunden sind. In dem Gehäuse 12 ist eine weitere Zuführöffnung 17 und Abführöffnung 18 vorgesehen, die durch einen Kühlmittelkanal 19 miteinander verbunden sind. An die Zuführöffnung 14 ist eine Austrittsseite eines Verflüssigers 21 angeschlossen, dessen Eintrittsseite mit einer Austrittsseite eines Kompressors 22 verbunden ist. Die Eintrittsseite des Kompressors 22 steht mit einer Austrittsseite eines Verdampfers 23 in Verbindung.
Zwischen dem Verflüssiger 21 und der Zuführöffnung 14 kann auch ein Zusatzkühler 20 oder ein innerer Wärmetauscher vorgesehen sein. Alternativ kann auch ein stark unterkühlender Kondensator bzw. Verflüssiger 21 im Kältemittelkreislauf integriert werden.
Das Gehäuse 12 des Expansionsventils 11 weist eine Reguliervorrichtung 24 auf, die gemäß dem Ausführungsbeispiel als Einschraubpatrone vorgesehen ist. Des Weiteren kann diese Reguliervorrichtung 24 auch als separates Bauteil an dem Gehäuse 12 vorgesehen sein. Ebenso kann die Reguliervorrichtung 24 zusätzlich durch eine Wegerzeugungseinrichtung und ein Abschaltventil oder Servoventil betätigbar sein. Die Reguliervorrichtung 24 umfasst ein Ventilelement 25, welches in einer Schließposition einen Ventilsitz 26 der Durchtrittsöffnung 16 schließt. Die Reguliervorrichtung 24 kann zusätzlich ein Dämpfungselement 28 umfassen.
Das Ventilelement 25 und Durchtrittsöffnung 16 bilden eine Hauptdrosselstelle. Zur Überhitzungsregelung des Kältekreislaufes durch die Hauptdrosselstelle beziehungsweise zur Betätigung des Ventilelementes 25 ist eine Betätigungseinrichtung 31, beispielsweise in Form eines Thermokopfes, vorgesehen, welche über einen Übertragungsstift 32 auf das Ventilelement 25 einwirkt und die Durchtrittsöffnung 16 öffnet und schließt. Die Betätigungseinrichtung 31 umfasst eine Kammer 33 zur Aufnahme einer temperatursensitiven Steuerfüllung, insbesondere einem Gas. In Abhängigkeit ihrer Temperatur wirkt die Steuerfüllung auf eine Membran 34, deren Bewegung über den Übertragungsstift 32 auf das Ventilelement 35 übertragen wird.
Parallel und vorzugsweise benachbart zur Durchtrittsöffnung 16 des Expansionsventils 11 ist in einem Gehäuseabschnitt 40, der einen Hochdruckraum von einem Niederdruckraum trennt, eine Bypassbohrung 41 vorgesehen, welche die Zuführöffnung 14 mit der Abführöffnung 15 verbindet. Diese Bypassbohrung 41 ist durch ein Begrenzungselement 45 ansteuerbar. Dieses Begrenzungselement 45 umfasst ein Stellglied 43, durch welches das Ventilschließglied 42 ansteuerbar ist. Das Ventilschließglied 42 wird durch das Stellglied 43 in einer geöffneten Grundposition gehalten. Die Funktion des zumindest einen Begrenzungselementes 45 zur Unterkühlungsregelung in Abhängigkeit des Dampfgehaltes im Massenstrom an der Hauptdrosselstelle wird nachfolgend erläutert.
Die Figuren 2a bis c zeigen schematisch vergrößert die Hauptdrosselstelle beziehungsweise die Durchtrittsöffnung 16, wobei das Ventilelement 25 aufgrund dessen Betätigung über den Übertragungsstift 32, der die Durchtrittsöffnurig 16 durchquert, vom Ventilsitz 26 abgehoben ist. Die Figur 2a zeigt einen Normalzustand des Massenstromes in einem Ringspalt 48 der Durchtrittsöffnung 16, der sich aus der verbleibenden Frei- fläche zwischen dem in der Durchtrittsöffnung 16 angeordneten Übertragungsstift 32 ergibt. Im Normalbetrieb des Kältekreislaufes umfasst der Massenstrom in diesem Ringspalt 48 einen hohen Dampfgehalt, der beispielsweise größer als 15 oder 20 % des gesamten Massenstromes ist. Bei einem längeren Betrieb bei sehr hohen Unterkühlungswerten, d. h. bei tiefer Eintrittstemperatur in die Hauptdrosselstelle baut sich dieser Dampfgehalt in der Durchtrittsöffnung 16 ab, das heißt, der Dampfanteil in dem Massenstrom wandert aus der Durchtrittsöffnung 16 hinaus. Ein solcher Betriebszustand ist in Figur 2b dargestellt. Sobald der Dampfgehalt unter einen kritischen Wert gelangt, ist in der Durchtrittsöffnung 16 ein nur geringer oder quasi kein Dampfgehalt mehr vorhanden und ein flüssiger Massenstrom tritt vollständig durch die Durchtrittsöffnung 16 hindurch, wie in Figur 2c dargestellt ist.
Aus diesen Betriebsphasen ergibt sich für den Dampfgehalt relativ zum effektiv wirksamen Durchflussquerschnitt an der Hauptdrosselstelle eine Kennlinie 49, welche gemäß Figur 3a dargestellt ist. Diese Kennlinie 49 ist unmittelbar den Betriebszuständen gemäß den darüber dargestellten Figuren 2a bis c zuzuordnen. Bei einem hohen Dampfgehalt, wie dies bei Figur 2a der Fall ist, ist der effektiv wirksame Querschnitt für den Massenstrom gering. Sobald ein kritischer Dampfgehalt beziehungsweise ein kritischer Wert 52 unterschritten wird, steigt der effektiv wirksame Querschnitt in der Durchtrittsöffnung 16 für den Massenstrom an. In gleichem Maße reduziert sich der Dampfgehalt im Massenstrom. Dies ist beim Übergang des Betriebszustandes aus Figur 2b auf 2c durch die ansteigende Kennlinie links des kritischen Wertes 52 in Figur 3a dargestellt.
In Figur 3b ist der prozentuale Anteil des Dampfgehaltes über den Massenstrom durch die Kennlinie 50 dargestellt, der aus Figur 3a abgeleitet ist. Diese Kennlinie 50 stimmt qualitativ mit der Kennlinie 49 gemäß Figur 3a überein.
In Figur 4 ist ein schematisches Diagramm für den prozentualen Anteil des Dampfgehaltes in Abhängigkeit zur Unterkühlung des Massenstromes für einen konstant vordefinierten Hochdruck durch die Kennlinie 51 dargestellt. Diese Kennlinie ist z.B. im Fall von R134a als Kältemittel linear. Somit kann jedem beliebigen, als kritisch definierten Dampfgehalt ein kritischer Unterkühlungswert bei konstantem vordefinierten Hochdruck zugeordnet werden.
Unter Unterkühlung wird die Temperaturdifferenz des Kältemittels zwischen der am Ventileingang des Expansionsventils 11 anliegenden Temperatur und der Temperatur des Sättigungsdruckes des Kältemittels auf der Hochdruckseite verstanden.
In Figur 5a ist der für den Massenstrom effektiv wirksame Öffnungsquerschnitt durch die Kennlinie 51 der Durchtrittsöffnung 16 in Abhängigkeit der Unterkühlung aufgetragen. Diese Kennlinie 51 entspricht den Be- triebszuständen gemäß den Figuren 2a bis c. Sobald ein kritischer Wert 52 der Unterkühlung überschritten wurde, nimmt der Massenstrom sprunghaft zu, das heißt, diese Zunahme entspricht dem Übergang von dem Betriebszustand gemäß Figur 2b nach Figur 2c.
Ausgehend hiervon wird nun in den Figuren 5b und c die Funktionsweise des erfindungsgemäßen thermostatischen Expansionsventils 11 mit zumindest einem Begrenzungselement 45 zur Überhitzungsregelung eines unterkritischen betreibbaren Kältemittelkreislaufes dargelegt. Die Überhitzung des Kältekreislaufes wird durch die überhitzte Temperatur des Kältemittels im Vergleich zur Sättigungstemperatur des Kältemittels bei einem bestimmten Druck definiert. Das Ventilelement 25 wird zur Steuerung des Kältekreislaufes, also Überhitzungsregelung, durch die Betätigungseinrichtung 31 angesteuert, wobei ein verhältnismäßig geringerer Volumenstromanteil freigegeben ist, wie qualitativ durch die Kennlinie 53' in Figur 5b im Vergleich zu Figur 5a dargestellt ist. Das zumindest eine parallel zum Ventilelement 25 angeordnete Begrenzungselement 45 ist in seiner Grundposition, bei kleinen Unterkühlungswerten, geöffnet. Die Bypassbohrung 41 ist somit vollständig freigegeben. Daraus ergibt sich die Kennlinie 54 links vom kritischen Wert 52. Der effektiv wirksame Öffnungsquerschnitt ergibt sich aus dem geometrischen Öffnungsquerschnitt der Bypassbohrung beziehungsweise Bypassbohrungen und der Hauptdrosselstelle in Abhängigkeit des Dampfgehaltes. Im Normalbe- trieb der Kälteanlage sind die Verhältnisse der Massenstromanteile so eingestellt, dass der Massenstrom durch die zumindest eine Bypassboh- rung 41 größer als durch die Hauptdrosselstelle ist. Sobald ein Übergang des Betriebszustandes gemäß Figur 2b nach Figur 2c erfolgt, das heißt, bei Überschreitung des kritischen, für jeden Kältemittelkreislauf bestimmbaren und einstellbaren Unterkühlungswertes 52, wird das zumindest eine Begrenzungselement 45 geschlossen. Der Massenstrom durch die Bypassbohrung 41 nimmt kontinuierlich ab und wird Null. Gleichzeitig erfolgt ein sprunghafter Anstieg des Massenstromes an der Durchtrittsöffnung 16 gemäß der Kennlinie 53' in Figur 5b. Aufgrund der Überlagerung der effektiv wirksamen Öffnungsquerschnitte des zumindest einen Begrenzungselementes 45 und der Hauptdrosselstelle erfolgt eine resultierende Kennlinie 56 gemäß Figur 5c mit einem nahezu konstanten effektiv wirksamen Öffnungsquerschnitt für den Massenstrom, so dass eine Überflutung des Verdampfers verhindert wird.
Zur Erzielung der in Figur 5c dargestellten Wirkung weist das thermostatische Expansionsventil 11 gemäß einer ersten Ausführungsform in Figur 6 ein Begrenzungselement 45 auf, welches zumindest ein tellerfederför- miges Bi-Metallelement als thermisch ansteuerbares Stellglied 43 um- fasst. Bevorzugt sind mehrere Bi-Metallelemente übereinander angeordnet. Diesem Stellglied 43 gegenüberliegend greift ein Kraftspeicherelement 55 an dem Ventilschließglied 42 an. Das Stellglied 43 und das Kraftspeicherelement 55 sind derart aufeinander abgestimmt, dass im normalen Betriebszustand des Kältemittelkreislaufes das Ventilschließglied 42 von der Bypassbohrung 41 abgehoben ist. Sobald der kritische Unterkühlungswert überschritten wird, reduziert sich die Kraft des teller- federförmigen Bi-Metallelementes, so dass eine Schließbewegung eingeleitet wird.
Alternativ zu einem solchen thermisch ansteuerbaren Stellglied 43 kann anstelle der Bi-Metallelemente auch ein Kraftspeicherelement aus einer Formgedächtnislegierung vorgesehen sein. Die Anordnung und Funktion ist analog. Eine weitere alternative Ausführungsform zu Figur 7 sieht vor, dass anstelle einem thermisch ansteuerbaren Stellglied 43 ein temperatur- und druckabhängiges Stellglied 43 vorgesehen ist. Beispielsweise ist eine membran- oder balgförmige Kammer ausgebildet, welche mit einer Steuerfüllung versehen ist. Es kann sowohl eine Flüssigkeit, beispielsweise ein Kältemittel, Wachs oder Alkohol, als auch eine zumindest teilweise gasförmige Füllung sein.
In Figur 8 ist ein schematisches Diagramm für eine weitere alternative Ausgestaltung eines thermostatischen Expansionsventils 11 dargestellt. Bei diesem Diagramm ist wiederum der effektiv wirksame Öffnungsquerschnitt für den Massenstrom zwischen der Zuführöffnung 14 und Abführöffnung 15 über der Unterkühlung aufgetragen. Bei diesem thermostatischen Expansionsventil 15 sind beispielsweise drei Begrenzungselemente 45 vorgesehen, welche jeweils auf unterschiedliche Unterkühlungstemperaturen ansprechen, so dass nach und nach eine Verringerung des effektiv wirksamen Öffnungsquerschnittes zwischen der Zuführöffnung 14 und der Abführöffnung 15 erfolgt. Alternativ kann auch ein konstanter Abfall mit einem ansteuerbaren Drosselkörper vorgesehen sein, wie dies durch die Kennlinie 59 dargestellt ist.
Für alle Ausführungsformen gilt, dass der maximal mögliche Strömungsquerschnitt des Massenstromes an dem von der Kälteanlage maximal geforderten Massenstrom bei den entsprechenden Kältemittelanlagenrandbedingungen angepasst werden muss, so dass keine Leistungseinbußen bei hoher Kälteleistungsanforderung registriert werden. Sobald das zumindest thermisch gesteuerte Begrenzungselement 45 außer Funktion gesetzt ist, gibt die Hauptdrosselstelle nur so viel effektiven Strömungsquerschnitt frei, wie für den vorhandenen Betriebsfall notwendig ist, um einen hinreichend großen Massenstrom bereitzustellen, so dass der Verdampfer 23 weder zu stark überhitzt noch überflutet wird, das heißt, dass immer ein definiertes Überhitzungssignal ausgegeben werden kann.
Alle vorbeschriebenen Merkmale sind jeweils für sich erfindungswesentlich und können beliebig miteinander kombiniert werden.

Claims

Anmelder: OTTO EGELHOF GmbH & Co. KG, Stuttgarter Straße 60, 70736 FellbachAnsprüche
1. Thermostatisches Expansionsventil zur Überhitzungsregelung eines Hochdrucks eines zumindest unterkritisch betreibbaren Kältekreislaufs, mit einem Ventilgehäuse (12), bei dem eingangsseitig ein Hochdruck in einer Zuführöffnung (14) und ausgangsseitig ein Niederdruck in einer Abführöffnung (15) anliegt, mit einem Ventilelement (25), welches einen Ventilsitz (26) einer Durchtrittsöffnung (16), die zwischen der Zuführöffnung (14) und der Abführöffnung (15) angeordnet ist, schließt und zum Durchströmen des Kältemittels mit einer Betätigungseinrichtung (31) ansteuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Bypassbohrung (41), welche die Zuführöffnung (14) mit der Abführöffnung (15) verbindet, mit einem Begrenzungselement (45) ansteuerbar ist, wobei das Begrenzungselement (45) in einer Grundposition die Bypassbohrung (41) für den Massenstrom zum Durchströmen freigibt und eine Schließbewegung des Begrenzungselementes (45) ansteuerbar ist, sobald das Begrenzungselement (45) im Massenstrom einen Anstieg eines Unterkühlungswertes oberhalb eines vordefinierten kritischen Wertes für den unterkritischen Kältemittelkreislauf steigt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Begrenzungselement (45) hochdruckseitig angeordnet ist.
3. Thermostatisches Expansionsventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche der zumindest einen Bypassbohrung (41) gleich groß oder kleiner als die Querschnittsfläche der Durchtrittsöffnung (16) ausgebildet sind.
4. Thermostatisches Expansionsventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Bypassbohrung (41) durch das jeweilige der Bypassbohrung (41) zugeordnete Begrenzungselement (45) vollständig geschlossen ist, sobald die Unterkühlung vor der Hauptdrosselstelle einen definierten und einstellbaren Wert überschreitet.
5. Thermostatisches Expansionsventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Begrenzungselement (45) ein thermisch ansteuerbares Stellglied (43) aufweist, welches zumindest ein tellerfederförmiges Bi-Metallelement um- fasst.
6. Thermostatisches Expansionsventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Begrenzungselement (45) zumindest ein thermisch ansteuerbares Stellglied (43) aufweist, welches zumindest ein aus einer Formgedächtnislegierung ausgebildetes Kraftspeicherelement umfasst.
7. Thermostatisches Expansionsventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Begrenzungselement (45) ein Stellglied (43) aufweist, welches temperatur- und druckabhängig ansteuerbar ist.
8. Thermostatisches Expansionsventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (43) eine membran- oder balg- förmige Kammer aufweist, welche mit einer Steuerfüllung, insbesondere einer Flüssigkeit, gefüllt ist.
9. Thermostatisches Expansionsventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (43) des Begrenzungselementes (45) ein membran- oder balgförmiges Element aufweist, welches mit einem zweiphasigen Gemisch gefüllt ist, dessen Fülldichte unterhalb dessen kritischer Dichte liegt.
10. Thermostatisches Expansionsventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Begrenzungselemente (45) vorgesehen sind, deren jeweiligen Stellglieder (43) einen unterschiedlichen Arbeitspunkt für den Beginn einer Schließbewegung aufweisen.
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