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Die
Erfindung betrifft ein thermostatisches Expansionsventil für einen
Kälte-
bzw. Wärmepumpenkreislauf
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Bei
transkritischen Kälte-
beziehungsweise Wärmepumpenkreisläufen erfolgt
die hochdruckseitige Wärmeabgabe
meist oberhalb des kritischen Drucks des angewandten Kältemittels.
Aufgrund des sich hierbei ergebenden gleitenden Temperaturgradienten
im Gaskühler
ist der Druck am Gaskühleraustritt
ein Freiheitsgrad im Kreislaufprozess. Speziell bei Kreisprozessen,
die CO2 als Kältemittel verwenden, ist es
von großer
Bedeutung, den Hochdruck in Abhängigkeit
der Umgebungs- beziehungsweise Gaskühleraustrittstemperatur in
einem wirkungsgradoptimalen Bereich einzuregeln. Bei CO2-Klimaanlagen
finden meistens nur Festdrosseln oder fremdgesteuerte Expansionsorgane
in der Regelung des Kältekreislaufes
Verwendung. Erstere ermöglichen
im laufenden Betrieb keine Anpassung des Hochdrucks an die Prozessrandbedingungen.
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Fremdgesteuerte
Expansionsorgane müssen
hierfür
durch elektronische Steuerelemente geregelt werden, deren Reaktionsfähigkeit
insbesondere für
die automobile Anwendung nicht ausreichend ist. Dementsprechend
können
sie keine genügende Betriebssicherheit
bieten. Weitere Nachteile sind durch hohe Störanfälligkeit, hohe Entwicklungs-
und Anschaffungskosten gegeben.
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Die
DE 102 49 950 B4 offenbart
ein Expansionsventil für
Hochdruckkälteanlagen
mit einem Ventilsitz und einem Ventilelement, das mit dem Ventilsitz zusammenwirkt,
sowie eine Federanordnung, die auf das Ventilelement wirkt, und
einer Versteileinrichtung für
die Federanordnung, wobei die Federanordnung mindestens eine erste
Feder und eine zweite Feder, die auf das Ventilelement wirken, aufweist.
Die erste Feder definiert einen Arbeitsbereich und die zweite Feder
weist eine durch die Versteileinrichtung veränderbarer Federkraft auf.
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Aus
der
US 6,012,300 ist
ein Expansionsventil bekannt geworden, welches eine Kammer aufweist,
in der Kältemittel
eingeschlossen ist. Die Kammer ist durch eine Membran begrenzt,
die mittelbar auf ein Ventilelement wirkt. Die Membran ist jedoch auch
dem hochdruckseitigen Kältemittel
ausgesetzt. Insbesondere sind die Wirkflächen, auf die das in der Kammer
eingeschlossene Kältemittel
wirkt und die weitere Wirkfläche,
auf die das vom Gaskühler
kommende hochdruckseitige Kältemittel
wirkt, identisch. Mit dem beschriebenen Expansionsventil ist keine Absicherung
gegen Hochdrücke
oberhalb eines max. zulässigen
Wertes (zum Beispiel 120 bar) möglich. Außerdem ist
ein sicheres Anfahrverhalten bei Eintrittstemperaturen am Expansionsventil
oberhalb der kritischen Temperatur des Kältemittels nicht möglich. Eine
betriebssichere Anwendung kann mit diesem Expansionsventil daher
nicht realisiert werden.
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Aus
der
DE 10 2005 03 47 09.6 ist
ein thermisches Expansionsventil bekannt, welches eine erste und
zweite Wirkfläche
aufweist, die mit einem Ventilelement bewegungsgekoppelt sind. Die
erste Wirkfläche
ist Teil einer dehnbaren Trennvorrichtung, welche eine Kammer mit
einer Steu erfüllung
im Thermokopf umfasst. Dadurch kann die Temperatur des hochdruckseitigen
Kältemittels
sensiert werden. Über
diese dehnbare Trennvorrichtung des Thermokopfes wird der temperaturabhängige Druck
der Steuerfüllung
in der Kammer auf ein temperaturunabhängiges Federelement übertragen,
das mit der zweiten Wirkfläche
in Verbindung steht, an dem auch der Hochdruck anliegt. Durch diese
Ausgestaltung soll eine hochdruckbegrenzende Funktion im überkritischen
Regelbereich erzielt werden.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Expansionsventil
weiterzuentwickeln, das den Hochdruck eines transkritischen als
auch unterkritisch betreibbaren Kälte- beziehungsweise Wärmepumpenkreislaufes
innerhalb eines optimalen Bereiches einregeln und ein Überschreiten
eines maximal zulässigen
Wertes selbständig
verhindern kann.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Expansionsventil gemäß den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
Durch den Einsatz eines thermisch steuerbaren Stellgliedes, dessen
Stellbewegung mit einer ersten Wirkfläche eines ersten Stellgliedes
nur dann bewegungsgekoppelt ist, wenn eine temperaturabhängige Stellbewegung
des zweiten, also des thermisch steuerbaren Stellgliedes gegen die
Stellbewegung der ersten Wirkfläche
des ersten Stellgliedes wirkt, ist ermöglicht, dass eine Druckbegrenzungsfunktion
beziehungsweise eine Sicherheitsfunktion gegen zu hohe Betriebsdrücke gegeben
ist, die keiner externen Ansteuerung bedarf.
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Dabei
wird ein Temperatureinsatzwert des thermisch ansteuerbaren Stellgliedes
für eine
Stellbewegung gewählt,
welche einem Temperaturwert des MOT der Steuerfüllung entspricht. Der Temperatureinsatzwert
ist die Temperatur, bei der das thermisch steuerbare Stellglied
eine Stell- oder Hubbewegung erzeugt. Die Arbeitskennlinie des thermisch gesteuerten
Stellgliedes weist den gleichen Gradienten wie die Arbeitskennlinen
der Steuerfüllung
im überhitzten
Dampfzustand auf, aber in entgegengesetzter Richtung. Dadurch wird
die Sicherheitsfunktion erzielt. Des Weiteren wird eine absolute
Druckbegrenzung, also die Erzielung der MOP-Funktion (maximum operation
pressure), auf allen Temperaturniveaus ermöglicht. Während das erste Stellglied
mit seiner ersten Wirkfläche
vorzugsweise von einem hochdruckseitigen, vom inneren Wärmetauscher kommenden
Kältemittel
druckbeaufschlagt wird und dessen Temperatur aufnimmt, ist das Arbeitsverhalten
des thermisch ansteuerbaren Stellglieds vom Kältemitteldruck unabhängig.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass zwischen dem ersten Stellglied und dem zweiten, thermisch steuerbaren
Stellglied eine lösbare
mechanische Koppelung vorgesehen ist und das zweite Stellglied an
einer ersten Wirkfläche
des ersten Stellgliedes oder an einem mit dem ersten Stellglied
in Verbindung stehenden Ventilelement angreift. Diese mechanische
Koppelung, die ab einem vorbestimmbaren Temperaturwert auftritt,
ermöglicht,
dass im normalen Betrieb bei einem üblichen Temperatureinsatzbereich
das erste Stellglied unabhängig
von dem thermisch steuerbaren Stellglied arbeitet und das erste
Steuerglied mit dem Ventilelement nur dann bewegungsgekoppelt ist,
wenn ein weiterer Temperaturanstieg erfolgt, der den Einsatz der
Sicherheitsfunktion erfordert.
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Die
Steuerfüllung
des ersten Stellgliedes ist bevorzugt in einer Kammer vorgesehen,
die membran- oder faltenbalgähnlich
ausgebildet ist und die Temperatur des hochdruckseitigen Kältemittels
aufnimmt. An der Wirkfläche
des ersten Stellgliedes liegt der temperaturabhängige Druck der Steuerfüllung in der
Kammer des Stellgliedes an als auch der Hochdruck. Aus der sich
hieraus resultierenden Druckdifferenz ergibt sich eine Verstellkraft,
die das Ventilelement in Bewegung setzt und in Abhängigkeit
der Drosseleigenschaften des dazugehörigen Ventilsitzes einen bestimmten
Strömungsquerschnitt
freigibt.
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Bevorzugt
kann noch ein zusätzliches,
insbesondere vorgespanntes Federelement vorgesehen sein, das die
Wirkung gegen den Hochdruck verstärkt. Dies hat zu Folge, dass
eine Öffnungsbewegung
des Ventilelementes dann erfolgt, wenn der temperaturunabhängige, an
der Wirkfläche
vom Hochdruck der Kältemittelanlage
erzeugte Kraftüberschuss
ausreicht, um die Vorspannung des insbesondere vorgespannten Federelementes
und die Kraftwirkung der Kammer zu überwinden, wodurch ein Durchgang
zwischen dem Ventilsitz und dem Ventilelement freigegeben beziehungsweise
der Querschnitt der Durchgangsöffnung
vergrößert wird.
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Die
Steuerfüllung
der Kammer des ersten Stellgliedes weist bevorzugt eine Fülldichte
auf, die unterhalb ihrer kritischen Dichte liegt. Bevorzugt ist des
Weiteren vorgesehen, dass darüber
hinaus ein Stoffgemisch für
die Steuerfüllung
gewählt
wird, welches eine kritische Temperatur besitzt, die oberhalb der
kritischen Temperatur des zu regelnden Kältemittels liegt. Dadurch weist
die Steuerfüllung
in den meisten Temperatureinsatzbereichen einen zweiphasigen Zustand
mit hohem Dampfanteil auf. Erst wenn die von der Steuerfüllung aufgenommene
Energie ausreicht, um die in Abhängigkeit
der herrschenden Fülldichte
vorhandene Flüssigphase
vollständig
zu verdampfen, geht die Steuerfüllung
in den überhitzten
Dampfzustand über.
Unter diesen Umständen entwickelt
sich ein Steuerdruck bei einem weiteren Temperaturanstieg nur noch
mit einem niedrigeren Gradienten als im vorherigen zweiphasigen
Zustand der Steuerfüllung
weiter, der nicht gleich Null ist. Den Temperaturwert, ab dem dieser
physikalische Effekt auftritt, bezeichnet man als MOT (Maximum Operating
Temperature). Den dazugehörigen
Druckwert für die
Steuerfüllung
bezeichnet man als MOP (Maximum Operation Pressure). Des Weiteren
ist bevorzugt vorgesehen, dass die temperaturabhängige Kraft des thermisch ansteuerbaren
und hochdruckunabhängigen
Stellgliedes der Steigung der Steuerfüllung des ersten Stellgliedes
im überhitzten
Zustand entspricht. Bei einem weiteren Temperaturanstieg im überhitzten
Dampfzustand steigt der Druck mit nur einem deutlich niederen Gradienten
als im vorherigen zweiphasigen Zustand an. Aufgrund der Anpassung des
thermisch ansteuerbaren Stellgliedes an diesen Gradienten wird die
Sicherheitsfunktion erzielt, indem das thermisch ansteuerbare und
hochdruckunabhängige
Stellglied in entgegensetzter Richtung mit dem gleichen Gradienten
wirkt, so dass ein maximaler Betriebsdruck einstellbar ist, der
wunschgemäß einem
horizontalen Druckverlauf auf einem MOP-Niveau entspricht.
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Der
vorgenannte Temperaturwert beziehungsweise Temperatureinsatzwert
wird bevorzugt durch die konstruktive Ausgestaltung des thermisch ansteuerbaren
Stellgliedes bestimmt. Nach einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung
eines thermisch ansteuerbaren Stellgliedes ist vorgesehen, dass
aufeinander gestapelte Bi-Metall-Elemente, insbesondere Bi-Metall-Scheiben,
vorgesehen sind. Diese aufeinander gestapelten Bi-Metall-Scheiben sind
beispielsweise balgförmig
angeordnet. In Abhängigkeit
von deren Voreinstellung führen
diese Bi-Metall-Elemente erst ab einer bestimmten Temperatur eine
Stellbewegung aus.
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Eine
zweite alternative Ausführungsform
zur Ausbildung eines thermisch ansteuerbaren Stellgliedes sieht
vor, dass eine Membran, ein Faltenbalg oder ein Federelement, insbesondere
eine Spiralfeder oder ein Spiralbalg aus einer Formgedächtnislegierung
hergestellt ist. Dadurch kann wiederum eine temperaturabhängige Ansteuerung
ermöglicht
sein.
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Eine
weitere alternative Ausgestaltung des Stellgliedes ist durch ein
gefülltes,
faltenbalgähnliches
Federelement gegeben, welches vorzugsweise mit einem Medium gefüllt ist,
das oberhalb seines Dampfdruckes beziehungsweise unterhalb seiner Sättigungstemperatur
im Arbeitsbereich im flüssigen Aggregatzustand
existiert.
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Geeignete
Füllmedien
sind zum Beispiel Öle oder
allgemein Kohlenwasserstoffe mit hohem Siedepunkt. Diese Temperatur-Weggeberelemente
sind vorzugsweise hermetisch dicht gefügte Membran-, Wellrohr-, Faltenbalgelemente
oder auch Zylinder-Kolbenausführungen,
die durch thermische Dehnung ihrer Flüssigkeitsfüllung hohe Stellkräfte bewirken.
Diese Elemente können
so ausgelegt werden, dass ihre Hub-Temperatur-Kennlinie erst ab einer bestimmten
Temperatur beginnt.
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Bevorzugt
ist vorgesehen, dass die thermisch ansteuerbaren Stellglieder eine
druckunabhängige
Vorrichtung aufweisen, um diese vorzuspannen. Dadurch wird ermöglicht,
dass der Temperaturwert, bei dem die thermische Sicherheitsfunktion
des Ventils einsetzt, justierbar ist. Bevorzugt ist eine solche
Vorrichtung manuell von außen
justierbar. Alternativ kann auch eine elektronische bzw. motorische Ansteuerung
vorgesehen sein.
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Des
Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass die Kammer des ersten Stellgliedes,
insbesondere eine innere Kontur der Kammer, durch eine Hülse oder
Stege geführt
wird. Dadurch ist ermöglicht, dass
Verformungen durch die Wirkung der Steuerfüllung verhindert werden.
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In
einer Ruhestellung des Ventilelementes des thermostatischen Expansionsventils
ist bevorzugt vorgesehen, dass eine Mindestdurchlassöffnung freigegeben
ist. Dies bedeutet, dass wenn der temperatur- und druckabhängige Kraftüberschuss
an der Unterseite des thermisch angesteuerten Stellgliedes nicht
ausreicht, um seine Vorspannung zu überwinden, nur ein zweckmäßig vordefinierter
Drosselquerschnitt freigegeben wird und das thermostatische Expansionsventil
als Festdrossel fungiert, wodurch sich der Hochdruck im Kreislauf
selbst einstellt.
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In
den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt somit ein transkritischer
oder unterkritischer Kälte-
beziehungsweise Wärmepumpenkreislauf
mit einem inneren Wärmetauscher,
der ein thermostatisches Expansionsventil mit einer selbständig einstellbaren Überströmungsfunktion
beziehungsweise Sicherheitsfunktion ermöglicht, ohne dass beispielsweise
eine zusätzliche
Leitungsverlegung am Verdampfeintritt erfolgen muss. Gleichzeitig
kann die thermostatische Regelmöglichkeit
des COP-optimalen
Hochdrucks erhalten bleiben.
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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:
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1 eine
schematische Darstellung eines Kältemittelkreislaufs,
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2 ein
Zustandsdiagramm zur Veranschaulichung der Funktion eines Kältemittelkreislaufs mit
dem eingangs genannten thermostatischen Expansionsventil,
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3 eine
erste Ausführungsform
eines thermostatischen Expansionsventils,
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4a,
b eine schematische Darstellung einer Steuerfüllungskennlinie und der Wirkung
des thermisch ansteuerbaren Stellgliedes auf die Ventilöffnungskennlinie,
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5 ein
Zustandsdiagramm von Ventilhubkennlinien bei verschiedenen Betriebsdrücken,
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6 eine
zweite Ausführungsform
eines thermostatischen Expansionsventils und
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7 eine
dritte Ausführungsform
eines thermostatischen Expansionsventils.
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1 zeigt
einen Kälte-
und/oder Wärmepumpenkreislauf 11 einer
Klimaanlage. In einem Kältemittelverdichter 12 wird
ein gasförmiges
Kältemittel,
insbesondere CO2, komprimiert. Das komprimierte
Kältemittel
wird einem Gaskühler 13 zugeführt, wo ein
Wärmeaustausch
zwischen dem komprimierten Kältemittel
und der Umgebung stattfindet, um das Kältemittel zu kühlen. Das
den Gaskühler 13 verlassende
Kältemittel
gelangt an einen inneren Wärmetauscher 14,
der mit einem Expansionsventil 15 in Verbindung steht.
Das Expansionsventil 15 wirkt zum einen dahingehend, den
Druck des Kältemittels
zu begrenzen und zum anderen, um den Druck des Kältemittels am Ausgang des inneren
Wärmetauschers 14 zu
regeln. Vom Expansionsventil 15 gelangt das Kältemittel
an einen Verdampfer 16. Im Verdampfer 16 nimmt
das Kältemittel
Wärme aus
der Umgebung auf. Dem Verdampfer 16 nachgeordnet ist ein
Akkumulator 17, um Kältemittel
der Gasphase und der flüssigen
Phase zu trennen und gleichzeitig flüssiges CO2 zu
sammeln. Der Akkumulator 17 steht wiederum mit dem inneren
Wärmetauscher 14 in
Verbindung.
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Anhand
des Zustandsdiagramms der 2, wo der
Druck p über
der spezifischen Enthalpie H aufgetragen ist, soll nun die Funktionsweise
der Klimaanlage erläutert
werden. Ein Kältemittel,
zum Beispiel CO2, in der Gasphase wird im
Kältemittelverdichter 12 verdichtet
(A-B). Dann wird das heiße,
unter einem hohen Druck stehende, transkritische Kältemittel
im Gaskühler 13 und
im inneren Wärmetauscher 14 gekühlt (B-C
beziehungsweise C-D). Der Druck wird im Expansionsventil 15 reduziert
(D-E), um das nun
zweiphasige (Gas- und Flüssigkeitsphase)
Kältemittel
im Verdampfer 16 zu verdampfen (E-F) und der Umgebung dadurch
Wärme zu
entziehen. Der COP wird bestimmt durch das Verhältnis der Enthalpieänderung Δi im Schritt
E-F und der Enthalpieänderung ΔL im Schritt
A-B, also COP = Δi/ΔL.
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Die
kritische Temperatur von CO2 liegt bei etwa
31°C, was
niedriger ist als die kritische Temperatur (häufig > 100°C)
von Fluorkohlenwasserstoffen, die bisher in Klimaanlagen verwendet
werden. Dies führt
dazu, dass die Temperatur von CO2 am Ausgang
des inneren Wärmetauschers 14 höher werden kann
als die kritische Temperatur von CO2. In
diesem Zustand kondensiert das CO2 selbst
am Ausgang des inneren Wärmetauschers 14 nicht.
Deshalb muss der Druck am Ausgang des inneren Wärmetauschers 14 geregelt
werden. Wenn also die externe Temperatur, beispielsweise im Sommer,
hoch ist, wird es notwendig, am Ausgang des inneren Wärmetauschers 14 einen
hohen Druck einzustellen, um eine ausreichende Kälteleistung zu erhalten. Die
Ausgangstemperatur am inneren Wärmetauscher 14 hängt unter
anderem von der kältemittelseitigen
Temperatur am Gaskühleraustritt
ab, die wiederum von der Umgebungstemperatur abhängt. Dies bedeutet, dass die
Temperatur des CO2 am Ausgang des inneren
Wärmetauschers 14 auch
für die
Regelung des sonst von der kältemittelseitigen
Gaskühleraustrittstemperatur
abhängigen COP-optimierten
Hochdrucks verwendet werden kann.
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In
dem Diagramm gemäß 2 ist
durch die Kennlinien 21' und 21'' der COP-optimierte Regelbereich
dargestellt. Der dazwischen liegende Doppelpfeil 22 kennzeichnet
einen Ventilhubbereich von 0 bis circa 75% des Ventilhubes. Zwischen
der Kennlinie 21'' und der Kennlinie 21''' ist
der Überdruckregelbereich
dargestellt. Durch ein weiteres Öffnen
des Ventilhubes über
die circa 75% hinaus kann eine Drucküberhöhung abgebaut werden. Die Kennlinie 21'''' stellt eine
einstellbare Hochdruck grenze für
den zu regelnden Kältemittelkreislauf 11 dar.
Dieser kann variabel gestaltet werden.
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In 3 ist
eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform
eines thermostatischen Expansionsventils 15 dargestellt,
welches einen Betrieb einer Kältemittelanlage
gemäß einem
Zustandsdiagramm in 2 ermöglicht. Das Expansionsventil 15 umfasst
ein Ventilgehäuse 26,
welches eine hochdruckseitige Zuführöffnung 27 aufweist,
die in einen Hochdruckraum 28 führt. Der Hochdruckraum 28 ist über eine
Durchlassöffnung 29 mit
einer niederdruckseitigen Abführöffnung 31 verbunden.
Die Durchlassöffnung 29 weist
einen Ventilsitz 32 auf, in dem ein Ventilelement 33 in
einer Schließposition
vorgesehen ist und die Zuführöffnung 27 zur
Abführöffnung 31 trennt.
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Im
Hochdruckraum 28 ist ein erstes Stellglied 36 vorgesehen,
welches eine erste Wirkfläche 37 umfasst,
an der das Ventilelement 33 vorgesehen ist. An dieser ersten
Wirkfläche 37 greift
eine Kammer 38 in Schließrichtung des Ventilelements 33 an,
welche membran- oder faltenbalgähnlich
ausgebildet ist.
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Des
Weiteren ist ein Federelement 39 vorgesehen, welches beispielsweise
die Kammer 38 umgibt und bevorzugt vorgespannt und in gleicher
Kraftrichtung wie die Kammer 38 an der Wirkfläche 37 angreift.
In Abstimmung der Größe des Ventilelementes 33 beziehungsweise
der Länge
dessen Schaftes oder eines im Hochdruckraumes 28 vorgesehenen Anschlagelementes
ist eine Vorspannung des Federelementes 39 und/oder der
Kammer 38 ermöglicht.
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Die
Kammer 38 ist bevorzugt aus einem gut wärmeleitfähigen Material ausgebildet.
In der Kammer 38 ist eine Steuerfüllung 41 vorgesehen,
deren Druck in der Kammer 38 temperaturabhängig ist.
Sobald auf der Hochdruckseite ein Hochdruck anliegt, wirkt dieser
gegen die Wirkfläche 37 und öffnet die Durchlassöffnung 29,
sofern der anliegende Hochdruck einen Kräfteüberschuss gegenüber dem
vorgespannten Federelement 39 und dem Druck der Steuerfüllung 41 in
der Kammer 38 aufweist. Die Öffnungs- und Schließbewegung
ist im COP-optimierten Regelbereich unabhängig von einem thermisch ansteuerbaren
Stellglied 46, welches ebenfalls im Hochdruckraum 28 vorgesehen
ist.
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Im
Ausführungsbeispiel
gemäß 3 greift das
thermisch ansteuerbare Stellglied 46 an der ersten Wirkfläche 37 gegenüberliegend
zur Kammer 38 und dem gegebenenfalls vorhandenen Federelement 39 an.
Alternativ kann das Stellglied 46 auch an dem Ventilelement 33 oder
zusätzlich
an dem Ventilelement 33 angreifen. Das thermisch ansteuerbare Stellglied 46 ist
aus Bi-Metall-Scheiben ausgebildet, die balgförmig übereinanderliegend gestapelt
sind. Die Bi-Metall-Scheiben können über eine
nicht näher dargestellte
druck-unabhängige
Vorrichtung vorgespannt werden, so dass diese eine Stellbewegung beziehungsweise
eine Hubbewegung erst dann durchführen, sobald die Sicherheitsfunktion
erforderlich wird. Dies ist dann der Fall, wenn die Temperatur des
Kältemittels über den
MOT steigt. Folglich ist die Vorspannung der Bi-Metall-Scheiben
oder deren Materialauslegung auf einen solchen Temperatureinsatzwert
angepasst.
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Bei
ausreichendem Kraftüberschuss
wird des Hochdruckes gegenüber
der Druckkraft der Kammer 38 und des gegebenenfalls vorhandenen Federelementes 39 über eine
vordefinierte Hub-Kennlinie der optimale Öffnungsquerschnitt freigegeben
und somit der optimale Hochdruck (COP-optimierter Bereich) in Abhängigkeit
von der hochdruckseitigen Austrittstemperatur des Kältemittels
am inneren Wärmetauscher
eingestellt.
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Durch
das erfindungsgemäße Expansionsventil 15 ist
eine selbständig
einstellbare Überdruck- und
Sicherheitsfunktion ermöglicht,
so dass der Kältemittelkreislauf
mit COP-optimalem Hochdruck arbeiten kann. Aus 4a geht
eine schematische Darstellung einer Kennlinie 19 für eine Steuerfüllung in
einer Kammer 38 des ersten Stellgliedes 36 hervor, bei
der der Druck über
der Temperatur bis zum kritischen Punkt aufgetragen ist. Da die
bis dahin zweiphasig vorliegende Steuerfüllung oberhalb des MOT-Wertes 20 für den Kreislauf 11 in
den einphasigen, überhitzten
Gaszustand übergeht,
steigt der Druck der Steuerfüllung
nur noch mit einem deutlich schwächeren
Gradienten weiter. Die Sicherheitsfunktion kann aber nur durch einen
waagerechten Druckverlauf ab dem MOT-Wert 20 erreicht werden. Dieser weitere
nachteilige Anstieg wird bei einer zweckmäßigen Auslegung der vorliegenden
Erfindung durch den Einsatz des thermisch ansteuerbaren Stellgliedes 46 kompensiert,
dessen Kennlinie mit 46' in 4a dargestellt
ist. Dadurch wird eine Ventilöffnungskennlinie 22 erzielt
wird, welche in 4b dargestellt ist. Diese Ventilöffnungskennlinie 22 Diese Ventilkennlinie 22 mit
dem waagerechten Druckverlauf auf MOP-Niveau führt zu einer maximalen Massenstromentwicklung,
wenn sich der Hochdruck des Kreislaufs 11 darüber befindet,
so dass sich eine selbst hemmende Hochdruckentwicklung ergibt, weil die
in Schließrichtung
des Ventilelements 33 wirkende, temperaturbedingte Druckkraft
der Kammer 38 kompensiert ist. Das thermisch ansteuerbare
Stellglied 46 kann auch vorzeitig auf den Öffnungsquerschnitt
der Durchlassöffnung 29 wirken,
so dass ein Anstieg des Hochdruckes über den MOP-Wert verhindert
ist.
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Des
Weiteren ist zu erwähnen,
dass obwohl die kältemittelseitige
Gaskühleraustrittstemperatur
in Hinblick auf COP-Optimierung die bevorzugende Regeltemperatur
im Kreislauf ist, die hochdruckseitige Austrittstemperatur am innerem
Wärmetauscher 14 ebenfalls
zum Zweck der Regelung des Hochdruckes in einem COP-optimalen Bereich
angewandt werden kann. Hierfür
werden entweder simulations- oder versuchstechnisch für den Kreislauf,
in dem das durch diese Erfindung beschriebene thermostatische Expansionsventil 15 Verwendung
findet, die zu jedem COP-optimalen Gaskühleraustrittszustand korrespondierenden
Austrittszustände
am innerem Wärmetauscher 14 ermittelt. Über die
hochdruckseitige Austrittstemperatur am inneren Wärmetauscher 14 ergibt sich
somit ein COP-optimierter Druckverlauf, auf den die optimale Ventil-Hubkennlinie 22 gemäß dem Zustandsdiagramm
in 5 ausgerichtet wird, bei dem der Massenstrom über der
Temperatur aufgetragen ist. Diese COP-optimale Ventil-Hubkennlinie 22 beschränkt sich
auf einen im Sinne der Anwendung festzulegenden Teil des gesamten
Ventilhubbereichs, zum Beispiel zwischen 0 und 75%. Dies ist in 2 durch
die Kennlinien 21' und 21'' dargestellt. Der Doppelpfeil 22 zeigt
den COP-optimierten
Regelbereich. Über
dessen obere Grenze hinaus setzt die Überströmungsfunktion ein. Wenn eine
Massenstromkennlinie 23 der Drosselstelle oberhalb der oben
genannten Grenze, das heißt
bis zum Erreichen 100% des gesamten Ventilhubbereichs, ausreichend steil
ausgelegt ist, dass so viel Massenstrom von der Hoch- in die Niederdruckseite
abfließen
und somit ein weiteres steigen des Hochdruck der Anlage vermieden
werden kann, erreicht man die von der vorliegenden Erfindung beanspruchte
Sicherheitsfunktion gegen zu hohe Systemdrücke.
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Durch
die Anordnung eines solchen thermostatischen Expansionsventils
15 am
Verdampfereingang vermeidet man komplexe Leitungssatzverlegungen
wie sie zum Beispiel bei der Anwendung eines thermostatischen Expansionsventils
nach Patent
US 6,012,300 notwendig
sind, da das dort beschriebene Ventil die kältemittelseitige Austrittstemperatur am
Gaskühler
aufnehmen muss – entweder
durch eine lokale Anordnung am Gaskühlerastritt oder durch die
Verlegung einer Kapillarleitung zwischen Ventil und Gaskühleraustritt.
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In 6 ist
eine alternative Ausführungsform zu 3 dargestellt.
Abweichend hierzu ist das thermisch ansteuerbare Stellglied 46 als
Federelement aus einer Formgedächtnislegierung
hergestellt. Dieses Stellglied 46 kann derart eingestellt
werden, dass die Hubbewegung erst ab einem vorbestimmten Temperatureinstiegswert
erfolgt. Dabei kann zusätzlich
auch die wirkende Kraft übenden
Querschnitt des Federelementes bestimmt werden. Ergänzend könnte auch
eine elektrische Ansteuerung dieses thermisch ansteuerbaren Stellgliedes 46 aus
der Formgedächtnislegierung
möglich
sein. Die weiteren zu 3 beschriebenen Funktionen und
Varianten gelten ebenfalls für
diese Ausführungsform.
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In 7 ist
eine weitere alternative Ausführungsform
eines thermisch ansteuerbaren Stellgliedes 46 zu 3 dargestellt.
Bei dieser Ausführungsform
ist ein hydraulisch gefülltes,
faltenbalgähnliches Federelement
vorgesehen, welches die Überströmungsfunktion
beziehungsweise Sicherheitsfunktion ermöglicht. Die Füllungen
des thermisch ansteuerbaren Stellgliedes 46 umfassen beispielsweise
verschiedene Öle
und Kohlenwasserstoffe.
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Alle
vorgenannten Merkmale sind jeweils erfindungswesentlich und können beliebig
miteinander kombinierbar sein.