CZ9803417A3

CZ9803417A3 - Pulzně pracující řídící ventil

Info

Publication number: CZ9803417A3
Application number: CZ19983417A
Authority: CZ
Inventors: Lance D. Kirol; James W. Langeliers; Travis Chandler
Original assignee: Rocky Research
Priority date: 1996-04-26
Filing date: 1997-04-24
Publication date: 2001-03-14
Also published as: AU716121B2; HUP0001074A3; KR100331699B1; JP2004286442A; CN1223716A; KR20000065248A; PL188432B1; JP2000511626A; EP0894229B1; ATE258298T1; EP0894229A1; HK1018307A1; JP3644970B2; DE69727297T2; CA2252590A1; DE69727297D1; ES2214619T3; CN1119593C; CZ294459B6; TR199802161T2

Description

Pulzně pracující řídící ventil

Oblast techniky

Dosavadní stav techniky

Základní součástí většiny chladících systémů je expansní prostředek, který řídí průtok kapalného chladivá do výparníku a snižuje tlak chladivá z tlaku v kondenzátem na tlak ve výparníku. Expansní prostředky běžně používané obsahují termostatické expansní ventily, soleonidové ventily s modulovanou šířkou pulsu a pasivní prostředky jako kapilární trubky nebo trysky. Chladící systémy malého výkonu, jako chladničky pro domácnost běžně používají kapilární trubky, které mohou být dimenzovány pro zajištění optimálního průtoku chladivá pouze pro jedny provozní podmínky. Při jiných podmínkách než odpovídají návrhovému bodu, kapilární trubka tudíž způsobuje, že výparník má nedostatek chladivá při vysokém zatížení a je přeplaven při nízkém zatížení. Jak výparník s nedostatkem chladivá tak přeplavený výparník snižují účinnost chladicího systému.

Ze stavu techniky je známo, že aktivní expansní prostředek, který udržuje správné množství chladivá ve výparníku při všech zatěžovacích podmínkách může zvýšit účinnost. Avšak aktivní expansní prostředky, jako jsou termostatické expansní ventily, nepracují dobře v malých chladicích systémech, protože nemohou být zhotoveny s tryskami dostatečně malými pro regulaci nízkých průtoků. Takové trysky jsou výrobně nepraktické a jsou velmi náchylné k ucpávání. V důsledku toho vyvstává potřeba termostatického expansního ventilu, který může řídit nízký průtok chladivá aniž by potřeboval malé trysky.

Podstata vynálezu

Řídící ventil podle vynálezu zajišťuje přesné řízení rychlosti průtoku chladivá při rychlostech průtoku tak malých,

-2jako je průtok o velikosti několika gramů za hodinu aniž by potřeboval malé trysky. Takový ventil může být také použit pro řízení tlaku nebo průtoku při nízkých rychlostech průtoku v jiných aplikacích než je expanze chladivá. Řídící ventil podle vynálezu je vhodný zejména pro malé kompresorové chladicí systémy, stejně jako pro absorbční chladicí zařízení, např. v chladicích/mrazicích zařízeních, která mají malé výkony pod přibližně 200 W a zejména pro výkony 10-100 W chladicího výkonu. Termostatický expansní ventil podle vynálezu, vhodný pro malé chladicí systémy obsahuje vstupní otvor pro kapalné chladivo a výstupní otvor se zúžením proudu mezi ventilem a výparníkem. Zúžený výstupní otvor má průtočnou plochu menší než je průtočná plocha vstupního otvoru. Mezi vstupním otvorem a výstupním otvorem ventilu obsahuje ventil dutinu omezeného objemu jejíž objem je menší než objem výparníku. Ventil rovněž obsahuje prostředky reagující na tlak v dutině ventilu otvíráním a zavíráním vstupního otvoru. Když je vstupní otvor otevřen působí velikost většího vstupního otvoru vzhledem k zúženému výstupnímu otvoru rychlý nárůst tlaku v dutině ventilu. Výstupní zúžení dovoluje aby tlak v dutině zůstal vyšší než je tlak ve výparníku dostatečně dlouho, aby způsobil rychlé uzavření vstupního otvoru ventilem. Ve výhodném provedení je k snímání přehřátí výparníku a poskytnutí tlaku pro otevírání a zavírání vstupního otvoru ventilem použita teploměrná jímka nebo jiný prostředek. Membrána vystavená tlaku z jímky řídí otevírání a zavírání vstupního otvoru v závislosti na rovnováze sil na opačných stranách membrány. V jiném provedení jsou pro ovládání membránou řízeného termostatického expansního ventilu podle vynálezu jako náplně jímky užitečné zejména čpavek z propylenglykolem, etylenglykolem nebo vodou, pro chladicí systémy s čpavkovým chladivém, zatímco dimetyleter s propylenglykolem nebo etylenglykolem je užitečný pro chladicí systémy s fluorkarbonovým chladivém.

-3• · · · • · · · · »·

Přehled obrázků na výkresech

Obr. 1 je řez řídícím ventilem výparníku podle vynálezu a obr. 2 schematicky zobrazuje výparník a ventil podle vynálezu pro řízení přehřátí výparníku.

Příklady provedení vynálezu

Termostatický expansní ventil podle vynálezu je zejména vhodný pro chladicí systémy, tepelná čerpadla, chladničky a/nebo mrazničky poměrně malých výkonů. Ventil má vstupní otvor pro kapalné chladivo, výstupní otvor a ventilovou dutinu mezi vstupním a výstupním otvorem. Tlakový pokles je tvořen zúžením umístěným ve výstupním otvoru nebo s výstupním otvorem spojeným. Ventil obsahuje prostředek pro otevírání a uzavírání vstupního otvoru, který reaguje na tlak uvnitř ventilové dutiny, při vyšším tlaku má sklon k uzavírání vstupního otvoru a při nižším tlaku má sklon k otevírání vstupního otvoru. Specifické prostředky zahrnující příklady součástí a znaků pro otevírání a uzavírání ventilu v odezvě na tlak v dutině jsou znázorněny na výkresech a budou probrány níže. Důležitým znakem a funkcí ventilu je schopnost rychlého zvýšení tlaku v dutině, a v odezvě na vysoký tlak, rychlé uzavření vstupního otvoru po takovém otevření. Účinné a přednostní vstupní a výstupní průtokové plochy budou popsány dále. Ventil je dále charakterizován objemem vnitřní dutiny, který je menší než objem výparníku, do kterého dodává chladivo.

Obr. 1 znázorňuje termostatický expansní ventil zvláště vhodný pro absorbční a kompresorové chladničky a chladicí zařízení o malém výkonu. Znázorněný ventil obsahuje ventilové těleso 10 s vnitřní dutinou 24 . Ventilové sedlo 20 ohraničuje ventilový otvor 28, který je otevírán a zavírán těsněním 1 6 usazeným na ventilové kuželce 17, které se pohybuje vzhůru a dolů v odezvě na pohyb membrány 12 proti tyči 22 a pístu 13, který je tlačen vzhůru k membráně pružinou 14 . Sestava obsahuje tlakový otvor 11 pro spojení s teploměrnou jímkou, vstupní trubku 18 a výstupní trubku 19. Membrána je tlačena proti

-4hornímu povrchu tyče 22 tlakem z teploměrné jímky přes tlakový otvor 11. Vstupní trubka 18 je spojena s kondensátorem nebo zásobníkem kapalného chladivá (neznázorněn) a výstupní trubka 19 je spojena s výparníkem chladícího systému. Zúžení nebo zúžený otvor 15 je umístěn mezi vnitřní ventilovou dutinou 24 a výstupní trubkou 19. Ventilový dřík 23 spojuje píst s ventilovou kuželkou 17 a pružina 14 tlačí píst vzhůru k membráně aby uzavřela vstupní otvor. Tlak z teploměrné jímky na jímkovou stranu membrány přes tlakový otvor 11 tlačí membránu proti tyči 22 a pístu 13 a stlačuje pružinu 14 a tlačí těsnění 15 směrem dolů k otevření vstupního otvoru 28 . Tlak v dutině rovněž tlačí proti ventilové kuželce 17 k otevření vstupního otvoru 28. Síly uzavírající ventil jsou: tlak proti výparníkové (spodní) straně membrány 12, tj . tlak ve ventilové dutině, síla pružiny 14 a tlak z kondenzátoru na ventilovou kuželku 17 vstupní trubkou 18. Když součet otevírajících ventil převýší součet sil uzavírajících ventil, ventil se otevře. Jinak je ventil konstruován tak aby zůstal zavřený. Alternativně může být ventil konstruován tak, že ho tlak v kondenzátoru otvírá. Avšak konstrukce ventilu podle příkladu znázorněná na výkresu používá kondenzátorový tlak k uzavírání ventilu pro poměrně vysoké kondensátorové tlaky dosahované např. při použití čpavkového chladivá.

Ventil řídí průtok chladivá do výpamíku cyklickým otevíráním a zavíráním, spíše než spojitým modulováním rychlosti průtoku. Tiby ventil pracoval správně podle vynálezu, musí být vstupní otvor 20 dostatečně velký aby umožňoval rychlý vzrůst tlaku uvnitř ventilové dutiny nad tlak v teploměrné jímce a uzavření ventilu. Při spuštění má teploměrné jímka v podstatě teplotu okolí a tlak v teploměrné jímce je blízko kondensátorovému tlaku. Vstupní otvor musí být dostatečně velký pro naplnění ventilové dutiny pod tlakem blízkým kondensátorovému tlaku když současně chladivo protéká výstupem. Tedy vstupní otvor musí působit minimálně nižší tlakovou ztrátu než výstupní otvor.

-5• ·

Důležitý odlišovací znak termostatického expansního ventilu podle vynálezu je zúženi proudu mezi ventilem a systémovým výparníkem a malý objem vnitřku ventilu mezi ventilovým sedlem vstupního otvoru a zúžením. Podle obr. 1 je zúžení 15 proudu umístěno mezi ventilovou dutinou 24 a výparníkem, do kterého je připojena výstupní trubka 19 pro přívod kondenzovaného chladivá. Přesné umístění zúžení 15 není kritické, pokud je to za ventilovou dutinou 24 ve směru proudění. Zúžení 15 stejně jako jeho umístění mezi ventilovou dutinou či vnitřkem ventilu a výparníkem zajišťuje, že výparníková strana membrány 12 je vystavena tlakům rovným nebo vyšším než vstupní tlaky ve výparníku. Tedy, když tlak na jímkové straně membrány 12 roste nebo výparníkový tlak klesá do bodu rovnováhy, ventil se otevře a tlak pod membránou, tj . uvnitř ventilu, vzroste, a způsobí rychlé opětné zavření ventilu. Jak kapalina proniká zúžením 15 do výparníku, tlak klesá, dokud tlak uvnitř tělesa ventilu a ventilové dutiny 24 a na výparníkové straně membrány 12 dostatečně nepoklesne, aby umožnil nové otevření ventilu. Při otevření ventilu je do ventilové dutiny otevřeným vstupním otvorem přivedena malé množství kapalného chladivá, ventil se pak rychle znovu uzavře a další kapalné chladivo není přivedeno dokud předchozí dávka chladivá nepronikne do výparníku. Tato činnost ventilu může být označena jako pulzní činnost, spíše než modulace, nabízející zlepšené řízení chladicích systémů s malými průtoky chladivá.

V důsledku poměru velikostí vstupních a výstupních otvorů, nastává ve ventilové dutině rychlý vzrůst tlaku, který má za následek uzavření vstupního otvoru během přibližně 1/2 sekundy nebo dříve od okamžiku otevření tohoto vstupního otvoru. Vzrůst tlaku a uzavření vstupního otvoru může nastat rychleji a ventil je schopný kmitočtu až do 60 cyklů za sekundu. Avšak, je-li to žádoucí, může být kmitočet řízen podle požadavku, může např. být snížen na jeden cyklus za hodinu.

Minimální velikost výstupního zúžení může být vypočítána tak aby pro průtok par chladivá při maximálním konstrukčním

6průtoku vytvářel tlakovou ztrátou rovnou maximálnímu přijatelnému tlakovému vzrůstu v teploměrné baňce při maximálním přijatelném průtoku, ale tak aby průřez zúžení nebyl příliš malý z praktického hlediska. Ventilový vstupní otvor musí mít průtokovou plochu větší než je průtoková plocha výstupního zúžení. Bez ohledu na velikost plochy výstupního zúžení, by průtokový odpor ventilového sedla měl být menší než průtokový odpor výparníku, s odpory založenými na proudění kapaliny. Během činnosti protéká sedlem ventilu převážně kapalina, zatímco výparníkem protékají současně dvě fáze (kapalina a její páry). Tudíž při otevřeném ventilu bude hmotnostní průtok do ventilu mnohem větší než hmotnostní průtok opouštějící ventil a tlak v dutině bude růst a uzavření nastane rychle.

Efektivní objem ventilové dutiny mezi vstupním otvorem a zúžením výstupního otvoru je menší než objem výparníku. Objem ventilové dutiny 24 mezi ventilovým sedlem 20 a zúžením 15 by měl být dostatečně velký, aby se ventil nepokoušel cyklovat rychleji než je jeho přirozený (vlastní) kmitočet při chladicím výkonu, a dostatečně malý aby neobsahoval dost kapaliny k zaplavení výparníku. Součásti ventilu ve ventilové dutině zmenšuji její efektivní objem. Průřezová plocha zúžení 15 by měla být dostatečně velká, aby ucpávání zúžení nepůsobilo problémy, a při tom dostatečně malá aby dovolovala chladivu pomalé pronikání do výparníku, jak bylo dříve popsáno. Další posuzování velikosti ventilového vstupního a výstupního otvoru se vztahuje na dobu teplotní odezvy systému výparník teploměrná

jímka. Přednostní poměr	plochy	zúžení	15 k	efektivní	ploše
vstupní trysky 28 je	alespoň	kolem	1:2,	přednostně	1:4,
výhodněji nad 1:20 a	nej lépe	kolem	1: 10	až 1:20.	Takže
přednostní příčná nebo	efektivní vstupní	průtoková	plocha

vstupního otvoru 28 ventilu je alespoň 2 nebo více násobek plochy výstupního otvoru nebo zúžení 15 a výhodněji 10 až 20 násobek pro zajištění rychlého vzrůstu tlaku pod membránou, načež se ventil rychle znovu uzavře. Je zřejmé, že efektivní vstupní plocha vstupního otvoru je zmenšena jakýmikoli

-7• ·· · ··· • · • 9 · · · součástmi zabírajícími prostor v nebo podél oblasti, kterou musí chladivo protékat. Tak např. plocha nebo prostor zaujímaný dříkem 23 nebo jinou součástí u vstupních nebo výstupních otvorů nebo podél jakékoli kritické průtokové plochy musí být zahrnuta do výpočtů výše uvedených poměrů.

Obr. 2 znázorňuje výparník 30, ve kterém je umístěna teploměrná jímka 32 v přehřívací oblasti výparníkové trubky. Teploměrná jímka je spojena s ventilem 10 tlakovým vedením 31, které vystavuje ventilovou membránu 12 (obr. 1) tlaku teploměrné jímky přes tlakový otvor 11. Jak je znázorněno var chladivá nastává ve větší části výparníku označené jako oblast 2. fáze (varu) a s poměrně krátkou sekcí výparníkové trubky provádějící přenos tepla k přehřívání par chladivá v přehřívací oblasti. Doba odezvy na tlak a teplotu v teploměrné jímce v odezvě na zvýšený průtok chladivá bude záviset na náplni teploměrné jímky, chladívu, rozměrech součástí ventilu atd. Je zde také doba odezvy od okamžiku uzavření ventilu pro snížení tlaku uvnitř ventilové dutiny při odtékání chladivá do výparníku výstupním zúžením do okamžiku nového otevření ventilu. Jakmile ventil uzavře dutinu, tlak v dutině začne klesat a v závislosti na teplotě a tlaku v teploměrné jímce se vstupní otvor ventil může opět otevřít, když tlak v dutině je nad výparníkovým tlakem. V mezním stavu však teploměrná jímka bude mít téměř přesnou teplotu požadovaného přehřátí a tlak v dutině klesne téměř na tlak ve výparníku a ventil se neotevře dokud nenastane vzestup teploty a tlaku v teploměrné jímce. Při normální činnosti fronta (Fl), kde přestává var a začíná přehřívání, bude pomalu ustupovat od jímky a směrem k vstupu výparníku. Jak se fronta varu pohybuje zpět, budou se páry stále více přehřívat dříve než se dostanou k jímce. Nakonec tlak v jímce vzroste dostatečně aby otevřel ventil, fronta varu se pohne blíže k jímce a teplota a tlak v jímce poklesnou. Po každém otevření ventilu se ventil se znovu uzavře jakmile tlak v dutině významně vzroste nad tlak ve výparníku. Po poklesu tlaku ve ventilové dutině se ventil opět otevře pokud se teploměrná jímka neochladí pod nastavené přehřátí. Normálně se ·♦ • 9 · 9

9 9 9

44 · 99 9

9

-89 99 9

99 «

999 tlaková odezva výparniku a teploměrné jímky od okamžiku kdy chladivo začne proudit do výparniku bude pomalu srovnávat s dobou odezvy poklesu tlaku v dutině ventilu a ventil se otevře víckrát než jednou než se teploměrná jímka ochladí na (nebo pod) požadované přehřátí. Tak doba odezvy poklesu tlaku ve ventilové dutině je kratší než doba potřebná k zvýšení tlaku v teploměrné jímce následující po přidání chladivá do výparniku. Přednostně je doba odezvy poklesu tlaku ve ventilu kratší než 1/3 doba odezvy tlaku v teploměrné jímce. Pro zabránění přeplavení by však násobná otevření ventilu neměla propustit množství chladivá dostačující k vyplnění celého výparniku včetně přehřívací sekce před teploměrnou jímkou (a přehřívací sekce za teploměrnou jímkou, jestliže taková sekce existuje). Ventilová dutina se nemusí zcela naplnit při každém otevření ventilu, ale ventil by měl být konstruován tak aby zaplavení výparniku nenastalo ani když se dutina zcela naplní. Z tohoto důvodu efektivní objem ventilové dutiny je přednostně menší než přibližně 30 % objemu přehřívací oblasti výparniku.

K zmenšení spouštěcích problémů s teplým výparníkem musí být náplň teploměrné jímky vybrána správně. Když je teploměrná jímka naplněna stejným chladivém jako je chladivo systému, je tlak při přehřátí nastaven tlakem pružiny směřujícím k uzavření ventilu plus výslednou silou, kterou na ventilovou kuželku vyvíjí tlak z kondenzátoru. Jestliže je přehřívací tlak nastaven tak, aby dával nějaké rozumné přehřátí při normální provozní teplotě výparniku, stejná tlaková diference bude odpovídat mnohem nižší přehřívací teplotě, když teplota a tlak výparniku bude odpovídat teplotě a tlaku okolí. Nízká přehřívací teplota při spouštěcích podmínkách znamená, že nastane nadměrné zaplavení výparniku dokud výparník nebude výrazně ochlazen. Pro většinu kompresorových systémů to má za následek ztrátu účinnosti ale nevyvolá to provozní problémy. Avšak absorbční chladicí systémy malého výkonu, zejména periodické systémy nemusí být vždy schopné ochladit výparník, protože výparník se znovu ohřeje během desorpčního cyklu. Jedno z tradičních řešení spočívá v naplnění teploměrné jímky parami

-9·· · · ·<· určitého stálého tlaku. S náplní par bude ventil řídit výparník na stálý tlak dokud se teploměrná jímka dostatečně neochladí a nenastane kondenzace a pod kondensační teplotou bude ventil pracovat jako skutečný termostatický expansní ventil. Avšak s omezenou náplní teploměrné jímky zabrání kondenzaci v teploměrné jímce jakákoliv kondenzace v chladnějším místě obvodu chladicí jímky, např. u membrány, a teplota teploměrné jímce nebude řídit ventil. Teploměrná jímka musí být nejchladnějším bodem v obvodu, nebo náplň teploměrné jímky musí být dostačovat k tomu, aby naplnila dutinu membrány a kapilární trubku a ještě udržela kapalinu v teploměrné jímce. Kondenzaci u membrány může být zabráněno umístěním ventilu v poměrně teplém místě, ale to zvyšuje parasitické chladicí ztráty, které snižují účinnost a mohou významně snížit chladicí výkon malých systémů.

Výše uvedené řídící problémy ventilu mohou být překonány použitím náplně teploměrné jímky s odlišným tlakem par a sklonem čáry závislosti tlaku par na teplotě než má chladivo v systému. To je známo jako křížová náplň. Čisté substance pro křížové náplně, které poskytují požadovanou odezvu ventilu na různé teploty výparníku často neexistuji nebo nejsou vhodné vzhledem k jejich toxicitě, riziku nebo ceně. Jako alternativa ke křížovým náplním s čistými substancemi jsou používány sorbční náplně nebo směsi. Sorbční náplně obsahující směs stejného chladivá jako ve výparníku s potlačovačem tlaku par pracují často dobře. Avšak k zajištění rychlé absorbce plynu do roztoku náplně teploměrné jímky je užitečné mít polární substance. Ze stejného důvodu jsou žádoucí zejména substance schopné vodíkové vazby.

Přednostní náplň teploměrné jímky poskytne poměrně konstantní přehřátí při všech očekávaných výparníkových teplotách. Například když je jako náplň tepelné jímky ve čpavkovém chladicím systému použit čpavek, nastavení síly pružiny na přehřátí 10 °C při -35 °C má za následek přehřátí pouze 1 nebo 2 °C při teplotě výparníku 20 °C a činí tak

spuštění s teplou teploměrnou jímkou obtížné. Avšak použití směsi čpavku s vhodnou substancí s nižším tlakem par, jako je např. voda nebo propylenglykol, dává téměř konstantní přehřátí při jakémkoli tlaku ve výparníku a vyžaduje daleko menší sílu pružiny.

Sorbentové náplně teploměrné jímky zvláště užitečné s čpavkovým chladivém zahrnují směsi čpavek - voda, čpavek alkohol a čpavek - glykol. Je dávána přednost váhovým množstvím čpavku mezi přibližně 5 % a přibližně 70 %. Étery, glykoletery, polyetery, amidy, polyamidy, estery a polyestery jsou také vhodné absorbenty pro čpavek a mohou být použity jako jedna složka náplně teploměrné jímky. Směsi využívající nižší glykoly (etylenglykol, propylenglykol) s 10 % až 50 % váhovými čpavku jsou zvláště užitečné protože (1) žádný z komponentů nemůže zmrznout při očekávaných teplotách výparníku kdyby nastala separace, (2) sorbenty jsou polární a jsou schopné vázat vodík, tudíž vykazují silnou tendenci absorbovat čpavek, (3) nejsou drahé a mají nízkou nebo žádnou toxicitu, (4) nejsou korozivní a (5) koncentrace směsi může být nastavena tak, aby poskytla požadovanou teplotní odezvu a přehřátí. Dimetyleter s propylenglykolem a/nebo etylenglykolem ve směsích s mezi přibližně 40 % a 95 % dimetyleteru jsou také zvláště vhodné pro čpavkové chladivo.

Většina fluorokarbonových chladiv není polární a není schopná vázat vodík. Takže když chladivo je flurokarbon a je vyžadována absorbční náplň teploměrné jímky, měla by být vybrána náplň s použitím polárního plynu s tlakem par blízkým tlaku par chladivá v systému a s přidáním polárního absorbentu k snížení tlaku par a tak zabránění problémům s kondenzací na membráně a pod. Například, když je použit R134a (tetrafluoretan) jako chladivo, vhodná náplň teploměrné jímky obsahuje výše uvedené směsi voda čpavek obsahující mezi přibližně 5 % a 85 % čpavku a směsi dimetyleter-propylenglykol nebo etylenglykol, zvláště obsahující mezi kolem 40 % a 95 % váhových dimetyleteru. Směsi čpavek-propylenglykol a/nebo • · · · etylenglykol obsahující mezi kolem 10 % a 70 % čpavku jsou také zvláště vhodné s tetrafluoretanem.

Vhodné směsi plyn-sorbent pro náplň teploměrné jímky, když systémové chladivo není ideální jako složka náplně teploměrné jímky, protože není polární, zahrnují plyny vybrané ze skupiny dimetyleter, nižší etery (Cl až C8), nižší alifatické terciární aminy (Cl až C6) a nižší alifatické ketony (Cl až C8), a absorbenty vybrané ze skupiny propylenglykol, etylenglykol, alkoholy, glykoletery, polyetery, estery, polyestery, di-, tria polyalkoholy, di-, tri- a poiyaminy, amidy, polyamidy a voda. Čpavek, metylamin a ostatní nižší aminy (Cl až C6) jsou použity s absorbenty vybranými z alkoholů, glykolů, di-, tri- a polyalkoholů, eterů, polyeterů, amidů, polyamidů, esterů polyesterů a vody.

Jakmile je vybrána náplň teploměrné jímky je žádoucí určit maximální akceptovatelné zvýšení přehřátí při maximálním průtoku chladivá a převést toto zvýšení na tlak v teploměrné jímce. Například s čpavkovým výparníkem pracujícím při -35 °C a konstrukčním přehřátí 10 °C a se směsí 66 hmotných procent čpavku a 34 % etylenglykolu v teploměrné jímce, s 1 °C přípustného zvýšení přehřátí při maximálním průtoku, jsou odpovídající tlaky:

Výparníkový tlak = 13,5 psia (93 kPa) při -35 °C

Tlak v teploměrné jímce = 14,4 psia (99 kPa) při -25 °C (10 °C přehřátí)

Tlak v teploměrné jímce = 15,1 psia (104 kPa) při -24 °C (11 °C přehřátí)

Výstupní zúžení ve ventilu je dimenzováno aby způsobilo tlakovou ztrátu 0,7 psi (4,8 kPa) při maximálním průtoku chladivá.

Jako zvláštní příklad byl v malém čpavkovém absorbčním chladicím systému pracujícím s výkonem 15 až 25 W při teplotě ··· ·

-12- .......

výparníku -32 °C a teplotě kondenzátoru 50 až 60 °C použit ventil s následujícími rozměry součástí:

Průměr výstupního zúžení: 0,054 cm (0,021 in)

Průměr vstupního otvoru: 0,20 cm (0,08 in)

Vnitřní objem ventilu (ventilová dutina): 1 cm³ (0,06 cu.

in.)

Objem výparníku: «15 cm³.

Výše popsaný termostatický expansní ventil podle vynálezu může být použit k řízení přehřívání když je chladivo použito na membránu ze strany teploměrné jímky a jako tlakový regulátor k řízení tlaků ve výparníku umístěním stálého tlaku plynu nebo síly pružiny na membránu ze strany teploměrné jímky. Působení tlaku v kondenzátoru na řídící tlak může být zrušeno umístěním plynové náplně na straně teploměrné jímky do tepelného kontaktu s kondenzátorem. Výběrem správného poměru plochy membrány a plochy ventilového otvoru, účinek kondensátorového tlaku na rovnováhy sil může být zcela odstraněn v rozsahu normální činnosti.

Ventil podle vynálezu může být použit v jakékoliv chladničce, mrazničce nebo ostatních chladicích zařízeních ve kterých je vyžadováno řízení kapalného chladivá do výparníku. Ventil je zvláště vhodný pro systémy poměrně malého výkonu s průtoky menšími než 12 kg/h. Navíc použití takového ventilu se stává dokonce výhodnější pro systémy s průtoky chladivá menšími než 6 kg/h a zejména kde průtoky chladivá jsou menší než 3 kg/h. Kde jsou průtoky chladivá dokonce menší, např. mezi přibližně 5 až 75 g/h jak může být nalezeno v čpavkových chladicích systémech jak bylo dříve popsáno je ventil podle vynálezu zvláště výhodný. Z hlediska chladicího výkonu se jedná o chladicí systémy, které jsou běžně menší než 1000 W, zejména menší než 500 W, ještě spíše menší než 250 W a nejspíše menší než 100 W. Velmi malé čpavkové chladicí systémy, ve

kterých ventil efektivně a nejužitečněji pracuje mají rozsah výkonu 10 až 100 W.

Ventil může být použit pro jakýkoli chladicí systém včetně těch, které používají fluorkarbonová chladivá CFC, HFC a HCFC, nepolární chladivá jako propan nebo butan stejně jako polární chladivá jako jsou popsána v US patentech 5,441,995 a 5,477,706, jejichž popisy jsou sem zahrnuta odkazem. Ventil je účinný pro kompresorové chladicí systémy používající mechanický kompresor stejně jako tepelné kompresorové sorbční chladicí zařízení malého výkonu popsané v US přihlášce pořadového čísla 08/390,678 a zde zahrnuté odkazem. Takové zařízení má jeden nebo více sorberů obsahujících tuhou sorbční komposici schopnou střídavě absorbovat a desorbovat plynné chladivo. Tuhý sorbent může být jakákoliv kompozice zahrnující dobře známé inklusní sloučeniny jako zeolit, aktivovaný oxid hlinitý, aktivované uhlí a silikagel nebo kovový hydrid. Přednostní sorbenty jsou komplexní sloučeniny tvořené adsorbcí polárního plynného chladivá na kovovou sůl jak je popsáno v US patentu č. 4,848,994 a zahrnuto zde odkazem. Zvláště jsou preferovány komplexní sloučeniny tvořené procesem ve kterém hustota je optimalizována omezením objemové expanze komplexní sloučeniny jak je popsáno v US patentu č. 5,298,231 a 5,328,671, jejichž popisy jsou zde zahrnuty odkazem. Takové komplexní sloučeniny jsou způsobilé pro reakční rychlosti podstatně zvýšené ve srovnání s reakčními rychlostmi komplexních sloučenin tvořených bez takových omezení objemové expanze a řízení hustoty. Takové sorbenty obsahují kovové soli a komplexní sloučeniny stejně jako jejich směsi s dříve uvedenými inklusními sloučeninami. Nejpreferovanější komplexní sloučeniny jsou ty, ve kterých je chladivém čpavek.

Ačkoliv ventil podle vynálezu byl popsán primárně pro požití v chladicích zařízeních, je také použitelný jako řídící ventil tlaku pro jiná použití než pro chlazení. Jako regulátor tlaku je ventil nejužitečnější tam kde jsou malé průtokové rychlosti a modulační tlakové regulátory neřídí dobře. Tlakové předpětí použité proti tlaku ve ventilové dutině může být poskytnuto mechanickými prostředky jako je tlak pružiny nebo tlak tekutiny (kapaliny nebo plynu).

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Ventil obsahující:

vstupní otvor s vstupní průtokovou plochou, výstupní otvor s výstupní průtokovou plochou, ventilovou dutinu mezi vstupním otvorem a výstupním otvorem a ve spojení s nimi, prostředek reagující na tlak uvnitř ventilové dutiny pro otevírání a uzavíraná vstupního otvoru, kde uvedený prostředek reaguje na vyšší tlak uzavíráním vstupního otvoru a na nižší tlak otevíráním vstupního otvoru, přičemž vstupní průtoková plocha je alespoň dvojnásobná než výstupní průtoková plocha přičemž otevření vstupního otvoru umožňuje rychlý nárůst tlaku v dutině a uvedený prostředek působí, že vstupní otvor se rychle uzavře po každém otevření.
2. Ventil podle nároku 1, vyznačující se tím, že uvedený prostředek reagující na tlak je schopný uzavřít vstupní otvor alespoň během 1/2 sekundy po otevření vstupního otvoru.
3. Ventil podle nároku 2, vyznačující se tím, že uvedený prostředek reagující na tlak je schopný otevřít a uzavřít ventil 60krát za sekundu.
4. Ventil podle nároku 1, vyznačující se tím, že zahrnuje tlakový otvor pro vystavení uvedeného prostředku vnějšímu tlakovému předpětí pro otevírání a uzavírání vstupního otvoru.
5. Ventil podle nároku 4, vyznačující se tím, že uvedený prostředek reagující na tlak zahrnuje vlnovec nebo membránu spolupracující s tlakovým otvorem.
6. Ventil podle nároku 1, vyznačující se tím, že uvedený prostředek reagující na tlak zahrnuje předpínací prostředek vyvíjející tlak k uzavření vstupního otvoru.

-167. Ventil podle nároku 1, vyznačující se tím, že vstupní otvor obsahuje ventilové sedlo a uvedený prostředek reagující na tlak obsahuje ventilovou kuželku pro uzavření ventilového sedla.
8. Ventil podle nároku 6, vyznačující se tím, že vstupní otvor obsahuje ventilové sedlo a uvedený prostředek reagující na tlak obsahuje ventilovou kuželku pro uzavření ventilového sedla.
9. Ventil podle nároku 6, vyznačující se tím, že předpínací prostředek zahrnuje pružinu vyvíjející tlak k uzavření vstupního otvoru.
10. Ventil podle nároku 1, vyznačující se tím, že vstupní průtoková plocha je alespoň lOkrát větší než výstupní průtoková plocha.
11. Ventil podle nároku 2, vyznačující se tím, že vstupní průtoková plocha je alespoň lOkrát větší než výstupní průtoková plocha.
12. Ventil podle nároku 3, vyznačující se tím, že vstupní průtoková plocha je alespoň lOkrát větší než výstupní průtoková plocha.
13. Ventil podle nároku 2, vyznačující se tím, že vstupní průtoková plocha je mezi přibližně 10 a přibližně 20 násobkem velikosti výstupní průtokové plochy.
14. Řídící sestava pro řízení přehřátí par ve výpamíku obsahuj ící:

ventilovou sestavu obsahující vstupní otvor kapalného chladivá, výstupní otvor a ventilovou dutinu mezi nimi, prostředek reagující na tlak uvnitř ventilové dutiny pro otevírání a uzavírání vstupního otvoru, kde uvedený prostředek reaguje na vyšší tlak uzavíráním vstupního otvoru a na nižší tlak otevíráním vstupního otvoru, • · 4

-17vstupní průtokovou plochu, která je alespoň dvojnásobkem velikosti výstupní průtokové plochy, přičemž otevření vstupního otvoru umožňuje rychlý nárůst tlaku v dutině a uvedený prostředek působí rychlé uzavření vstupního otvoru po každém otevření.
15. Řídící sestava podle nároku 14, vyznačující se tím, že vstupní otvor má plochu alespoň přibližně lOkrát větší než je plocha výstupního otvoru.
16. Řídící sestava podle nároku 14, vyznačující se tím, že vstupní otvor má plochu mezi přibližně 10 a přibližně 20 násobkem plochy výstupního otvoru.
17. Řídící sestava podle nároku 14, vyznačující se tím, že obsahuje předpínací prostředek spolupracující s ventilovou sestavou pro otevření nebo uzavření vstupního otvoru.
18. Ventil podle nároku 14, vyznačující se tím, že uvedený prostředek reagující na tlak je schopný uzavřít vstupní otvor alespoň během 1/2 sekundy po otevření vstupního otvoru.
19. Ventil podle nároku 18, vyznačující se tím, že uvedený prostředek reagující na tlak je schopný otevřít a uzavřít ventil 60krát za sekundu.
20. Řídící sestava podle nároku 17, vyznačující se tím, že předpínací prostředek obsahuje tlakový otvor na ventilové sestavě spolupracující s teploměrnou jímkou v tepelném styku s výparníkem pro vytváření tlaku v tlakovém otvoru.
21. Řídící sestava podle nároku 20, vyznačující se tím, že ventilová sestava obsahuje membránu nebo vlnovec vystavený tlaku tlakového otvoru a reagující na uvedený tlak otevřením a uzavřením vstupního otvoru.
22. Řídící sestava podle nároku 21, vyznačující se tím, že ventilová sestava obsahuje ventilovou kuželku pro uzavírání

-18vstupního otvoru a s ní spolupracující pružinu pro předpětí ventilové kuželky k uzavření vstupního otvoru.
23. Řídící sestava podle nároku 22, vyznačující se tím, že zvýšený tlak v tlakovém otvoru tlačí membránu nebo vlnovec k otevření vstupního otvoru proti předpětí pružiny.
24. Řídící sestava podle nároku 14, vyznačující se tím, že prostředek reagující na tlak obsahuje pohyblivý díl s povrchem vystaveným tlaku ve ventilové dutině, přičemž uvedený pohyblivý díl je pohyblivý mezi první polohou uzavírající vstupní otvor a druhou polohou otevírající vstupní otvor.
25. Chladicí zařízení obsahující kondensátor pro kondenzaci chladidlového plynu, výparník pro chlazení náplně mu vystavené a ventilovou sestavu pro řízení průtoku chladivá obsahující:

vstupní otvor s vstupní průtokovou plochou, výstupní otvor s výstupní průtokovou plochou, ventilovou dutinu mezi vstupním otvorem a výstupním otvorem a ve spojení s nimi, prostředek reagující na tlak uvnitř ventilové dutiny pro otevírání a zavírání vstupního otvoru, kde uvedený prostředek reaguje na vyšší tlak uzavíráním vstupního otvoru a na nižší tlak otevíráním vstupního otvoru, kde vstupní průtoková plocha je alespoň dvojnásobné velikosti než výstupní průtoková plocha přičemž otevření vstupního otvoru umožňuje rychlý nárůst tlaku v dutině a uvedený prostředek působí, že vstupní otvor se rychle uzavře po každém otevření.
26. Chladící zařízení podle nároku 25, vyznačující se tím, že vstupní otvor ventilu je spojen s kondenzátorem nebo zásobníkem chladivá a výstupní otvor je spojen s výparníkem.

-19····» · · · ·· ·· ··» ♦··· · · · · • · Β · · · Β » · Β » • · · · · Β · ······ • Β · · Β · Β ······ ·· ··· · * ··
27. Chladící zařízení podle nároku 25, vyznačující se tím, že obsahuje předpínací prostředek spolupracující s ventilovou sestavou pro otevírání nebo zavírání vstupního otvoru.
28. Chladící zařízení podle nároku 27, vyznačující se tím, že předpínací prostředek obsahuje tlakový otvor na ventilové sestavě spolupracující s teploměrnou jímkou v tepelném spojení s výparníkem pro vytváření tlaku v tlakovém otvoru.
29. Chladící zařízení podle nároku 28, vyznačující se tím, že ventilová sestava obsahuje membránu nebo vlnovec vystavený tlaku tlakového otvoru a reagující na uvedený tlak otevíráním a zavíráním vstupního otvoru.
30. Chladící zařízení podle nároku 28, vyznačující se tím, že teploměrná jímka je v tepelném spojení s přehřívací oblastí výparníku pro vytváření tlaku v tlakovém otvoru, který je úměrný teplotě par ve výparníku.
31. Chladící zařízení podle nároku 30, vyznačující se tím, že ventilová sestava obsahuje membránu nebo vlnovec vystavený tlaku tlakového otvoru a reagující na uvedený tlak otevíráním a zavíráním vstupního otvoru.
32. Chladící zařízení podle nároku 30, vyznačující se tím, že ventilová dutina má objem menší než přibližně 30 % objemu přehřívací oblasti výparníku.
33. Chladící zařízení podle nároku 25, vyznačující se tím, že obsahuje termální nebo mechanický kompresor.
34. Chladící zařízení podle nároku 33, vyznačující se tím, že termální kompresor obsahuje pevný plynový sorbční systém.
35. Chladící zařízení podle nároku 34, vyznačující se tím, že pevný plynový sorbční systém obsahuje komplexní sloučeninu, zeolit, aktivované uhlí nebo kovový hydrid.
36. Chladící zařízení podle nároku 25, vyznačující se tím, že chladivo je čpavek a náplň teploměrné jímky je směs čpavku a

-20propylenglykolu a/nebo etylenglykolu, přičemž směs obsahuje mezi přibližně 10 % a 50 % váhových čpavku.
37. Chladící zařízení podle nároku 25, vyznačující se tím, že chladivo je čpavek a náplň teploměrné jímky je směs čpavku a vody, přičemž směs obsahuje mezi přibližně 5 % a 70 % váhových čpavku.
38. Chladící zařízení podle nároku 25, vyznačující se tím, že chladivo je čpavek a náplň teploměrné jímky je směs dimetyleteru a propylenglykolu a/nebo etylenglykolu, přičemž směs obsahuje mezi přibližně 40 % a 95 % váhových dimetyleteru.
39. Chladící zařízení podle nároku 25, vyznačující se tím, že chladivo je fluorkarbon a náplň teploměrné jímky je čpavek, propylenglykol, etylenglykol, dimetyleter nebo voda nebo jejich směs.
40. Chladící zařízení podle nároku 39, vyznačující se tím, že fluorkarbonové chladivo je tetrafluoretan a náplň teploměrné jímky je směs dimetyleteru a propylenglykolu a/nebo etylenglykolu, přičemž směs obsahuje mezi přibližně 40 % a 95 % váhových dimetyleteru.
41. Chladící zařízení podle nároku 39, vyznačující se tím, že fluorkarbonové chladivo je tetrafluoretan a náplň teploměrné jímky je směs vody a čpavku, přičemž směs obsahuje mezi přibližně 5 % a 85 % váhových čpavku.
42. Chladící zařízení podle nároku 39, vyznačující se tím, že fluorkarbonové chladivo je tetrafluoretan a náplň teploměrné jímky je směs čpavku a propylenglykolu a/nebo etylenglykolu, přičemž směs obsahuje mezi přibližně 10 % a 70 % váhových čpavku.
43. Chladící zařízení podle nároku 25, vyznačující se tím, že chladivo je čpavek a teploměrné jímka obsahuje směs čpavku a absorbentu vybraného ze skupiny obsahující alkylenglykol, • · · · • 99

-21» 9 9 9 ι · · 9 •99 999

9 9

9 » 9 9 alkohol, eter, glykoleter, polyeter, amid, polyamid, ester, polyester, vodu a jejich směsi.
44. Chladící zařízení podle nároku 25, vyznačující se tím, že chladivo je fluorkarbon a teploměrná jímka obsahuje směs plynu obsahujícího alifatický eter, nižší alifatický terciární amin nebo nižší alifatický keton a absorbent obsahující alkylenglykol, alkohol, glykoleter, polyeter, ester, polyester, polyalkohol, polyamin, amid nebo polyamid.
45. Chladící zařízení podle nároku 25, vyznačující se tím, že má chladicí výkon 1000 W nebo menší.
46. Chladící zařízení podle nároku 25, vyznačující se tím, že má chladicí výkon 500 W nebo menší.
47. Chladící zařízení podle nároku 25, vyznačující se tím, že má chladicí výkon 250 W nebo menší.
48. Chladící zařízení podle nároku 25, vyznačující se tím, že má chladicí výkon 100 W nebo menší.
49. Chladící zařízení podle nároku 25, vyznačující se tím, že efektivní průtočná plocha vstupního otvoru je nejméně 4krát větší než efektivní průtočná plocha výstupního otvoru.
50. Chladící zařízení podle nároku 25, vyznačující se tím, že efektivní průtočná plocha vstupního otvoru je nejméně 1 Okřát větší než efektivní průtočná plocha výstupního otvoru.

že 51. Chladící zařízení podle nároku průtok chladivá je menší než 12 kg/h. 25, vyznačuj ící se tím, že 52. Chladící zařízení podle nároku průtok chladivá je menší než 6 kg/h. 25, vyznačuj ící se tím, že 53. Chladící zařízení podle nároku průtok chladivá je menší než 3 kg/h. 25, vyznačuj ící se tím,

-2254. Chladící zařízení podle nároku 25, vyznačující se tím, že průtok chladivá je mezi přibližně 5 a přibližně 75 g/h.
55. Chladící zařízení podle nároku 28, vyznačující se tím, že doba odezvy tlakového poklesu ve ventilové dutině následujícího po uzavření vstupního otvoru je kratší než doba odezvy tlaku v teploměrné jímce na přidání chladivá do výpamíku.
56. Chladící zařízení podle nároku 59, vyznačující se tím, že doba odezvy tlakového poklesu je menší než 1/3 doby odezvy tlaku v teploměrné jímce.
57. Ventil obsahující:

vstupní otvor se vstupní průtokovou plochou, výstupní otvor s výstupní průtokovou plochou, ventilovou dutinu mezi vstupním otvorem a výstupním otvorem a ve spojení s nimi, prostředek reagující na tlak uvnitř ventilové dutiny pro otevírání a uzavírání vstupního otvoru, kde uvedený prostředek reaguje na vyšší tlak uzavíráním vstupního otvoru a na nižší tlak otevíráním vstupního otvoru, přičemž vstupní průtoková plocha je větší než výstupní průtoková plocha přičemž otevření vstupního otvoru umožňuje rychlý nárůst tlaku v dutině a vstupní otvor se uzavře během alespoň 1/2 sekundy po každém otevření.
58. Ventil podle nároku 57, vyznačující se tím, že uvedený prostředek reagující na tlak je schopný otevřít a uzavřít ventil 60krát za sekundu.
59. Ventil podle nároku 57, vyznačující se tím, že vstupní průtoková plocha je alespoň lOkrát větší než výstupní průtoková plocha.
60. Ventil podle nároku 57, vyznačující se tím, že vstupní průtoková plocha je mezi přibližně 10 a přibližně 20 násobkem velikosti výstupní průtokové plochy.