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Die Erfindung betrifft ein Expansionsventil
für Hochdruck-Kälteanlagen
mit einem Ventilsitz, einem Ventilelement, das mit dem Ventilsitz
zusammenwirkt, einer Federanordnung, die auf das Ventilelement wirkt,
und einer Verstelleinrichtung für
die Federanordnung.
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Die Erfindung betrifft insbesondere
ein motorbetätigtes
Expansionsventil für
CO2 Kälteanlagen. Bei
Kälteanlagen,
in denen CO2 als Kältemittel benutzt wird, ist
der Druck typischerweise relativ groß. Üblich sind Drücke von
100 bar oder mehr. Die hohen Drücke
sind Resultat der Stoffeigenschaften des Kohlendioxids.
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Bei dem Expansionsventil wirkt der
Druck des CO2 in Öffnungsrichtung. In die entgegengesetzte
Richtung wirkt die Kraft der Federanordnung. Um das Expansionsventil
zuverlässig
schließen
zu können,
muß die
Kraft Die Erfindung betrifft insbesondere ein motorbetätigtes Expansionsventil
für CO2 Kälteanlagen.
Bei Kälteanlagen,
in denen CO2 als Kältemittel benutzt wird, ist
der Druck typischerweise relativ groß. Üblich sind Drücke von
100 bar oder mehr. Die hohen Drücke
sind Resultat der Stoffeigenschaften des Kohlendioxids.
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Bei dem Expansionsventil wirkt der
Druck des CO2 in Öffnungsrichtung. In die entgegengesetzte
Richtung wirkt die Kraft der Federanordnung. Um das Expansionsventil
zuverlässig
schließen
zu können,
muß die
Kraft der Federanordnung relativ groß sein. Damit eine Kälteanlage,
die Kohlendioxid als Kältemittel
verwendet, unter energetischen Gesichtspunkten optimal läuft, muß die Federkraft,
die den Öffnungsdruck
des Ventils bestimmt, während
des Betriebs verändert
werden können.
Der energetisch optimale Druck im Gaskühler der CO2-Kälteanlage ändert sich nämlich, wenn
sich die Temperatur, mit der das Kohlendioxid den Gaskühler verläßt, ändert. Diese
Temperatur hängt
unter anderem von der Umgebungstemperatur des Gaskühlers ab.
Der damit zusammenhängende
Druck wird vom Expansionsventil gesteuert.
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Es ist bekannt, die Federkraft, also
die von der Federanordnung auf das Ventilelement wirkende Kraft,
durch die Verstelleinrichtung verändern zu lassen. Die Verstelleinrichtung
kann beispielsweise als Motor ausgebildet sein. Da die Kraft der
Federanordnung aber relativ groß ist,
benötigt
man entweder einen relativ starken Motor oder ein Getriebe zwischen Motor
und Ventil. Beides erhöht
die Herstellungskosten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Expansionsventil auch bei hohen Drücken mit einem relativ schwachen
Antrieb betreiben zu können.
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Diese Aufgabe wird bei einem Expansionsventil
der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Federanordnung mindestens
eine erste Feder und eine zweite Feder, die auf das Ventilelement wirken,
aufweist, wobei die erste Feder einen Arbeitsbereich definiert und
die zweite Feder eine durch die Verstelleinrichtung veränderbare
Federkraft aufweist.
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Man erzeugt also die auf das Ventilelement wirkende
Kraft durch mindestens zwei Federn. Hierbei ist eine Feder so ausgelegt,
daß sie
eine feste Vorspannung erzeugt. Diese Vorspannung definiert dann
ein Kraftniveau, also einen Arbeitsbereich oder einen Arbeitspunkt.
Die zweite Feder hingegen bestimmt den dynamischen Bereich während des
Betriebes, also die Bewegungsmöglichkeit
des Ventilelements in dem Arbeitsbereich oder gegenüber dem Arbeitspunkt.
Es ist auch möglich,
daß man
vom Arbeitspunkt aus nur in eine Richtung arbeitet. Die obere Grenze
des Arbeitsbereichs wird von der maximalen Reaktionskraft der zweiten
Feder bestimmt. Die erste Feder wird nicht von der Verstelleinrichtung
verstellt. Die Verstelleinrichtung kann also zumindest um die Kraft
schwächer
ausgelegt werden, die von der ersten Feder hervorgerufen wird. Sie
muß lediglich auf
die Kraft ausgelegt werden, die durch die zweite Feder erzeugt wird.
Dennoch ist ein sicheres Schließen
des Expansionsventils möglich.
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Vorzugsweise ist die erste Feder
stärker
als die zweite Feder. Die erste Feder weist also eine größere Federkonstante
auf als die zweite Feder. Dementsprechend ist die Aufteilung der
von den Federn erzeugten Kräften
so, daß die
Verstelleinrichtung nur einen kleinen Anteil der von der Federanordnung
insgesamt aufgebrachten Kraft erzeugen muß. Damit kann die Verstelleinrichtung
relativ schwach dimensioniert werden, ohne das dynamische Verhalten
des Expansionsventil negativ zu beeinflussen.
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Vorzugsweise ist die Federkraft der
ersten Feder einstellbar. Die erste Feder kannvorgespannt werden,
um den von ihr bestimmten Arbeitspunkt an unterschiedliche Bedingungen
anzupassen. Dies kann während
der Herstellung des Expansionsventils erfolgen, aber auch noch später im fertiggestellten Zustand,
beispielsweise durch eine Stellschraube. Die Federkraft der ersten
Feder ist aber im Betrieb nicht verstellbar, also nicht dynamisch.
Die Verstelleinrichtung muß also
nicht dafür
ausgelegt sein, die erste Feder verstellen zu können.
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Vorzugsweise ist die zweite Feder
an einer von der Verstelleinrichtung bewegbaren Spindel abgestützt, deren
Bewegungshub durch einen Anschlag begrenzt ist, an dem die erste
Feder abgestützt
ist. Damit wird eine definierte Ausgangslage für beide Federn geschaffen.
Die Bewegung der Spindel in die am weitesten zurückgezogene Position wird durch
den Anschlag begrenzt, an dem auch die erste Feder abgestützt ist.
In dieser Situation müßte das Ventilelement
vom Ventilsitz abheben können,
wenn der Druck groß genug
ist. Mit anderen Worten kann in dieser Position das Expansionsventil
geöffnet
werden. Da die erste Feder am gleichen Anschlag abgestützt ist,
kann man nun durch ein Verstellen dieses Anschlags auf einfache
Weise den Arbeitspunkt des Expansionsventils festlegen.
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Vorzugsweise wirken die erste Feder
und die zweite Feder parallel zueinander auf das Ventilelement.
Die Kräfte
der beiden Federn addieren sich also. Durch die gegenseitige Überlagerung
der beiden Federkräfte
läßt sich
durch die Erhöhung
der Kraft einer Feder relativ einfach die richtige Schließ- oder Öffnungskraft
auf das Ventilelement einstellen.
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Hierbei ist besonders bevorzugt,
daß die
erste Feder und die zweite Feder als konzentrisch zueinander angeordnete
Schraubenfedern ausgebildet sind. Dies spart Platz. Die zweite Feder
kann innerhalb der ersten Feder angeordnet sein, ohne daß sich die
beiden Federn gegenseitig in ihren Arbeitsmöglichkeiten behindern.
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Bevorzugterweise wirkt die Federanordnung über eine
Gelenkverbindung auf das Ventilelement, die ein Kugelelement zwischen
dem Ventilelement und der Federanordnung aufweist. Insbesondere
bei der Verwendung von Schraubenfedern ist es schwierig, die Federwirkung
der Federanordnung exakt axial, d.h. in Bewegungsrichtung des Ventilelements, auf
das Ventilelement auszurichten. Durch die Kugel zwischen dem Ventilelement
und der Federanordnung werden leichte Schieflagen der Federanordnung
ausgeglichen, ohne daß gleichzeitig
das Ventilelement schiefgestellt wird. Die Ausrichtung des Ventilelements
gegenüber
dem Ventilsitz kann also mit einer hohen Zuverlässigkeit beibehalten werden.
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Hierbei ist besonders bevorzugt,
daß das
Kugelelement zwischen einer Druckplatte, an der die Federanordnung
abgestützt
ist, und einer Fläche
am Ventilelement angeordnet ist. Dies erleichtert es, die Kräfte zuverlässig von
der Federanordnung auf das Ventilelement zu übertragen.
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Vorzugsweise weisen die Druckplatte und/oder
die Fläche
am Ventilelement eine Kugelpfanne auf, in der das Kugelelement angeordnet
ist. Das Kugelelement wird also in der Druckplatte und/oder in der
Ventilplatte gehalten. Zusätzlich
kann das Kugelelement seitlich noch in einem Gehäuseteil gehalten sein, so daß durch
die Verwendung eines Kugelelements, das als getrenntes Bauteil zwischen der
Druckplatte und der Ventilelementplatte angeordnet ist, keine Störungen des
Betriebs erfolgen können.
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Bevorzugterweise ist zwischen dem
Ventilelement und dem Ventilsitz eine Membran angeordnet, die eine
Wand eines Druckraums bildet. Damit wird auf einfache Weise eine
Möglichkeit
geschaffen, den Druck am Einlaß auf
das Ventilelement wirken zu lassen. Da die Membran elastisch ist
und eine gewisse Nachgiebigkeit aufweist, erreicht man auf diese Weise
gleichzeitig ein gutes Schließverhalten
des Ventils, d.h. man erzeugt mit der Membran gleichzeitig eine
Dichtfläche,
mit der das Ventilelement auf den Ventilsitz wirkt.
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Hierbei ist bevorzugt, daß die Membran
zwischen einem Ventilgehäuse
und einem Betätigungsgehäuse eingespannt
ist. Damit wird das Ventilgehäuse
dicht und es wird sichergestellt, daß der Druck sich nicht zum
Betätigungsgehäuse verpflanzt.
Es sind keine weiteren Dichtungen im Betätigungsteil notwendig. Gleichzeitig
ist die Membran zuverlässig befestigt.
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Hierbei ist besonders bevorzugt,
daß das
Betätigungsgehäuse eine
Anlagefläche
für die
Membran aufweist, an der die Membran im geöffneten Zustand des Ventils
anliegt. Da das Expansionsventil bei hohen Drücken des Kältemittels eingesetzt wird, ist
die Anlagefläche
ein gutes Hilfsmittel, um eine zu starke Ausdehnung der Membran
zu verhindern. Sobald das Ventil geöffnet wird, liegt die Membran
an der Anlagefläche
an.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand
eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Hierin zeigt
die einzige Figur einen schematischen Schnitt durch ein Expansionsventil
einer CO2-Kälteanlage.
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Die Figur zeigt ein Expansionsventil 1 einer CO2-Kälteanlage
mit einem Einlaß 2 und
einem Auslaß 3,
die in einem Ventilgehäuse 4 angeordnet
sind. Im Ventilgehäuse 4 ist
ein Ventilsitz 5 vorgesehen. Der Ventilsitz 5 kann
dabei an einem Düseneinsatz 6 angeordnet
sein, der in das Gehäuse 4 eingesetzt
ist.
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In das Ventilgehäuse 4 ist ein Betätigungsgehäuse 7 eingeschraubt.
Zwischen dem Ventilgehäuse 4 und
dem Betätigungsgehäuse 7 ist
eine Membran 8 eingespannt, die mit Hilfe eines Ventilelements 9 zur
Anlage an den Ventilsitz 5 gebracht werden kann. Die Membran 8 umschließt gemeinsam
mit dem Ventilgehäuse 4 einen
Druckraum 10, der mit dem Einlaß 2 in Verbindung
steht. Auf die Membran 8 wirkt also der Druck am Einlaß 2.
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Das Betätigungsgehäuse 7 ist als Hohlzylinder
ausgebildet. In dem Hohlzylinder ist eine erste Feder 11 angeordnet,
die als Schraubendruckfeder ausgebildet ist. Konzentrisch zu und
innerhalb der ersten Feder 11 ist eine zweite Feder 12 angeordnet. Die
beiden Federn 11, 12 bilden zusammen eine Federanordnung,
die sich an einer Druckplatte 13 abstützt, d.h. die Druckplatte 13 bildet
ein bewegliche Widerlager für
die beiden Federn 11, 12.
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Die Druckplatte 13 ist ein
Teil einer Gelenkverbindung 14, die ein Kugelelement 15 aufweist.
Zu der Gelenkverbindung 14 gehört auch noch eine Fläche am Ventilelement 9.
Das Kugelelement 15 ist in einer Bohrung 16 am
Fuß des
Betätigungsgehäuses 7 seitlich,
d.h. in Radialrichtung geführt.
Das Kugelelement 15 ist in Öffnungsrichtung des Ventilelements 9 bewegbar.
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Sowohl die Druckplatte 13 als
auch das Ventilelement 9 weisen Kugelpfannen 17, 18 auf,
in denen das Kugelelement 15 gelagert ist. Dadurch ist
die Druckplatte 13 in gewissen Grenzen kippbeweglich gegenüber dem
Ventilelement 9 gelagert.
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Die erste Feder 11 ist an
einer Verstellschraube 19 abgestützt, die in das Betätigungsgehäuse 7 hineingeschraubt
ist. Die Verstellschraube 19 weist Drehmomentangriffsflächen 20 auf,
beispielsweise zwei Bohrungen, so daß sie innerhalb des Betätigungsgehäuses 7 verdreht
werden kann. Durch eine Verdrehung der Verstellschraube 19 ändert sich
der Abstand zwischen der Verstellschraube 19 und der Druckplatte 13,
so daß die
Vorspannung der ersten Feder 11, die zwischen der Ver stellschraube 19 und
der Druckplatte 13 eingespannt ist, verändert werden kann.
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Die zweite Feder 12 liegt
an einem Vorsprung 21 einer Spindel 22 an, die
von einem Antrieb 23 in Längsrichtung verschoben wird.
Durch eine Betätigung
des Antriebs 23 läßt sich
also die Vorspannung der zweiten Feder 12 im Betrieb verändern.
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Eine Bewegung der Spindel 22,
die zu einer Entspannung der zweiten Feder 12 führt, wird
durch den Vorsprung 21 begrenzt, der am Ende einer Bewegung
an der Verstellschraube 19 zur Anlage kommt.
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Das Expansionsventil 1 arbeitet
wie folgt:
Im Druckraum 10 wirkt der Druck des Kältemittels. Damit
wirkt der Druck auf die Membran 8 und das Ventilelement 9 wird
in Öffnungsrichtung
durch den Druck im Druckraum 10 beaufschlagt.
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In die entgegengesetzte Richtung
wirkt zunächst
einmal der Druck der ersten Feder 11, der fest vorgegeben
ist, nachdem die Verstellschraube 19 in eine vorbestimmte
Position gebracht worden ist. Diese Einstellung wird üblicherweise
bei der Herstellung oder bei der Montage des Expansionsventils 1 vorgenommen.
Die Kraft der Feder 11 reicht aus, um das Expansionsventil 1 bei
einem Druck am unteren Ende des Anwendungsbereichs vollständig zu
schließen.
Zweckmäßigerweise
wird die Einstellung der Verstellschraube 19 daher vorgenommen,
wenn die Spindel 22 mit ihrem Vorsprung 21 an
der Verstellschraube 19 anliegt.
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Im Betrieb wird die "Feineinstellung" des Ventilelements 9 über die
Spindel 22 und die dadurch beaufschlagte zweite Feder 12 vorgenommen.
Der Antrieb 23 steuert also die Vorspannung der zweiten, schwächeren Feder 12.
Die Vorspannungen der ersten Feder 11 und der zweiten Feder 12 addieren
sich und erzeugen gemeinsam die Federkraft, die dem Druck im Druckraum 10 entgegenwirkt.
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Damit ist es möglich, während des Betriebs den gewünschten Öffnungsdruck
einzustellen, unter dem das Kohlendioxid-Gas steht.
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Beschrieben wird das Expansionsventil
im Zusammenhang mit einer Kälteanlage,
die mit Kohlendioxid (CO2) arbeitet. Das
Expansionsventil 1 ist aber grundsätzlich auch im Zusammenhang
mit anderen Kältemitteln
verwendbar, die mit einem höheren
Druck betrieben werden, so daß die
Vorspannungen der Federanordnung hoch sein muß.
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Das Expansionsventil ist druckgeregelt.
Es erfüllt
gleichzeitig eine Sicherheitsfunktion, in dem es bei zu hohen Drücken öffnet. Der Öffnungsdruck
ist einstellbar, so daß man
zu hohe Drücke
in einer angeschlossenen Anlage vermeiden kann.