DE102007051118B4

DE102007051118B4 - Expansionsventil

Info

Publication number: DE102007051118B4
Application number: DE102007051118.5A
Authority: DE
Inventors: Dr. Sonnekalb Michael; Hartmut Gömpel; Stefan Saiz
Original assignee: Konvekta AG
Current assignee: Konvekta AG
Priority date: 2007-10-24
Filing date: 2007-10-24
Publication date: 2021-11-11
Anticipated expiration: 2027-10-25
Also published as: WO2009052903A1; DE102007051118A1

Abstract

Thermostatisches Expansionsventil (1) für eine mit dem Kältemittel CO2betriebene Kälteanlage oder Klimaanlage, die mindestens einen Verdichter, einen Kühler, das thermostatische Expansionsventil (1) und einen Verdampfer umfasst, wobei das Expansionsventil ein Ventilelement (11) und ein ohne Hilfsenergie betriebenes und das Ventilelement (11) stellendes Stellglied (12) mit einem Temperaturfühler (15) aufweist, der mit einem Füllmittel gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet,e) dass das Füllmittel Distickstoffmonoxid ist, oderf) dass das Füllmittel ein Gemisch aus mindestens den Komponenten Distickstoffmonoxid und einem Kohlenwasserstoff ist, oderg) dass das Füllmittel ein Gemisch aus mindestens den Komponenten Distickstoffmonoxid und Wasser ist, oderh) dass das Füllmittel ein Gemisch aus mindestens den Komponenten Distickstoffmonoxid und einem organischen oder anorganischen Stoff mit einem Normalsiedepunkt zwischen -90°C und +200°C ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein thermostatisches Expansionsventil für eine Klima- oder Kälteanlage mit dem Kältemittel CO₂.
Klima- oder Kälteanlagen nach dem Verdichterprinzip weisen mindestens die Komponenten Verdichter, Kühler, Expansionsventil und Verdampfer auf, die in einem Kreis geschaltet sind, wobei das aus dem Kühler austretende verdichtete und unter hohem Druck stehende Kältemittel - dies kann überkritisches Gas oder Flüssigkeit sein - im Expansionsventil entspannt wird, sodann in einem Verdampfer vollständig verdampft, wobei es die Verdampfungsenergie einem zu kühlenden Medium entzieht und dieses so abkühlt, sodann in dem Verdichter komprimiert wird, wobei das unter hohem Druck stehende Kältemittel im nachfolgenden Kühler gekühlt wird und am Ausgang des Kühlers für einen weiteren Zyklus bereitgestellt wird.
Herkömmliche Kältemittel, wie Ammoniak oder Fluor-Kohlenwasserstoffe werden in zunehmendem Maße durch Kohlenstoffdioxid (CO₂) ersetzt, das insbesondere Vorteile wegen des geringeren Treibhauseffekts aufweist. Das Kältemittel Kohlenstoffdioxid erfordert jedoch die Auslegung der Klima- oder Kälteanlage für wesentlich höhere Betriebsdrücke als bisher.
Die DE 198 32 479 A1 beschreibt ein Expansionsventil, das als Festdrossel ausgebildet ist. Die Drosselöffnung ist bezüglich Länge und Durchmesser derart auf die Anlage abgestimmt, dass in allen Betriebszuständen der Druck in einem Hochdruckabschnitt auf etwa 14 MPa begrenzt ist.
Insbesondere Klimaanlagen für stark wechselnde Betriebsbedingungen, wie sie beispielsweise für Fahrzeugklimaanlagen typisch sind, erfordern jedoch regelbare Expansionsventile.
In der WO 2006/057093 A1 ist ein druckgesteuertes Expansionsventil ohne Hilfsenergie für eine mit dem Kältemittel Kohlenstoffdioxid betriebene Klimaanlage vorgesehen.
Die US 6 385 980 B1 sieht ein durchflussgesteuertes Expansionsventil mit Hilfsenergie vor, wobei die Ansteuerung des elektrisch steuerbaren Ventils durch eine elektronische Steuereinheit erfolgt.
Weite Verbreitung haben thermostatische Expansionsventile gefunden, deren Stellglieder einen Temperaturfühler aufweisen oder mit einem solchen verbunden sind und die entweder mit Hilfsenergie oder ohne Hilfsenergie betrieben werden. Der Temperaturfühler kann auf der Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufs am Ausgang des Kühlers angeordnet sein oder auf der Niederdruckseite am Ausgang des Verdampfers. Bei letztgenannter Anordnung wird das Expansionsventil anhand der sogenannten Überhitzung des Kältemittels geregelt, die beispielsweise im Bereich von 5 bis 15 K liegen kann und angibt, um welchen Betrag die Temperatur am Ausgang des Verdampfers die Verdampfungstemperatur des Kältemittels übersteigt.
Die US 2005/0132731 A1 beschreibt eine Klimaanlage mit dem Kältemittel Kohlenstoffdioxid mit einem Expansionsventil, das mit elektrischer Hilfsenergie betrieben wird und von einer Steuereinheit gestellt wird, die mit einem am Ausgang des Kühlers angeordneten Temperatursensor verbunden ist.
Die WO 2004/005 807 A1 beschreibt eine Klimaanlage für Automobile mit dem Kältemittel Kohlenstoffdioxid, wobei das Expansionsventil mit elektrischer Hilfsenergie betrieben wird und der Temperatursensor am Ausgang des Kühlers angeordnet ist.
Die DE 10 2005 050 086 A1 beschreibt ein thermostatisches Expansionsventil ohne Hilfsenergie, wobei der Temperaturfühler das Kältemittel oder einen anderen Stoff als Füllmittel aufweisen kann. Dieses Dokument sieht nicht Kohlenstoffdioxid als Kältemittel vor.
Die DE 10 2004 005 379 B3 beschreibt ein thermostatisches Expansionsventil ohne Hilfsenergie, der ein temperatur- oder druckempfindliches Stellelement aufweist, das insbesondere als Membran oder Balgsystem ausgebildet ist. Das Balgsystem kann eine Kältemittel-, Inertgas- oder Adsorberfüllung aufweisen. Dieses Dokument sieht nicht Kohlenstoffdioxid als Kältemittel vor.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Expansionsventil zu schaffen, das ohne Hilfsenergie stellbar ist.
Diese Aufgabe wird mit einem thermostatisches Expansionsventil für eine mit dem Kältemittel CO₂ betriebene Kälteanlage oder Klimaanlage, die mindestens einen Verdichter, einen Kühler, das thermostatische Expansionsventil und einen Verdampfer umfasst, wobei das Expansionsventil ein ohne Hilfsenergie betriebenes und ein Ventilelement stellendes Stellglied mit einem Temperaturfühler aufweist, der mit einem Füllmittel gefüllt ist, gelöst, wobei vorgesehen ist, dass das Füllmittel ein Gemisch aus mindestens den Komponenten Kohlenstoffdioxid (CO₂) und Distickstoffmonoxid (N₂O) oder
aus mindestens den Komponenten Kohlenstoffdioxid und Wasser ist, oder dass das Füllmittel Distickstoffmonoxid ist, oder
dass das Füllmittel ein Gemisch aus mindestens den Komponenten Distickstoffmonoxid und einem Kohlenwasserstoff oder aus mindestens den Komponenten Distickstoffmonoxid und Wasser ist.
Ein solches thermostatisches Expansionsventil weist insbesondere für den Einsatz in Fahrzeugklimaanlagen den Vorteil auf, dass es einerseits ohne Hilfsenergie auskommt und dass es andererseits durch die vorgeschlagenen Füllmittel des Temperaturfühlers optimal an unterschiedliche Einsatzbedingungen anpassbar ist. Insbesondere die vorgeschlagenen Mehrstoffsysteme geben dem Fachmann die Möglichkeit, durch Austausch einer Komponente oder durch die Änderung des Mischungsverhältnisses auf einfache Weise die Kennlinie des Temperaturfühlers zu beeinflussen.
Die vorgeschlagenen Füllmittelzusammensetzungen sind einsetzbar

- als Universalfüllung, bei der die Füllmenge so groß ist, dass stets eine Teilfüllung im Fühler vorhanden ist;
- als sogenannte MOP-Füllung (Maximum Operating Pressure oder auch Motor Overload Protection), bei der die Füllung verdampft ist, wenn die Temperatur den MOP-Punkt erreicht hat, und
- als MOP-Füllung mit Ballast, bei der zusätzlich ein Adsorbermaterial in den Temperaturfühler eingebracht ist, so dass das Regelverhalten gedämpft ist.

Vorteilhafte Füllmittelzusammensetzungen ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 bis 21. In diesen Patentansprüchen sind jeweils als Und-Oder-Alternativen zum einen die bevorzugten Massenanteilsverhältnisse von zwei Gemischkomponenten vorzugsweise für diverse Füllmittelgemische angegeben und zum anderen sind die Massenanteile der beiden Komponenten im Falle des 2-Komponenten-Gemisches angegeben. In der Alternative 1 sind die zwei angegebenen Gemischkomponenten als Hauptkomponenten zu verstehen, wobei weitere Komponenten als Nebenkomponenten im Füllmittelgemisch enthalten sein können. Die Nebenkomponenten können vorzugsweise einen Massenanteil von maximal 5 Gewichtsprozent an dem Füllmittelgemisch haben.
Weitere vorteilhafte Ausführungen ergeben sich durch speziellen konstruktiven Aufbau des Expansionsventils.
Es kann vorgesehen sein, dass das Stellglied als ein Membran- oder Balgsystem ausgebildet ist, das mittels einer Kapillarleitung mit dem Ausgang des Temperaturfühlers verbunden ist.
Weiter kann vorgesehen sein, dass der Stellweg des Ventilelements dem Stellweg des Stellgliedes entspricht. Es kann also vorgesehen sein, dass der Stellweg des Stellgliedes im Verhältnis 1:1 auf das Ventilelement übertragen wird, beispielsweise indem ein an dem Stellglied angeordneter Stellstift fluchtend mit dem Ventilelement angeordnet ist.
Es kann aber auch vorgesehen sein, dass der Stellweg des Ventilelements kleiner oder größer als der Stellweg des Stellgliedes ist. Beispielsweise kann ein Hebelgetriebe vorgesehen sein, um den Stellweg des Stellgliedes im Verhältnis n:1 zu vergrößern oder im Verhältnis 1:n zu verkleinern, wobei n > 1 ist.
Es ist weiter möglich, dass der in dem stromabwärts hinter dem Ventilelement verlaufenden inneren Abschnitt des Expansionsventils ausgebildete Niederdruck auf das Stellglied übertragen ist. Wenn beispielsweise das Stellglied durch eine Membran abgeschlossen ist, so wirkt der nach dem Expansionsventil ausgebildete Niederdruck des entspannten Kältemittels auf die Membran ein, wenn der dem Stellglied abgewandte Raum vor der Membran mit dem Ausgangsabschnitt des Expansionsventils verbunden ist.
Es kann weiter vorgesehen sein, dass das Füllmittel des Temperaturfühlers einen Fühlerinnendruck ausbildet, der der Summe aus dem Verdampfungsdruck des Kältemittels und einem durch eine Einstellvorrichtung hervorgerufenen Druck entspricht, wenn die am Ausgang des Verdampfers auf den Temperaturfühler einwirkende Temperatur gleich der Soll-Überhitzungstemperatur des Kältemittels ist. Wenn beispielsweise das Stellglied durch eine Membran abgeschlossen ist, so wirkt auf die dem Stellglied zugewandete Seite der Membran der Fühlerinnendruck und auf die dem Stellglied abgewandte Seite der Membran der Verdampfungsdruck des Kältemittels und der Druck, der durch die Einstellvorrichtung, die zum Beispiel eine vorgespannte Druckfeder aufweist, hervorgerufen wird. Die Einstellvorrichtung dient dazu, die statische Überhitzung einzustellen. Wenn der Fühlerinnendruck überwiegt, weil die Temperatur am Temperaturfühler die Solltemperatur übersteigt, dann öffnet das Expansionsventil, wenn der Verdampfungsdruck und der Druck der Einstellvorrichtung überwiegt, beispielsweise weil die Temperatur am Temperaturfühler die Solltemperatur unterschreitet, dann schließt das Expansionsventil. Im gewählten Arbeitspunkt sind also die beidseitig der Membran angreifenden Kräfte im Gleichgewicht. Vorteilhaft bei dieser Ausführung ist, dass das Expansionsventil jeweils die Überhitzung des Verdampfers bzw. des zugehörigen Niederdruckwärmetauschers ausregelt und so die eingespritzte Menge des Kältemittels dem aktuellen Kältebedarf anpasst. Wenn beispielsweise in einer größeren Klima- oder Kälteanlage mehrere Verdampfer vorgesehen sind, dann kann für jeden Verdampfer ein Expansionsventil vorgesehen sein, so dass die Überhitzung eines jeden der Verdampfer separat regelbar ist. Bei einer Regelung des Hochdrucks wäre dies nicht möglich.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer Expansionsventile anhand der Zeichnungen.
Es zeigen

1 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Expansionsventil;
2 eine schematische Darstellung eines Kältemittelkreislaufes, in dem ein erfindungsgemäßes Expansionsventil angeordnet ist;
3 eine schematische Darstellung eines Kältemittelkreislaufes, in dem zwei erfindungsgemäße Expansionsventile angeordnet sind;
4 den Dampfdruck von Kohlenstoffdioxid (CO₂) und Ethin (C₂H₂), sowie Gemischen aus CO₂ und C₂H₂ in unterschiedlichen Mischungsverhältnissen, als Funktion der Temperatur;
5 den Dampfdruck von Kohlenstoffdioxid (CO₂) und Distickstoffmonoxid (N₂O), sowie Gemischen aus CO₂ und N₂O in unterschiedlichen Mischungsverhältnissen, als Funktion der Temperatur;
6 den Dampfdruck von Kohlenstoffdioxid (CO₂) und Propan (C₃H₈), sowie Gemischen aus CO₂ und C₃H₈ in unterschiedlichen Mischungsverhältnissen, als Funktion der Temperatur.

1 zeigt einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes thermostatisches Expansionsventil 1 mit einem Gehäuse 10, das einen Einlassstutzen 10e und einen Auslassstutzen 10a aufweist, die in einem Rechten Winkel zueinander angeordnet sind. Das Expansionsventil 1 ist also als ein Eckventil aufgebaut, wobei in der Gebrauchslage der Einlassstutzen 10e nach unten weist. Alle weiteren Lagezuordnungen sind auf die Gebrauchslage des Expansionsventils bezogen. Der Einlassstutzen 10e ist im betriebsgemäßen Einsatz mit der Hochdruckseite eines Kältemittelkreislaufs verbunden und der Auslassstutzen 10a mit der Niederdruckseite. Der Kältemittelkreislauf weist mindestens einen Verdichter, einen Kühler bzw. Hochdruckwärmetauscher, das Expansionsventil 1 und einen Verdampfer bzw. Niederdruckwärmetauscher auf, wie weiter unten näher beschrieben.
Zur Steuerung der Durchflussmenge oder zur vollständigen Absperrung des von dem Einlassstutzen 10e zum Auslassstutzen 10a strömenden Kältemittels ist ein zwischen dem Einlassstutzen 10e und dem Auslassstutzen 10a angeordnetes zylinderförmiges Ventilelement 11 vorgesehen, dessen stromabwärts gerichteter Endabschnitt als ein Ventilkegel 11k ausgebildet ist. Der Ventilkegel 11k wirkt mit einem gehäusefesten Ventilsitz 11s zusammen, der als Hohlkegel ausgebildet ist. Wenn der Ventilkegel 11k in dem Ventilsitz 11s zur Anlage kommt, ist das Expansionsventil 1 geschlossen.
Zum Stellen des Expansionsventils 1 ist ein Stellglied 12 vorgesehen, das als eine druckdichte Kammer ausgebildet ist, die von einer an der Unterseite der Kammer angeordneten Membran 12m abgeschlossen ist. An der Unterseite der Membran 12m ist ein Stellstift 12s angeordnet, der durch eine als Druckfeder ausgebildete Einstellfeder 13f einer Einstellvorrichtung 13 mit seinem oberen Endabschnitt gegen die Membran 12m gepresst wird. Die Einstellfeder 13f liegt mit ihrer unteren Stirnseite auf der Oberseite eines Einstellrings 13r auf. Der Einstellring 13r ist auf einem hohlzylindrischen Abschnitt im Innern des Gehäuses 10 geführt, der weiter die Einstellfeder 13f durchgreift. Der kegelförmige Außenumfang des Einstellrings 13r liegt an der Stirnseite einer Einstellschraube 13s an, die in ein Gewindeloch des Gehäuses 10 eingeschraubt ist. Durch Eindrehen der Einstellschraube 13s wird der Einstellring 13r angehoben und die Einstellfeder 13f vorgespannt. Dadurch, dass die Einstellschraube 13s an einem Kegelmantel angreift, ist eine feinfühlige Einstellung und eine Kraftuntersetzung erreicht.
Das Stellglied 12 ist über ein Kapillarrohr 14 mit einem Temperaturfühler 15 verbunden. Der Temperaturfühler 15 ist am Ausgang des Verdampfers bzw. Niederdruckwärmetauschers angeordnet und bestimmt die sogenannte Überhitzung des verdampften Kältemittels. Ein in dem Temperaturfühler 15 enthaltenes Füllmittel erzeugt in Abhängigkeit von der Temperatur des Temperaturfühlers 15 einen Fühlerinnendruck, der über das Kapillarrohr 14 auf die Membran 12m des Stellglieds 12 übertragen wird. Gegen den Fühlerinnendruck, der das Expansionsventil 1 öffnen will, wirkt der Kältemitteldruck auf der Gegenseite der Membran 12m und ein durch die Federkraft der Einstellfeder 13f ausgebildeter Einstelldruck, der wie weiter oben beschrieben, mittels der Einstellschraube 13s justierbar ist. Als Kältemitteldruck liegt in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Verdampfungsdruck des Kältemittels am Austritt des Expansionsventils 1 an. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass der Kältemitteldruck in der Nähe des Temperaturfühlers 15 über eine weiteres Kapillarrohr zum Expansionsventil 1 geführt wird. Derartige Ventile werden als Ventil mit externem Druckausgleich bezeichnet.
Mit zunehmender Temperatur am Temperaturfühler 15 steigt der Fühlerinnendruck und öffnet das Expansionsventil 1. Es wird mehr verdampfendes - und kühlendes - Kältemittel in den Verdampfer eingespritzt. Dies wirkt der Überhitzung des Kältemittels entgegen. Bei fallender Temperatur am Temperaturfühler 15 sinkt der Fühlerinnendruck entsprechend und schließt das Expansionsventil 1. Fällt der Kältemitteldruck stark ab, so steigt bei gleichbleibender Verdampferaustrittstemperatur die Überhitzung des Kältemittels an. Mit sinkendem Kältemitteldruck öffnet das Ventil und wirkt entsprechend den o.g. Ausführungen der Überhitzung entgegen. Umgekehrt ist die Wirkung bei ansteigendem Kältemitteldruck.
2 zeigt eine Kälte- oder Klimaanlage 2 mit einem erfindungsgemäßen thermostatischen Expansionsventil 23 mit einem Temperaturfühler 23t. Die Kälte- oder Klimaanlage 2 weist einen Verdichter 21, bei dem es sich um einen Hubkolben-Verdichter handeln kann, einen Kühler bzw. Hochdruckwärmetauscher 22, das Expansionsventil 23, einen Verdampfer bzw. Niederdruckwärmetauscher 24 und Verbindungsleitungen 25 auf. Das Kältemittel, bei dem es sich in dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel um CO₂ handelt, strömt in einem geschlossenen Kreislauf vom Verdichter 21 über den Kühler 22, der als Gaskühler oder als Kondensator arbeiten kann, das Expansionsventil 23 und den Verdampfer 24 wieder zurück zum Verdichter 21. Das Expansionsventil 23 regelt die Überhitzung des verdampften Kältemittels an einer Stelle zwischen dem Austritt des verdampften Kältemittels aus dem Verdampfer 24 und dem Eintritt des verdampften Kältemittels in den Verdichter 21, an der der Temperaturfühler 23t montiert ist.
3 zeigt eine Kälte- oder Klimaanlage 3 mit zwei erfindungsgemäßen thermostatischen Expansionsventilen 33a und 33b. Die Kälte- oder Klimaanlage 3 weist einen Verdichter 31, bei dem es sich beispielsweise um einen Hubkolben-Verdichter handeln kann, einen Kühler bzw. Hochdruckwärmetauscher 32, sowie zwei parallel angeordnete Abschnitte mit den Expansionsventilen 33a bzw. 33b sowie Verdampfern bzw. Niederdruckwärmetauschern 34a und 34b und Verbindungsleitungen 35 und 35p auf. Das Kältemittel, bei dem es sich in dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel um CO₂ handelt, strömt vom Verdichter 31 über den Kühler 32 und sodann in den parallelen Verbindungsleitungen 35p zu den beiden Expansionsventilen 33a und 33b, und von dort über die jeweiligen Niederdruckwärmetauscher 34a und 34b wieder zurück zum Verdichter 31. Die Expansionsventile 33a und 33b weisen Temperaturfühler 33at bzw. 33bt auf, die zwischen dem Austritt des dampfförmigen Kältemittels aus den Verdampfern 34a bzw. 34b und dem Eintritt des dampfförmigen Kältemittels in den Verdichter 31 montiert sind und regeln die Überhitzung des dampfförmigen Kältemittels an den Messpunkten.
Die 4 bis 6 zeigen nun Druck-Temperatur-Diagramme der Temperaturfühler in 1 bis 3 für ausgewählte Füllmittel, bei denen jeweils auf der X-Achse die Fühlertemperatur im Bereich von -50 °C bis +30 °C abgetragen ist und bei denen auf der Y-Achse der Fühlerinnendruck im Bereich von 0 bar bis 80 bar aufgetragen ist.
4 zeigt Dampfdruckkurven für ein Füllmittel, das aus einem Gemisch aus Kohlenstoffdioxid und Ethin gebildet ist. Die Komponenten des Gemisches sind als Massenanteile in Gewichtsprozent angegeben.
Die obere Dampfdruckkurve zeigt den Dampfdruckverlauf für ein Gemisch aus 100 Gewichtsprozent Kohlenstoffdioxid und 0 Gewichtsprozent Ethin, die untere Dampfdruckkurve zeigt den Dampfdruckverlauf für ein Gemisch aus 0 Gewichtsprozent Kohlenstoffdioxid und 100 Gewichtsprozent Ethin. Der Raum zwischen den beiden Dampfdruckkurven gibt den Dampfdruck von Gemischen aus x Gewichtsprozent Kohlenstoffmonoxid und y Gewichtsprozent Ethin an, wobei der besseren Übersichtlichkeit halber keine Zwischenwerte eingetragen sind. Zwischen der unteren und oberen Dampfdruckkurve kann mit guter Näherung linear interpoliert werden.
Die Zumischung einer Komponente wie Ethin zu dem Füllmittel Kohlenstoffdioxid verbessert das Regelverhalten des in 1 dargestellten Stellglieds und ermöglicht weiter eine optimale Anpassung an den Arbeitspunkt des thermostatischen Expansionsventils 1 und damit eine gute Anpassung an die angestrebte Überhitzung des Kältemittels.
5 zeigt nun Dampfdruckkurven für ein Füllmittel, das aus einem Gemisch aus Kohlenstoffdioxid und Distickstoffmonoxid gebildet ist.
Die obere Dampfdruckkurve zeigt den Dampfdruckverlauf für ein Gemisch aus 100 Gewichtsprozent Kohlenstoffdioxid und 0 Gewichtsprozent Distickstoffmonoxid, die untere Dampfdruckkurve zeigt den Dampfdruckverlauf für ein Gemisch aus 0 Gewichtsprozent Kohlenstoffdioxid und 100 Gewichtsprozent Distickstoffmonoxid. Der Raum zwischen den beiden Dampfdruckkurven gibt den Dampfdruck von Gemischen aus x Gewichtsprozent Kohlenstoffmonoxid und y Gewichtsprozent Distickstoffmonoxid an, wobei der besseren Übersichtlichkeit halber keine Zwischenwerte eingetragen sind. Zwischen der unteren und oberen Dampfdruckkurve kann mit guter Näherung linear interpoliert werden. Im Vergleich mit 4 ist zu erkennen, dass die Dampfdruckkurven für Kohlenstoffdioxid und Distickstoffmonoxid eng beieinander liegen, so dass auch Füllmittel-Gemische auf der Basis von Distickstoffmonoxid vorgesehen sein können.
6 zeigt nun analog zu den 4 und 5 Dampfdruckkurven für ein FüllmittelGemisch aus Kohlenstoffdioxid und Propan.
Die obere Dampfdruckkurve zeigt den Dampfdruckverlauf für ein Gemisch aus 100 Gewichtsprozent Kohlenstoffdioxid und 0 Gewichtsprozent Propan, die untere Dampfdruckkurve zeigt den Dampfdruckverlauf für ein Gemisch aus 0 Gewichtsprozent Kohlenstoffdioxid und 100 Gewichtsprozent Propan. Der Raum zwischen den beiden Dampfdruckkurven gibt den Dampfdruck von Gemischen aus x Gewichtsprozent Kohlenstoffmonoxid und y Gewichtsprozent Propan an. Durch die Zumischung von Propan zu Kohlenstoffdioxid kann ein besonders großer Arbeitsbereich des Füllmittels eingestellt werden.
Wie sich gezeigt hat, können auf der Basis von Kohlenstoffdioxid oder Distickstoffmonoxid und Kohlenwasserstoffen oder Wasser Füllmittel-Gemische bereitgestellt werden, die ein breites Spektrum von Anwendungsbereichen abdecken. Zur Auswahl geeigneter Füllmittel-Gemische können folgende Regeln herangezogen werden.
Es ist vorteilhaft die Mischung so zu wählen, dass bei einer niedrigen Verdampfungstemperatur von z.B. -25°C eine Überhitzung von z.B. 5K erreicht wird. Diese Überhitzung sollte nicht zu groß sein, damit die Verdichtungsendtemperatur bei Verdichtung über den kritischen Druck hinaus nicht zu hoch wird. Andererseits soll vermieden werden, dass unverdampfte Anteile des Kältemittels vom Verdichter angesaugt werden und dort zu Flüssigkeitsschlägen führen.
Es ist weiter vorteilhaft die Mischung so zu wählen, dass bei einer hohen Verdampfungstemperatur von z.B. 10°C eine Überhitzung von z.B. 15 K nicht überschritten wird.
Als besonders vorteilhaft haben sich Gemische, wie in Tabelle 1 und Tabelle 2 dargestellt, gezeigt.

Tabelle 1: Füllmittel-Gemische von Kohlenstoffdioxid (CO₂) und einer weiteren Komponente

Komponente	chemische Formel	minimaler Massenanteil in Gewichtsprozent	maximaler Massenanteil in Gewichtsprozent
Ethan	C₂H₆	43,1	80,97
Propan	C₃H₈	16,65	35,29
Butan	C₄H₁₀	18,77	37,45
Isobutan	C₄H₁₀	18,47	37,15
Pentan	C₅H₁₂	21,9	41,6
Propen	C₃H₆	16,61	35,53
Ethin	C₂H₂	49,46	100
Propin	C₃H₄	14,3	30,97
Methanol	CH₄0	11	24
Wasser	H₂O	6,54	14,96
Distickstoffmonoxid	N₂O	0	100

Tabelle 2: Füllmittel-Gemische von Distickstoffmonoxid (N₂O) und einer weiteren Komponente

Komponente	chemische Formel	minimaler Massenanteil in Gewichtsprozent	maximaler Massenanteil in Gewichtsprozent
Ethan	C₂H₆	23,29	75,29
Propan	C₃H₈	6,58	25,03
Butan	C₄H₁₀	9,89	26,75
Isobutan	C₄H₁₀	9,43	26,51
Pentan	C₅H₁₂	11,78	30,42
Propen	C₃H₆	8,61	28,38
Ethin	C₂H₂	25,31	100
Propin	C₃H₄	7,31	21,65
Methanol	CH₄O	0	16,4
Wasser	H₂O	0	9,47

Die Normalsiedepunkte der Komponenten sind in der nachfolgenden Tabelle 3 angegeben.

Tabelle 3: Normalsiedepunkte der in der Tabelle 1 und 2 angegebenen Komponenten

Komponente	chemische Formel	Normalsiedepunkte in °C
Ethan	C₂H₆	-88,6
Propan	C₃H₈	-42,1
Butan	C₄H₁₀	-0,5
Isobutan	C₄H₁₀	-11,8
Pentan	C₅H₁₂	+36,0
Propen	C₃H₆	-47,6
Ethin	C₂H₂	-84,8
Propin	C₃H₄	-23,2
Methanol	CH₄O	+64,5
Wasser	H₂O	+100,0
Distickstoffmonoxid	N₂O	-88,5
Ammoniak	NH₃	-33,3

Bezugszeichenliste

1: thermostatisches Expansionsventil
2: Kälte- oder Klimaanlage
3: Kälte- oder Klimaanlage
10: Gehäuse
10a: Auslassstutzen
10e: Einlassstutzen
11: Ventilelement
11f: Druckfeder
11k: Ventilkegel
11s: Ventilsitz
12: Stellglied
12m: Membran
12s: Stellstift
13: Einstellvorrichtung
13f: Einstellfeder
13r: Einstellring
13s: Einstellschraube
14: Kapillarrohr
15: Temperaturfühler
20: Kältemittelkreislauf
21: Verdichter
22: Kühler bzw. Hochdruckwärmetauscher
23: Expansionsventil
23t: Temperaturfühler
24: Verdampfer bzw. Niederdruckwärmetauscher
25: Verbindungsleitung
30: Kältemittelkreislauf
31: Verdichter
32: Kühler bzw. Hochdruckwärmetauscher
33a: Expansionsventil
33at: Temperaturfühler
33b: Expansionsventil
33bt: Temperaturfühler
34a: Verdampfer bzw. Niederdruckwärmetauscher
34b: Verdampfer bzw. Niederdruckwärmetauscher
35: Verbindungsleitung
35p: parallele Verbindungsleitung

Claims

Thermostatisches Expansionsventil (1) für eine mit dem Kältemittel CO₂ betriebene Kälteanlage oder Klimaanlage, die mindestens einen Verdichter, einen Kühler, das thermostatische Expansionsventil (1) und einen Verdampfer umfasst, wobei das Expansionsventil ein Ventilelement (11) und ein ohne Hilfsenergie betriebenes und das Ventilelement (11) stellendes Stellglied (12) mit einem Temperaturfühler (15) aufweist, der mit einem Füllmittel gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, e) dass das Füllmittel Distickstoffmonoxid ist, oder f) dass das Füllmittel ein Gemisch aus mindestens den Komponenten Distickstoffmonoxid und einem Kohlenwasserstoff ist, oder g) dass das Füllmittel ein Gemisch aus mindestens den Komponenten Distickstoffmonoxid und Wasser ist, oder h) dass das Füllmittel ein Gemisch aus mindestens den Komponenten Distickstoffmonoxid und einem organischen oder anorganischen Stoff mit einem Normalsiedepunkt zwischen -90°C und +200°C ist.
Thermostatisches Expansionsventil nach Anspruch 1 Alternative f, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Kohlenwasserstoff um einen Kohlenwasserstoff aus der Gruppe der Alkane, Alkene, Alkine, oder Alkanole handelt.
Thermostatisches Expansionsventil nach Anspruch 1 Alternative h, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem anorganischen Stoff um Ammoniak handelt.
Thermostatisches Expansionsventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmittel mindestens die Komponenten Distickstoffmonoxid und Ethan mit einem Massenanteilverhältnis von 77 zu 23 bis 24 zu 76 aufweist, und/oder dass das Füllmittel aus Distickstoffmonoxid und Ethan besteht, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass das Ethan einen Massenanteil zwischen 23 und 76 Gewichtsprozent des Füllmittels aufweist.
Thermostatisches Expansionsventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmittel mindestens die Komponenten Distickstoffmonoxid und Propan mit einem Massenanteilverhältnis von 94 zu 6 bis 74 zu 26 aufweist, und/oder dass das Füllmittel aus Distickstoffmonoxid und Propan besteht, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass das Propan einen Massenanteil zwischen 6 und 26 Gewichtsprozent des Füllmittels aufweist.
Thermostatisches Expansionsventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmittel mindestens die Komponenten Distickstoffmonoxid und Butan mit einem Massenanteilverhältnis von 91 zu 9 bis 73 zu 27 aufweist, und/oder dass das Füllmittel aus Distickstoffmonoxid und Butan besteht, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass das Butan einen Massenanteil zwischen 9 und 27 Gewichtsprozent des Füllmittels aufweist.
Thermostatisches Expansionsventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmittel mindestens die Komponenten Distickstoffmonoxid und Isobutan mit einem Massenanteilverhältnis von 91 zu 9 bis 73 zu 27 aufweist, und/oder dass das Füllmittel aus Distickstoffmonoxid und Isobutan besteht, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass das Isobutan einen Massenanteil zwischen 9 und 27 Gewichtsprozent des Füllmittels aufweist.
Thermostatisches Expansionsventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmittel mindestens die Komponenten Distickstoffmonoxid und Pentan mit einem Massenanteilverhältnis von 89 zu 11 bis 69 zu 31 aufweist, und/oder dass das Füllmittel aus Distickstoffmonoxid und Pentan besteht, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass das Pentan einen Massenanteil zwischen 11 und 31 Gewichtsprozent des Füllmittels aufweist.
Thermostatisches Expansionsventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmittel mindestens die Komponenten Distickstoffmonoxid und Propen mit einem Massenanteilverhältnis von 92 zu 8 bis 71 zu 29 aufweist, und/oder dass das Füllmittel aus Distickstoffmonoxid und Propen besteht, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass das Propen einen Massenanteil zwischen 8 und 29 Gewichtsprozent des Füllmittels aufweist.
Thermostatisches Expansionsventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmittel mindestens die Komponenten Distickstoffmonoxid und Ethin mit einem Massenanteilverhältnis von 75 zu 25 bis 0,1 zu 99,9 aufweist, und/oder dass das Füllmittel aus Distickstoffmonoxid und Ethin besteht, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass das Ethin einen Massenanteil von mindestens 25 Gewichtsprozent des Füllmittels aufweist.
Thermostatisches Expansionsventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmittel mindestens die Komponenten Distickstoffmonoxid und Propin mit einem Massenanteilverhältnis von 93 zu 7 bis 78 zu 22 aufweist, und/oder dass das Füllmittel aus Distickstoffmonoxid und Propin besteht, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass das Propin einen Massenanteil zwischen 7 und 22 Gewichtsprozent des Füllmittels aufweist.
Thermostatisches Expansionsventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmittel mindestens die Komponenten Distickstoffmonoxid und Methanol mit einem Massenanteilverhältnis von 99,9 zu 0,1 bis 83 zu 17 aufweist, und/oder dass das Füllmittel aus Distickstoffmonoxid und Methanol besteht, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass das Methanol einen Massenanteil von maximal 17 Gewichtsprozent des Füllmittels aufweist.
Thermostatisches Expansionsventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmittel mindestens die Komponenten Distickstoffmonoxid und Wasser mit einem Massenanteilverhältnis von 99,9 zu 0,1 bis 90 zu 10 aufweist, und/oder dass das Füllmittel aus Distickstoffmonoxid und Wasser besteht, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass das Wasser einen Massenanteil von maximal 10 Gewichtsprozent des Füllmittels aufweist.
Thermostatisches Expansionsventil nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmittel mindestens die Komponente Distickstoffmonoxid und Ammoniak mit einem Massenanteilverhältnis von 97,2 zu 2,8 bis 88,6 zu 11,4 aufweist, und/oder dass das Füllmittel aus Distickstoffmonoxid und Ammoniak besteht, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass das Ammoniak einen Massenanteil von 2 bis 12 Gew% des Füllmittels aufweist.
Thermostatisches Expansionsventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (12) als ein Membran- oder Balgsystem ausgebildet ist, das mittels einer Kapillarleitung (14) mit dem Ausgang des Temperaturfühlers (15) verbunden ist.
Thermisches Expansionsventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellweg des Ventilelements (11) dem Stellweg des Stellgliedes (12) entspricht.
Thermostatisches Expansionsventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellweg des Ventilelements (11) kleiner oder größer als der Stellweg des Stellgliedes (12) ist.
Thermostatisches Expansionsventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der in dem stromabwärts hinter dem Ventilelement (11) verlaufenden inneren Abschnitt des Expansionsventils (1) ausgebildete Niederdruck auf das Stellglied (12) übertragen ist.
Kälteanlage oder Klimaanlage mit dem Kältemittel CO₂ mit einem Kältemittelkreislauf, der mindestens einen Verdichter, einen Kühler, ein thermostatische Expansionsventil und einen Verdampfer umfasst, wobei das Expansionsventil (1) ein Ventilelement (11) ein ohne Hilfsenergie betriebenes und das Ventilelement (11) stellendes Stellglied (12) mit einem Temperaturfühler (15) aufweist, der mit einem Füllmittel gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, e) dass das Füllmittel Distickstoffmonoxid ist, oder f) dass das Füllmittel ein Gemisch aus mindestens den Komponenten Distickstoffmonoxid und einem Kohlenwasserstoff ist, oder g) dass das Füllmittel ein Gemisch aus mindestens den Komponenten Distickstoffmonoxid und Wasser ist, oder h) dass das Füllmittel ein Gemisch aus mindestens den Komponenten Distickstoffmonoxid und einem organischen oder anorganischen Stoff mit einem Normalsiedepunkt zwischen -90°C und +200°C ist, dass das Füllmittel des Temperaturfühlers (15) einen Fühlerinnendruck ausbildet, der der Summe aus dem Verdampfungsdruck des Kältemittels und einem durch eine Einstellvorrichtung (13) hervorgerufenen Druck entspricht, wenn die am Ausgang des Verdampfers auf den Temperaturfühler (15) einwirkende Temperatur gleich der Soll-Überhitzungstemperatur des Kältemittels ist.
Kälteanlage oder Klimaanlage nach Anspruch 19 Alternative f, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Kohlenwasserstoff um einen Kohlenwasserstoff aus der Gruppe der Alkane, Alkene, Alkine, oder Alkanole handelt.
Kälteanlage oder Klimaanlage nach Anspruch 19 Alternative h, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem anorganischen Stoff um Ammoniak handelt.
Kälteanlage oder Klimaanlage nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmittel mindestens die Komponenten Distickstoffmonoxid und Ethan mit einem Massenanteilverhältnis von 77 zu 23 bis 24 zu 76 aufweist, und/oder dass das Füllmittel aus Distickstoffmonoxid und Ethan besteht, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass das Ethan einen Massenanteil zwischen 23 und 76 Gewichtsprozent des Füllmittels aufweist.
Kälteanlage oder Klimaanlage nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmittel mindestens die Komponenten Distickstoffmonoxid und Propan mit einem Massenanteilverhältnis von 94 zu 6 bis 74 zu 26 aufweist, und/oder dass das Füllmittel aus Distickstoffmonoxid und Propan besteht, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass das Propan einen Massenanteil zwischen 6 und 26 Gewichtsprozent des Füllmittels aufweist.
Kälteanlage oder Klimaanlage nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmittel mindestens die Komponenten Distickstoffmonoxid und Butan mit einem Massenanteilverhältnis von 91 zu 9 bis 73 zu 27 aufweist, und/oder dass das Füllmittel aus Distickstoffmonoxid und Butan besteht, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass das Butan einen Massenanteil zwischen 9 und 27 Gewichtsprozent des Füllmittels aufweist.
Kälteanlage oder Klimaanlage nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmittel mindestens die Komponenten Distickstoffmonoxid und Isobutan mit einem Massenanteilverhältnis von 91 zu 9 bis 73 zu 27 aufweist, und/oder dass das Füllmittel aus Distickstoffmonoxid und Isobutan besteht, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass das Isobutan einen Massenanteil zwischen 9 und 27 Gewichtsprozent des Füllmittels aufweist.
Kälteanlage oder Klimaanlage nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmittel mindestens die Komponenten Distickstoffmonoxid und Pentan mit einem Massenanteilverhältnis von 89 zu 11 bis 69 zu 31 aufweist, und/oder dass das Füllmittel aus Distickstoffmonoxid und Pentan besteht, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass das Pentan einen Massenanteil zwischen 11 und 31 Gewichtsprozent des Füllmittels aufweist.
Kälteanlage oder Klimaanlage nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmittel mindestens die Komponenten Distickstoffmonoxid und Propen mit einem Massenanteilverhältnis von 92 zu 8 bis 71 zu 29 aufweist, und/oder dass das Füllmittel aus Distickstoffmonoxid und Propen besteht, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass das Propen einen Massenanteil zwischen 8 und 29 Gewichtsprozent des Füllmittels aufweist.
Kälteanlage oder Klimaanlage nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmittel mindestens die Komponenten Distickstoffmonoxid und Ethin mit einem Massenanteilverhältnis von 75 zu 25 bis 0,1 zu 99,9 aufweist, und/oder dass das Füllmittel aus Distickstoffmonoxid und Ethin besteht, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass das Ethin einen Massenanteil von mindestens 25 Gewichtsprozent des Füllmittels aufweist.
Kälteanlage oder Klimaanlage nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmittel mindestens die Komponenten Distickstoffmonoxid und Propin mit einem Massenanteilverhältnis von 93 zu 7 bis 78 zu 22 aufweist, und/oder dass das Füllmittel aus Distickstoffmonoxid und Propin besteht, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass das Propin einen Massenanteil zwischen 7 und 22 Gewichtsprozent des Füllmittels aufweist.
Kälteanlage oder Klimaanlage nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmittel mindestens die Komponenten Distickstoffmonoxid und Methanol mit einem Massenanteilverhältnis von 99,9 zu 0,1 bis 83 zu 17 aufweist, und/oder dass das Füllmittel aus Distickstoffmonoxid und Methanol besteht, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass das Methanol einen Massenanteil von maximal 17 Gewichtsprozent des Füllmittels aufweist.
Kälteanlage oder Klimaanlage nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmittel mindestens die Komponenten Distickstoffmonoxid und Wasser mit einem Massenanteilverhältnis von 99,9 zu 0,1 bis 90 zu 10 aufweist, und/oder dass das Füllmittel aus Distickstoffmonoxid und Wasser besteht, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass das Wasser einen Massenanteil von maximal 10 Gewichtsprozent des Füllmittels aufweist.
Kälteanlage oder Klimaanlage nach Anspruch 19 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmittel mindestens die Komponenten Kohlenstoffdioxid (CO₂) und Ammoniak mit einem Massenanteilverhältnis von 93,1 zu 6,9 bis 82,4 zu 17,6 aufweist, und/oder dass das Füllmittel aus Kohlenstoffdioxid (CO₂) und Ammoniak besteht, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass das Ammoniak einen Massenanteil von 6 bis 18 Gew% des Füllmittels aufweist.
Kälteanlage oder Klimaanlage nach Anspruch 19 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmittel mindestens die Komponente Distickstoffmonoxid und Ammoniak mit einem Massenanteilverhältnis von 97,2 zu 2,8 bis 88,6 zu 11,4 aufweist, und/oder dass das Füllmittel aus Distickstoffmonoxid und Ammoniak besteht, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass das Ammoniak einen Massenanteil von 2 bis 12 Gew% des Füllmittels aufweist.
Kälteanlage oder Klimaanlage nach einem der Ansprüche 19 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (12) als ein Membran- oder Balgsystem ausgebildet ist, das mittels einer Kapillarleitung (14) mit dem Ausgang des Temperaturfühlers (15) verbunden ist.