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WO2005080889A1 - Expansionsmodul für ein kältemittel - Google Patents

Expansionsmodul für ein kältemittel Download PDF

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Publication number
WO2005080889A1
WO2005080889A1 PCT/EP2005/050622 EP2005050622W WO2005080889A1 WO 2005080889 A1 WO2005080889 A1 WO 2005080889A1 EP 2005050622 W EP2005050622 W EP 2005050622W WO 2005080889 A1 WO2005080889 A1 WO 2005080889A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
valve
expansion module
expansion
module according
throttle
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2005/050622
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Satzger
Gregory Rewers
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of WO2005080889A1 publication Critical patent/WO2005080889A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/002—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B41/00—Fluid-circulation arrangements
    • F25B41/30—Expansion means; Dispositions thereof
    • F25B41/31—Expansion valves
    • F25B41/33—Expansion valves with the valve member being actuated by the fluid pressure, e.g. by the pressure of the refrigerant
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/06—Compression machines, plants or systems characterised by the refrigerant being carbon dioxide
    • F25B2309/061—Compression machines, plants or systems characterised by the refrigerant being carbon dioxide with cycle highest pressure above the supercritical pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2341/00—Details of ejectors not being used as compression device; Details of flow restrictors or expansion valves
    • F25B2341/06—Details of flow restrictors or expansion valves
    • F25B2341/063—Feed forward expansion valves

Definitions

  • the present invention relates to an expansion module for a refrigerant of a refrigeration or air conditioning system, in particular for an air conditioning system of a motor vehicle. Furthermore, the present invention relates to such a refrigeration or air conditioning system.
  • the standard version of a refrigeration or air conditioning system essentially consists of an evaporator, condenser (or gas cooler), expansion device, compressor and, if necessary, an internal heat exchanger.
  • a collector is usually part of the standard version.
  • a refrigerant is first compressed by a compressor, the so-called air conditioning compressor, in order to increase the internal energy of the refrigerant.
  • the compressed refrigerant is then cooled in a condenser or condenser by heat exchange.
  • the refrigerant liquefies due to the heat emission associated with the heat exchange.
  • the liquefied refrigerant is then passed through a throttle point of the air conditioning system, this throttle point having an expansion element.
  • the refrigerant passes through the expansion member, the refrigerant expands.
  • the expansion device is usually followed by an evaporator, which is operated as a heat exchanger in order to transfer the released cold to another medium.
  • This other medium can be, for example, air, which depending on the application can then also be supplied to a vehicle heating or cooling system.
  • the condenser is then referred to as a gas cooler, since no condensation occurs in the actual sense, but only a cooling of the supercritical gas is brought about.
  • critically operated compressor refrigeration machines that a refrigerant such as carbon dioxide can be used with a lower compression ratio.
  • Air conditioning systems for motor vehicles in which the refrigerant CO 2 is used, are operated transcritically, that is, depending on the operating conditions, both supercritically and subcritically.
  • the pressure on the high pressure side of the thermodynamic cycle can be controlled or regulated so that the specific cooling capacity of the air conditioning system can be varied. It is thus possible to obtain a maximum effective coefficient of performance by adjusting the pressure on the high-pressure side of the thermodynamic refrigerant circuit as a function of the temperature at the condenser or gas cooler outlet or the ambient temperature.
  • the expansion valve In order to set the high pressure as desired, the expansion valve must make it possible to adjust the flow area depending on the operating conditions, e.g. outside temperature, temperature in the evaporator and depending on the operating strategy, i.e. Optimizing the efficiency or cooling capacity.
  • the operating conditions e.g. outside temperature, temperature in the evaporator and depending on the operating strategy, i.e. Optimizing the efficiency or cooling capacity.
  • the control task of the expansion valve is therefore to adjust the opening cross-section of the valve according to the high pressure.
  • Expansion valves are mainly designed as valves with a ball seat and electromagnetic drive. These valves have the disadvantage of sometimes extreme noise in certain operating conditions. Especially with small volume flows of the refrigerant and thus when the valve is almost closed, the valve ball may hit the valve seat and thus lead to a clear noise development.Therefore, regulation of the pressure with ball seat type valves is problematic, since the previously described noise development e.g. is not acceptable for a vehicle air conditioning system of a motor vehicle.
  • valves have the disadvantage of requiring activation or regulation, which leads to significant additional costs.
  • an expansion valve for a refrigerant of an air conditioning system is known, which is operated electromagnetically and which is essentially a modified pressure control valve for controlling the inlet to the high pressure pump of a fuel injection system of a motor vehicle.
  • DE 101 25 789 C1 discloses a valve arrangement with an expansion valve, to which the refrigerant flows on a high-pressure side and from which the refrigerant emerges again on the low-pressure side.
  • the flow from the high pressure side to the low pressure side is regulated by a throttle body, which works together with a valve seat fixed to the housing and is axially displaceable by an adjusting device.
  • the expansion valve of DE 101 25 789 Cl with its actuating unit is complex and very complex to assemble.
  • the object on which the invention is based is to present an expansion module which ensures good control characteristics and, moreover, at the same time an inexpensive construction.
  • the expansion module according to the invention for a refrigerant which is used in particular for the controlled expansion of a refrigerant or air conditioning system on the high pressure side to a low pressure level, has an expansion valve which is in the form of a rail Ownership valve is formed, wherein the sliding seat serving as a valve piston is controlled by at least one pressure applied to the valve.
  • the expansion module according to the invention By designing the expansion module according to the invention with a pressure-controlled sliding seat valve, it is possible in an advantageous manner to implement an expansion module which enables both good controllability and simple and therefore inexpensive implementation. In particular, electrical control of the expansion module with appropriate lines, plug elements and at least one control unit is not required. Since the expansion module according to the invention is only pressure-controlled, regulation of the refrigerant circuit and in particular the expansion of the refrigerant can be implemented using simple mechanical means.
  • the use of the expansion module according to the invention in an air-conditioning or refrigeration system advantageously enables the thermal efficiency of the air-conditioning system to be improved without complex control being necessary.
  • the characteristic of the throttle cross section of the expansion module can be set as a function of, for example, the high pressure level or the pressure difference across the valve.
  • the valve piston of the expansion valve of the expansion module according to the invention is controlled by at least one pressure of the refrigerant applied to the valve. Electromagnetic control of the throttle body is not necessary.
  • valve piston of the expansion valve designed as a sliding seat valve, which is axially displaceable in a valve chamber of the valve housing, is adjusted against the force of a spring-elastic element.
  • the force applied by the resilient element to the displaceable valve piston is advantageously adjustable.
  • the pre-tensioning of the spring-elastic element can be done with a countermeasure, such as a screw or a disc dance disc are already adjusted during production, so that a desired valve characteristic of the expansion valve of the expansion module according to the invention results.
  • the spring preload can also be set by an actuator, a magnet or thermostatically. In this way it is then possible to set both the high pressure level and the low pressure level in a refrigeration cycle. In particular, it is advantageously possible to adapt the core line during operation of the system.
  • the expansion module according to the invention has a valve piston which is designed as a throttle body and which has at least one throttle opening which can be overlapped with a corresponding opening in the valve housing of the expansion valve.
  • the opening in the valve housing is also referred to as "throttle opening", although there is no throttling here. This designation is only used to assign this opening of the valve housing to the throttle opening in the throttle body of the valve and to delimit this opening in the valve by By moving the valve piston or the throttle body relative to the housing of the expansion valve and thus to the so-called throttle opening, which is formed in the housing of the expansion valve, a more or less large expansion area can be released for the refrigerant.
  • the at least one throttle opening of the throttle body of the expansion valve is positioned in the valve piston such that the valve is closed in the depressurized state.
  • the expansion module according to the invention can have an expansion valve with a throttle opening of the throttle body, which has a total opening area in the range from 0.5 to 10 mm 2 , in particular from 1 to 7 mm 2 .
  • the throttle opening of the throttle body is essentially slot-shaped and extends in the axial direction on the cylinder jacket of the valve piston of the valve.
  • the valve characteristic curve can also be adjusted using the specially selected slot geometry.
  • the valve housing has In an advantageous embodiment of the expansion module according to the invention, in addition to the opening referred to as the throttle opening, at least one further inlet channel and at least one further outlet channel.
  • the valve piston of the expansion valve can be controlled by the pressure difference between the inlet channel and the outlet channel of the valve.
  • a defined position of the throttle body in the valve housing is established via an equilibrium of forces on the valve piston, ie on the throttle body, which is established between the pressure forces and the force of the spring-elastic element.
  • Expansion valve changes.
  • any characteristic of the throttle cross section can be in
  • the expansion valve has on its low-pressure side an active body, or a disk, which is in operative connection with the valve piston of the expansion valve.
  • This active body is connected to the valve housing via a membrane or a bellows in such a way that two separate subspaces are created on the low-pressure side of the valve.
  • the low pressure prevails on one surface side of the active body and an ambient pressure of the valve on its opposite surface side.
  • the membrane or the bellows can also be replaced by a gas cushion or an elastic body, such as a rubber spring.
  • valve piston of the expansion valve it is possible for the valve piston of the expansion valve to be controllable by the pressure difference between the high pressure level and the ambient pressure of the valve.
  • the force resulting from the low pressure has to be compensated in the force balance above the valve piston. This is possible because of the knitted body in connection with the membrane or the bellows low pressure on one side and ambient pressure on the other side. If one connects the mostly rigid active body with the valve piston serving as a throttle body, the resulting compressive force on the active body can also act on the piston. A position of the throttle body via the high pressure or the differential pressure between the high pressure side and the ambient pressure of the refrigeration circuit is thus advantageously possible.
  • the expansion module according to the invention has, in addition to the expansion valve, a fixed throttle with a constant throttle cross section.
  • the opening cross section of the constant throttle is then independent of the high pressure prevailing in the circuit.
  • the pressure-controlled expansion valve described is operated parallel to the constant throttle.
  • the expansion module according to the invention which on the one hand has a fixed throttle with a constant throttle cross-section and on the other hand has a pressure-driven expansion valve, enables a good control characteristic with a cost-effective design.
  • the expansion module according to the invention can be used to implement an air conditioning system, in particular an air conditioning system for a motor vehicle, which, depending on the operating conditions, for example outside temperature, temperature in the evaporator or also operating strategy, i.e. For example, optimization of the efficiency or optimization of the cooling capacity is adjustable.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of an embodiment of a refrigerant circuit according to the invention
  • FIG. 2 shows a first exemplary embodiment of a pressure-controlled expansion valve of the expansion module according to the invention in a schematic basic illustration
  • FIG. 4 shows another example of a pressure-controlled expansion valve of the expansion module according to the invention
  • Figure 5 shows another example of a pressure-controlled expansion valve
  • FIG. 6 shows a first embodiment for a valve piston of an expansion valve of the expansion module according to the invention, which valve serves as a throttle body
  • FIG. 7 shows a graphical representation of the functional relationship between the pressure at the inlet of the valve and the opening cross section of the expansion valve for different sizes of the throttle opening
  • FIG. 8 shows an alternative embodiment of a throttle body for an expansion valve
  • FIG. 9 shows the functional dependency belonging to FIG. 8 between the pressure at the inlet of the valve and the opening cross section for different sizes of the throttle opening of the throttle body.
  • the air conditioning or refrigeration system 12 shown in principle in FIG. 1 comprises a compressor 50, a condenser or gas cooler 52, an expansion module 10 and an evaporator 54, which are connected to one another via corresponding connecting means 56 and form a refrigerant circuit.
  • the components of this circuit are operated in the manner of a compression refrigeration circuit.
  • the refrigerant for example the refrigerant CO2
  • the compressor the so-called air conditioning compressor 50
  • the compressed refrigerant is then cooled in a condenser or condenser 52 by heat exchange.
  • the refrigerant in the condenser is not liquefied, but only cooled as a gas in the supercritical state.
  • this heat exchanger is also referred to as a gas cooler when the supercritical mode of operation of the refrigerant is used.
  • the refrigerant cooled in this way is then expanded to a lower pressure by means of an expansion module 10 and is further cooled in the process.
  • the expansion module 10 is generally followed by an evaporator 54, which is operated as a heat exchanger in order to transfer the released cold of the refrigerant to another medium.
  • This other medium which interacts with the cold, expanded refrigerant via the evaporator 54, can be, for example, air which is fed to a heating or cooling system (air conditioning system) of a motor vehicle.
  • a heating or cooling system air conditioning system
  • the pressure on the high pressure side of the thermodynamic cycle can be controlled or regulated.
  • the specific cooling capacity of the air conditioning system can be varied as desired. It is thus possible to obtain a maximum effective coefficient of performance by adjusting the pressure on the high-pressure side of the thermodynamic cycle (high-pressure level) as a function of the temperature at the gas cooler outlet or the ambient temperature.
  • the high pressure level can be set independently of the temperature when the heat is emitted.
  • control and / or regulatable expansion devices can be used.
  • the expansion module 10 therefore has at least one controllable expansion valve 14.
  • a fixed throttle (orifice) 70 with a constant throttle cross section can also be used.
  • the controllable expansion valve 14 and the orifice 70 are then arranged parallel to one another in an expansion module 10 and, as shown in the schematic illustration in FIG. 1, integrated in the refrigerant circuit 12.
  • FIG. 2 shows a first exemplary embodiment of a pressure-controlled expansion valve for the expansion module according to the invention.
  • the expansion valve 14 according to the invention has a valve housing 28 in which a valve chamber 26 is provided.
  • a valve piston 22 is axial, i.e. arranged displaceably in the direction of the axis 58.
  • the valve piston 22 and or the piston guide 32 in the exemplary embodiment according to FIG. 2 are coated with low friction, for example with a Teflon or carbon coating.
  • the valve piston 22 of the expansion valve according to the embodiment of FIG. 2 is adjustable against the force of a spring-elastic element 38, which is shown schematically as a spring in FIG. 2.
  • the valve according to the invention according to FIG. 2 has two inlet openings 60 and 62 in its valve housing, which are connected to the high-pressure side HD of the refrigerant circuit according to FIG. 1 in the installed state of the expansion valve. An outlet opening 64 is then connected to the low-pressure side ND of the refrigerant circuit.
  • the high pressure HD is applied to the radial inlet channel 62 of the valve housing 28.
  • This inlet channel 62 opens into an opening 30 of the valve housing 28, which is referred to below as the throttle opening of the valve housing, although no throttling takes place here.
  • This designation only serves to assign this opening of the valve housing to the throttle opening in the throttle body of the valve and to differentiate this opening 30 in the valve from further valve openings or inlet or outlet channels.
  • the throttle opening 30 of the valve housing 28 can, depending on the position of the Ventilgro ⁇ ers 22, with a throttle opening 20, which is formed in the cylinder of the valve piston 22, overlap more or less.
  • the valve piston 22 is thus designed as a throttle body 18 which has at least one throttle opening 20 which can be brought into operative connection with the throttle opening 30 of the valve housing 28, so that a continuous connecting channel is established between the high pressure side of the valve and the low pressure side of the valve.
  • a defined position of the valve piston 22 in the valve housing 28 is established via a balance of forces between the pressure forces acting on the valve piston 22 and the spring force of the spring-elastic element 38.
  • a change in the pressure force shifts the valve piston 22 in its position.
  • a change in position of the valve piston 22 leads to a change in the overlap between the throttle opening 30 in the valve housing and the throttle opening 20 of the valve piston 22 serving as throttle body 18. In this way, the throttle cross section of the expansion valve is changed.
  • any desired Kerm line of the throttle cross section can be set depending on the pressure difference across the valve.
  • valve piston 22 Through various configurations and arrangements of elastic spring element 38, valve piston 22 and inlet openings 60, 62 for the refrigerant at high pressure can the desired characteristic of the throttle cross section of the expansion valve according to the invention can be set as a function of the I3mck difference above the valve.
  • the expansion valve 14 according to the invention can also be flowed through in the opposite direction , as indicated by the arrows 70 in Figures 2 and 3.
  • the expansion valve according to the invention is controlled via the high-pressure level of the refrigerant circuit.
  • the force resulting from the low pressure must be compensated in the force balance acting on the valve piston. This is possible, for example, through an additional active body which is integrated into the valve according to the invention.
  • FIG. 4 shows such an exemplary embodiment for an expansion valve of the expansion module according to the invention.
  • the active body 40 is arranged inside the valve housing 28 on the low pressure side of the valve and separates the low pressure level ND from the ambient pressure UD with the aid of the membrane 50. This can be done, for example, by dividing the space 48 below the valve piston 22.
  • On one surface side 42 (in the 4 corresponds to the upper surface of the active body 40 or the membrane 50 facing the valve piston 22), the low pressure ND of the refrigerant circuit acts.
  • the opposite surface side 44 which corresponds to the lower surface of the knitted body or the membrane facing away from the valve piston 22 in the exemplary embodiment in FIG. 4) of the knitted body, the ambient pressure of the valve prevails.
  • Screw 72 are indicated. If this screw is screwed further into the valve housing 28, the preload of the spring-elastic element increases.
  • Other options for setting the force exerted by the resilient element on the active body or on the valve piston are of course also possible, the screw serves in this only the symbolic representation of possible setting means.
  • a servomotor, a magnet or a thermostatic actuating element should also be mentioned here, which ensure the adaptation of the characteristic curves of the valve even during operation of the system.
  • the expansion valve according to the invention can also be flowed through in reverse.
  • the specification of a special contour and size of the throttle opening 20 in the throttle body 18 of the valve according to the invention enables the generation of a desired characteristic curve for the expansion module.
  • throttle openings 20 are shown in the cylindrical shape of the valve piston 22.
  • the typical throttle cross-sectional area should be in a range of approximately 0.5 to 10 mm 2, in particular in the range of 1 to 7 mm 2 .
  • FIG. 6 shows the example of a throttle opening stepped in the axial direction of the valve
  • the throttle opening according to FIG. 8 has a trapezoidal contour.
  • Other contours for the throttle openings 20 are of course also possible.
  • the contour of the at least one throttle opening can expand more or less both concavely and convexly or discontinuously in the axial direction compared to a trapezoidal expansion, as shown in FIG.
  • the characteristic curve of the valve can be adjusted using various slot geometries. The geometries shown here are only examples and not subsequently.
  • valve 14 Due to the axial, pressure-driven movement of the valve piston 22 in the valve guide 32, depending on the position of the valve piston 22 relative to the throttle opening 30 of the valve housing 28, only part of the throttle opening or throttle openings 30 and thus the flow Throttle performance of the expansion valve varies.
  • the valve 14 according to the invention is either completely open or closed at a predetermined pressure level.
  • the pressure difference across the throttle opening 20 increases with a reduction in the throttle cross section.
  • the pressure at the inlet of the expansion valve 14, i.e. the high pressure HD of the refrigeration system can be set specifically.
  • the high pressure of the refrigeration system can be set to desired values by adapting the contour of the throttle opening 20 or the strength of the spring-elastic element 38.
  • the ratio of the axial travel of the valve piston 22 to the opening of the throttle cross section and thus the valve characteristics of the expansion module according to the invention can be varied by means of different contours of the throttle openings, as are shown, for example, in FIG. 6 or FIG. 8.
  • the characteristic curve of the valve can thus be adapted via various slot geometries.
  • FIG. 7 (corresponding to the embodiment of a throttle body according to FIG. 6) and FIG. 9
  • FIGS. 7 and 9 each show in a schematic representation the valve characteristics of the expansion module according to the invention.
  • the corresponding valve pistons 22 with the contours of their throttle openings 20 are again shown in the figures in FIGS. 7 and 9.
  • the abscissa of the graphical representation of FIG. 7 or FIG. 9 corresponds to the stroke of the valve piston 22 or throttle body 18 and is thus a function of the differential pressure applied to the valve.
  • Plotted on the ordinate of the representations in FIGS. 7 and 9 is the flow rate F, which essentially corresponds to the throttle cross section at the respective position of the throttle body 18.
  • the individual curves show the valve characteristics for different total throttle cross sections A, with the arrow shown the
  • Typical throttle cross-sectional areas A are in a range from approx. 0.5 to 7 mm 2 .
  • a fully closed sliding seat valve typically has an internal leakage that depends on the difference in pressure across the valve and the gaps between the valve piston 22 and the valve guide 32.
  • the expansion valve according to the invention has both the gap height and the gap length between the valve piston and the Piston guide modified in such a way that a predeterminable, adequate tightness of the fully closed expansion valve is achieved.
  • valve piston and / or the piston guide low-friction for example with a
  • Teflon or carbon layer to coat Teflon or carbon layer to coat.
  • the expansion module according to the invention has, in addition to the controllable expansion valve, an additional throttle, constant opening, which is arranged parallel to the expansion valve in terms of flow technology.
  • the expansion module according to the invention is not limited to the exemplary embodiments of the expansion valve listed in the description.
  • the expansion module according to the invention is moreover not limited to use in the refrigerant circuit of an air conditioning system shown.
  • the refrigeration or air conditioning system according to the invention is not restricted to the use of CO 2 as refrigerants.
  • the air conditioning system according to the invention is not limited to the use of only one expansion valve. It is advantageously possible for the expansion module to also have a plurality of expansion valves which are connected to one another in terms of flow technology. Furthermore, it is possible in principle to operate the refrigerant circuit according to the invention as a heat pump.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Expansionsmodul (10) für ein Kältemittel, insbesondere ein Ex­pansionsmodul (10) zur geregelten Expansion eines hochdruckseitigen Kältemittels einer Kälte- und/oder Klimaanlage (12) auf ein Niederdruckniveau, mit zumindest einem Expansi­onsventil (14) Erfindungsgemäss wird vorgeschlagen, dass das Expansionsventil (14) des Expansionsmo­duls (10) in der Art eines Schiebesitzventils (16) ausgebildet ist, wobei der als Ventilkolben (22) dienende Schiebesitz (24) von mindestens einen, am Ventil anliegenden Druck gesteuert wird. Des weiteren betrifft die Erfindung einen Kältekreislauf., insbesondere einen Kältekreislauf einer Klimaanlage mit zumindest einem derartigen Expansionsmodul.

Description

Expansionsmodul für ein Kältemittel
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Expansionsmodul für ein Kältemittel einer Kälte - bzw. Klimaanlage, insbesondere für eine Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine derartige Kälte- bzw. Klimaanlage.
Stand der Technik
Die Stan<-ardausführung einer Kälte- bzw. Klimaanlage besteht im Wesentlichen aus Ver- dampfer, Kondensator (bzw. Gaskühler), Expansionsorgan, Verdichter und gegebenenfalls einem inneren Wärmetauscher. Darüber hinaus ist zumeist auch ein Sammler Bestandteil der Standardausführung.
Bei Klimaanlagen, insbesondere Kompressions-Klimaanlagen, wird zunächst eine Verdich- hing eines Kältemittels durch einen Verdichter, den so genannten Klimakompressors durchgeführt, um die innere Energie des Kältemittels zu erhöhen. Das komprimierte Kältemittel wird anschließend in einem Kondensator oder Verflüssiger durch einen Wärmeaustausch gekühlt. Das Kältemittel verflüssigt sich dabei aufgrund der mit dem Wärmeaustausch einhergehenden Wärmeabgabe. Anschließend wird das verflüssigte Kältemittel durch eine Drossel- stelle der Klimaanlage geführt, wobei diese Drosselstelle ein Expansionsorgan aufweist.
Beim Hindurchtreten des Kältemittels durch das Expansionsorgan dehnt sich das Kältemittel aus.
Dem Expansionsorgan ist in der Regel ein Verdampfer nachgeschaltet, der als Wärmetau- scher betrieben wird, um die freiwerdende Kälte auf ein anderes Medium zu übertragen. Dieses andere Medium kann bspw. Luft sein, die dann je nach Anwendung auch einem Fahrzeugheiz- bzw. Kühlsystem zugeführt werden kann.
Es ist bekannt, zur Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades einer KUmaanlage, auf der Hochdruckseite des geschlossenen Kältemittelkreises, das im Kondensator befindliche
Kältemittel in einen überkritischen Zustand zu bringen, um dadurch die Wärmeaustauschleistung der Klimaanlage zu verbessern. Der Kondensator wird dann als Gaskühler bezeichnet, da keine Kondensation im eigentlichen Sinne mehr auftritt, sondern lediglich eine Abkühlung des überkritischen Gases herbeigeführt wird. Darüber hinaus ermöglichen es über- kritisch betriebene Verdichter-Kältemaschinen, dass ein Kältemittel, wie bspw. Kohlendioxid mit einem kleineren Verdichtungsverhältnis genutzt werden kann.
Klimaanlagen für Kraftfahrzeuge, in denen das Kältemittel CO2 eingesetzt wird, werden transkritisch, d.h. je nach Betriebsbedingung sowohl überkritisch, als auch unterkritisch, betrieben.
Durch die Steuerung der Drosselung am Expansionsorgan des Kältemittelkreislaufs kann der Druck auf der Hochdruckseite des thermodynamischen Kreisprozesses gesteuert bzw. gere- gelt werden, so dass die spezifische Kälteleistung der Klimaanlage damit variiert werden kann. So ist es möglich, eine maximale effektive Leistungszahl zu erhalten, indem der Druck der Hochdruckseite des thermodynamischen Kältemittelkreises in Abhängigkeit von der Temperatur am Kondensator- bzw. Gaskühlerausgang oder der Umgebungstemperatur in an- gepasster Weise eingestellt wird.
In Kälteanlagen mit Kältemitteln, die aufgrund ihrer thermodynamischen Eigenschaften die Wärme im überkritischen Bereich abgeben, kann der Druck bei der Wärmeabgabe unabhängig von der Temperatur eingestellt werden. Um diesen - gegenüber Kältemitteln mit Wärmeabgabe im Nassdampfgebiet - zusätzlichen Freiheitsgrad nutzen zu können werden regelbare Expansionsventile eingesetzt.
Um den Hochdruck beliebig einzustellen, muss das Expansionsventil es ermöglichen, die Strömungsfläche je nach Betriebsbedingungen, bspw. Außentemperatur, Temperatur im Verdampfer und je nach Betriebsstrategie, d.h. Optimierung des Wirkungsgrades oder der Kälte- leistung einzustellen.
Wenn eine definierte Regelungsstrategie des Hochdrucks feststeht, ergibt sich eine Abhängigkeit zwischen dem in dem Kältekreislauf herrschenden Hochdruck und dem für den optimalen Betrieb der Anlage erforderlichen öffhungsquerschnitt des Expansionsorgans. Die Regelaufgabe des Expansionsventils besteht somit darin, diese Ventilfläche, d.h. den Öff- nungsquerschnitt des Ventils entsprechend des Hochdrucks einzustellen.
Expansionsventile werden überwiegend als Ventile mit Kugelsitz und elektromagnetischem Antrieb ausgeführt. Diese Ventile weisen den Nachteil einer zum Teil extremen Geräuschentwicklung in bestimmten Betriebszuständen auf. Insbesondere bei kleinen Volumenströ- men des Kältemittels und somit bei fast geschlossenem Ventil, kann es dazu kommen, dass die Ventilkugel auf den Ventilsitz aufschlägt und somit zu einer deutlichen Geräuschentwicklung führ Aus diesem Grunde ist eine Regelung des Druckes mit Ventilen vom Kugelsitztypus problematisch, da die zuvor beschriebene Geräuschentwicklung bspw. für eine Fahrzeugklimaanlage eines Kraftfahrzeuges nicht akzeptabel ist.
Darüber hinaus weisen derartige Ventile den Nachteil auf, eine Ansteuerung bzw. Regelung zu benötigen, was zu deutlichen Zusatzkosten führt.
Aus der DE 103 05 947 AI ist ein Expansionsventil für ein Kältemittel einer Klimaanlage bekannt, welches elektromagnetisch betrieben wird und bei dem es sich im wesentlichen um ein modifiziertes Drucksteuerventil zur Steuerung des Zulaufs zur Hochdruckpumpe einer Kraftstoffeinspritzanlage eines Kraftfahrzeuges handelt.
Aus der DE 101 25 789 Cl ist eine Ventilanordnung mit einem Expansionsventil bekannt, dem das Kältemittel auf einer Hochdruckseite zuströmt und aus dem das Kältemittel an der Niederdruckseite wieder austritt. Der Durchfluss von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite wird von einem Drosselkörper geregelt, der mit einem gehäusefesten Ventilsitz zusammenarbeitet und durch eine Stellvorrichtung axial verschiebbar ist. Das Expansionsventil der DE 101 25 789 Cl mit seiner Betätigungseinheit ist komplex und in der Montage sehr aufwendig.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein Expansionsmodul darzustellen, das eine gute Regelcharakteristik und darüber hinaus gleichzeitig eine kostengünstige Bauweise gewährleistet.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch ein Expansionsmodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Expansionsmodul für ein Kältemittel, welches insbesondere zur geregelten Expansion eines hochdrucksseitigen Kältemittels einer Kälte- bzw. Klimaanlage auf ein Niederdruckniveau dient, weist ein Expansionsventil auf, welches in der Art eines Schie- besitzventils ausgebildet ist, wobei der als Ventilkolben dienende Schiebesitz von mindestens einem, am Ventil anliegenden Druck gesteuert wird.
Durch die Ausbildung des erfindungsgemäßen Expansionsmoduls mit einem druckgesteuer- ten Schiebesitzventil ist es möglich, in vorteilhafter Weise ein Expansionsmodul zu realisieren, welches sowohl eine gute Regelbarkeit als auch eine einfache und damit kostengünstige Realisierung ermöglicht. Insbesondere ist eine elektrische Ansteuerung des Expansionsmoduls, mit en .sprechenden Leitungen, Steckerelemente n und zumindest einem Steuergerät nicht erforderlich. Da das erfindungsgemäße Expansionsmodul lediglich druckgesteuert ist, lässt sich eine Regelung des Kältemittelkreislaufs und insbesondere der Expansion des Kältemittels mit einfachen mechanischen Mitteln realisieren.
Die Verwendung des erfindungsgemäßen Expansionsmoduls in einer Klima- bzw. Kälteanlage ermöglicht in vorteilhafter Weise die Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades der Klimaanlage, ohne dass eine aufwendige Ansteuerung notwendig ist.
Durch die spezielle, mechanische Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Expansionsmoduls kann die Kennlinie des Drosselquerschnittes des Expansionsmoduls in Abhängigkeit von bspw. dem Hochdruckniveau oder auch der Druckdifferenz über dem Ventil eingestellt wer- den. Der Ventilkolben des Expansionsventils des erfindungsgemäßen Expansionsmoduls wird von mindestens einem, am Ventil anliegenden Druck des Kältemittels gesteuert. Eine elektromagnetische Ansteuerung des Drosselkörpers ist nicht erforderlich.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Expansionsmoduls möglich.
In einer vorteilhaften Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen Expansionsmoduls wird der Ventilkolben des als Schiebesitzventils ausgebildeten Expansionsventils, welcher axial in einer Ventilkammer des Ventilgehäuses verschiebbar ist, gegen die Kraft eines federelasti- sehen Elementes verstellt.
Die vom dem federelastischen Element dem verschiebbaren Ventilkolben entgegengebrachte Kraft ist in vorteilhafter Weise einstellbar. So kann bspw. die Vorspannung des federelastischen Elementes mit einem Kontermittel, wie beispielsweise einer Schraube oder einer Dis- tanzscheibe bereits bei der Fertigung angepasst werden, sodass sich eine gewünschte Ventilkennlinie des Expansionsventils des erfindungsgemäßen Expansionsmoduls ergibt. Die Federvorspannung kann jedoch auch durch einen Stellmotor, über einen Magneten oder thermostatisch eingestellt werden. Auf diese Weise ist dann eine Einstellung sowohl des Hoch- druckniveaus als auch des Niederdruckniveaus in einem Kältekreislauf möglich. Insbesondere ist in vorteilhafter Weise eine Kermlinienanpassung im Betrieb der Anlage möglich.
Das erfindungsgemäße Expansionsmodul weist in einer vorteilhaften Ausfuhrungsform seines Expansionsventils einen Ventilkolben auf, der als Drosselkörper ausgebildet ist, welcher zumindest eine Drosselöffhung besitzt, die mit einer entsprechenden Öffnung des Ventilgehäuses des Expansionsventils in Überlappung gebracht werden kann. In diesem Zusammenhang wird auch die Öffnung im Ventilgehäuse als ,,Drosselöfmung" bezeichnet, obwohl hier keine Drosselung stattfindet. Diese Bezeichnung dient lediglich der Zuweisung dieser Öffnung des Ventilgehäuses zu der Drosselöffnung im Drosselkörper des Ventil und zur na- mentlichen Abgrenzung dieser Öffnung im Ventil von weiteren Ventilöfrhungen bzw. Ein- oder Auslasskanälen. Durch Verschiebung des Ventilskolbens bzw. des Drosselkörpers relativ zum Gehäuse des Expansionsventils und somit zur so genannten Drosselöffhung, welche im Gehäuse des Expansionsventils ausgebildet ist, kann eine mehr oder weniger große Expansionsfläche für das Kältemittel freigegeben werden.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Expansionsventils ist die mindestens eine Drosselöffhung des Drosselkörpers des Expansionsventils derart im Ventilkolben positioniert, dass das Ventil im drucklosen Zustand geschlossen ist.
In vorteilhafter Weise kann das erfindungsgemäße Expansionsmodul ein Expansionsventil mit einer Drosselöffhung des Drosselkörpers aufweisen, der eine Gesamtöffnungsfläche im Bereich von 0,5 bis 10 mm2 , insbesondere von 1 bis 7 mm2 hat. In besonders vorteilhafter Weise ist die Drosselöffnung des Drosselkörpers dabei im Wesentlichen schlitzförmig ausgebildet und verläuft in axialer Richtung am Zylindermantel des Ventilkolbens des Ventils. Über die speziell gewählte Schlitzgeometrie kann insbesondere auch die Ventilkennlinie angepasst werden.
Um eine wirkungsvolle Steuerung des Ventilkolbens innerhalb des Expansionsventils und somit den gewünschten Expansionsquerschnitt erzielen zu können, weist das Ventilgehäuse in einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Expansionsmoduls neben der als Drosselöffhung bezeichneten Öffnung zumindest einen weiteren Einlasskanal und zumindest einen weiteren Auslasskanal auf. In dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Expansionsmoduls ist der Ventilkolben des Expansionsventils durch die Druckdifferenz zwischen dem Einlasskanal und dem Auslasskanals des Ventils steuerbar. Über ein Kräftegleichgewicht am Ventilkolben, d.h. am Drosselkörper, welches sich zwischen den D ckkräften und der Kraft des federelastischen Elementes einstellt, stellt sich eine definierte Position des Drosselköpers im Ventilgehäuse ein. Durch Änderung der Druckkraft verschiebt sich der Ventilkolben, d.h. der Drosselkörper in seiner Position relativ zur Drosselöffhung im Ventilgehäuse. Eine Lageänderung des Ventilkolbens führt somit zu einer Änderung der Überdeckung zwischen Drosselöffhung im Ventilgehäuse und Drosselöffhung im Ventilkolben, sodass sich der Drosselquerschnitt des
Expansionsventils ändert. Durch geeignete Abstimmung der Kraft des federelastischen Ele- mentes und Drosselschlitzkontur kann eine beliebige Kennlinie des Drosselquerschnitts in
Abhängigkeit vom Druck über dem Ventil eingestellt werden, ohne das auf einen elektromagnetischen Aktuator zurückgegriffen werden müsste
In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Expansionsmoduls verfügt das Expansionsventil auf seiner Niederdruckseite über einen Wirkkörper, bzw. eine Scheibe, der bzw. die mit dem Ventilkolben des Expansionsventils in Wirkverbindung steht. Dieser Wirkkörper ist über eine Membran bzw. über einen Balg mit dem Ventilgehäuse derart verbunden, dass zwei voneinander getrennt Teilräume auf der Niederdruckseite des Ventils erzeugt werden. Auf der einen Flächenseite des Wirkkörpers herrscht der Niederdruck und auf seiner gegenüberliegenden Flächenseite ein Umgebungsdruck des Ventils. In anderen Ausführungsformen die Membran oder der Balg auch ersetzt sein, durch ein Gaskissen oder auch einen elastischen Körper, wie beispielsweise eine Gummifeder.
In einem derart ausgebildeten Expansionsmodul mit Wirkkörper ist es möglich, dass der Ventilkolben des Expansionsventils durch die Druckdifferenz zwischen dem Hochdruckniveau und dem Umgebungsdruck des Ventils steuerbar ist. Für diese Steuerung des erfindungsgemäßen Expansionsmoduls lediglich durch den Hochdruck muss in der Kräftebilanz über dem Ventilkolben, die aus dem Niederdruck resultierende Kraft kompensiert werden. Dies ist durch den Wirkköφer in Verbindung mit der Membran bzw. dem Balg möglich, da auf dessen einer Seite der Niederdruck und auf dessen anderer Seite Umgebungsdruck herrscht. Verbindet man den zumeist starren Wirkkörper mit dem als Drosselköφer dienenden Ventilkolben, so kann die resultierende Druckkraft auf den Wirkköφer auch auf den Kolben einwirken. In vorteilhafter Weise ist somit eine Stellung des Drosselkörpers über den Hochdruck bzw. den Differenzdruck zwischen Hochdruckseite und Umgebungsdruck des Kältekreislaufs möglich.
Das erfindungsgemäße Expansionsmodul weist in einer vorteilhaften Ausführungsform neben dem Expansionsventil zudem eine feste Drossel mit konstantem Drosselquerschnitt auf. Der Öfmungsquerschnitt der Konstant-Drossel ist dann unabhängig von dem im Kreislauf herrschenden Hochdruck. Der Einsatz der Konstant-Drossel allein würde jedoch verhindern, dass das System immer unter optimalen Bedingungen betrieben wird. Aus diesem Grunde wird in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Expansionsmoduls parallel zur Konstant-Drossel, das beschriebene druckgesteuerte Expansionsventil betrieben. Das erfindungs- gemäße Expansionsmodul, welches zum Einen über eine feste Drossel mit konstantem Drosselquerschnitt und zum Anderen über ein druckgetriebenes Expansionsventil verfügt, ermöglicht somit eine gute Regelcharakteristik bei gleichzeitig kostengünstiger Bauweise.
In vorteilhafter Weise lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Expansionsmodul eine Klima- anläge, insbesondere eine Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug, realisieren, die je nach Betriebsbedingungen, bspw. Außentemperatur, Temperatur im Verdampfer oder auch Betriebsstrategie, d.h. bspw. Optimierung des Wirkungsgrades bzw. Optimierung der Kälteleistung einstellbar ist.
Weitere Vorteile und Merkmale des erfindungsgemäßen Expansionsmoduls bzw. der erfindungsgemäßen Klima- bzw. Kälteanlage ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele.
Zeichnungen
In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele für Expansionsventile des erfindungsgemäßen Expansionsmoduls sowie ein erfindungsgemäßer Kältemittelkreislauf unter Verwendung eines solchen Expansionsmoduls dargestellt, die in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert werden sollen. Die Figuren der Zeichnung, deren Beschreibung sowie die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombinationen. Ein Fachmann wird diese Merkmale auch einzeln betrachten und zu weiteren, sinnvollen Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigt:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Ausfuhrungsform eines erfindungsgemäßen Kältemittelkreislaufs,
Figur 2 ein erstes Ausführungsbeispiel für ein druckgesteuertes Expansionsventil des erfindungsgemäßen Expansionsmoduls in einer schematischen Prinzipdarstellung,
- jrjgyj.3 gjjj weites Ausführungsbeispiel eines druckgesteuerten Expansionsventils,
Figur 4 ein weiteres Beispiel für ein druckgesteuertes Expansionsventil des erfindungsgemäßen Expansionsmoduls,
Figur 5 ein weiteres Beispiel für ein druckgesteuertes Expansionsventil
Figur 6 eine erste Ausführungsform für einen als Drosselköφer dienenden Ventilkolben eines Expansionsventils des erfϊndungsgemäßen Expansionsmoduls,
Figur 7 eine graphische Darstellung des funktionalen Zusammenhangs zwischen dem Druck am Eintritt des Ventils und des Öfmungsquerschnitts des Expansionsventils für verschiedene Größen der Drosselöffnung,
Figur 8 eine alternative Ausführungsform eines Drosselköφers für ein Expansionsventil,
Figur 9 die zu Figur 8 gehörige funktioneile Abhängigkeit zwischen dem Druck am Eintritt des Ventils und dem Öffhungsquerschnitt für verschiedene Größen der Drosselöffnung des Drosselköφers.
Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsformen Die in Figur 1 im Prinzip dargestellte Klima- bzw. Kälteanlage 12 umfasst einen Kompressor 50, einen Kondensator oder Gaskühler 52, ein Expansionsmodul 10 und einen Verdampfer 54, die über entsprechende Verbindungsmittel 56 miteinander verbunden sind und einen Kältemittelkreislauf bilden.
Die Komponenten dieses Kreislaufs werden nach Art eines Kompressionskältekreislaufs betrieben. Hierbei wird zunächst eine Verdichtung des Kältemittels, bspw. des Kältemittels CO2 durch den Verdichter, den so genannten Klimakompressor 50 durchgeführt, um die in- nere Energie des Kältemittels zu erhöhen. Das komprimierte Kältemittel wird anschließend in einem Kondensator oder Verflüssiger 52 durch einen Wärmeaustausch gekühlt. Bei Kältemitteln, die die Wärme im überkritischen Bereich abgegeben, wie dies bspw. bei dem Käl- temittel~CO2 der Fall ist, wird das Kältemittel im Kondensator nicht verflüssigt, sondern als Gas im überkritischen Zustand nur abgekühlt. Aus diesem Grund wird dieser Wärmeübertra- ger bei Verwendung der überkritischen Betriebsweise des Kältemittels auch als Gaskühler bezeichnet. Anschließend wird das so gekühlte Kältemittel mittels eines Expansionsmoduls 10 auf einen geringeren Druck ausgedehnt und dabei weiter abgekühlt.
Dem Expansionsmodul 10 ist in der Regel ein Verdampfer 54 nachgeschaltet, der als Wär- metauscher betrieben wird, um die freiwerdende Kälte des Kältemittels auf ein anderes Medium zu übertragen. Dieses andere Medium, welches über den Verdampfer 54 mit dem kalten, expandierten Kältemittel in Wechselwirkung tritt, kann bspw. Luft sein, die einer Hei- zungs- bzw. Kühlanlage (Klimaanlage) eines Kraftfahrzeuges zugeführt wird. Durch die Steuerung der Drosselung, d.h. des Öffhungsquerschnittes am Expansionsmodul 10 des Käl- temittelkreislaufs kann der Druck auf der Hochdruckseite des thermodynamischen Kreisprozesses gesteuert bzw. geregelt werden. Auf diese Weise kann die spezifische Kälteleistung der Klimaanlage in gewünschter Weise variiert werden. So ist es möglich, eine maximale effektive Leistungszahl zu erhalten, indem der Druck der Hochdruckseite des thermodynamischen Kreisprozesses (Hochdruckniveau) in Abhängigkeit von der Temperatur am Gasküh- lerausgang oder der Umgebungstemperatur in angepasster Weise eingestellt wird.
Insbesondere bei Kälteanlagen mit Kältemitteln, die aufgrund ihrer thermodynamischen Eigenschaften die Wärme im überkritischen Bereich abgegeben, kann das Hochdruckniveau bei der Wärmeabgabe unabhängig von der Temperatur einstellt werden. Um diesen, gegen- über Kältemitteln mit Wärmeabgabe im Nassdampfbereich zusätzlichen Freiheitsgrad in vorteilhafter Weise nutzen zu können, können Steuer- und oder regelbare Expansionseinrichtungen genutzt werden.
Das erfindungsgemäße Expansionsmodul 10 weist daher zumindest ein steuerbares Expansionsventil 14 auf. In alternativen Ausfuhrungsformen, kann neben dem steuerbaren Expansionsventil 14 auch eine feste Drossel (Orifice) 70 mit konstantem Drosselquerschnitt verwendet werden. Dabei werden dann das steuerbare Expansionsventil 14 und das Orifice 70 parallel zueinander in einem Expansionsmodul 10 angeordnet und, wie in der schematischen Dar- Stellung der Figur 1 gezeigt, in dem Kältemittelkreislauf 12 integriert.
Figur 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines druckgesteuerten Expansionsventils für das erfindungsgemäße Expansionsmodul. Das erfindungsgemäße Expansionsventil 14 weist ein Ventilgehäuse 28 auf, in dem eine Ventilkammer 26 vorgesehen ist. In der Ventilkammer 26 ist ein Ventilkolben 22 axial, d.h. in Richtung der Achse 58 verschiebbar angeordnet. Um die Verschiebbarkeit des Ventilkolbens 22 in der Ventilkammer 26 zu erhöhen, sind der Ventilkolben 22 und oder die Kolbenführung 32 im Ausführungsbeispiel nach Figur 2 reibungsarm beschichtet, bspw. mit einer Teflon- oder Kohlenstofϊbescbichtung. Der Ventilkolben 22 des erfindungsgemäßen Expansionsventils nach dem Ausführungsbeispiel der Fi- gur 2 ist gegen die Kraft eines federelastischen Elementes 38, welches in Figur 2 schematisch als Feder dargestellt ist, verstellbar.
Das erfindungsgemäße Ventil gemäß Figur 2 weist in seinem Ventilgehäuse zwei Einlass- öffhungen 60 bzw. 62 auf, die im eingebauten Zustand des Expansionsventils mit der Hoch- druckseite HD des Kältemittelkreislaufs gemäß Figur 1 in Verbindung stehen. Eine Auslass- öffhung 64 ist dann mit der Niederdruckseite ND des Kältemittelkreislaufs verbunden.
Bei der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform des druckgesteuerten Expansionsventils des erfindungsgemäßen Expansionsmoduls hegt der Hochdruck HD an dem radialen Zulauf kanal 62 des Ventilgehäuses 28 an. Dieser Zulaufkanal 62 mündet in einer Öffnung 30 des Ventilgehäuses 28, die im folgenden als Drosselöfmung des Ventilgehäuses bezeichnet wird, obwohl hier keine Drosselung stattfindet. Diese Bezeichnung dient lediglich der Zuweisung dieser Öffnung des Ventilgehäuses zu der Drosselöf ung im Drosselköφer des Ventils und zur namentlichen Abgrenzung dieser Öffnung 30 im Ventil von weiteren Ventilöffhungen bzw. Ein- oder Auslasskanälen. Die Drosselöfmung 30 des Ventilgehäuses 28 kann, je nach Stellung des Ventilköφers 22, mit einer Drosselöf ung 20, welche im Zylinder des Ventilkolbens 22 ausgebildet ist, mehr oder weniger stark überlappen. Der Ventilkolben 22 ist somit als Drosselköφer 18 ausgebildet, der zumindest eine Drosselöfmung 20 aufweist, die mit der Drosselöffhung 30 des Ventilgehäuses 28 in Wirkverbindung gebracht werden kann, so dass ein durchgängiger Verbindungskanal zwischen der Hochdruckseite des Ventils und der Niederdruckseite des Ventils hergestellt wird.
Im Raum 48 unterhalb des Ventilkolbens 22 liegt Niederdruck an. Dieser Raum 66 ist mit dem Auslasskanal 36 verbunden.
Bei der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform liegt der Hochdruck HD nicht nur an dem ra- " dialen Zulauf kanal 62 an, sondern ist zudem mit einem Raum 46 oberhalb des Ventilkolbens 22 verbunden.
Für den Ventilkolben 22, bzw. den Drosselköφer 18 des erfindungsgemäßen Expansionsventils ergibt sich somit ein Kräftegleichgewicht zwischen dem federelastischen Element 38 und den auf den Ventilkolben 22 einwirkenden Druckkräften gemäß: (PHD — PND) ~ Fönick raft = FFeder
Über ein Kräftegleichgewicht zwischen den am Ventilkolben 22 angreifenden Druckkräften und der Federkraft des federelastischen Elementes 38 stellt sich eine definierte Position des Ventilkolbens 22 im Ventilgehäuse 28 ein. Durch eine Änderung der Druckkraft verschiebt sich der Ventilkolben 22 in seiner Position. Eine Lageänderung des Ventilkolbens 22 führt zu einer Änderung der Überdeckung zwischen der Drosselöfmung 30 im Ventilgehäuse und der Drosselöffnung 20 des als Drosselköφer 18 dienenden Ventilkolbens 22. Auf diese Weise wird der Drosselquerschnitt des Expansionsventils verändert. Durch eine geeignete Abstimmung der Federkraft sowie der Kontur der Drosselöffhung 30 kann eine beliebige Kerm- linie des Drosselquerschnitts in Abhängigkeit von der Druckdifferenz über dem Ventil eingestellt werden.
Durch verschiedene Ausgestaltungen und Anordnungen von elastischen Federelement 38, Ventilkolben 22 und Einlassöff ungen 60, 62 für das Kältemittel auf Hochdruckniveau kann die gewünschte Kennlinie des Drosselquerschnitts des erfindungsgemäßen Expansionsventils in Abhängigkeit von der I3mckdifferenz über dem Ventil eingestellt werden.
Ordnet man das federelastische Element 38 im oberen Raum 46 des erfindungsgemäßen Ventils an und vertauscht Hoch- und Niederdruckseite (HD bzw. ND), wie dies im Ausfuh- rungsbeispiel der Figur 3 gezeigt ist, kann das erfindungsgemäße Expansionsventil 14 auch in umgekehrter Richtung durchströmt werden, wie dies durch die Pfeile 70 in Figur 2 bzw. 3 angedeutet ist.
In einer alternativen Ausführungsform erfolgt die Steuerung des erfindungsgemäßen Expansionsventils über das Hochdruckniveau des Kältemittelkreislaufs. Für eine Steuerung durch den Hochdruck muss in der auf den Ventilkolben einwirkenden Kräftebilanz, die aus den Niederdruck resultierende Kraft kompensiert werden. Dies ist bspw. durch einen zusätzlichen Wirkkörper möglich, der in das erfindungsgemäße Ventil integriert werden.
Um die aus dem Niederdruck resultierende Kraft auf den Kolben des Ventils zu kompensieren, ist weitere mit dem Kolben verbundene Wirkflächen erforderlich. Diese werden durch einen Wirkköφer 40 geliefert, auf den auf der einen Seite 42 der Niederdruck und auf ihrer anderen Seite 44 der Umgebungsdruck wirken kann. Der Niederdruckraum muss also mittels dieses Wirkköφers 40 bzw. seiner Wirkflächen 42 und 44 von dem Raum, in dem Umgebungsdruck herrscht, getrennt werden. Der Wirkköφer 40 ist dabei starr mit dem Ventilkolben verbunden und wird über eine Membran oder einen Balg kraftübertragungslos mit dem Ventilgehäuse verbunden, so dass die Teilräume voneinander gasdicht getrennt sind. Membran oder Balg gewährleisten die Trennung von Niederdruck- und Umgebungsdruckraum bei Aufrechterhaltung der Möghchkeit zur Hubbewegung. Dabei sollten Membran oder Balg möglichst selbst keine Kraft übertragen. In anderen Ausführungsformen kann dazu auch ein Gaskissen oder ein elastischer Köφer, wie beispielsweise eine Gummifeder verwendet werden. Im folgenden wird stellvertretend nur von einer Membran gesprochen.
Figur 4 zeigt ein derartiges Ausfuhrungsbeispiel für ein Expansionsventil des erfindungsgemäßen Expansionsmoduls. Der Wirkkörper 40 ist innerhalb des Ventilgehäuses 28 auf der Niederdruckseite des Ventils angeordnet und trennt das Niederdruckniveau ND vom Umgebungsdruck UD mit Hilfe der Membran 50 ab. Dies kann bspw. durch eine Unterteilung des Raumes 48 unterhalb des Ventilkolbens 22 erfolgen. Auf die eine Flächenseite 42 (im Aus- führungsbeispiel der Figur 4 entspricht dies der oberen, dem Ventilkolben 22 zugewandten Oberfläche des Wirkköφers 40 bzw. der Membran 50) wirkt der Niederdruck ND des Kältemittelkreislaufs. Auf der gegenüberliegenden Flächenseite 44 (die im Ausführungsbeispiel der Figur 4 der unteren, dem Ventilkolben 22 abgewandten Oberfläche des Wirkköφers bzw. der Membran entspricht) des Wirkköφers herrscht der Umgebungsdruck des Ventils.
Verbindet man den Wirkköφer 40, der beispielsweise in Form einer starren Scheibe ausgebildet sein kann, wie in Figur 4 angedeutet mechanisch mit dem Ventilkolben 22, so wird die resultierende Dmckkraft (PND - Pu), die auf den Wirkköφer 40 einwirkt, auch auf den Ventilkolben 22 wirken. Für den Ventilkolben 22 ergibt sich somit nachfolgende Kräftebilanz:
(PHD - PND ) + (PND - Pu) ~ (PHD - Pu) ~ Foraikkraft = Frede.
Dabei entspricht der Term (PHD - PND ) dem resultierenden Druck auf den Ventilkolbenboden und der Term (PND - PU) bezeichnet den Druck auf den Wirkköφer. Auf diese Weise wird eine Steuerung des Ventilkolbens und somit der Drosselcharakteristik des Expansionsventils lediglich über das Hochdruckniveau HD des Kältemittelkreislaufs realisiert. Durch Änderung des Hochdruckniveaus und der dadurch auf den Ventilkolben 22 erzeugten Kraft Foruckk-aft verschiebt sich der Ventilkolben 22, also der Drosselköφer 18 des Expansionsventils in seiner Position. Eine Lageänderung des Drosselkörpers 18 führt zu einer Änderung der Überdeckung von Einlass- bzw. Drosselöffhung 30 des Ventilgehäuses und der Drosselöffnung 20 des Drosselköφers 18, sodass sich der Öf ungsquerschnitt des Expansionsventils ändert. Durch eine geeignete Abstimmung der Federkraft des federelastischen Elementes 38 und der Kontur der Drosselöf ung 20 des Drosselköφers 18 kann, wie bereits beschrieben, eine gewünschte Kennlinie für den Drosselquerschnitt in Abhängigkeit von dem am Expansionsventil anliegenden Hochdruck HD eingestellt werden.
Um die Federkraft des federelastischen Elementes 38 zu variieren, können entsprechende Emstell- bzw. Kontermittel vorgesehen sein, die in Figur 4 schematisch in Form einer
Schraube 72 angedeutet sind. Wird diese Schraube weiter in das Ventilgehäuse 28 eingeschraubt, so nimmt die Vorspannung des federelastischen Elementes zu. Andere Möglichkeiten zur Einstellung der vom federelastischen Element auf Wirkkörper bzw. auf den Ventilkolben ausgeübten Kraft sind selbstverständlich ebenso möglich, die Schraube dient in die- sem Zusammenhang nur der symbolischen Darstellung möglicher Einstellmittel. Insbesondere seien hier zudem ein Stellmotor, ein Magnet oder auch ein thermostatisches Stellelement erwähnt, die die Anpassung der Kennlinien des Ventils auch im Betrieb der Anlage gewährleisten.
Ordnet man das federelastische Element 38 im oberen Raum 46 des Ventilgehäuse 28 an und vertauscht Hochdruck- und Niederdruckseite des Ventils, wie dies in Figur 5 angedeutet ist, kann das erfindungsgemäße Expansionsventil auch umgekehrt durchströmt werden.
Neben der Einstellung der Federkraft des federelastischen Elementes 38 ermöglicht die Vorgabe einer speziellen Kontur und Größe der Drosselöf ung 20 im Drosselköφer 18 des erfindungsgemäßen Ventils die Erzeugung einer gewünschten Kennlinie für das Expansionsmodul.
In Figur 6 und 8 sind zwei Ausführungsformen für Drosselöffhungen 20 des Drosselköφers
18 des Expansionsventils dargestellt. Der Übersicht halber ist jeweils nur eine Drosselöffnung pro Ventilkolben 22 bzw. Drosselköφer 18 gezeigt. In anderen Ausführungsbeispielen ist es selbstverständlich möglich, eine beliebige Anzahl entsprechend geformter Drosselöffnungen 20 in der Zylinderform des Ventilkolbens 22 auszubilden. Die typische Drosselquer- Schnittsfläche sollte dabei in einem Bereich von ca. 0,5 bis 10 mm2 insbesondere im Bereich von 1 bis 7 mm2 liegen.
Figur 6 zeigt das Beispiel einer in axialer Richtung des Ventils gestuften Drosselöffhung, wohingegen die Drosselöffhung gemäß Figur 8 eine trapezförmige Kontur aufweist. Andere Konturen für die Drosselöf ungen 20 sind selbstverständlich ebenso mögüch. So kann sich bspw. die Kontur der mindestens einen Drosselöfmung in axialer Richtung gegenüber einer trapezförmigen Erweiterung, wie diese in Figur 8 gezeigt ist, mehr oder weniger stark sowohl konkav als auch konvex stetig oder diskontinuierlich erweitern. Über verschiedene Schlitzgeometrien kann die Kennlinie des Ventils angepasst werden. Die hier gezeigten Ge- ometrien sind lediglich beispielhaft und nicht anschließend.
Durch die axiale, druckgetriebene Bewegung des Ventilkolbens 22 in der Ventilführung 32, wird je nach Stellung des Ventilkolbens 22 relativ zur Drosselöffhung 30 des Ventilgehäuses 28 nur ein Teil der Drosselöfmung bzw. Drosselöfmungen 30 durchströmt und somit die Drosselleistung des Expansionsventils variiert. Durch eine geeignete Positionierung der Drosselöfmungen 20 im Drosselköφer 18 lässt sich zudem erreichen, dass das erfindungsgemäße Ventil 14 bei einem vorgegebenen Druckniveau entweder vollständig geöffnet bzw. geschlossen ist.
Bei gegebenem Volumenstrom durch das Ventil 14 erhöht sich die Druckdifferenz über der Drosselöfmung 20 mit Verringerung des Drosselquerschnitts. Durch die Veränderung des Drosselquerschnitts kann somit der Druck am Eintritt des Expansionsventils 14, d.h. der Hochdruck HD der Kälteanlage gezielt eingestellt werden. Ebenso kann bei veränderlichem Volumenstrom der Hochdruck der Kälteanlage durch Anpassung der Kontur der Drosselöffnung 20 bzw. der Stärke des federelastischen Elementes 38 auf gewünschte Werte eingestellt werden.
Durch unterschiedliche Konturen der Drosselöfmungen, wie sie bspw. in Figur 6 bzw. Figur 8 wiedergegeben sind, kann das Verhältnis von axialem Weg des Ventilkolbens 22 zur Öffnung des Drosselquerschnitts und somit die Ventilcharakteristik des erfindungsgemäßen Expansionsmoduls variiert werden. Über verschiedene Schlitzgeometrien kann somit die Kennlinie des Ventils angepasst werden.
Figur 7 (entsprechend der Ausführungsform eines Drosselköφers nach Figur 6) und Figur 9
(entsprechend der Ausführungsform nach Figur 8) geben jeweils in einer schematischen Darstellung die Ventilcharakteristik des erfindungsgemäßen Expansionsmoduls wieder. Der Ü- bersicht halber sind die entsprechenden Ventilkolben 22 mit den Konturen ihrer Drosselöffnungen 20 nochmals in den Abbildungen der Figur 7 bzw. 9 eingezeichnet. Die Abzisse der grafischen der Darstellung gemäß Figur 7 bzw. Figur 9 entspricht dem Hub des Ventilkolbens 22 bzw. Drosselköφers 18 und ist somit eine Funktion des am Ventil anliegenden Differenzdruckes. Auf der Ordinate der Darstellungen in Figur 7 bzw. 9 aufgetragen ist der Durchfluss F, der im Wesentlichen dem Drosselquerschnitt bei der jeweiligen Stellung des Drosselkörpers 18 entspricht. Die einzelnen Kurven geben die Ventilcharakteristiken bei un- terschiedlichen Gesamtdrosselquerschnitten A wieder, wobei der eingezeichnete Pfeil die
Richtung vergrößerter Drosselquerschnitte A andeutet. Typische Drosselquerschnittsflächen A liegen in einem Bereich von ca. 0,5 bis 7 mm2. Mit Hilfe der speziellen Querschnittsform der Drosselöffhung, sowie der Federcharakteristik des federelastischen Elementes 38 lässt sich eine optimierte Ventilcharakteristik für den Kältemittelkreislauf 12 realisieren.
Ein voll geschlossenes Schiebesitzventil weist typischerweise eine innere Leckage auf, die von der Drackdifferenz über dem Ventil und den Spalten zwischen dem Ventilkolben 22 und der Ventüführung 32 abhängt. Um eine hohe Dichtheit des voll geschlossenen Expansionsventils zu erreichen und damit die prinzipielle Möglichkeit, auch bei kleinsten Volumenströmen noch einen definierten Hochdruck einregeln zu können, zu erhalten, ist in dem er- findungsgemäßen Expansionsventil sowohl die Spalthöhe als auch die Spaltlänge zwischen dem Ventilkolben und der Kolbenführung derart modifiziert, dass eine vorgebbare, ausreichende Dichtheit des voll geschlossenen Expansionsventils erreicht wird.
Eine Möglichkeit die Toleranz in den Spaltdimensionen in vorteilhafter Weise zu reduzieren, besteht darin, den Ventilkolben und/oder die Kolbenführung reibungsarm, bspw. mit einer
Teflon- oder Kohlenstoffschicht zu beschichten.
In einer vorteilhaften Ausführungsform besitzt das erfindungsgemäße Expansionsmodul neben dem steuerbaren Expansionsventil eine zusätzliche Drossel, konstanter Öffnung, die strömungstechnisch parallel zum Expansionsventil angeordnet ist.
Das erfindungsgemäße Expansionsmodul ist nicht auf die in der Beschreibung aufgeführten Ausführungsbeispiele des Expansionsventils beschränkt.
Das erfindungsgemäße Expansionsmodul ist darüber hinaus nicht beschränkt auf die Verwendung in dem dargestellten Kältemittelkreislauf einer Klimaanlage. Insbesondere ist die erfindungsgemäße Kälte- bzw. Klimaanlage nicht beschränkt auf die Verwendung von CO2 als Kältemitteln.
Des Weiteren ist die erfindungsgemäße Klimaanlage nicht beschränkt auf die Verwendung lediglich eines Expansionsventils. In vorteilhafter Weise ist es möglich, dass das Expansionsmodul auch mehrere Expansionsventile aufweist, die zueinander strömungstechnisch parallel geschaltet sind. Des Weiteren ist es möglich, den erfindungsgemäßen Kältemittelkreislauf prinzipiell auch als Wärmepumpe zu betreiben.

Claims

Ansprüche
1. Expansionsmodul (10) für ein Kältemittel, insbesondere ein Expansionsmodul (10) zur geregelten Expansion eines hochdruckseitigen Kältemittels einer Kälte- und/oder Klimaanlage (12) auf ein Niederdruckniveau, mit zumindest einem Expansionsventil (14), dadurch gekennzeichnet, dass das Expansionsventil (14) des Expansionsmoduls (10) in der Art eines Schiebesitzventils (16) ausgebildet ist, wobei der als Ventilkolben (22) dienende Schiebesitz (24) von mindestens einem, am Ventil anliegenden Druck gesteuert wird.
2. Expansionsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der axial in einer Ventilkammer (26) des Ventilgehäuses (28) verschiebbare Ventilkolben (22) gegen die Kraft eines federelastischen Elementes (38) stellbar ist.
3. Expansionsmodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft des federelastischen Elementes (38) einstellbar ist.
4. Expansionsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkolben (22) des Expansionsventils (14) als Drosselköφer (18) aus- gebildet ist, der zumindest eine Drosselöfmung (20) aufweist, die mit einer Öffnung (30) des Ventilgehäuses (28) in Wirkverbindung gebracht werden kann.
5. Expansionsmodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Drosselöfmung (20) des Drosselköφers (18) derart in dem Ventilkolben (22) des Ex- pansionsventils (14) positioniert ist, dass das Ventil (14) im drucklosen Zustand geschlossen ist.
6. Expansionsmodul nach zumindest einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselöf ung (20) des Drosselköφers (18) eine Gesamtöffnungs- fläche im Bereich von 0,5 bis 10 mm2 , insbesondere im Bereich von 1 bis 7 mm2 hat.
7. Expansionsmodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselöffhung (20) des Drosselkörpers (18) im Wesentlichen schlitzförmig ist und im Wesentlichen in axialer Richtung im Zylindermantel des Ventilkolbens (22) verläuft.
8. Expansionsmodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilgehäuse neben der Drosselöfmung (30) über zumindest einen weiteren Einlasskanal (34) und zumindest einen weiteren Auslasskanal (36) verfügt.
9. Expansionsmodul nach Anspruch 1 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkolben (22) durch die Druckdifferenz zwischen Einlasskanal (34) und Auslasskanal (34) des Ventils (14) steuerbar ist.
10. Expansionsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Expansionsventil (14) auf der Niederdruckseite über einen Wirkköφer (40) verfügt, der mit dem Ventilkolben (22) in Wirkverbindung steht.
11. Expansionsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirkköφer (40) derart im Ventilgehäuse (28) angeordnet ist, dass auf seiner einen Flächenseite (42) der Niederdruck und auf seiner gegenüberliegenden Flächenseite (44) ein Umgebungsdruck des Ventils (14) herrscht.
12. Expansionsmodul nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirkköφer (40) und das Ventilgehäuse (28) derart über Dichtmittel (50) mit einander verbunden sind, dass die Niederdruckseite des Ventilgehäuses in zwei von einander getrennte Teilräume (481,482;461,462) unterteilt ist.
13. Expansionsmodul nach Anspruch 1 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventil- kolben (28) des Expansionsventils (14) durch die Druckdifferenz zwischen Hochdruckniveau und Umgebungsdruck des Ventils (14) steuerbar ist.
14. Expansionsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Element aus einer Gruppe von Elemente, die unter anderen den Ventilkolben (22), und die Kolbenführung (32) umfasst, reibungsarm beschichtet, vorzugsweise mit einer Teflon- oder Kohlenstoffbeschichtung versehen ist.
15. Expansionsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Expansionsmodul zudem eine feste Drossel (70) mit konstantem Drosselquerschnitt aufweist.
16. Klimaanlage, insbesondere Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug, mit zumindest einem Kompressor (50), einem Kondensator oder Gaskühler (52), einem Expansionsmodul (10) und einem Verdampfer (54), die in geeigneter Weise durch Verbindungsmittel (56) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Expansionsmodul (10) zumindest ein Schiebesitzventil (16) umfasst, wobei der als Ventilkolben (22) dienende Schiebesitz (24) von mindestens einem, am Ventil anliegenden Druck gesteuert wird.
17. Klimaanlage nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel der Klimaanlage CO2 ist.
18. Klimaanlage nach Anspruch 16 oder 17 mit einem Expansionsmodul nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 15.
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