Geräuschentwicklung im Pkw-Kältekreislauf durch Schwingungen des Expansionsventils

Eggers, Hanna

Im Pkw-Kältekreislauf mit thermostatischem Expansionsventil (TXV) können trompetenartige Geräusche auftreten, deren Entstehung bisher noch nicht wissenschaftlich geklärt ist. Ziel dieser Arbeit ist es, diese Lücke zu schließen und die Geräuschentstehung zu untersuchen. Weiterhin wird in dieser Arbeit ein Überblick über die Akustikphänomene im Pkw-Kältekreislauf gegeben. Es werden verschiedene experimentelle Untersuchungen zur Analyse des trompetenartigen Geräusches und der Betriebsbedingungen des Kältekreislaufes, bei denen ein trompetenartiges Geräusch auftritt, durchgeführt. Es zeigt sich, dass das trompetenartige Geräusch durch Oszillationen des Ventilmechanismus und Anregung einer longitudinalen Mode, d.h. einer stehenden Welle, in der Rohrleitung vor dem TXV-Eintritt zustande kommt. Der Ventilmechanismus des TXVs wird dabei durch Kältemittelpulsationen bedingt durch den Kältemittelverdichter zur Vibration angeregt. Dies führt zu einer oszillierenden Änderung des Drosselquerschnitts, wodurch eine Druckwelle, auch Druckstoß genannt, vor dem Eintritt in das TXV ausgelöst wird. Je nach Frequenz und Phasenlage verstärkt die Druckwelle die stehende Welle im Kältemittel vor dem TXV-Eintritt und ein tonales, motordrehzahlunabhängiges und trompetenartiges Geräusch tritt auf. Weiterhin wird im Rahmen dieser Arbeit der Einfluss der Betriebsbedingungen und der bauteilbezogenen Einflussfaktoren des TXVs auf ein Auftreten des trompetenartigen Geräusches untersucht. Dazu werden ein mathematisches Modell des Druckstoßes vor dem TXV-Eintritt und dynamische Modelle des Ventilmechanismus und des Thermokopfes des TXVs entwickelt. Mit Hilfe dieser werden die Größen einzelner Faktoren variiert und die Auswirkung auf ein Auftreten des trompetenartigen Geräusches diskutiert. Die systematisch hergeleiteten Erkenntnisse decken sich dabei mit den experimentellen Untersuchungen.

The generation of a trumpeting noise in an automotive refrigeration cycle with a thermal expansion valve (TXV) is investigated. By the current state of scientific and technical knowledge, the generation and source of the noise are still unknown. In this thesis, firstly, a component-related review of the acoustics of an automotive refrigeration cycle is given. Afterwards, experimental studies on the characteristics of the trumpeting noise as well as on the operating conditions under which the noise occurs are conducted. It is found that the noise is generated by oscillations of the valve mechanism that interact with a longitudinal mode, which is a standing wave, in the refrigerant pipe in front of the inlet of the TXV. The TXV mechanism gets excited by pulsations of the refrigerant caused by the compressor which generate an oscillating force on the bulb of the TXV and force the full valve mechanism into vibrations. The vibrations of the valve mechanism lead to a pressure wave, a so called pressure surge or fluid hammer, on the high pressure side at the inlet of the TXV. Depending on the frequency and the phase of the pressure wave, the pressure wave interacts with a longitudinal mode of the refrigerant pipe in front of the TXV inlet and generates a tonal, trumpeting noise. A mathematical model to describe the pressure wave at the inlet of the TXV is derived. Furthermore, dynamic models of the valve mechanism and the bulb of the TXV are developed to describe the oscillations of the valve mechanism. Both models are used to examine how the operating conditions of the refrigeration cycle and the TXV-component-related factors influence the likeliness of the noise to occur. The findings of this theoretical investigation are in accordance with the experimental observations.

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Eggers, Hanna: Geräuschentwicklung im Pkw-Kältekreislauf durch Schwingungen des Expansionsventils. 2019.

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