WO2007006632A1 - Kälteanlage, insbesondere kraftfahrzeug-klimaanlage - Google Patents

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WO2007006632A1 PCT/EP2006/063458 EP2006063458W WO2007006632A1 WO 2007006632 A1 WO2007006632 A1 WO 2007006632A1 EP 2006063458 W EP2006063458 W EP 2006063458W WO 2007006632 A1 WO2007006632 A1 WO 2007006632A1
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refrigeration system
expansion valve
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refrigerant
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Peter Horstmann
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Robert Bosch Gmbh
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    • F25B9/008—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant the refrigerant being carbon dioxide

Definitions

  • Refrigeration system in particular motor vehicle air conditioning
  • the invention relates to a refrigeration system, in particular a motor vehicle air conditioning system, with a refrigerant circuit through which a refrigerant flows as a refrigerant, which comprises a compressor, a condenser or gas cooler, an expansion valve with a controllable throttle cross section and an evaporator.
  • Refrigeration systems and in particular motor vehicle air conditioning systems with a refrigerant circuit through which CO2 flows, will become increasingly important in the future, since CO2 can be disposed of without any problem unlike conventional refrigerants, such as fluorinated hydrocarbons.
  • conventional refrigerants such as fluorinated hydrocarbons.
  • a supercritical operation is required.
  • the CO2 is not condensed in the condenser serving as a heat exchanger, but only cooled in a supercritical state, which is why the condenser is also referred to as a gas cooler.
  • the pressure of the refrigerant during heat release can be set independently of the ambient temperature.
  • This expansion valve is used to control the pressure prevailing in the refrigerant circuit high pressure to adjust under the respective operating conditions, such as ambient temperature and temperature in the evaporator, to a value at which the efficiency or the cooling capacity of the refrigeration system is optimal, whereby in a motor vehicle air conditioning Fuel consumption for the operation of the air conditioning can be significantly reduced.
  • the throttle section of the expansion valve In order to allow a desired high-pressure setting, the throttle section of the expansion valve must be adjusted as a function of the respective operating conditions and depending on the selected operating strategy, that is, either optimizing the refrigerating capacity or optimizing the coefficient of performance (COP) to let. If the selected operating strategy is established, there is a dependency between the high pressure prevailing in the refrigerant circuit and a throttle cross section required for optimum operation of the system. This required throttle cross-section is shown in FIG.
  • control task then consists in adjusting the throttle cross-section of the expansion valve pressure-dependent and thereby regulate that he on the points with optimum cooling capacity or optimum efficiency, corresponding to the black squares or black diamonds shown in FIG. 2, for which the curve A shown in FIG. 2 represents a first approximation.
  • expansion valves whose throttle cross section can be adjusted over a range of 0 to 2 mm 2 and are suitable for a CO 2- operated refrigeration system have the disadvantage that they are structurally relatively complex and require a control corresponding to the control, whereby they are relatively high are expensive.
  • the refrigeration system according to the invention with the features mentioned in claim 1 offers the advantage that can be used by the limitation of the adjustment or control range simply constructed, manufactured in high volumes for brake systems of motor vehicles valves, compared to conventional controllable expansion valves for operated with CO 2 - A -
  • Refrigeration systems are significantly cheaper. Although these expansion valves only have a maximum throttle cross-section of about 1 mm 2 or an adjustment or control range between 0 and about 1 mm 2 , this is sufficient under moderate ambient conditions to ensure optimum efficiency and optimum cooling capacity of the refrigeration system to care. Since moderate ambient conditions predominate during most of the annual operating hours of a motor vehicle air conditioning system, a substantial reduction in the fuel consumption of the air conditioning system is made possible and an overall cost-effective mode of operation is ensured. In contrast, higher ambient temperatures, which would require larger throttle cross sections for optimum operation of the air conditioning system, are only of secondary importance with respect to their duration and thus with regard to fuel consumption and can therefore be neglected.
  • valves produced for brake systems of motor vehicles such as a valve available under the name MV1.80 from Robert Bosch GmbH, also have a lower drive power, a lower weight and a smaller installation space than conventional controllable expansion valves for refrigeration systems and, moreover, due to their small throttle cross-section, allow cycling without the production of audible sounds.
  • a fixed throttle having a constant throttle cross section may be connected in parallel with the controllable expansion valve, wherein the total throttle cross section of the fixed throttle and the controllable expansion valve is at most about 1 mm 2 and wherein the throttle cross section Section of the fixed throttle (Orifice) is suitably smaller than the throttle cross-section of the expansion valve.
  • the fixed throttle may be a separate component, but is suitably designed in the form of a bypass bore in a valve block of the variable expansion valve.
  • a parallel to the expansion valve switched overflow valve may be provided which also serves as a pressure limiter and opens when a first predetermined high pressure in the refrigerant circuit is exceeded, for example at 120 bar, and at a second predetermined high pressure, for example at 130 bar , is fully opened with an opening cross section exceeding the throttle cross-section of the expansion valve.
  • the opening pressure of the overflow valve expediently corresponds to the high pressure, in which, with a maximum throttle cross-section of the expansion valve, an optimum efficiency or an optimal cooling capacity is achieved.
  • the expansion valve may have any suitable design, for example as a cone or ball valve with a conical or ball seat for a corresponding valve member, needle valve or as a sliding sleeve valve and be operated as needed as a proportional valve or as a clocked valve, wherein it each of these two modes is electrically controlled.
  • the refrigeration system may expediently comprise an internal heat exchanger, in which the compressed refrigerant flowing out of the condenser or gas cooler to the expansion valve is cooled by heat exchange with the refrigerant flowing from the evaporator to the compressor.
  • controllable expansion valve with a maximum throttle cross section of less than 1 mm 2 can also be used to advantage for controlling a refrigerant mass flow of the second evaporator.
  • Figure 1 is a schematic representation of a flowed through by CO2 refrigerant circuit of a motor vehicle air conditioning system with an expansion element and an internal heat exchanger;
  • FIG. 2 shows a representation of the throttle cross sections of an expansion element of a refrigeration system for maximum efficiency (black squares) or for maximum refrigeration conduction (black diamonds) as a function of high pressure, as well as with approximation curves for the control of a known controllable expansion valve with an adjustment range of the throttle cross section from 0 to 2 mm 2 , a known fixed throttle (orifice) with a throttle cross section of 0.32 mm 2 and an expansion valve according to the invention with a control range from 0 to 1 mm 2 ;
  • Figure 3 is a schematic representation of a first embodiment of the expansion device of Fig. 1;
  • Figure 4 is a schematic representation of a second embodiment of the expansion device of Fig. 1;
  • Figure 5 is a partially sectioned view of a valve block of the embodiment of Figure 4.
  • Figure 6 is a schematic representation of a third embodiment of the expansion device of Fig. 1;
  • FIG. 7 shows a schematic representation of a fourth embodiment of the expansion element from FIG. 1.
  • refrigerant circuit 2 operated with CO2 as a refrigerant motor vehicle air conditioning system 4 consists in a known manner substantially from a compressor 6, an oil separator 8, a gas cooler 10 and a first part 12 of an inner heat exchanger 14, in a high pressure section 16 of the refrigerant circuit 2 are arranged behind the compressor 6 and are flowed through by the compressed refrigerant, an expansion sion member 18 for relaxing and cooling the compressed refrigerant, and designed as a heat exchanger evaporator 20 and a collector 22, which together with a second part 24 of the inner heat exchanger 12 in a low pressure section 26 of the refrigerant circuit 2 between the expansion member 18 and the suction side of the compressor. 6 are arranged.
  • the gaseous refrigerant is compressed to increase its internal energy. Subsequently, the refrigerant is passed through the oil separator 8 to deposit oil residues contained in the refrigerant and to return to the lubrication of the compressor 6 through a return line 28 to this. Thereafter, the compressed refrigerant is cooled in the gas cooler 10 serving as a heat exchanger with supplied ambient air 30, wherein the refrigerant releases a part of its internal heat energy and assumes a supercritical gaseous state.
  • the compressed refrigerant flows countercurrently to the refrigerant flowing through the low-pressure portion 26 through the inner heat exchanger 12, and its temperature is further lowered.
  • the refrigerant is subsequently expanded and cooled down a further time before it subsequently flows through the evaporator 20, which is designed as a heat exchanger, and evaporates therein at least partially.
  • the expansion element 18 comprises an electrically controllable expansion valve 34, as shown in FIGS. 1 and 3, whose throttle cross-section is changed as a function of the high pressure prevailing in the high-pressure section 16 and measured by a sensor (not shown).
  • the expansion valve 34 has a control range of 0 to 1 mm 2 and is formed for example by a valve produced in large numbers for brake systems of motor vehicles with anti-lock braking system (ABS) or electronic stability program (ESP) valve, the company Robert Bosch GmbH the designation MV1.80 is available.
  • ABS anti-lock braking system
  • ESP electronic stability program
  • This valve has at moderate environmental conditions, good control characteristics, and makes it possible to operate the air conditioner ciency below an ambient temperature of about 25 0 C in response to the high pressure at an optimum cooling capacity or optimum WIR, as indicated by the approximate curve C for the control of of the expansion valve 34 shown in Fig. 2.
  • the curve C runs at inlet pressures of more than 118 bar at the entrance of the expansion device 18 horizontally, ie parallel to the straight line B, so that exceeding the allowable operating pressure of the air conditioner 4 must be prevented.
  • FIGS. 4 to 7 show further possible embodiments of the expansion element 18, wherein the expansion element 18 shown in FIGS. 4 and 5 comprises, in addition to the controllable expansion valve 34, a fixed throttle (orifice) 36 connected in parallel thereto.
  • the fixed throttle 36 is an oblique bypass bore 38 between a radial valve inlet bore 40 and an axial valve outlet bore 42 in a valve block 44 formed of the expansion member 18, wherein the cross section of the bypass bore 38, for example, 0.2 mm 2 , while the throttle cross-section of the variable expansion valve 34, depending on the high pressure between 0 and 0.5 mm 2 or between 0 and 0.8 mm 2 is adjustable and because of the small cross-sections is particularly well suited for a clock operation.
  • the controllable expansion valve 34 is an electrically controlled valve, which may be formed as a ball, conical, needle or sliding sleeve valve depending on the selected mode, ie clock or proportional operation, and the existing installation conditions.
  • the expansion element 18 shown in FIG. 6 contains, in addition to the controllable expansion valve 34, an overflow valve 46 which opens, for example, at a pressure of 120 bar and is fully opened at 130 bar, so that in this way the permissible operating pressure of the air conditioning system is exceeded 4 in the horizontal part of the curve C can be prevented.
  • an overflow valve 46 which opens, for example, at a pressure of 120 bar and is fully opened at 130 bar, so that in this way the permissible operating pressure of the air conditioning system is exceeded 4 in the horizontal part of the curve C can be prevented.
  • the expansion element 18 shown in FIG. 7 contains, in addition to the expansion valve 34, a fixed throttle 36 and an overflow valve 46, which are both connected in parallel to the expansion valve 34.
  • the collector 22 downstream of the evaporator 20 serves to collect and store the liquid, that is to say non-vaporized, refrigerant after it has passed through the evaporator 20, in order, if necessary, for example, to reduce the temperature Speed of the compressor 6, back from the collector 22 in the evaporator 20 due.
  • the vaporized in the evaporator 20 gaseous refrigerant is from the compressor 6, wherein it flows through the low pressure section 26 and the second part 24 of the inner heat exchanger 14 and heats up with simultaneous cooling of the refrigerant in the high pressure section 16.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kälteanlage, insbesondere eine Kraftfahrzeug-Klimaanlage (4), mit einem von CO2 als Kältemittel durchströmten Kältemittelkreislauf (2), der einen Verdichter (6), einen Kondensator bzw. Gaskühler (10), ein Expansionsorgan (18) mit einem regelbaren Drosselquerschnitt und einen Verdampfer (20) umfasst. Es ist vorgesehen, dass ein Regelbereich des Drosselquerschnitts maximal etwa 1 mm2 beträgt.

Description

Kälteanlage, insbesondere Kraftfahrzeug-Klimaanlage
Die Erfindung betrifft eine Kälteanlage, insbesondere eine Kraftfahrzeug-Klimaanlage, mit einem von CO2 als Kältemittel durchströmten Kältemittelkreislauf, der einen Verdichter, einen Kondensator bzw. Gaskühler, ein Expansionsventil mit einem regelbaren Drosselquerschnitt sowie einen Verdampfer umfasst.
Stand der Technik
Kälteanlagen und insbesondere Kraftfahrzeug-Klimaanlagen mit einem von CO2 durchströmten Kältemittelkreislauf werden in Zukunft immer größere Bedeutung erlangen, da sich CO2 anders als herkömmliche Kältemittel, wie Fluor-Kohlenwasserstoffe, problemlos entsorgen lässt. Beim Betrieb einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage mit CO2 ist jedoch im Unterschied zu einem Betrieb mit herkömmlichen Kältemitteln zumindest unter gewissen Umgebungsbedingungen eine überkritische Betriebsweise erforderlich. Dabei wird das CO2 in dem als Wärmeübertrager dienenden Kondensator nicht kondensiert, sondern in einem überkritischen Zustand lediglich abgekühlt, weshalb der Kondensator auch als Gaskühler bezeichnet wird.
In Kälteanlagen, die mit einem Kältemittel betrieben werden, das wie CO2 aufgrund seiner thermodynamischen Eigenschaften Wärme im überkritischen Bereich abgeben kann, kann der Druck des Kältemittels bei der Wärmeabgabe anders als bei Kältemitteln mit Wärmeabgabe im Nassdampfbereich unabhängig von der Umgebungstemperatur eingestellt werden. Um eine Ausnutzung dieses zusätzlichen Freiheitsgrades zur Erzielung optimaler Wirkungsgrade oder Kälte- leistungen zu ermöglichen, können die Kälteanlagen mit einem regelbaren Expansionsventil ausgestattet werden. Dieses Expansionsventil dient zur Regelung des im Kältemittelkreislauf herrschenden Hochdrucks, um diesen unter den jeweiligen Betriebsbedingungen, wie Umgebungstemperatur und Temperatur im Verdampfer, auf einen Wert einzustellen, bei dem der Wirkungsgrad bzw. die Kälteleistung der Kälteanlage optimal ist, wodurch bei einer Kraftfahrzeug- Klimaanlage der Kraftstoffverbrauch für den Betrieb der Klimaanlage erheblich reduziert werden kann.
Um eine gewünschte Einstellung des Hochdrucks zu ermöglichen, muss sich der Drosselquerschnitt des Expansionsventils in Abhängigkeit von den jeweiligen Betriebsbedingungen und in Abhängigkeit von der gewählten Betriebsstrategie, das heißt entweder Optimie- rung der Kälteleistung oder Optimierung des Wirkungsgrades bzw. der Leistungszahl (COP), verstellen lassen. Wenn die gewählte Betriebsstrategie feststeht, ergibt sich eine Abhängigkeit zwischen dem im Kältemittelkreislauf herrschenden Hochdruck und einem für einen optimalen Betrieb der Anlage erforderlichen Drosselquerschnitt. Die- ser erforderliche Drosselquerschnitt ist in Fig. 2 der Zeichnung für verschiedene repräsentative Betriebspunkte für eine maximale Kälteleistung durch schwarze Quadrate und für einen maximalen Wirkungsgrad durch schwarze Rauten dargestellt, wobei im zuerst genannten Fall mindestens ein Verstell- oder Regelbereich von 0,6 bis 2 mm2 und im zuletzt genannten Fall mindestens ein Verstell- oder Regelbereich von 0,1 bis 1 ,7 mm2 erforderlich ist, wenn unter allen auftretenden Betriebsbedingungen eine optimale Kälteleistung bzw. ein optimaler Wirkungsgrad erzielt werden soll. Die Regelaufgabe besteht dann darin, den Drosselquerschnitt des Expansionsventils druckabhängig zu verstellen und dabei so einzuregeln, dass er auf den Punkten mit optimaler Kälteleistung bzw. optimalem Wirkungsgrad liegt, entsprechend den in Fig. 2 dargestellten schwarze Quadraten bzw. schwarzen Rauten, wofür die in Fig. 2 dargestellten Kurve A eine erste Näherung darstellt. Expansionsventile, deren Drossel- querschnitt über einen Bereich von 0 bis 2 mm2 verstellbar und für eine mit CO2 betriebene Kälteanlage geeignet sind, haben jedoch den Nachteil, dass sie konstruktiv relativ aufwändig sind und eine der Regelung entsprechende Ansteuerung erforderlich machen, wodurch sie verhältnismäßig teuer sind.
Um diese Kosten zu verringern und die Kälteanlage zu vereinfachen, wurde bereits überlegt, an Stelle eines regelbaren Expansionsventils eine feste Drossel (Orifice) zu verwenden, die einen konstanten, d.h. von dem im Kältemittelkreislauf herrschenden Hochdruck unabhän- gigen Drosselquerschnitt aufweist, wie in Fig. 2 durch die horizontale Gerade B dargestellt. Jedoch ermöglicht es der Einsatz einer festen Drossel nicht, die Kälteanlage mit einer optimalen Kälteleistung oder einem optimalen Wirkungsgrad zu betreiben. Außerdem muss der Verdichter in Kälteanlagen mit einer festen Drossel abgeregelt wer- den, um einen Anstieg des Hochdrucks über den zulässigen Betriebsdruck der Anlage zu verhindern.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Kälteanlage mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet demgegenüber den Vorteil, dass durch die Begrenzung des Verstell- oder Regelbereichs einfach aufgebaute, in hohen Stückzahlen für Bremsanlagen von Kraftfahrzeugen hergestellte Ventile eingesetzt werden können, die im Vergleich zu her- kömmlichen regelbaren Expansionsventilen für mit CO2 betriebene - A -
Kälteanlagen erheblich preiswerter sind. Diese Expansionsventile haben zwar nur einen maximalen Drosselquerschnitt von etwa 1 mm2 bzw. einen Verstell- oder Regelbereich zwischen 0 und etwa 1 mm2, jedoch ist dieser bei moderaten Umgebungsbedingungen aus- reichend, um für einen optimalen Wirkungsgrad bzw. eine optimale Kälteleistung der Kälteanlage zu sorgen. Da während des größten Teils der jährlichen Betriebsstunden einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage moderate Umgebungsbedingungen vorherrschen, wird eine substantielle Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs der Klimaanlage ermög- licht und insgesamt eine kostengünstige Betriebsweise gewährleistet. Demgegenüber sind höhere Umgebungstemperaturen, die für einen optimalen Betrieb der Klimaanlage größere Drosselquerschnitte erforderlich machen würden, hinsichtlich ihrer Zeitdauer und damit hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs nur von untergeordneter Bedeu- tung und können daher vernachlässigt werden. Neben den zuvor genannten Vorteilen besitzen die für Bremsanlagen von Kraftfahrzeugen hergestellten Ventile, wie zum Beispiel ein unter der Bezeichnung MV1.80 von der Robert Bosch GmbH erhältliches Ventil, zudem eine geringere Ansteuerleistung, ein geringeres Gewicht und einen kleineren Bauraum als herkömmliche regelbare Expansionsventile für Kälteanlagen und gestatten darüber hinaus infolge ihres geringen Drosselquerschnitts einen Taktbetrieb ohne die Erzeugung hörbarer Geräusche.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann eine feste Drossel mit einem konstanten Drosselquerschnitt parallel zum regelbaren Expansionsventil geschaltet sein, wobei der Gesamt- Drosselquerschnitt der festen Drossel und des regelbaren Expansionsventils maximal etwa 1 mm2 beträgt und wobei der Drosselquer- schnitt der festen Drossel (Orifice) zweckmäßig kleiner als der Drosselquerschnitt des Expansionsventils ist.
Die feste Drossel kann ein getrenntes Bauteil sein, ist jedoch zweckmäßig in Form einer Bypassbohrung in einem Ventilblock des regelbaren Expansionsventils ausgebildet.
An Stelle einer festen Drossel kann auch ein parallel zum Expansionsventil geschaltetes Überströmventil vorgesehen sein, das zugleich als Druckbegrenzung dient und bei Überschreiten eines ersten vorbestimmten Hochdrucks im Kältemittelkreislauf öffnet, zum Beispiel bei 120 bar, und bei einem zweiten vorbestimmten Hochdruck, zum Beispiel bei 130 bar, mit einem den Drosselquerschnitt des Expansionsventils übersteigenden Öffnungsquerschnitt voll ge- öffnet ist. Der Öffnungsdruck des Überströmventils entspricht zweckmäßig dem Hochdruck, bei dem bei einem maximalen Drosselquerschnitt des Expansionsventils ein optimaler Wirkungsgrad oder eine optimale Kälteleistung erzielt wird.
Selbstverständlich ist es auch möglich, sowohl ein Überströmventil und eine feste Drossel parallel zum Expansionsventil zu schalten, wodurch sich die Vorteile des Überströmventils mit denen der festen Drossel kombinieren lassen.
Das Expansionsventil kann eine beliebige geeignete Bauart aufweisen, zum Beispiel als Kegel- oder Kugelventil mit einem Kegel- bzw. Kugelsitz für ein entsprechendes Ventilglied, als Nadelventil oder als Schiebehülsenventil ausgebildet sein und nach Bedarf als Proportionalventil oder als getaktetes Ventil betrieben werden, wobei es in jeder dieser beiden Betriebsarten elektrisch angesteuert wird. Zur Leistungssteigerung kann die Kälteanlage zweckmäßig einen inneren Wärmeübertrager umfassen, in dem das aus dem Kondensator bzw. Gaskühler zum Expansionsventil strömende verdichtete Kältemittel durch Wärmetausch mit dem vom Verdampfer zum Verdichter strömenden Kältemittel abgekühlt wird.
Bei Kälteanlagen und insbesondere Kraftfahrzeug-Klimaanlagen der eingangs genannten Art, die neben dem Verdampfer noch einen zweiten Verdampfer umfassen, kann das regelbare Expansionsventil mit einem maximalen Drosselquerschnitt von weniger als 1 mm2 auch mit Vorteil zur Regelung eines Kältemassenstroms des zweiten Verdampfers eingesetzt werden.
Zeichnung
Die Erfindung wird nachfolgend in einigen Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines von CO2 durchströmten Kältemittelkreislaufs einer Kraftfahrzeug- Klimaanlage mit einem Expansionsorgan und einem inneren Wärmeübertrager;
Figur 2 eine Darstellung der Drosselquerschnitte eines Expansionsorgans einer Kälteanlage für maximalen Wirkungsgrad (schwarze Quadrate) bzw. für maximale Kälteleitung (schwarze Rauten) in Abhängigkeit vom Hochdruck, sowie mit Näherungskurven für die Ansteu- erung eines bekannten regelbaren Expansionsventils mit einem Verstellbereich des Drosselquerschnitts von 0 bis 2 mm2, einer bekannten festen Drossel (Orifice) mit einem Drosselquerschnitt von 0,32 mm2 und eines erfindungsgemäßen Expansionsventils mit einem Re- gelbereich von 0 bis 1 mm2;
Figur 3 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des Expansionsorgans aus Fig. 1 ;
Figur 4 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des Expansionsorgans aus Fig. 1 ;
Figur 5 eine teilweise geschnittene Darstellung eines Ventilblocks der Ausführungsform aus Figur 4;
Figur 6 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform des Expansionsorgans aus Fig. 1 ;
Figur 7 eine schematische Darstellung einer vierten Ausfüh- rungsform des Expansionsorgans aus Fig. 1.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Der in Figur 1 dargestellte Kältemittelkreislauf 2 einer mit CO2 als Kältemittel betriebenen Kraftfahrzeug-Klimaanlage 4 besteht in bekannter Weise im Wesentlichen aus einem Kompressor 6, einem Ölabscheider 8, einem Gaskühler 10 und einem ersten Teil 12 eines inneren Wärmetauschers 14, die in einem Hochdruckabschnitt 16 des Kältemittelkreislaufs 2 hinter dem Kompressor 6 angeordnet sind und vom verdichteten Kältemittel durchströmt werden, einem Expan- sionsorgan 18 zum Entspannen und Abkühlen des verdichteten Kältemittels, sowie einem als Wärmetauscher ausgebildeten Verdampfer 20 und einem Sammler 22, die zusammen mit einem zweiten Teil 24 des inneren Wärmetauschers 12 in einem Niederdruckabschnitt 26 des Kältemittelkreislaufs 2 zwischen dem Expansionsorgan 18 und der Saugseite des Kompressors 6 angeordnet sind.
In dem vom Verbrennungsmotor oder einem Elektromotor (nicht dargestellt) des Kraftfahrzeugs angetriebenen Kompressor 6 wird das gasförmige Kältemittel verdichtet, um seine innere Energie zu erhöhen. Anschließend wird das Kältemittel durch den Ölabscheider 8 hindurchgeführt, um im Kältemittel enthaltene Ölrückstände abzuscheiden und sie zur Schmierung des Kompressors 6 durch eine Rückführleitung 28 zu diesem zurückzuführen. Danach wird das ver- dichtete Kältemittel in dem als Wärmetauscher dienenden Gaskühler 10 mit zugeführter Umgebungsluft 30 abgekühlt, wobei das Kältemittel einen Teil seiner inneren Wärmeenergie abgibt und einen überkritischen gasförmigen Zustand annimmt. Vom Gaskühler 10 aus strömt das verdichtete Kältemittel im Gegenstrom zu dem durch den Niederdruckabschnitt 26 strömenden Kältemittel durch den inneren Wärmetauscher 12, wobei seine Temperatur weiter abgesenkt wird. Im Expansionsorgan 18 wird das Kältemittel anschließend entspannt und dabei noch ein weiteres Mal abgekühlt, bevor es anschließend durch den als Wärmetauscher ausgebildeten Verdampfer 20 strömt und in diesem mindestens teilweise verdampft. Durch den Verdampfer 20 wird ein zu kühlendes Medium geblasen, zum Beispiel zu Kühlzwecken in die Fahrgastzelle des Kraftfahrzeugs zugeführte Luft 32. Das Expansionsorgan 18 umfasst ein elektrisch regelbares Expansionsventil 34, wie in Figur 1 und 3 dargestellt, dessen Drosselquerschnitt in Abhängigkeit von dem jeweils im Hochdruckabschnitt 16 herrschenden, von einem Sensor (nicht dargestellt) gemessenen Hochdruck verändert wird. Das Expansionsventil 34 weist einen Regelbereich von 0 bis 1 mm2 auf und wird beispielsweise von einem in hohen Stückzahlen für Bremsanlagen von Kraftfahrzeugen mit Anti- blockiersystem (ABS) oder elektronischem Stabilitätsprogramm (ESP) hergestellten Ventil gebildet, das von der Firma Robert Bosch GmbH unter der Bezeichnung MV1.80 erhältlich ist. Dieses Ventil weist bei moderaten Umgebungsbedingungen eine gute Regelcharakteristik auf und ermöglicht es, die Klimaanlage unterhalb einer Umgebungstemperatur von etwa 250C in Abhängigkeit vom Hochdruck mit einer optimalen Kälteleistung bzw. einem optimalen Wir- kungsgrad zu betreiben, wie durch die Näherungskurve C für die Ansteuerung des Expansionsventils 34 in Fig. 2 dargestellt. Im Unterschied zur Näherungskurve A für die Ansteuerung von bekannten regelbaren Expansionsventilen verläuft die Kurve C bei Eintrittsdrücken von mehr als 118 bar am Eingang des Expansionsorgans 18 horizontal, d.h. parallel zur Geraden B, so dass ein Überschreiten des zulässigen Betriebsdrucks der Klimaanlage 4 verhindert werden muss.
Die Figuren 4 bis 7 zeigen weitere mögliche Ausführungsformen des Expansionsorgans 18, wobei das in Figur 4 und 5 dargestellte Expansionsorgan 18 neben dem regelbaren Expansionsventil 34 eine parallel zu diesem geschaltete feste Drossel (Orifice) 36 umfasst. Wie in Figur 5 dargestellt, ist die feste Drossel 36 als schräge By- passbohrung 38 zwischen einer radialen Ventileinlassbohrung 40 und einer axialen Ventilauslassbohrung 42 in einem Ventilblock 44 des Expansionsorgans 18 ausgebildet, wobei der Querschnitt der Bypassbohrung 38 zum Beispiel 0,2 mm2 beträgt, während der Drosselquerschnitt des regelbaren Expansionsventils 34 in Abhängigkeit vom Hochdruck zwischen 0 und 0,5 mm2 oder zwischen 0 und 0,8 mm2 regelbar ist und wegen der kleinen Querschnitte besonders gut für einen Taktbetrieb geeignet ist. Das regelbare Expansionsventil 34 ist ein elektrisch angesteuertes Ventil, das in Abhängigkeit von der gewählten Betriebsart, d.h. Taktbetrieb oder Proportionalbetrieb, und den vorhandenen Einbauverhältnissen als Kugel-, Kegel-, Nadel- oder Schiebehülsenventil ausgebildet sein kann.
Das in Figur 6 dargestellte Expansionsorgan 18 enthält neben dem regelbaren Expansionsventil 34 ein Überströmventil 46, das sich zum Beispiel bei einem Druck von 120 bar öffnet und bei 130 bar voll ge- öffnet ist, so dass auf diese Weise ein Überschreiten des zulässigen Betriebsdrucks der Klimaanlage 4 im horizontalen Teil der Kurve C verhindert werden kann. Bei Verwendung des in Figur 3 und 4 dargestellten Expansionsventils 34 könnte dies durch Abregein des Kompressors 6 erreicht werden. Das in Figur 7 dargestellte Expansi- onsorgan 18 enthält neben dem Expansionsventil 34 eine feste Drossel 36 und ein Überströmventil 46, die beide parallel zum Expansionsventil 34 geschaltet sind.
Wieder Bezug nehmend auf Figur 1 , dient der dem Verdampfer 20 nachgeschaltete Sammler 22 dazu, das nach dem Hindurchtritt durch den Verdampfer 20 noch flüssige, das heißt nicht verdampfte Kältemittel zu sammeln und zu speichern, um es bei Bedarf, zum Beispiel bei einer Reduzierung der Drehzahl des Kompressors 6, wieder aus dem Sammler 22 in den Verdampfer 20 zurückzuführen. Das im Ver- dampfer 20 verdampfte gasförmige Kältemittel wird vom Kompressor 6 angesaugt, wobei es durch den Niederdruckabschnitt 26 und den zweiten Teil 24 des inneren Wärmetauschers 14 strömt und sich unter gleichzeitiger Abkühlung des Kältemittels im Hochdruckabschnitt 16 erwärmt.

Claims

Patentansprüche
1. Kälteanlage, insbesondere Kraftfahrzeug-Klimaanlage, mit einem von CO2 als Kältemittel durchströmten Kältemittelkreislauf, der einen Verdichter, einen Kondensator bzw. Gaskühler, ein Expansionsventil mit einem regelbaren Drosselquerschnitt sowie einen Verdampfer umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass ein Regelbereich des Drosselquerschnitts maximal etwa 1 mm2 beträgt.
2. Kälteanlage nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Regelbereich des Drosselquerschnitts zwischen 0 und etwa 1 mm2 beträgt.
3. Kälteanlage nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine parallel zum Expansionsventil (34) geschaltete feste Drossel
(36) mit einem konstanten Drosselquerschnitt.
4. Kälteanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die feste Drossel (36) in einen Ventilblock (44) des Expansions- ventils (34) integriert ist.
5. Kälteanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die feste Drossel (36) als Bypassbohrung (38) im Ventilblock (44) des Expansionsventils (34) ausgebildet ist.
6. Kälteanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein parallel zum Expansionsventil (34) geschaltetes Überströmventil (46).
7. Kälteanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Expansionsventil einen Kegel- oder Kugelsitz für ein Ventilglied aufweist.
8. Kälteanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Expansionsventil ein Nadelventil ist.
9. Kälteanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Expansionsventil ein Schiebehülsenventil ist.
10. Kälteanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen inneren Wärmeübertrager (14).
11. Kälteanlage, insbesondere Kraftfahrzeug-Klimaanlage, mit einem von CO2 als Kältemittel durchströmten Kältemittelkreislauf, der einen ersten und einen zweiten Verdampfer, einen Verdichter, eine Gaskühler und ein Expansionsorgan umfasst, gekennzeichnet durch ein regelbares Expansionsventil mit einem maximalen Dros- selquerschnitt von weniger als 1 mm2 zur Regelung eines Kältemassenstroms des zweiten Verdampfers.
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