DE102004010997B3

DE102004010997B3 - Expansionsventil und Verfahren zu dessen Steuerung

Info

Publication number: DE102004010997B3
Application number: DE200410010997
Authority: DE
Inventors: Jean-Jacques Robin; Ralf Winterstein; Klaus Kummerow
Original assignee: Otto Egelhof GmbH and Co KG
Current assignee: Otto Egelhof GmbH and Co KG
Priority date: 2004-03-03
Filing date: 2004-03-03
Publication date: 2005-06-23
Anticipated expiration: 2024-03-04
Also published as: CN100545549C; FR2867261A1; JP2005249380A; US20050198979A1; US7487647B2; JP4664095B2; CN1690600A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Expansionsventil und ein Verfahren zur Steuerung eines Expansionsventils, bei dem die Öffnungs- und Schließbewegung des Ventilschließgliedes (39) in Abhängigkeit der Druckdifferenz eingestellt ist, die in einer Zuführöffnung (34) hochdruckseitig und in einer Abführöffnung (37) niederdruckseitig anliegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Expansionsventil und ein Verfahren zu dessen Steuerung, insbesondere in Form mit CO₂ als Kältemittel betriebenen Fahrzeugklimaanlagen, welche ein Ventilgehäuse mit einer Zuführöffnung und einer Abführöffnung aufweisen und mit einem Ventilglied, das aus einem Ventilsitz einer Durchflussöffnung, die zwischen der Zuführöffnung und Abführöffnung angeordnet ist, zum Durchströmen des Kältemittels verschiebbar ist.
Für Kältemittelkreisläufe von Klimaanlagen zukünftiger Kraftfahrzeuge wird als Kältemittel Kohlendioxid (CO₂) bevorzugt, da dieser Stoff aufgrund seiner Unbrennbarkeit eine hohe Unfallsicherheit gewährleistet und darüber hinaus nicht als Schadstoff für die Umwelt gilt. Der Betrieb für CO₂-Kältekreisläufe erfolgt im Gegensatz zum R134a-Kältekreislauf auch im überkritischen Bereich.

Aus der DE 100 12 714 A1 ist ein Expansionsventil bekannt, das in Kältemittelkreisläufe von Klimaanlagen mit CO₂ eingesetzt wird. Dieses Expansionsventil weist eine Drosselöffnung mit einem festen Querschnitt auf, um das Kältemedium zur Druckentspannung von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite überzuführen. Dieser Querschnitt ist stets offen zur Durchströmung. Sofern auf der Hochdruckseite im Kältemittelkreislauf ein Überdruck entsteht, wird ein parallel zur Drosselöffnung geschaltetes Bypassventil geöffnet, so dass der über den optimalen Hochdruck hinaus gehende Überdruck abgebaut wird. Das Bypassventil öffnet erst bei Überschreiten eines vorbestimmten Schwellwertes auf der Hochdruckseite.

Diese Anordnung stellt eine funktionssichere Ausgestaltung eines Expansionsventils dar, jedoch ist erforderlich, dass sowohl die Einstellung des Schwellwertes als auch des Orifice-Durchmessers an die jeweilige Klimaanlage angepasst werden muss, um über den gesamten Anwendungsbereich der Klimaanlage einen maximalen Leistungskoeffizienten zu erreichen.

Aus der DE 102 19 667 A1 ist ein Expansionsventil mit einer elektronischen Regelung bekannt, die eine elektrisch betätigbare Einrichtung zum Verschieben eines Ventilgliedes aufweist, wobei an dieser ersten Drosselstelle in Reihe angeordnet eine weitere Drosselstelle vorgesehen ist, deren Durchtrittsquerschnitt gekoppelt mit dem Durchtrittsquerschnitt der ersten Drosselstelle verstellbar ist. Durch diese Hintereinanderschaltung von mindestens zwei Drosselstellen, wobei zumindest eine durch ein elektrisches Magnetventil ansteuerbar ist, wird die Druckdifferenz an jeder einzelnen Drosselstelle geringer als bei nur einer Drosselstelle. Dadurch wird die Regelgenauigkeit erhöht. Insbesondere können die auftretenden Unterschiede in der Druckdifferenz zwischen Sommer und Winter aufgefangen werden.

Diese Lösung weist jedoch den Nachteil auf, dass ein aufwändiger Aufbau erforderlich ist. Die Ansteuerung des Magnetventils erfordert die Verwendung eines Druck- und Temperatursensors beziehungsweise einer Steuerbox mit Software in dem Regelkreis, wodurch dieses Expansionsventil in der Herstellung und Montage aufwändig ist.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Expansionsventil sowie ein Verfahren zur Steuerung des Expansionsventils vorzuschlagen, welches in der Herstellung und Montage kostengünstig ist sowie eine einfache Ansteuerung zum Betrieb des Kältemittelkreislaufes zu ermöglichen, bei welchem ein optimaler Hochdruck vor dem Expansionsventil weitestgehend vorliegt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß dem Anspruch 1 gelöst.

Erfindungsgemäß wird die Druckdifferenz zwischen dem in der Zuführöffnung anliegenden Eingangsdruck auf der Hochdruckseite und dem in der Abführöffnung anliegenden Ausgangsdruck der Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufes verwendet, um die Öffnungs- oder Schließbewegung des Ventilgliedes anzusteuern. Dabei werden die tatsächlich im Kältemittelkreislauf vorherrschenden Druckverhältnisse verwendet, um ein Öffnen und Schließen des Ventilgliedes zu bewirken, wodurch ein das Expansionsventil durchströmender Massestrom gesteuert wird.

Für niedere Umgebungstemperaturen, wie beispielsweise im Herbst und Winter, liegt der Hochdruck am Eingang des Expansionsventils zwischen 50 und 70 bar, während im Sommer die hohen Umgebungstemperaturen einen Hochdruck zwischen 100 und 120 bar erforderlich machen. Der Niederdruck bleibt im Winter wie im Sommer zwischen 35 und 45 bar. Durch die exakte Ansteuerung des Ventilschließgliedes über den Differenzdruck erfolgt unabhängig von den absoluten Drücken am Eingang des Expansionsventils eine energetisch optimale Dosierung des Kältemittelmassenstromes.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass sich ein Öffnungsquerschnitt zwischen dem Ventilschließglied und dem Ventilsitz in Abhängigkeit der Druckdifferenz kontinuierlich ändert. Die Veränderung der Druckdifferenz wirkt sich unmittelbar auf die Veränderung des Öffnungsquerschnittes des Ventils aus, so dass eine unmittelbare Steuerung des Massenstromes gegeben ist. Dadurch kann der Druckabfall über das gesamte Expansionsventil beziehungsweise den optimal einzustellenden Hochdruck aufgrund der tatsächlichen Bedingungen in der gewünschten Weise erfolgen.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Öffnungszeitpunkt für die Durchgangsbohrung durch eine entgegen der Öffnungsrichtung des Ventilschlussgliedes wirkende Rückstelleinrichtung eingestellt wird. Dadurch kann eine Feinabstimmung ermöglicht sein, um zusätzlich den Druckdifferenzbereich einzustellen, ab welchem das Ventilschließglied geöffnet wird.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Expansionsventil gelöst, bei welchem ein erforderlicher, das Ventil durchströmender Massenstrom zum Betrieb des Kältemittelkreislaufes mit optimalem Hochdruck aus dem Eingangsdruck in der Zuführöffnung, dem Ausgangsdruck in der Abführöffnung und aus der Temperatur vor dem Ventilschließglied ermittelt wird, woraus der erforderliche Ventilöffnungsquerschnitt ableitbar ist. Durch die Verwendung dieser Parameter für die Bestimmung des Ventilöffnungsquerschnittes wird ermöglicht, dass der gewünschte Massenstrom das Expansionsventil in Abhängigkeit der Druckdifferenz durchströmt, da die Druckdifferenz wiederum die Öffnungs- oder Schließbewegung des Ventilschließgliedes bestimmt. Dadurch wird ermöglicht, dass im überkritischen Bereich, also für Umgebungstemperaturen größer als circa 27°C, der optimale Hochdruck erreicht und gehalten bleibt. Im unterkritischen Bereich stellt sich aufgrund des niedrigeren Kondensationsdruckes im Außenwärmetauscher ein kleinerer Ventilöffnungsquerschnitt ein, was dem energetisch optimalen Betrieb nahe kommt. Dies führt zu einer Erhöhung des Leistungskoeffizienten COP (coefficient of performance), der sich definiert aus dem Verhältnis zwischen der Kälteleistung, also der Wärmemenge auf der Verdampferseite und der Arbeitsleistung für den Kompressor. Dieser Leistungskoeffizient besitzt sowohl im unterkritischen als auch im überkritischen Betrieb ein Optimum, der im Wesentlichen von der Kältemitteltemperatur nach dem Außenwärmetauscher oder auch von der Umgebungstemperatur, also von der Lufttemperatur am Eintritt des Außenwärmetauschers, abhängig ist. Die energetisch optimale Betriebsweise wird danach erreicht, wenn die größte Kälteleistung für die kleinstmögliche Antriebsleistung zustande kommt. Zur Erzielung eines optimalen COP im unterkritischen Bereich soll das Expansionsventil soweit schließen, dass eine geringe Unterkühlung am Außenwärmetauscher auftritt. Ist die Ventilöffnung größer eingestellt, so verschlechtert sich der COP zunehmend, da der Kältemittelmassenstrom und somit die Antriebsleistung des Verdichters ansteigt beziehungsweise die verfügbare Verdampfungsenthalpie sinkt. Schließt das Expansionsventil zu sehr, das heißt, der Öffnungsquerschnitt ist zu sehr verringert, steigt der Hochdruck aufgrund des geringeren Massenstromes sowie die Verdichterantriebsleistung an. In diesem Fall ist jedoch eine schnellere COP-Verschlechterung zu verzeichnen, wie beispielsweise in 4b dargestellt ist.

Der transkritische Bereich zeichnet sich durch ein genau umgekehrtes Verhalten aus. Ausgehend von einem optimalen COP, der für einen bestimmten Hochdruck erreicht wird, führt eine Reduzierung des Ventilquerschnitts unmittelbar zu einer Erhöhung des Hochdrucks und zum Abfall des COPs. In der anderen Richtung führt eine Ventilquerschnittsvergrößerung zu einem Abfall des Hochdrucks und des COPs. In dieser letzten Richtung ist allerdings die Verschlechterung des COPs wesentlich stärker ausgeprägt.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird des Weiteren erfindungsgemäß durch ein Expansionsventil gelöst, bei dem eine Öffnungskraft, die aus einer Druckdifferenz zwischen einem Eingangsdruck der Zuführöffnung und einem Ausgangsdruck der Abführöffnung resultiert, ein Ventilschließglied entgegen der Rückstelleinrichtung in Öffnungsrichtung bewegt. Dieses Expansionsventil wird durch die aus der Druckdifferenz resultierende Öffnungskraft angesteuert, wodurch ohne elektrische Unterstützung eine Anpassung des das Expansionsventil durchströmenden Massenstromes an die tatsächlich herrschenden Umgebungsbedingungen ermöglich ist.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Öffnungsrichtung des Ventilschließgliedes in Strömungsrichtung des Kältemittels vorgesehen ist. Dadurch können günstige Strömungseigenschaften geschaffen werden, wodurch Verluste des Massenstromes bei Durchströmen der Drosselstelle oder der Durchgangsöffnung verringert sind.

Das Ventilschließglied weist nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung einen Schließkörper auf, der ausgangsdruckseitig zum Ventilsitz vorgesehen ist und durch eine Durchgangsöffnung hindurch sich eingangsdruckseitig erstreckt. Dadurch ist ein einfacherer Aufbau des Ventilschließgliedes gegeben, welches durch die Relativbewegung zum Ventilsitz eine kontinuierliche Veränderung des Öffnungsquerschnittes ermöglicht.

Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass das Ventilschließglied einen Schließkörper aufweist, der eine kegelförmige Schließfläche umfasst. Dadurch kann eine kontinuierliche Vergrößerung des Öffnungsquerschnittes bei einer Öffnungsbewegung des Ventilschließgliedes erzielt werden. Des weiteren kann alternativ vorgesehen sein, dass die kegelförmige Schließfläche mit einer konvex oder konkav gekrümmten Mantelfläche ausgebildet ist. Dadurch können in Abhängigkeit der hochdruckseitigen Arbeitspunkte Massenströme zur Druckentspannung gesteuert werden, so dass in Abhängigkeit des Stellweges eine nicht lineare Änderung des Öffnungsquerschnitts für den Massenstrom gegeben ist. Die Außengeometrien des Schließkörpers und des Ventilsitzes sind an die gewünschten Volumen des Massenstromes an den jeweiligen Arbeitsdrücken angepasst, die in Abhängigkeit der Öffnungsbewegung einzustellen sind, um den optimalen Hochdruckbetrieb zu erzielen.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Schließkörper des Ventilschließgliedes von einer Düsen öffnung einer Düsenvorrichtung umgeben ist, welcher eine größere Öffnungsweite aufweist als die Umfangsfläche des ausgangsdruckseitigen Schließkörpers. Dadurch wird eine freie Abströmung und Durchströmung der Durchgangsöffnung erzielt. Gleichzeitig kann das Ventilschließglied über den Ventilsitz in der Düsenvorrichtung gefangengehalten werden. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass das Ventilschließglied ausschließlich eingangsdruckseitig oder ausgangsdruckseitig angeordnet ist, wobei in entsprechender Weise die Rückstelleinrichtung angeordnet ist, um bei Druckausgleich oder einer bestimmbaren geringen Druckdifferenz die Durchgangsöffnung geschlossen zu halten.

Das Ventilglied ist nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung in einer Düsenvorrichtung durch einen Führungsabschnitt geführt und diesem gegenüberliegend in einem Ventilsitz positioniert. Diese Ausgestaltung der Düsenvorrichtung ermöglicht den Aufbau des Expansionsventils mit einer geringen Anzahl an Bauelementen. Diese Düsenvorrichtung kann vorteilhafterweise in dem Gehäuse eingepresst, eingeklemmt, eingeschraubt oder dergleichen sein.

Der Massenstrom wird vorteilhafterweise zwischen dem Führungsabschnitt und dem Ventilsitz der Düsenvorrichtung über Querbohrungen zugeführt. Diese Querbohrungen münden bevorzugt unmittelbar zur Durchtrittsöffnung am Ventilsitz, so dass eine ungehinderte Zuführung und Durchführung des Kältemittels durch die Durchtrittsöffnung in geöffnetem Zustand ermöglicht ist.

Das Ventilschließglied weist außerhalb eines geführten Abschnitts durch die Düsenvorrichtung einen Halteabschnitt auf, an dem eine Einstellvorrichtung vorgesehen ist, welche die Rückstelleinrichtung zur Düsenvorrichtung fixiert. Dadurch ist ermöglicht, dass die Düsenvorrichtung mit dem Ventilschließglied komplett als Einsetzteil in ein Gehäuse ausgebildet ist. Gleichzeitig ermöglicht die Einstellvorrichtung eine Feineinstellung des Öffnungszeitpunktes über die Einstellung der Vorspannkraft einer vorteilhafterweise als Feder ausgebildeten Rückstelleinrichtung. Die Einstellvorrichtung ist vorteilhafterweise auf dem Halteabschnitt verschiebbar angeordnet. Dies kann über ein Schraubgewinde oder über eine Schiebeführung und eine Klemmverbindung oder dergleichen gegeben sein.

Des Weiteren kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass das Ventilschließglied eine Hülse mit Dämpfungslaschen aufweist, die an einer Innenwand der Zuführ- oder Abführöffnung angreifen. Durch diese Dämpfungslaschen wird ein Schwingen des Ventilschließgliedes verhindert und die Stellbewegung durch den Differenzdruck zumindest geringfügig verzögert, so dass ein beruhigter Massenstrom erzielt wird.

Die Rückstellvoreinrichtung ist nach einer bevorzugten Ausführungsform als Federelement, insbesondere als druckbelastbares Federelement, ausgebildet. Dieses ist vorteilhafterweise koaxial zum Ventilschließglied angeordnet. Alternativ ist ebenso als vorteilhafte Ausführungsform vorgesehen, dass die Rückstelleinrichtung benachbart zum Ventilschließglied angeordnet ist oder dem Ventilschließglied gegenüberliegen, um die selbsthaltende Schließposition zu erzielen.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schließkraft der Rückstelleinrichtung oder die Öffnungskennlinie des Ventilschließgliedes nach dem minimal erforderlichen Massenstrom des Kältemittels in Abhängigkeit der anstehenden Druckdifferenz bestimmt ist. Dadurch kann eine exakte Auslegung des Öffnungszeitpunktes zum Durchtritt des gewünschten Volumens des Massenstromes erzielt werden.

Bevorzugt wird die Schließkraft der Rückstelleinrichtung oder die Öffnungskennlinie des Ventilschließgliedes nach einer linearen oder gekrümmten Funktion des Kältemittelstromes über die anstehende Druckdifferenz bestimmt. Dadurch wird eine exakte Auslegung des Expansionsventils ermöglicht. Gleichzeitig kann dadurch der Öffnungsquerschnitt der Durchtrittsöffnung in Abhängigkeit der Druckdifferenz bestimmt werden, wodurch wiederum die Geometrie des Schließkörpers und/oder Ventilsitzes beeinflusst wird.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass durch die Ausbildung der Düsenvorrichtung und dem hiervon aufgenommenen Ventilschließglied eine kompakte Bauweise ermöglicht ist. Dies führt zu einfachen geometrischen Ausgestaltungen des Gehäuses und ermöglicht, dass die Zu- und Abführleitung zum und vom Expansionsventil unmittelbar am Gehäuse anschließbar sind. Es lassen sich dadurch die Anzahl der Verbindungsstellen reduzieren und vereinfachen.

Das Expansionsventil kann erfindungsgemäß auch als Baugruppe ausgebildet sein und aus einer Düse, einem Schließkörper und einer Rückstelleinrichtung bestehen. Diese Baugruppe kann beispielsweise in einem am Verdampfer oder einem an einer anderen Stelle angebrachten Anschlussstück integriert werden. Dadurch lassen sich noch weitere Verbindungsstellen eliminieren. Beispielsweise kann die Düse am Außenumfang lösbare Befestigungselemente, wie beispielsweise eine Schraubverbindung, aufweisen, so dass eine einfache Montage und ein Auswechseln des Ventils in einfacher Weise ermöglicht ist.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen derselben werden im folgenden anhand dem in der Zeichnung dargestellten Beispiel näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination erfindungsgemäß angewandt werden. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Kältemittelkreisprozesses,
2 eine Darstellung zweier Kältemittelkreisprozesse gemäß 1 im Mollier-Diagramm,
3 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Expansionsventils,
4a ein Diagramm, welches das Verhältnis des Leistungskoeffizienten zum Hochdruck für den überkritischen Betrieb in Abhängigkeit der Kältemitteltemperatur nach einem Außenwärmetauscher darstellt,
4b ein Diagramm, welches das Verhältnis eines Ventilöffnungsquerschnitts zum Leistungskoeffizienten, zum Hochdruck und zum Kältemittelmassenstrom für den unterkritischen Betrieb darstellt,
5 ein Diagramm, welches die Kälteleistung, den Kältemittelmassenstrom und den Ventilöffnungsquerschnitt über der Umgebungstemperatur darstellt,
6 eine schematische Schnittdarstellung einer alternativen Ausführungsform des Expansionsventils,
7 eine schematisch vergrößerte Teilansicht einer alternativen Ausführungsform eines Ventilschließgliedes und
8a u. b schematische vergrößerte Schnittdarstellungen einer weiteren alternativen Ausführungsform eines Ventilschließgliedes.
In 1 ist ein Kältemittelkreislauf 11 dargestellt, der bevorzugt mit CO₂ als Kältemittel betrieben wird. Ein Kompressor 12 führt das verdichtete Kältemittel hochdruckseitig einem Außenwärmetauscher 14 zu. Dieser steht mit der Umgebung in Verbindung und gibt Wärme nach außen ab. Diesem nachgeschalten ist ein innerer Wärmetauscher 15, der das Kältemittel einem Expansionsventil 16 über eine Zuführleitung 17 zuführt. Vor dem Expansionsventil 16 liegt hochdruckseitig ein Eingangs druck an, der beispielsweise im Sommer 120 bar und im Winter bis zu 80 bar betragen kann. Das Kältemittel durchströmt das Expansionsventil 16 und gelangt zur Niederdruckseite. Ausgangsseitig weist das Expansionsventil 16 Drücke zwischen 35 und 45 bar auf. Über eine Abführleitung 18 gelangt das durch die Druckentspannung abgekühlte Kältemittel in den Innenwärmetauscher 21 und entzieht der Umgebung Wärme, wodurch die Kühlung beispielsweise eines Fahrzeuginnenraumes erzielt wird. Dem Wärmetauscher 21 ist ein Sammler 22 nachgeschalten. Das dampfförmige Kältemittel durchströmt den inneren Wärmetauscher 15 und gelangt zum Kompressor 12.
Dieser Kältemittelkreislauf gemäß 1 ist im Mollier-Diagramm gemäß 2 dargestellt. Bei diesem Diagramm ist entlang der x-Achse die Enthalpie h aufgetragen und auf der y-Achse der Druck des Kältemittels dargestellt. Die Linie 24 zeigt den Grenzbereich zwischen der gasförmigen und flüssigen Phase des Kältemittels. Zur Orientierung ist beispielsweise die Kennlinie 26 als Isotherme dargestellt, welche 31°C entspricht. Der Berührpunkt der Kennlinie 24 und 26 ist der kritische Punkt 27, der beispielsweise für das Kältemittel CO₂ einer Temperatur von 31°C und einem Druck von 73,8 bar entspricht. Die durchgezogene Linie 29 zeigt den Zustand des CO₂-Kältemittels beim Betrieb der Klimaanlage im transkritischen Prozess. Die jeweiligen Punkte A bis D entsprechen den Zuständen an den Punkten A bis D in 1. Die gestrichelte Kennlinie 31 zeigt die Zustände eines Kältemittelkreislaufes gemäß 1 bei einem unterkritischen Kreisprozess.
In 3 ist eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Expansionsventil 16 dargestellt. In einem Ventilgehäuse 33 ist eine Zuführöffnung 34 vorgesehen, die über eine Durchgangsöffnung 36 mit einer Abführöffnung 37 verbunden ist. In der Zuführöffnung 34 ist eine Düsenvorrichtung 38 vorgesehen. Diese kann eingepresst, eingeklebt, geschraubt oder durch ein weiteres Hilfsmittel wie eine Schraub- oder Klemmverbindung befestigt sein. Die Düsenvorrichtung 38 nimmt in der Durchgangsöffnung 36 ein Ventilschließglied 39 auf. Ausgangsdruckseitig zur Durchgangsöffnung 36 ist ein Schließkörper 42 des Ventilschließgliedes 39 angeordnet. Eingangsdruckseitig bzw. hochdruckseitig weist das Ventilschließglied 39 einen durch einen Führungsabschnitt 44 geführten Abschnitt 46 auf, an den sich ein Halteabschnitt 47 anschließt. Zwischen der Einstellvorrichtung 49 und der Düsenvorrichtung 38 ist eine Rückstelleinrichtung 51 angeordnet. Die Einstellvorrichtung 49 umfasst ein scheibenförmiges Element 50 mit einer Schulter, an welcher sich die vorzugsweise als Druckfeder ausgebildete Rückstelleinrichtung 51 abstützt. Über eine Sicherungsscheibe 52 ist das scheibenförmige Element 50 zum Halteabschnitt 47 fixiert. Das scheibenförmige Element 50 kann in Abhängigkeit der einzustellenden Vorspannkraft entlang dem Halteabschnitt 47 verschiebbar sein.
Die Düsenvorrichtung 38 weist zwischen einem Ventilsitz 41 und dem Führungsabschnitt 44 Querbohrungen 56 auf, die mit der Durchgangsöffnung 36 in Verbindung stehen. Im Übergangsbereich zwischen den Durchgangsbohrungen 56 und dem Ventilsitz 41 ist das Ventilschließglied 39 gegenüber dem geführten Abschnitt 46 verjüngt ausgebildet, so dass das Kältemittel zur Durchgangsöffnung 36 gelangt.
Das Ventilschließglied 39 weist einen kegelförmigen Schließkörper 42 auf, der ringförmig mit einem Ventilsitz 41 schließt. Die Düsenvorrichtung 38 weist eine gegenüber dem kegelförmigen Schließkörper 42 erweiterte Düsenöffnung 58 auf.
Durch die in 3 dargestellte Ausführungsform des Ventilschließgliedes 39 ist eine selbstzentrierende Positionierung des Schließkörpers 42 zum Ventilsitz 41 ermöglicht. Des Weiteren ist eine einfache und kompakte Ausgestaltung ermöglicht.
Zur Auslegung eines Öffnungsquerschnitts zwischen dem Schließkörper 42 und dem Ventilsitz 41 in Abhängigkeit des Stellweges eines Ventilschließgliedes 39 wird wie nachfolgend beschrieben vorgegangen, so dass aufgrund der Druckdifferenz zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite eine Ansteuerung des Ventilschließgliedes 39 ermöglicht ist.
Zunächst wird die optimal erzielbare Kälteleistung für die jeweilige Umgebungstemperatur festgelegt. Die jeweilige Umgebungstemperatur und die gewünschte Kälteleistung kann beispielsweise durch Simulation anhand eines Kältemittelkreisprozesses gemäß 2 ermittelt werden. Der optimal einzustellende Hochdruck ergibt sich aus der Umgebungstemperatur, da die Kreisprozessregelung nach dem Prinzip der Hochdruckregelung funktioniert. Aus einem sich daraus ergebenden Kreislaufdiagramm gemäß 2 bzw. aus der Simulation kann die verfügbare Enthalpiedifferenz Δh zwischen den Punkten B und C, also dem Eingang des Innenwärmetauschers 21 und dessen Ausgang, bestimmt werden. Der erforderliche Massenstrom ergibt sich unmittelbar aus der Formel m = Q₀/Δh (Massenstrom = Kälteleistung/Enthalpiedifferenz). Aus den thermodynamischen Größen, wie gemäß Punkt A, Druck vor dem Expansionsventil 16 und Punkt B, Druck nach dem Expansionsventil 16, als auch der Temperatur vor dem Expansionsventil 16 kann der erforderliche Öffnungsquerschnitt für den gewünschten Massenstrom m ermittelt werden. Somit kann dieser Öffnungsquerschnitt auf die Größe der Durchgangsöffnung bzw. den Ventilsitz 41 und den Schließkörper 41 übertragen werden. In Abhängigkeit dieser Werte wird insbesondere der Schließkörper 42 in der Geometrie ausgestaltet. Gleichzeitig wird die Öffnungskraft für das Ventilschließglied 49 bestimmt, so dass zumindest bei einem Druckausgleich die Rückstelleinrichtung 51 ein Schließen des Ventils bewirkt.
Zur Optimierung der Hochdruckregelung, die in Abhängigkeit der Temperatur steht, wird der Ventilöffnungsquerschnitt zum Leistungskoeffizienten maximiert. Zur Auslegung wird auf die 4a, 4b und 5 Bezug genommen.
In 5 ist ein Diagramm dargestellt, bei dem die Kälteleistung Qo, der Ventil-Öffnungsquerschnitt und der Kältemittelmassenstrom über die Umgebungstemperatur für eine gegebene Anlage eingetragen sind. Für die jeweiligen Umgebungstemperaturen sind weiterhin der minimale, der maximale und der arithmetische Mittelwert der 3 Parametergrößen aufgezeichnet. Die maximalen Werte werden beispielsweise während der Abkühlung des Fahrzeugs erreicht und die minimalen während dem sta tionären Betrieb. Oberhalb einer Umgebungstemperatur zwischen 25 und 30°C überschreitet der optimale Hochdruck eines CO2-Kreislaufs den kritischen Wert von 73,8 bar.
In 4a ist ein Diagramm dargestellt, bei welchem eine Kennlinie in Abhängigkeit der Kältemitteltemperatur nach dem Außenwärmetauscher 14 in Abhängigkeit des Hochdrucks und des Leistungskoeffizienten aufgetragen ist. In einem Maximum M der Linie ist der optimale Öffnungsquerschnitt für die jeweilige Kältemitteltemperatur gegeben. Sofern der Querschnitt nicht optimal eingestellt ist, das heißt, zu groß oder zu klein ausgebildet ist, verschlechtert sich der Leistungskoeffizient. Um eine optimale Betriebsweise zu erzielen, erfolgt die Auslegung des Querschnitts auf das Maximum M oder in einen Bereich O zumindest im geringfügigen Maße. Der Bereich O zeigt, dass sich zwar der optimale COP verringert, jedoch eine Erhöhung des Hochdruckes einhergeht. Dieser Bereich ist günstiger für die Auslegung als der Bereich N. Dieser Bereich zeigt die Verhältnisse bei einer Vergrößerung des Ventilöffnungsquerschnittes. Diese Vergrößerung führt zu einem Abfall des Hochdrucks und des COPs, so dass in dieser Richtung die Verschlechterung des COPs wesentlich stärker ausgeprägt ist und somit sich ungünstiger auswirkt. Durch den langsameren Abfall des COPs gemäß dem Bereich O wird ein besseres Ergebnis für die Auslegung des Gesamtbereiches erzielt.
In der 4b sind die Parameter Massenstrom, Leistungskoeffizient COP und Hochdruck über dem Ventilquerschnitt für die unterkritischen Betriebsfälle aufgetragen. Die Darstellung der Parameter ist hier im Gegensatz zum Diagramm 4a über den Hochdruck nicht machbar, da der optimale Leistungskoeffizient dem Hochdruck nicht eindeutig zugeordnet werden kann. Das Diagramm zeigt, dass von der rechten Seite der Kurven beginnend ein Schließen des Ventils eine kontinuierliche Massenstromabnahme bei gegebener Kälteleistung erfolgt. Über den Bereiche O bleibt der Hochdruck konstant aber der Leistungskoeffizient COP nimmt stetig zu. Dies wird dadurch erklärt, dass die Verdichterarbeit sich wie der in Umlauf gebrachte Kältemittelstrom verhält, solange die zu überwindende Druckdifferenz Hochdruck – Niederdruck unverändert bleibt.
Am Punkt M in der 4b erreicht der COP sein Maximum und bei diesem Ventilquerschnitt beginnt der Hochdruck zu steigen. Dieser Betriebspunkt ist somit der optimale Punkt für die Klimaanlage. Im Bereich N links vom optimalen Punkt nimmt der Ventilquerschnitt weiter ab und der Hochdruck steigt weiter an. Da der Verdichter, bedingt durch die anstehende Druckdifferenz, stetig ansteigt, sinkt der COP stark ab.
Aus den 4a und 4b können Regeln für die Auslegung des Ventilquerschnittes in Abhängigkeit der anstehenden Druckdifferenz beziehungsweise für die zu erwartenden Kälteleistungen bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen abgeleitet werden.
Im unterkritischen Bereich sind die einzustellenden Druckdifferenzen zwischen der Ventilein- und Austrittsseite kleiner als im überkritischen Betrieb. Um einen möglichst großen Leistungskoeffizienten für die unterkritischen Betriebszustände zu erzielen, wird der Ventilquerschnitt derart eingestellt, dass der Punkt M in 4b für eine zu erwartende Kälteleistung erreicht wird, die nahe an der maximalen Leistung liegt. Dadurch wird erreicht, dass bei kleineren Kälteleistungen der gewählte Ventilquerschnitt etwas zu groß ist. Der COP-Abfall ist in diesem Fall geringer (Bereich O) als für den Bereich N.
Im überkritischen Betriebsfall bedeutet eine Ventilquerschnittsreduzierung, dass der Hochdruck weiter ansteigt. Wie in 4a zu erkennen, weist die COP-Kennlinie in dieser Richtung eine tendenziell geringere Abnahmerate als im Bereich N auf. Die Ventilauslegung für die überkritischen Betriebsfälle wird für die oder nahe an die kleineren zu erwartenden Kälteleistungen vorgenommen, bei denen für die jeweilige Temperatur sich ein dem Punkt M zugeordneter optimaler Hochdruck einstellt. Bei steigendem Kälteleistungsbedarf wird der Hochdruck weiter ansteigen (Bereich O) und eine geringe COP-Abnahme eintreten.
Die Geometrie des Schließkörpers und des Ventilssitzes werden somit, wie oben dargestellt, für den unterkritischen und transkritischen Bereich ausgestaltet. Zusätzlich wird die Öffnungs- beziehungsweise Schließkraft der Rückstelleinrichtung berücksichtigt.
Durch die Ermittlung des Öffnungsquerschnittes wird erzielt, dass in Abhängigkeit der Druckdifferenz der Öffnungszeitpunkt des Ventilschließgliedes 39, als auch der Stellweg oder Öffnungsweg des Ventilschließgliedes 39 und somit der Öffnungsquerschnitt, bestimmt wird. Somit kann ohne zusätzliche elektronische Steuerung eine konstruktiv kompakte Anordnung und Ausgestaltung eines Expansionsventils 16 geschaffen werden, welches zumindest teilweise, vorzugsweise über den gesamten Anwendungsbereich, mit optimalem Hochdruck arbeitet.
In 6 ist eine alternative Ausgestaltung eines Expansionsventils 16 zu 3 dargestellt. Bei diesem Expansionsventil 16 umfasst die Einstellvorrichtung 49 eine mit Kältemittel durchströmbare Hülse 61, an welcher Dämpfungslaschen 62 ausgebildet sind. Diese Dämpfungslaschen 62 gleiten an der Innenwand der Zuführöffnung 34 und bewirken eine gedämpfte, zumindest geringfügig gebremste, Öffnungs- und Schließbewegung des Ventilschließgliedes 39. Die Hülse 61 und die daran angeordneten Dämpfungslaschen 62 können auch ausgangsdruckseitig angeordnet sein und mit dem Schließkörper 42 in Verbindung stehen.
In 7 ist eine vergrößerte Detaildarstellung einer alternativen Ausführungsform eines Ventilschließgliedes 39 dargestellt. Der Schließkörper 42 weist eine zur Längsmittelachse des Ventilschließgliedes 39 nach innen gekrümmte Mantelfläche als Schließfläche auf. Dadurch können sich in Abhängigkeit der Geometrie des Ventilsitzes 41 und der sich eingangsdruckseitig daran anschließenden Schließfläche 63 entsprechend an die Umgebungstemperaturen angepasste Öffnungsquerschnitte erzielen lassen. Die Geometrien des Schließkörpers 42 und des Ventilsitzes 41 können ebenfalls auch gestuft, mit unterschiedlichen Neigungen, kegelförmigen Flächen als auch an nach außen gekrümmten Flächen oder dergleichen ausgebildet sein.
In den 8a und b ist eine vergrößerte Schnittdarstellung einer weiteren alternativen Ausführungsform eines Ventilschließgliedes 39 dargestellt. An dem Schließkörper 42 ist zumindest eine Vertiefung 64 vorgesehen, wodurch bewirkt ist, dass ein geringer Massenstrom des Kältemittels grundsätzlich durch die Durchgangsöffnung 36 hindurch strömt. Das Ventilsschließglied 39 öffnet somit erst nachdem ein vorbestimmter Differenzdruck überschritten ist. Die Vertiefungen 64 können beispielsweise als rechteckförmige Nuten oder als halbkreisförmige Vertiefungen oder als Aussparungen am Ventilsitz 41 und/oder Schließkörper 42 ausgebildet sein. Ebenso kann alternativ vorgesehen sein, dass der Schließkörper 42 nicht zur Anlage am Ventilsitz 41 kommt, indem der Rückhubweg oder der Schließweg durch einen Anschlag begrenzt ist und somit ein geringfügig offener Querschnitt gegeben ist.
Die zu den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmale und Ausführungsformen sind jeweils für sich erfindungswesentlich und können beliebig miteinander kombiniert werden.

Claims

Verfahren zur Steuerung eines Expansionsventils, insbesondere für mit CO₂ als Kältemittel betriebene Fahrzeugklimaanlagen, mit einem Ventilgehäuse (33), bei dem hochdruckseitig ein Eingangsdruck in einer Zuführöffnung (34) und niederdruckseitig ein Ausgangsdruck in einer Abführöffnung (37) anliegt, mit einem Ventilschließglied (39), welches aus einem Ventilsitz (41) einer Durchgangsöffnung (36), die zwischen der Zuführöffnung und der Abführöffnung (37) angeordnet ist, zum Durchströmen des Kältemittels in Öffnungsrichtung bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit der Größe einer Druckdifferenz zwischen dem Eingangsdruck der Zuführöffnung (34) und dem Ausgangsdruck der Abführöffnung (37) eine Strecke der Öffnungs- oder Schließbewe gung des Ventilschließgliedes (39) über einen zumindest teilweise zu regelnden Bereich angesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Öffnungsquerschnitt zwischen dem Ventilschließglied (39) und dem Ventilsitz (41) sich in Abhängigkeit der Druckdifferenz kontinuierlich ändert.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilschließglied (39) bei einem Druckausgleich in dem Ventilsitz (41) gehalten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Öffnungszeitpunkt für die Durchgangsöffnung (36) durch eine entgegen der Öffnungsrichtung des Ventilschließglieds (39) wirkende Rückstelleinrichtung (51) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine am Ventilschließglied (39) angreifende und eine die Rückstelleinrichtung (51) aufnehmende Einstellvorrichtung (49) zur Einstellung des Öffnungszeitpunktes entlang eines Halteabschnittes (47) des Ventilschließgliedes (39) verschoben wird.
Expansionsventil, insbesondere für mit CO₂ als Kältemittel betriebene Fahrzeugklimaanlagen, mit einem Ventilgehäuse (33), welches eine Zuführöffnung (34) und eine Abführöffnung (37) aufweist, mit einem Ventilschließglied (39), welches einen Ventilsitz (41) einer Durchgangsöffnung (36), die zwischen der Zuführ- und Abführöffnung (33, 37) angeordnet ist, schließt und mit einer in Schließrichtung des Ventilschließgliedes (39) wirkenden Rückstelleinrichtung (51), dadurch gekennzeichnet, dass ein erforderlicher, die Durchgangsöffnung (36) durchströmender Massenstrom des Kältemittels zum Betrieb des Kältekreislaufes mit optimalem Hochdruck aus dem Eingangsdruck in der Zuführöffnung (33), dem Aus gangsdruck in der Abführöffnung (37) und aus der Temperatur vor dem Ventilschließglied (39) ermittelt wird, woraus der erforderliche Öffnungsquerschnitt ableitbar ist.
Expansionsventil, insbesondere nach Anspruch 6, mit einem Ventilgehäuse (33), welches eine Zuführöffnung (34) und eine Abführöffnung (37) aufweist, mit einem Ventilschließglied (39), welches einen Ventilsitz (41) einer Durchgangsöffnung (36), die zwischen der Zuführ- und Abführöffnung (33, 37) angeordnet ist, schließt und mit einer in Schließrichtung des Ventilschließgliedes (39) wirkenden Rückstelleinrichtung (51), dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Öffnungskraft, die aus einer Druckdifferenz zwischen einem Eingangsdruck der Zuführöffnung (33) und einem Ausgangsdruck der Abführöffnung (37) resultiert, ein Ventilschließglied (39) entgegen der Kraft der Rückstelleinrichtung (51) in Öffnungsrichtung bewegbar ist.
Expansionsventil nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungsrichtung des Ventilschließgliedes (39) in Strömungsrichtung des Kältemittels vorgesehen ist.
Expansionsventil nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilschließglied (39) einen Schließkörper (42) aufweist, welcher ausgangsdruckseitig zum Ventilsitz (41) vorgesehen ist und durch die Durchgangsöffnung (36) hindurch sich eingangsdruckseitig erstreckt.
Expansionsventil nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilschließglied (39) einen Schließkörper (42) mit einer kegelförmigen Schließfläche, einer konvex oder konkav gekrümmten Mantelfläche als Schließfläche oder einer mit zumindest zwei verschiedenen Neigungen gestuften kegelförmigen Schließfläche aufweist.
Expansionsventil nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließkörper (42) von einer Düsenöffnung (58) einer Düsenvorrichtung (38) umgeben ist, welche eine größere Öffnungsweite als die Umfangsfläche des Schließkörpers (42) aufweist.
Expansionsventil nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilschließglied (39) in einer Düsenvorrichtung (38) durch einen Führungsabschnitt (44) geführt ist und diesem gegenüberliegend der Ventilsitz (41) angeordnet ist.
Expansionsventil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Führungsabschnitt (44) und dem Ventilsitz (41) in der Düsenvorrichtung (38) zumindest eine Querbohrung (56) vorgesehen ist, die die Zuführöffnung (34) mit der Durchgangsöffnung (36) verbindet.
Expansionsventil nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass außerhalb eines geführten Abschnitts (46) des Ventilschließgliedes (39) eine Einstellvorrichtung (49) vorgesehen ist, die am Ventilschließglied (39) angreift und die Rückstelleinrichtung (41) zur Düsenvorrichtung (38) fixiert.
Expansionsventil nach einem der Ansprüche 6 bis 14 dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellvorrichtung (49) entlang einem Halteabschnitt (47) des Ventilschließgliedes (39) verschiebbar angeordnet ist.
Expansionsventil nach einem der Ansprüche 6 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilschließglied (39) eine Hülse (61) mit Dämpfungslaschen (62) aufweist, die an einer Innenwand der Zuführöffnung (34) oder Abführöffnung (37) angreifen.
Expansionsventil nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (61) an der Einstellvorrichtung (39) vorgesehen ist.
Expansionsventil nach einem der Ansprüche 6 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstelleinrichtung (51) als Federelement, insbesondere als druckbelastbare Feder, ausgebildet ist.
Expansionsventil nach einem der Ansprüche 6 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Schließkörper (42) des Ventilschließgliedes (39) oder der Ventilsitz (41) eine Erhöhung oder Vertiefung (64) aufweist, wodurch ein Strömungsquerschnitt der Durchgangsöffnung (36) als Grundöffnung in einer Schließstellung des zum Ventilsitz (41) angeordneten Ventilschließgliedes (39) freigegeben ist.
Expansionsventil nach einem der Ansprüche 6 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Schließkraft der Rückstelleinrichtung (51) oder die Öffnungskennlinie des Ventilschließgliedes (39) nach dem minimal erforderlichen Kältemittelmassenstrom für den transkritischen Bereich und nach dem maximal erforderlichen Kältemittelmassenstrom für den unterkritischen Bereich bestimmt ist.
Expansionsventil nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Schließkraft der Rückstellvorrichtung (51) oder die Öffnungskennlinie des Ventilschließgliedes (39) nach einer linearen oder gekrümmten Funktion des Kältemittelstromes bestimmt ist.
Expansionsventil nach einem der Ansprüche 6 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstelleinrichtung (51) koaxial oder benachbart zum Ventilschließglied (39) angeordnet ist.
Expansionsventil nach einem der Ansprüche 6 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführ- und Abführöffnung (34, 37) des Ventilgehäuses (33) unmittelbar an einer Zuführ- und Abführleitung (17, 18) anschließbar ist.