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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Massenstromes
in einem Kälte- beziehungsweise Wärmekreislauf,
insbesondere einer mit CO2 als Kältemittel
betriebenen Fahrzeugklimaanlage, sowie ein Expansionsventil.
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Aus
der
DE 10 2004
010 997 A1 ist ein Expansionsventil sowie ein Verfahren
zu dessen Steuerung bekannt geworden, welches ein Ventilgehäuse mit
einer Zuführöffnung und einer Abführöffnung
aufweist. In einer dazwischen liegenden Durchgangsöffnung
ist ein Ventilschließglied vorgesehen, welches einen Ventilsitz
der Durchgangsöffnung schließt. An dem Ventilschließglied
greift eine Rückstelleinrichtung an, welche das Ventilschließglied
in Richtung auf den Ventilsitz zubewegt. Eine Öff nungskraft
des Ventilschließgliedes resultiert aus eine Druckdifferenz
zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite am Ventilschließglied.
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Aufgrund
von unterschiedlichen Betriebsbedingungen und Anforderungen ist
es erforderlich, die Funktionsweise solcher Expansionsventile und
insbesondere das Ansprechverhalten der Expansionsventile zu verbessern.
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Der
Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur
Regelung eines Massenstromes in einem Kälte- beziehungsweise
Wärmekreislauf, insbesondere einer mit CO2 als
Kältemittel betriebenen Fahrzeugklimaanlage, mit einem
Expansionsventil zu verbessern, sowie ein Expansionsventil zu schaffen,
wodurch ermöglicht ist, dass bereits in einer Startphase
des Kälte- beziehungsweise Wärmekreislaufes eine
optimale Kühlleistung sowie ein verbessertes Ansprechverhalten
des Expansionsventils erfolgt.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren
gelöst, bei dem eine temperatur- und druckabhängige
Regeleinrichtung mit dem Ventilschließglied des Expansionsventils
gekoppelt und in einer Startphase des Kälte- beziehungsweise
Wärmekreislaufes eine Öffnungsbewegung durch die
Regeleinrichtung auf das Ventilschließglied zur Regelung
des Massenstromes solange übertragen wird, bis zumindest
der auf die Regeleinrichtung wirkende Hochdruck größer
als der Innendruck der Regeleinrichtung wird.
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Dadurch
wird das Ansprechverhalten des Expansionsventils zur Regelung des
Massenstromes, insbesondere in der Startphase, verbessert. Durch
eine solche Ansteuerung des Ventilschließgliedes mit einer
Regeleinrichtung wird bereits in der Startphase beim Betrieb des
Kälte- beziehungsweise Wärmekreislaufs, in der
eine sehr geringe Druckdifferenz zwischen der Hochdruckseite und
der Niederdruckseite vorliegt, ein erhöhter Durchsatz des
Massenstromes erzielt, obwohl die Druckdifferenz zur Ansteuerung
des Expansionsventils noch nicht aufgebaut ist und ein Öffnen
der Durchgangsbohrung nicht oder nur in einem zu geringen Maß angesteuert
wird. Dadurch wird gleichzeitig ein zu schneller Aufbau des Hochdrucks
auf der Hochdruckseite verhindert. Durch das erfindungsgemäße
Verfahren wird somit das Ansprechverhalten des Kälte- beziehungsweise Wärmekreislaufes
in der Startphase verbessert, indem das Ventilschließglied
bereits in einer Startphase zum Öffnen an der Expansionsstelle
durch die Regeleinrichtung gezwungen wird, obwohl der Arbeitsdifferenzdruck
beziehungsweise der Bereich der Druckdifferenz zur Ansteuerung des
Expansionsventils noch nicht aufgebaut ist beziehungsweise sich eingestellt
hat. Sobald in dem Kälte- beziehungsweise Wärmekreislauf
sich ein ausreichender Differenzdruck im Arbeitsbereich des Expansionsventils
eingestellt hat, kann das Ventilschließglied unabhängig von
der Regeleinrichtung anschließend aufgrund des Differenzdruckes
vor und nach der Expansionsstelle angesteuert werden. Die Regeleinrichtung
wird hierzu zumindest durch den Hochdruck von dem Ventilschließglied
entkoppelt.
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Die
Steuerfüllung der Regeleinrichtung weist bevorzugt eine
Fülldichte auf, die unterhalb ihrer kritischen Dichte 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). Dadurch wird ermöglicht, dass die Regeleinrichtung
im Wesentlichen aufgrund der Druckdifferenz vor und nach der Expansionsstelle
ansteuerbar ist, ohne dass die Regeleinrichtung die Druckdifferenzregelung
beeinträchtigt.
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Nach
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
die Regeleinrichtung als Membranelement oder Balg ausgebildet und
mit einem Gas-MOP-Füllmedium gefüllt wird. Dadurch wird
die Um gebungstemperatur beziehungsweise Starttemperatur als Eingangsgröße
zur Ansteuerung des Ventilschließglieds durch die Regeleinrichtung berücksichtigt
und eine Zwangsöffnung der Durchgangsbohrung einstellbar.
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Eine
weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die
balg- oder membranartige Regeleinrichtung mit einem Kältemittel,
vorzugsweise CO2 gefüllt wird.
Dadurch können die gewünschten Innendrücke
in einfacher Weise eingestellt werden. Darüber hinaus kann
dadurch eine exakte temperaturabhängige Steuerung der Hubbewegung
eingestellt werden.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen,
dass der auf das Ventilschließglied wirkende Öffnungshub
der Regeleinrichtung einen mechanischen Anschlag begrenzt wird.
Dies weist den Vorteil auf, dass ab einer bestimmten Druckdifferenz
und/oder einem auf der Hochdruckseite auf die Regeleinrichtung wirkenden Hochdruck
eine Hubbegrenzung ermöglicht wird, so dass das Ventilschließglied
unabhängig von der Regeleinrichtung arbeitet und die Expansion
des Massenstromes ermöglicht.
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Die
Erfindung wird des Weiteren durch eine Vorrichtung gemäß den
Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Dabei ist vorgesehen,
dass das Expansionsventil mit einer druck- und temperaturabhängigen Regeleinrichtung
gekoppelt ist, die in Öffnungsrichtung des Ventilschließgliedes
solange einwirkt, bis eine Hubbewegung des Ventilschließgliedes
aufgrund der Druckdifferenz zwischen der Hochdruckseite und der
Niederdruckseite ansteuerbar ist. Durch die Anordnung der Regeleinrichtung
zum Ventilschließglied, die zumindest in einer Startphase
des Kälte- beziehungsweise Wärmekreislaufes im
Expansionsventil miteinander gekoppelt sind und in einer Betriebsphase
voneinander entkoppelt sind, wird ermöglicht, dass in einer
Anfangsphase oder Startphase des Kälte- beziehungsweise
Wärmekreislaufes ein schnelleres Ansprechen des Expansionsventils
erzielt wird. Dadurch wird auch der Kälte- beziehungsweise
Wärmekreislauf innerhalb einer kürzeren Zeitdauer
in einen optimalen Regelbereich oder in eine optimale Betriebsphase übergeführt.
Insbe sondere bei hohen Startdrücken des Kreislaufes und hohen
Umgebungstemperaturen beziehungsweise Starttemperaturen wird durch
die überlagerte Ansteuerung des Ventilschließgliedes
durch die Regeleinrichtung ein vorzeitig erhöhter Massenstrom
erzielt, der insbesondere eine langsame Zunahme des Hochdrucks bewirkt,
um die für das Ventilschließglied mindestens erforderliche
Arbeitsdruckdifferenz durch Absenkung des Niederdruckes aufzubauen.
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Nach
einer bevorzugten Ausgestaltung des Expansionsventils sind die Regeleinrichtung
und das Ventilschließglied in Reihe hintereinander in einem hochdruckseitigen
Aufnahmeraum des Ventilgehäuses vorgesehen. Dadurch kann
eine kompakte Anordnung und ein konstruktiv einfacher Aufbau erzielt werden.
Insbesondere weist diese Hintereinanderschaltung von Ventilschließglied
und Regeleinrichtung den Vorteil auf, dass zunächst die
Regeleinrichtung mit dem hochdruckseitigen Massenstrom umströmt
und anschließend zur Expansionsstelle geführt
wird. Des Weiteren ermöglicht diese Anordnung eine patronenartige
Ausgestaltung eines Expansionsventils, welches in einfacher Weise
zwischen jeweils einer Anschlussstelle von zwei Rohrleitungsabschnitten
des Kältebeziehungsweise Wärmekreislaufes vorgesehen
ist.
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Des
Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass die Regeleinrichtung vollständig
von dem Kältemittel umströmt ist. Dadurch kann
eine unmittelbare Einwirkung der Temperatur und des Druckes des Massenstromes
auf die Regeleinrichtung erzielt werden, um eine direkte und genaue
Ansteuerung des Ventilschließgliedes zu erreichen.
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Des
Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass die Regeleinrichtung als
Balg- oder Membranelement ausgebildet ist, welches mit einem Füllmedium
befüllbar ist. Durch die Anordnung eines Balges oder eines
Membranelementes kann sowohl eine temperatur- als auch druckabhängige
Regeleinrichtung geschaffen werden, so dass beide Parameter bei
der Ansteuerung des Ventilschließgliedes Eingang finden.
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Die
Regeleinrichtung weist bevorzugt eine Steuerfläche auf,
die lösbar zur Stirnfläche des Ventilschließgliedes
angeordnet ist und vorzugsweise an dem Ventilschließglied
gegenüberliegend angreift. Dadurch kann eine zwangsweise
Führung des Ventilschließgliedes bei einer Hubbewegung
der Regeleinrichtung erfolgen. Sofern ein hinreichender Hochdruck
an der Steuerfläche der Regeleinrichtung anliegt, wird
die Regeleinrichtung auf einen Hub beschränkt, so dass
die Stirnfläche des Ventilschließgliedes von der
Steuerfläche abhebt und unabhängig von der Regeleinrichtung
in Abhängigkeit der herrschenden Druckdifferenz arbeiten
kann.
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Die
Steuerfläche der Regeleinrichtung ist bevorzugt an einem
Balgboden oder einem Membranboden des Membranelementes vorgesehen.
Dadurch kann ein konstruktiv einfacher Aufbau gegeben sein, indem
der Boden der Regeleinrichtung gleichzeitig die Steuerfläche
umfasst.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist in der
als Balg- oder Membranelement ausgebildeten Regeleinrichtung ein
Anschlag zur Hubbegrenzung der Steuerfläche vorgesehen.
Dadurch kann wiederum sichergestellt werden, dass die Regeleinrichtung
nur innerhalb vordefinierter Druck- und Temperaturbereiche eine Öffnungsbewegung
auf das Ventilschließglied bewirkt und im üblichen
Einsatzbereich des Druckdifferenzventils nicht an dem Ventilschließglied
angreift, sondern mechanisch entkoppelt ist.
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Des
Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass die Steuerfläche
der Regeleinrichtung ein Führungselement aufweist, welches
relativ in Abhängigkeit der Hubbewegung der Regeleinrichtung
zum Anschlag bewegbar ist und den Anschlag zur Begrenzung der Hubbewegung
der Steuerfläche hintergreift. Dadurch wird eine konstruktiv
einfache Anordnung und ein bauraumreduzierter Aufbau ermöglicht.
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Nach
einer ersten bevorzugten Ausgestaltung des Expansionsventils ist
vorgesehen, dass die Rückstelleinrichtung, welche an dem
Ventilschließglied angreift, als Federelement ausgebildet
ist, und insbesondere als Druckfeder in Schließrichtung
des Ventilschließgliedes wirkt. Bei dieser Ausgestaltung ist
bevorzugt vorgesehen, dass ein Einstellelement an einem Ventilschaft
des Ventilschließgliedes angreift, so dass die Druckkraft
des Federelementes einstellbar ist, welches sich gegenüberliegend an
einem Gehäuseabschnitt abstützt, in dem die Durchgangsbohrung
und der Ventilsitz angeordnet sind.
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Nach
einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
die Rückstelleinrichtung als Federelement ausgebildet ist,
welche insbesondere als Zugfeder in Schließrichtung des
Ventilschließgliedes wirkt. Diese alternative Ausgestaltung ermöglicht
ebenfalls eine konstruktiv einfache Ausgestaltung.
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Des
Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass die als Zugfeder ausgebildete
Rückstelleinrichtung an einem Ventilschaft des Ventilschließgliedes einerseits
und an einer Innenumfangsfläche des Ventilgehäuses
andererseits angreift. Obwohl die Zugfeder den Aufnahmeraum durchquert,
beeinflusst diese Anordnung der Rückstelleinrichtung die
Funktion des Expansionsventils nicht.
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Des
Weiteren ist bei dieser alternativen Ausführungsform vorgesehen,
dass das Ventilschließglied durch ein Führungselement
axial verschiebbar zur Durchgangsbohrung gelagert ist. Dadurch kann eine
zusätzliche Führung des Ventilschließgliedes zum
Ventilgehäuse ermöglicht werden. Das Führungselement
ist bevorzugt als Blechstanz- und/oder Biegeteilausgebildet. Diese
Anordnung ermöglicht eine Durchströmung des Ventilgehäuses
vom Expansionsventil ohne Strömungsumlenkungen.
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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 Kältekreislaufes,
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2a eine
schematische Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform
eines Expansionsventils,
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2b eine
schematisch vergrößerte Ansicht der Reguliereinrichtung
gemäß dem Expansionsventil in 2a
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3 eine
schematische Teilschnittdarstellung einer alternativen Ausführungsform
des Expansionsventils gemäß 2a und
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4 ein Diagramm, welches die Wirkung der
Regeleinrichtung im Expansionsventil verdeutlicht.
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1 zeigt
einen Kälte- beziehungsweise Wärmekreislauf 11 einer
Klimaanlage, welche insbesondere in Kraftfahrzeugen eingesetzt wird.
In einem Verdichter 12 wird ein Kältemittel, insbesondere R134a,
komprimiert. Das komprimierte Kältemittel wird einem Kondensator 13 zugeführt,
wobei ein Wärmeaustausch zwischen dem komprimierten Kältemittel
und der Umgebung stattfindet, um das Kältemittel zu kühlen.
Dem Kondensator 13 nachgeordnet kann ein Akkumulator 17 vorgesehen
sein, um Kältemittel der Gasphase und der flüssigen
Phase zu trennen und gleichzeitig flüssiges Kältemittel
zu sammeln. Das den Kondensator 13 beziehungsweise den
Akkumulator 17 verlassende Kältemittel gelangt an
einen inneren Wärmetauscher 14. Zwischen dem inneren
Wärmetauscher 14 und dem Verdampfer 16 ist
ein Expansionsventil 15 vorgesehen. Durch das Expansionsventil 15 wird
der Massenstrom der Klimaanlage in Abhängigkeit der anstehenden
Druckdifferenz geregelt. Das unter Hochdruck stehende Kältemittel
wird durch das Expansionsventil 15 expandiert und gelangt
niederdruckseitig zum Verdampfer 16. Aus dem Verdampfer 16 nimmt
das Kältemittel Wärme aus der Umgebung auf. Von
dort aus wird das Kältemittel über den inneren
Wärmetauscher 14 wieder dem Verdichter 12 zugeführt.
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In 2a ist
eine erste Ausführungsform des Expansionsventils 15 gemäß 1 im
Vollquerschnitt dargestellt. Dieses Expansionsventil 15 ist beispielsweise
als patronenförmige Baueinheit ausgebildet und weist ein
Ventilgehäuse 23 auf, welches bevorzugt rohrförmig
ausgebildet ist.
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In
dem Ventilgehäuse
23 ist ein Aufnahmeraum
24 mit
einer Zuführöffnung
20 und einer Abführöffnung
23 vorgesehen,
die über die jeweiligen Anschlussstücke
21 mit
einer vom inneren Wärmetauscher
14 kommenden Leitung
und einer zum Verdampfer
16 führenden Leitung
verbindbar sind. Der Zuführöffnung
20 nachgeschalten
ist eine Lochplatte
26 vorgesehen. Diese Lochplatte
26 ermöglicht,
dass beispielsweise daran eine Regeleinrichtung
28 in den Aufnahmeraum
24 hochdruckseitig
befestigbar ist. Verdampferseitig beziehungsweise niederdruckseitig ist
ein Ventilkörper
31 in den Aufnahmeraum
24 des Ventilgehäuses
23 bevorzugt
einschraubbar vorgesehen und insbesondere über eine Dichtung
35 zum Ventilgehäuse
23 befestigt
ist. Der Ventilkörper
31 nimmt ein Ventilschließglied
32 auf
und weist eine Durchgangsbohrung
33 auf, in der das Ventilschließglied
32 vorgesehen
ist und mit einem daran angeordneten Ventilsitz
34 in einer
Schließposition
36 schließt. Zur Einnahme
der Schließposition
36 ist eine Rückstelleinrichtung
37 vorgesehen,
welche sich einerseits an dem Ventilkörper
31 abstützt
und gegenüberliegend an einer Einstelleinrichtung
38, welche
vorzugsweise axial verschiebbar und einstellbar an einem Ventilschaft
39 des
Ventilschließgliedes
32 angeordnet ist. In dem
Ventilkörper
31 sind Querbohrungen
41 vorgesehen,
welche einen Durchgang zwischen dem Aufnahmeraum
24 und
der Durchgangsbohrung
33 bilden, damit der Massenstrom niederdruckseitig
in das Anschlussstück
21 der Ausgangsöffnung
22 am
Ventilgehäuse
23 strömen kann. Eine solche
Anordnung und Funktionsweise eines Expansionsventils ohne die Regeleinrichtung
28 ist aus
der
DE 10 2004
010 997 B3 bekannt, auf die vollumfänglich Bezug
genommen wird.
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Die
Regeleinrichtung 28, die in 2b vergrößert
dargestellt ist, ist hochdruckseitig in Reihe zum Ventilschließglied 32 angeordnet,
wobei die Regeleinrichtung 28 stromauf zum Ventilschließglied 32 angeordnet
ist. Bevorzugt ist die Regeleinrichtung 28 vollständig
in dem Aufnahmeraum 24 integriert, so dass das Kältemittel
die Regeleinrichtung 28 vollständig umströmen
und vollständig auf die Regeleinrichtung 28 einwirken
kann.
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Bei
dieser ersten Ausführungsform ist die Regeleinrichtung 28 als
Balg 43, insbesondere Metallbalg, ausgebildet, welcher über
ein Befestigungselement 44 an der Lochplatte 26 beziehungsweise am
Ventilge häuse 23 befestigbar ist. An dem Befestigungselement 44 ist
ein Halteelement 45 vorgesehen, welches einerseits an dem
Befestigungselement 45 aufsteckbar, aufpressbar oder aufschraubbar
ist und andererseits entfernt dazu einen Anschlag 53 aufweist.
Dem Befestigungselement 44 gegenüberliegend ist
am Balg 43 eine Steuerfläche 46 ausgebildet,
welche vorzugsweise am Boden 47 des Balges 43 angeordnet
ist. Diese Stirnfläche 46 liegt auf einer Stirnfläche 49 des
Ventilschließgliedes 32 beziehungsweise dessen
Ventilschaftes 39 an. An dem Boden 47 ist bevorzugt
ein Führungselement 51 vorgesehen, welches in
das Innere des Balges 43 ragt. An diesem Führungselement 51 ist
ein Schulter 52 ausgebildet, die an dem Anschlag 53 angreift
und eine Hubbewegung des Balges 43 begrenzt. Alternativ
kann diese Hubbegrenzung an dem Führungselement 51 und
der daran angeordneten Hinterschneidung sowie dem Anschlag 53 auch
außerhalb des Balges 43 angeordnet sein. Durch
diese Anordnung kann eine maximale Hubbewegung A der Regeleinrichtung 28 eingestellt
werden.
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Der
Balg 43 ist mit einem Gas-MOP-Füllmedium, vorzugsweise
CO2, gefüllt.
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In 3 ist
eine schematische Teilschnittdarstellung einer alternativen Ausführungsform
eines Expansionsventils 15 zum Expansionsventil 15 gemäß 2 dargestellt.
Die prinzipielle Anordnung und Funktionsweise entspricht dem Expansionsventil 15 in 2.
Das in 3 dargestellte Expansionsventil 15 weicht
zum einen dadurch ab, dass die Rückstelleinrichtung 37 anstelle
als spiralförmige Druckfeder als spiralförmige
Zugfeder ausgebildet ist. Dadurch wird das aus einer Schließposition 36 ausgelenkte
Ventilschließglied 32 durch eine Zugkraft in den
Ventilsitz 34 wieder zurückgeführt. Hierfür ist
an dem Ventilschaft 39 eine nutenförmige Vertiefung 57 vorgesehen,
in welche ein ringförmiges Element 58, insbesondere
ein Sicherungsring, Federring oder dergleichen, einsetzbar ist,
so dass eine erste Windung der Zugfeder an diesem Element 58 angreift.
Eine innere Umfangsfläche des Ventilgehäuses 23 weist
eine konische Verjüngung 59 auf, an welcher ein
gegenüberliegendes Ende der Rückstelleinrichtung 37 anliegt.
Durch diese Ausgestaltung ist ermöglicht, dass der Aufnahmeraum 24 unmittelbar ohne
Querbohrung in eine Durchgangsbohrung 33 übergeführt
werden kann. Zur Führung des Ventilschließgliedes 32 ist
beispielsweise ein Führungselement 61 vorgesehen.
Hierbei kann es sich um einen blechförmigen Federhalter
oder dergleichen handeln. Alternativ kann auch ein Führungselement 61 in Form
einer ringförmigen Scheibe eingesetzt werden, welche am
Außenumfang Abflachungen oder einen Kranz von Durchgangsbohrungen
aufweist, um ein Durchströmen des Massenstromes zu ermöglichen.
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Die
Ausführungsform gemäß 3 weicht im
Hinblick auf die Ausgestaltung der Regeleinrichtung 28 des
Weiteren von der Ausführungsform in 2 ab. Bei
dieser Ausführungsform umfasst das Führungselement 51 ein
Schulter 52, welche durch ein Verstemmen beziehungsweise
Verschrauben eines Endes geschaffen wird, so dass dieser Schulter 52 an
einem Anschlag 53 anliegt und diesen hintergreift. Damit
eine Zugänglichkeit zum Verstemmen des Schulters 52 gegeben
ist, wird der Anschlag 53, der auch ein Balgende aufnimmt,
auf dem Befestigungselement 44 bevorzugt durch eine Schraubverbindung
befestigt.
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Eine
Steuerfläche 46 am Balg 43 ist bei dieser
Ausführungsform beispielsweise als U-förmige Vertiefung
ausgebildet, in welche eine Stirnfläche 49, die
an einem Zapfen des Ventilschaftes 39 angeformt ist, eingreifen
kann. Diese Anordnung weist des Weiteren den Vorteil auf, dass eine
Hubbewegung des Balges 43 sicher auf das Ventilschließglied 32 übertragen
werden kann. Alternativ kann auch eine ebene Steuerfläche 46 plan
an der Stirnfläche 49 des Ventilschließgliedes 32 anliegen.
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Die
Schnittstelle zwischen der Steuerfläche 46 des
Balges 43 und der Stirnfläche 49 des
Ventilschließgliedes 32 kann auch nahe am Balgende
vorgesehen sein.
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Bei
dieser Ausführungsform gemäß 3 ist des
Weiteren vorgesehen, dass das Ventilgehäuse 23 beispielsweise
zweiteilig ausgebildet ist. Die Schnittstelle kann dabei zwischen
der konischen Verjüngung 59 und dem Befestigungselement 58 beziehungsweise
der Vertiefung 57 am Ventilschaft 39 liegen, so
dass beim Einsatz der Prüfstelleinrichtung 37 als
Zugfeder eine einfache Montage gegeben ist.
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Die
Anordnung eines Befestigungselementes 44 zur Aufnahme des
Balges 43 erfolgt beispielsweise über ein Zwischenstück 60,
welches einerseits mit dem Befestigungselement 44 und andererseits mit
dem Ventilgehäuse 23 verbindbar ist. Bevorzugt können
jeweils Schraubverbindungen vorgesehen sein. Alternativ können
auch Steckverbindungen mit anschließenden Verkrimpungen
oder Verpressungen vorgesehen sein. Das Zwischenstück 60 umfasst eine
oder mehrere Durchgangsbohrungen oder Durchgangskanäle,
die in dem vorzugsweise scheibenförmigen oder hülsenförmigen
Zwischenstück 60 eingebracht sind oder an dessen
Außenumfang als Aussparungen angeordnet sein können.
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Bei
der in 3 dargestellten Ausführungsform des Expansionsventils 15 kann
des Weiteren am Ventilgehäuse 23 niederdruckseitig
eine Nachdrossel oder eine Nachdüse vorgesehen sein. Dies bedeutet,
dass in Abhängigkeit des Öffnungshubes des Ventilschließgliedes 32 eine
Durchgangsbohrung 33 geschaffen wird, die den maximalen
Massenstrom begrenzt. Eine solche Nachdrosselung kann unmittelbar
im Ventilgehäuse 23 beziehungsweise an einem Abschnitt
des Ventilgehäuses 23, welches den Ventilsitz 34 umfasst,
angeformt oder lösbar daran befestigt sein.
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Die
Funktionsweise der Expansionsventile 15 gemäß den 2 und 3 kann
anhand dem Diagramm in 4 näher
beschrieben werden.
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In 4 ist schematisch ein Mollier-Diagramm
dargestellt. Entlang der X-Achse ist die Enthalpie h aufgetragen
und auf der Y-Achse der Druck P des Kältemittels dargestellt.
Die Linie 24 zeigt den Grenzbereich zwischen der gasförmigen
und flüssigen Phase des Kältemittels. Zur Orientierung
ist beispielsweise die Isotherme 64 dargestellt, welche
31° entspricht. Der Berührpunkt der Linie 24 und
der Isotherme 64 ist der kritische Punkt 65, der
beispielsweise für das Kältemittel R134a einer
Temperatur von 31°C und einem Druck von 73,8 bar entspricht.
In Sommermonaten liegt die Starttemperatur beziehungsweise die Umgebungstemperatur
bei der Inbetriebnahme von Fahrzeugklimaanlagen zumeist höher
als 31°C. Beispielsweise liegt eine Starttemperatur zwischen
40°C und 50°C, wie dies durch den Startpunkt 67 dargestellt
ist. Solche Temperaturen werden auch schnell dann erreicht, wenn
ein Fahrzeug bereits nach einer kurzen Fahrt abgestellt wird, so
dass sich der Motorraum aufheizt.
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Das
Ventilschließglied 32 steuert den Massenstrom,
welcher die Durchgangsbohrung 33 in Abhängigkeit
des Öffnungshubes durchströmt. Dadurch wird gleichzeitig
auch die Kühlleistung bestimmt. Die Hubbewegung des Ventilschließgliedes 32 wird
bei diesem Expansionsventil 15 durch die Druckdifferenz zwischen
der Hochdruckseite und der Niederdruckseite geregelt. Dabei ist
ein üblicher Arbeitsbereich in einer Betriebsphase vorgesehen,
der sich beispielsweise in dem Bereich des dargestellten Dreiecks
B, C, D befindet. In diesem Arbeitsbereich liegen die Druckdifferenzen
im Allgemeinen größer als 80 bar zwischen der
Hochdruckseite und der Niederdruckseite.
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Die
Regeleinrichtung 28 weist einen Arbeitsbereich zwischen
den Kennlinien 71 und 72 auf. Die Kennlinie 71 sowie
ein darüber liegender Bereich bewirken, dass die Regeleinrichtung 28 nicht
arbeitet bzw. geschlossen ist. Die Kennlinie 72 und ein
darunter liegender Bereich bewirken eine volle oder maximale Hubbewegung
bzw. eine geöffnete Position des Expansionsventils 15.
Dazwischenliegend wird eine zustandsbedingte Ansteuerung einer Hubbewegung der
Regeleinrichtung 28 angesteuert.
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Sofern
der Startpunkt 67 bei der Inbetriebnahme des Kälte-
beziehungsweise Wärmekreislaufes 11 außerhalb
des Arbeitsbereiches liegt, greift die Regeleinrichtung 28 ein,
damit das Expansionsventil 15 schnell in den üblichen
Arbeitsbereich übergeführt werden kann. Dabei
ist vorgesehen, dass bei einem beispielsweise vorliegenden Startpunkt 67 aufgrund der
erhöhten Start- oder Umgebungstemperatur von beispielsweise ≥ 30°C
die Regeleinrichtung 28 eine Hubbewegung von beispielsweise
50% des Hubweges ansteuert, welche über die Steuerfläche 46 auf das
Ventilschließglied 32 übertragen wird,
so dass dieses die Durchgangsbohrung 33 betragsmäßig öffnet.
Dadurch wird bereits in der Startphase ein erhöhter Massenstrom
bewirkt, der ohne diese Regeleinrichtung 28 aufgrund der
vorliegenden Druckdifferenz zwischen der Hochdruckseite und der
Niederdruckseite nicht gegeben wäre. Dieses zwangsweise Öffnen
des Expansionsventils 15 ermöglicht, dass sich auf der
Niederdruckseite der Niederdruck schneller auf einen niedrigeren
Druck absenkt, so dass beispielsweise ausgehend von einem Startdruck,
bei dem auf der Hoch- und Niederdruckseite beispielsweise 80 bar
anliegen, ein schnelleres Absenken auf einen Niederdruck von unter
40 bar erzielt wird. Auf der Hochdruckseite wird durch den Verdichter 12 relativ
schnell ein Hochdruck von beispielsweise 120 bar erzeugt. Sobald
die Druckdifferenz am Expansionsventil 15 zwischen der
Hochdruckseite und der Niederdruckseite größer
wird und anwächst, bedarf es des Einsatzes der Regeleinrichtung 28 immer
weniger, da der Startpunkt 67 beziehungsweise die zu diesem
Zeitpunkt vorherrschenden Betriebsbedingungen gemäß Pfeil 69 in
den Arbeitsbereich des Expansionsventils 15, welches als
Differenzdruckventil arbeitet, übergeführt wird.
Sobald der Hochdruck im Aufnahmeraum 24 gleich einem Innendruck
des Füllmediums im Balg 43 ist beziehungsweise
größer wird, wirkt der Hochdruck auf die Regeleinrichtung 28 und
setzt diese auf eine Ausgangsposition zurück beziehungsweise
bewirkt, dass die Steuerfläche 46 von der Stirnfläche 49 des
Ventilschließgliedes 32 abhebt und somit entkoppelt
wird. Anschließend kann das Ventilschließglied 32 entkoppelt
von der Regeleinrichtung 28 völlig unabhängig
innerhalb des Arbeitsbereiches, der durch die Punkte B, C und D
beschrieben ist, arbeiten.
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Durch
die Anordnung der Regeleinrichtung 28, die temperatur-
und druckabhängig eine Hubbewegung ausübt und
auf das Ventilschließglied 32 unmittelbar, wie
in den Ausführungsbeispielen dargestellt ist, oder mittelbar
einwirkt, kann erzielt werden, dass das Ansprechverhalten in einer
Startphase des Kälte- beziehungsweise Wärmekreislaufes 11 wesentlich
verbessert wird, so dass das Expansionsventil 15 schneller
in den Arbeitsbereich übergeführt wird. Dadurch
wird auch die Leistungsfähigkeit des Kälte- beziehungsweise
Wärmekreislaufs 11 erhöht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004010997
A1 [0002]
- - DE 102004010997 B3 [0031]