DE102005003967A1 - Expansionsventil - Google Patents

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Andreas Kemle
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Expansionsventil für eine Kälteanlage, insbesondere eine CO¶2¶-Kälteanlage, mit einem Gehäuse mit einer Zuführöffnung (34) und einer Abführöffnung (37), mit einem Expansionsorgan (46), das die Zuführöffnung oder eine damit verbundene Fluidverbindung mit der Abführöffnung oder einer damit verbundenen Fluidverbindung verbindet, wobei parallel zu dem Expansionsorgan (46) ein Bypassventil (36) angeordnet ist, wobei das Expansionsorgan (46) einen Öffnungsquerschnitt (A¶F¶) in einem Bereich zwischen 0,06 mm·2· bis 0,5 mm·2· aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Expansionsventil gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Für die Kältemittelkreisläufe von Klimaanlage zukünftiger Kraftfahrzeuge wird als Kältemittel Kohlendioxid (CO2) bevorzugt, da dieser Stoff aufgrund seiner Unbrennbarkeit eine hohe Unfallsicherheit gewährleistet und darüber hinaus nicht als Schadstoff für die Umwelt gilt. Der Betrieb für CO2-Kältekreisläufe erfolgt im Gegensatz zum R134a-Kältekreislauf auch im überkritischen Bereich. Dadurch können im Kältemittelkreislauf auf der Hochdruckseite bei bestimmten Betriebsbedingungen hohe Drücke auftreten.
  • Aus der DE 100 12 714 A1 ist ein Expansionsventil bekannt, das in Kältemittelkreisläufen von Klimaanlagen mit CO2 eingesetzt wird. Dieses Expansionsventil weist ein Expansionsorgan mit einem festen Querschnitt auf, um das Kältemittel zur Druckentspannung von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite überzuführen. Dieser Querschnitt ist stets zur Durchströmung offen. Sofern der Druck auf der Hochdruckseite im Kältemittelkreislauf einen voreingestellten Hochdruck übersteigt, wird ein parallel zum Expansionsorgan geschaltetes Bypassventil oder Druckbegrenzungsventil geöffnet, so dass der über den maximalen zulässigen Hochdruck hinausgehende Überdruck abgebaut wird. Das Bypassventil öffnet bei einem einen Schwellwert überschreitenden hochdruckseitigen Kältemitteldruck, wodurch ein Druckanstieg auf der Hochdruckseite begrenzt beziehungsweise verlangsamt wird.
  • Zum sicheren Einsatz solcher Expansionsventile in einem Kältemittelkreislauf, insbesondere CO2-Kreislauf, und zur Erzielung eines maximalen Wirkungsgrades ist erforderlich, dass derartige Expansionsventile auf die unterschiedlichen Betriebszustände angepasst oder ausgelegt sind.
    •
  • Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Expansionsventil zu schaffen, welches eine hohe Effizienz zur Erzielung von maximalen Leistungsdaten eines Expansionsventils im gesamten Anwendungsbereich eines Kältemittelkreislaufs ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.
  • Das erfindungsgemäße Expansionsventil, welches ein Expansionsorgan mit einem Öffnungsquerschnitt im Bereich zwischen 0,06 mm2 bis 0,50 mm2 und parallel dazu angeordnet ein Bypassventil umfasst, weist den Vorteil auf, dass das Bypassventil erst bei einem Überdruck eines voreingestellten Hochdrucks öffnet, da durch den Öffnungsquerschnitt des Expansionsorgans ein hoher Massenstrom beziehungsweise ein Massenstrom mit hohem Druck aus einer Zuführleitung zur Abführleitung gelangt. Dadurch wird eine Erhöhung des Kältemittelmassenstromes erzielt, wodurch eine größere Kälteleistung erzielt wird. Ein zu frühes Öffnen des Bypassventils wird verhindert. Durch ein zu frühes Öffnen des Bypassventils würde die Effizienz des Abkühlungsprozesses verringert werden, wodurch eine Verringerung des Leistungskoeffizienten COP (coefficient of performance) gegeben wäre. Durch die Auswahl dieses Bereiches eines Öffnungsquerschnittes für das Expansionsorgan wird die Effektivität des Kältemittelkreislaufes, insbesondere im überkritischen Betriebszustand eines CO2-Kältemittelkreislaufs, erhöht.
  • Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Bypassventil bei einem Öffnungsdruck zwischen 100 bar bis 130 bar einen Ventilsitz an einer Abführleitung öffnet, wodurch ein hoher Massenstrom zusätzlich zum Expansionsorgan freigegeben ist. Bevorzugt liegt der Öffnungsdruck im oberen Bereich, um ein zu frühes Öffnen des Bypassventils zu verhindern, so dass eine hohe Kälteleistung erzielt werden kann.
  • Zum Abbau eines überhöhten Hochdruckes auf der Hochdruckseite des Expansionsventils ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass das Bypassventil eine Öffnungskennlinie mit einer Steigung S in einem Bereich zwischen 0,08 mm2/bar und 0,2 mm2/bar aufweist. Dadurch kann die Überhöhung des Hochdruckes hinreichend schnell abgebaut werden, so dass ein maximaler zulässiger Hochdruck von 133 bar nach Verdichter nicht überschritten wird. Dadurch erfüllt das Expansionsventil die Sicherheitsanforderungen an Kältemittelkreisläufe, insbesondere mit CO2, die auch in transkritischen Betriebszuständen arbeiten.
  • Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Öffnungsquerschnitt des Expansionsorgans in Abhängigkeit des Hubvolumens des Kompressors des Kältemittelkreislauf ausgewählt ist. Dies ermöglicht insbesondere eine hohe Effizienz beim Start eines Abkühlprozesses. Das Kältemittel liegt bei Beginn eines Abkühlprozesses eines aufgeheizten Raumes oder Fahrzeugs mit hoher Dichte vor, so dass der Kompressor den maximalen zulässigen Hochdruck sehr schnell erreicht. Durch die Anpassung der Expansionsventilparameter kann einerseits ein hoher Massenstrom zur Wärmeaufnahme vorgesehen sein und andererseits ein Druckanstieg über einen maximalen zulässigen Wert von 133 bar verhindert werden.
  • Vorteilhafterweise ist bei einem Hubvolumen von beispielsweise 15 cm3 ein Öffnungsquerschnitt des Expansionsorgans in einem Bereich zwischen 0,06 mm2 und 0,25 mm2 vorgesehen. Dadurch wird der Öffnungsquerschnitt des Expansionsorgans an die Förderleistung des Kompressors angepasst, so dass bei relativ hohen Drücken ein großer Volumenstrom das Expansionsorgan durchströmt, ohne im Normalbetrieb ein Öffnen des Bypassventils zu erfordern, so dass die größte Kälteleistung für die kleinstmögliche Antriebsleistung erzielt wird.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Zunahme der Querschnittsfläche des Expansionsorgans proportional zur Zunahme des Hubvolumens des Kompressors ist. Kältemittelkreisläufe mit einer höheren Leistung erfordern auch entsprechend angepasste Komponenten, wie Wärmeübertrager, Kompressor und Sammler, so dass durch die proportionale Zunahme der Querschnittsfläche des Expansionsorgans zum Hubvolumen des Kompressors ein maximaler Leistungskoeffizient erhalten bleibt. Beispielsweise ist bei einem Hubvolumen von 30 cm3 bevorzugt ein Öffnungsquerschnitt des Expansionsorgans im Bereich zwischen 0,13 mm2 bis 0,5 mm2 vorgesehen.
  • Ein Öffnungsquerschnitt des Bypassventils wird vorteilhafterweise in Abhängigkeit eines Hubvolumens eines Kompressors ausgelegt. Dadurch kann der Druckanstieg auf der Hochdruckseite in Anpassung an die Förderleistung des Kompressors begrenzt werden.
  • Bevorzugt ist vorgesehen, dass bei einem Hubvolumen von 15 cm3 des Kompressors der Öffnungsquerschnitt des Bypassventils in einem Bereich zwischen 0,5 mm2 und 0,1 mm2 vorgesehen ist. Dieser Bereich des Öffnungsquerschnitts erweist sich besonders geeignet für die Begrenzung oder Verringerung der Drucküberhöhung.
  • Die Zunahme der Querschnittsfläche des Bypassventils bei Zunahme des Hubvolumens des Kompressors wird nach einer bevorzugten Ausführungsform proportional ansteigend ausgelegt. Dadurch kann eine schnelle und einfache Auslegung der Querschnittsfläche in Abhängigkeit des Hubvolumens für einen Kompressor ermöglicht sein.
    •
  • Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen derselben werden im Folgenden anhand den in den Zeichnungen dargestellten Beispielen näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmenden Merkmale können einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination erfindungsgemäß angewandt werden. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines Kältemittelkreisprozesses,
  • 2 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Expansionsventils,
  • 3a ein Diagramm, welches das Verhältnis des Leistungskoeffizienten, des Hochdrucks und des Massenstromes zum Querschnitt des Expansionsorgans für den überkritischen Betrieb darstellt,
  • 3b ein Diagramm, welches das Verhältnis des Leistungskoeffizienten, des Kondensationsdrucks und des Kältemittelmassenstrems zum Querschnitt des Expansionsorgans für den unterkritischen Bereich darstellt,
  • 4 ein Diagramm, welches den Öffnungsquerschnitt eines Expansionsorgans des Expansionsventils in Ab hängigkeit des Hubvolumens eines Kompressors darstellt,
  • 5 ein Diagramm, welches den Öffnungsquerschnitt des Bypassventils in Abhängigkeit des Hubvolumens des Kompressors darstellt und
  • 6 ein Diagramm, welches den Ventilöffnungsquerschnitt des Expansionsventils in Abhängigkeit des Hochdruckes darstellt.
  • In 1 ist beispielhaft eine Kälteanlage 11 dargestellt, die bevorzugt mit CO2 als Kältemittel betrieben wird. Ein Kompressor 12 führt das verdichtete Kältemittel hochdruckseitig einem Außenwärmeübertrager 14 zu. Dieser steht mit der Umgebung in Verbindung und gibt Wärme nach außen ab. Diesem nachgeschalten ist ein innerer Wärmetauscher 15, der das Kältemittel einem Expansionsventil 16 über eine Zuführleitung 17 zuführt. Vor dem Expansionsventil 16 liegt hochdruckseitig ein Eingangsdruck an, der beispielsweise im Sommer 130 bar und im Winter bis 60 bar betragen kann. Das Kältemittel durchströmt das Expansionsventil 16 und gelangt zur Niederdruckseite. Ausgangsseitig weist das Expansionsventil 16 Drücke im Allgemeinen zwischen 35 und 60 bar auf. Über eine Abführleitung 18 gelangt das durch die Druckentspannung abgekühlte Kältemittel in den Verdampfer 21 und entzieht der Umgebung Wärme, wodurch die Kühlung beispielsweise eines Fahrzeuginnenraumes erzielt wird. Dem Wärmetauscher 21 ist ein Sammler 22 nachgeschalten. Das dampfförmige Kältemittel durchströmt den inneren Wärmeübertrager 15 und gelangt zum Kompressor 12.
  • In 2 ist eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Expansionsventils 16 dargestellt. In einem Gehäuse 33 ist eine Zuführöffnung 34 vorgesehen, die zu einem Bypassventil 36 führt. Von diesem aus führt eine Abführöffnung 37 in die Abführleitung 18. Die Zuführöffnung 34 führt in einen Druckraum 38, in welchem ein Ventilschließglied 39 vorgesehen ist. Das Ventilschließglied 39 umfasst einen Schließkörper 42, der in einem Ventilsitz 41 in einer Schließposition eine Abführöffnung 37 schließt. Das Ventilschließglied 39 wird durch eine Rückstelleinrichtung 43 in einer Schließposition gehalten. Die Rückstelleinrichtung 43 ist beispielsweise durch ein Federelement 44 wie eine Spiralfeder ausgebildet. Weitere alternative Ausgestaltungen sind möglich. Beispielsweise können mehrere Federelemente 44 mit gleicher oder unterschiedlicher Federrate hintereinander und/oder parallel geschalten werden. Die Rückstelleinrichtung 43 umfasst einen Balg 45 oder eine Membran mit einem Federelement, wie dies in der DE 100 12 714 beschrieben ist, auf die vollinhaltlich bezug genommen wird.
  • Zwischen der Zuführöffnung 34 und der Abführöffnung 37 ist ein Expansionsorgan 46 vorgesehen, welches als eine Durchgangsbohrung mit einem festen Öffnungsquerschnitt AF ausgebildet ist. Durch dieses Expansionsorgan 46 wird ein Massenstrom unmittelbar von der Zuführöffnung 34 zur Abführöffnung 37 durch das Expansionsventil 16 geführt. Erst ab dem Überschreiten eines einstellbaren oder vorgesehenen Wertes eines Hochdruckes erfolgt eine Öffnung des Bypassventils 36, um den Überdruck abzubauen.
  • Zur Auslegung des Expansionsventils 16 wird auf die 3a bis 6 Bezug genommen.
  • 3a zeigt ein Diagramm, bei welchem der Leistungskoeffizient 47, der Massenstrom 48 und der Hochdruck 49 im Verhältnis zum Ventilöffnungsquerschnitt des Expansionsorgans 46 in einem Expansionsventil 16, welches im überkritischen Bereich betrieben wird, dargestellt sind. Der überkritische Bereich liegt beispielsweise bei einer Umgebungstemperatur oberhalb eines Bereiches von 25 bis 28° C vor, bei dem ein optimaler Hochdruck eines CO2-Kreislaufes den kritischen Wert von 73,8 bar überschreitet. Durch das Maximum M der Kennlinie 47 des maximalen Leistungskoeffizienten erfolgt die Festlegung eines maximal erforderlichen Querschnitts A1 des Expansionsorgans 46 für den überkritischen Betriebszustand.
  • In 3b ist eine analoges Diagramm zu 3a für den unterkritischen Bereich eines Kältemittelprozesses dargestellt. Aus dem Maximum M der Kennlinie des Leistungskoeffizienten COP 47 ist wiederum der optimale Öffnungsquerschnitt A2 des Expansionsorgans 49 für den unterkritischen Betriebszustand zu ermitteln. Dadurch ist der Auslegungsbereich für den Öffnungsquerschnitt AF des Expansionsorgans 46 festgelegt in einen Bereich zwischen den Querschnittsflächen A1 und A2. Darüber hinaus ist festgestellt worden, dass im überkritischen Bereich der Öffnungsquerschnitt A1 in einem Bereich zwischen dem Maximum M der Kennlinie COP 47 und einem Bereich links davon zu wählen ist, wohingegen im unterkritischen Bereich von Vorteil ist, den Öffnungsquerschnitt A2 des Expansionsorgans 46 ausgehend von dem Maximum M der Kennlinie COP 47 in einen Bereich rechts davon auszuwählen, um eine hohe Effizienz zu erzielen.
  • Die Bestimmung des Öffnungsquerschnittes A1 des Expansionsorgans 46 für den transkritischen Betriebszustand und des Öffnungsquerschnittes A2 des Expansionsorgans 46 für den unterkritischen Betriebszustand kann darüber hinaus in Abhängigkeit des Hubvolumens des Kompressors 12 ermittelt und gemäß dem Diagramm in 4 aufgetragen werden. Daraus ergibt sich beispielsweise für ein Hubvolumen von 15 cm3 ein Auslegungsbereich des Öffnungsquerschnitts AF zwischen 0,06 mm2 und 0,25 mm2. Bei einem doppelten Hubvolumen von beispielsweise 30 cm3 erfolgt eine Verdoppelung der Querschnittsfläche, welche in einen Bereich zwischen 0,13 mm2 und 0,5 mm2 liegt. Daraus ergeben sich eine obere und untere Kennlinie 52 und 53, welche einen proportionalen Anstieg der Querschnittsfläche in Abhängigkeit des Hubvolumens des Kompressors 12 darstellen.
  • Zwischen beiden Kennlinien 52, 53 ergibt sich ein Bereich, innerhalb dessen die optimale Öffnungsquerschnitte eines Expansionsorgans 46 liegen, ohne dass ein Überdruck ein zu frühes Öffnen des Bypassventils 39 erfordert.
  • In 5 ist ein Diagramm dargestellt, welches die Öffnungsquerschnitte A1 und A2 des Bypassventils 36 für den über- und unterkritischen Betriebszustand in Abhängigkeit des Hubvolumens des Kompressors 12 darstellt. Die Ermittlung des Öffnungsquerschnittes A1 und A2 kann wie derum über die Diagramme 3a und 3b erfolgen. Daraus ergibt sich für ein Hubvolumen von 15 cm3 gemäß 5 ein Auslegungsbereich des Öffnungsquerschnitts AB zwischen 0,5 mm2 und 1,0 mm2. Bei einem doppelten Hubvolumen von beispielsweise 30 cm3 liegt die Querschnittsfläche AB in einem Bereich zwischen 1 mm2 und 2 mm2. Daraus resultieren eine obere und untere Kennlinie 54, 55, welche einen proportionalen Anstieg der Querschnittsfläche in Abhängigkeit des Hubvolumens des Kompressors 12 darstellen.
  • In 6 ist ein Diagramm einer bevorzugten Auslegung eines Expansionsventils 16 dargestellt. Ein Öffnungsquerschnitt AF des Expansionsorgans 46 liegt beispielsweise in einem Bereich zwischen 0,13 mm2 und 0,5 mm2. Das Bypassventil 36 ist auf einen Öffnungsdruck in einem Bereich zwischen 100 und 130 bar eingestellt. Dadurch ergibt sich ein konstanter Drosselquerschnitt bis zu einem eingestellten oder vorgewählten Kältemitteldruck zwischen 100 und 130 bar, bei dem der Massenstrom das Expansionsorgan 46 durchströmt. Bei Überschreiten dieses Hochdruckes öffnet das Bypassventil 36, wobei in Abhängigkeit der Rückstelleinrichtung 43 ein Massenstrom den freigegebenen Öffnungsquerschnitt AB der Abführöffnung 37 durchströmt. In Abhängigkeit der Rückstellkraft der Rückstelleinrichtung 43 und des Niederdruckes in der Abführöffnung 37, welcher durch die Größe der Abführöffnung 37 bestimmt ist, wird eine flache Kennlinie SFK oder eine steile Kennlinie SSK festgelegt.
  • Je höher die Leistungsanforderungen der Kältemittelanlage sind, um so höher wird der Öffnungsdruck des Bypassventils 36 gewählt, um eine hohe Enthalpiedifferenz und somit große Kälteleistung zu erzielen.
  • Bei Berücksichtigung der vorgenannten Parameter zur Erzielung eines maximalen Leistungskoeffizienten COP des Expansionsventils 16 wurde festgestellt, dass ein sicherer Betrieb bei gleichzeitiger Leistungsoptimierung durch eine maximale Querschnittsöffnung AF eines Bypassventils 36 in einem Bereich zwischen 1,0 mm2 bis 2,0 mm2 erzielt wird. Der Öffnungsdruck des Bypassventils 36 liegt in einem Bereich zwischen 100 und 120 bar. Die Steigung der Öffnungskennlinie 56 des Bypassventils 36 liegt in einem Bereich zwischen SFK = 0,08 mm2/bar und der Steigung SSK = 0,20 mm2/bar.
  • Die in den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmale und Parameter zur Auslegung eines effizienten Expansionsventils 16 sind jeweils für sich betrachtet oder in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich.

Claims (9)

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