DE10303530B4

DE10303530B4 - Abtauventil für eine Kälteanlage

Info

Publication number: DE10303530B4
Application number: DE10303530A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Süss; Ejner Kobberoe
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 2003-01-29
Filing date: 2003-01-29
Publication date: 2004-11-11
Anticipated expiration: 2023-01-30
Also published as: DE10303530A1

Abstract

Abtauventil für eine Kälteanlage, insbesondere Hochdruck-Kälteanlage, mit einem Verdichter, einem Wärmeaustauscher, einem Regelventil und einem Verdampfer, wobei zwischen dem Ausgang des Verdichters und dem Eingang des Verdampfers eine Bypaßleitung mit einem Abtauventil angeordnet ist, das als normalerweise geschlossenes Ventil ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtauventil (70) bei Überschreiten eines vorbestimmten Öffnungsdrucks selbsttätig öffnet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Abtauventil für eine Kälteanlage, insbesondere Hochdruck-Kälteanlage, mit einem Verdichter, einem Wärmeaustauscher, einem Regelventil und einem Verdampfer, wobei zwischen dem Ausgang des Verdichters und dem Eingang des Verdampfers eine Bypaßleitung mit einem Abtauventil angeordnet ist, das als normalerweise geschlossenes Ventil ausgebildet ist.

Ein derartiges Abtauventil ist aus DE 28 02 774 A1 bekannt. Es verschließt im Normalbetrieb die Bypaßleitung und wird zum Abtauen geöffnet.

Im Normalbetrieb regelt das Regelventil den Druck des Prozesses auf der Seite mit höherem Druck, der dem Verdampfer zugeführt wird. Bei der Verwendung von Kohlendioxid (CO₂) als Kältemittel sind die zu regelnden Drücke relativ groß. Sie können durchaus in der Größenordnung über 120 bar liegen.

Bei Kälteanlagen tritt regelmäßig die Situation auf, daß der Verdampfer vereist und damit die mögliche Kälteleistung herabgesetzt wird. Es ist daher üblich, eine Möglichkeit, vorzusehen, mit der der Verdampfer abgetaut werden kann. Eine derartige Möglichkeit sollte auch bei Hochdruck-Kälteanlagen vorgesehen sein. Ein Verdampfer ist auch ein Wärmetauscher, der jedoch mit niedrigeren Drücken arbeitet als der Wärmeaustauscher bzw. Kondensator. Der Begriff "Wärmeaustauscher" soll sowohl einen Gaskühler als auch einen Verflüssiger umfassen.

Bei Niederdruck-Kälteanlagen ist es bekannt, zum Abtauen des Verdampfers eine Heißgasabtauung zu verwenden, bei der der Ausgang des Verdichters direkt mit dem Eingang des Verdampfers verbunden wird. Hierzu ist ein Abtauventil in der Leitung zwischen dem Ausgang des Verdichters und dem Eingang des Verdampfers erforderlich. Dieses Abtauventil ist bei Niederdruck-Kälteanlagen als Magnetventil ausgebildet. Ein derartiges Magnetventil kann nach Bedarf geöffnet oder geschlossen werden.

Im Falle einer Hochdruck-Kälteanlage ist die Verwendung eines herkömmlichen Magnetventils für diese Aufgabe zwar denkbar. Aufgrund der relativ hohen Drücke, die beherrscht werden müssen, besteht das Problem darin, daß das Ankergehäuse des Magnetventils in ausreichendem Maße druckfest sein muß, den magnetischen Fluß andererseits aber nicht zu stark behindern darf, da vergleichsweise große Kräfte zum Öffnen und Schließen des Ventils erforderlich sind.

DE 33 05 980 A1 beschreibt eine Kälteanlage mit einer einen Kondensator umgehenden Bypaßleitung. Der Durch fluß durch die Bypaßleitung wird durch ein Magnetventil gesteuert, das im Normalbetrieb geöffnet gehalten wird.

DE 198 52 127 A1 beschreibt ein Expansionsventil und eine hierfür verwendbare Ventileinheit, die beispielsweise für CO₂-Klimaanlagen von Kraftfahrzeugen geeignet ist. Hier ist ein Regelventil und ein Überdruckventil in einem gemeinsamen Ventilgehäuse aufgenommen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf einfache Weise einen Abtauvorgang bei einer Hochdruck-Kälteanlage steuern zu können.

Diese Aufgabe wird bei einem Abtauventil der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß es bei Überschreiten eines vorbestimmten Öffnungsdrucks selbsttätig öffnet.

Ein derartiges Abtauventil benötigt keinen äußeren Antrieb, um geöffnet zu werden. Es müssen lediglich Mittel vorgesehen sein, die das Abtauventil solange im geschlossenen Zustand halten, bis der Druck am Eingang den vorbestimmten Öffnungsdruck überschreitet. In diesem Fall öffnet das Abtauventil. Der Öffnungsvorgang kann hierbei durchaus sprungartig erfolgen. Durch das geöffnete Abtauventil kommt das Kältemittel vom Ausgang des Verdichters unmittelbar zum Eingang des Verdampfers, d.h. es durchläuft nicht mehr den Wärmeaustauscher. Das Kältemittel steht in diesem Fall nicht nur unter einem relativ hohen Druck, nämlich dem Öffnungsdruck des Abtauventils, sondern es hat auch nach der Kompression im Verdichter eine relativ hohe Temperatur, so daß der Abtauvorgang des Verdampfers in relativ kurzer Zeit bewerkstelligt werden kann. Der Öffnungsdruck des Abtauventils muß natürlich so hoch gewählt werden, daß dieser Druck in der Kälteanlage im normalen Betrieb, d.h. bei den vorgesehenen Kälteanforderungen der Kälteanlage, nicht überschritten wird. In diesem Fall bleibt das Abtauventil im Normalbetrieb geschlossen. Lediglich zum Zwecke der Abtauung kann man eine Druckerhöhung herbeiführen, so daß der Druck am Eingang des Abtauventils über den vorbestimmten Öffnungsdruck hinaus ansteigt. Nur in diesem Fall öffnet das Abtauventil.

Vorzugsweise ist das Abtauventil mit dem Regelventil in einem gemeinsamen Ventilgehäuse mit zwei Eingängen und einem Ausgang zusammengefaßt. Da das Regelventil und das Abtauventil so angeordnet sind, daß sie Kältemittel dem Verdampfer zuleiten, ist es vorteilhaft, beide Ventilfunktionen in einem Ventilgehäuse zu integrieren, so daß sich ein Ventilblock mit zwei Eingängen und einem Ausgang ergibt. Dies hält den Raumbedarf für die Kombination aus Abtauventil und Regelventil klein. Auch der konstruktive Aufwand und die Herstellungskosten können auf einem niedrigen Niveau gehalten werden. Weiterhin wird die Anzahl möglicher Leckagestellen im System reduziert.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, daß das Regelventil auf einen Schließdruck einstellbar ist, der den Öffnungsdruck überschreitet. Zur Regelung des Hochdrucks in einer CO₂-Anlage kommen Ventile zur Anwendung, die prinzipiell Kondensatordruckreglern herkömmlicher Anlagen entsprechen. Diese Ventile haben die Funktion, daß sie unterhalb eines voreingestellten oder voreinstellbaren Drucks geschlossen sind und bei Erreichen bzw. Überschreiten dieses Druckes selbsttätig öffnen. Durch Verstellen des voreingestellten Drucks läßt sich eine Optimierung von Wirkungsgrad und Kälteleistung erreichen. Das Regelventil ist zwischen dem Wärmeaustauscher und dem Verdampfer angeordnet. Wenn dieses Regelventil geschlossen wird, also kein Kältemittel mehr durchläßt, dann steigt der Druck im Wärmeaustauscher und damit am Ausgang des Kompressors an. Wenn man den Schließdruck des Regelventils für das Einleiten des Abtauvorgangs hoch genug wählt, dann kann dieser Schließdruck den Öffnungsdruck des Abtauventils über schreiten, so daß das Kältemittel unmittelbar vom Ausgang des Verdichters zum Eingang des Verdampfers gelangen kann. Der Öffnungsdruck des Abtauventils muß dabei so gewählt werden, daß die Sicherheit der Anlage oder die Zuverlässigkeit der Komponenten nicht gefährdet wird. Wenn nun der Hochdruck der Anlage über den Öffnungsdruck des Abtauventils geregelt wird, dann beginnt der Abtauvorgang. Dies ermöglicht es, daß das verwendete Regelventil nicht nur zur Steuerung des Betriebsdrucks, sondern gleichzeitig zur Steuerung der Verdampferabtauung eingesetzt werden kann.

Vorzugsweise weist das Regelventil einen Regel-Ventileinsatz und das Abtauventil einen Abtau-Ventileinsatz auf, wobei beide Ventileinsätze in das Ventilgehäuse eingesetzt sind. Auch diese Maßnahme hält den konstruktiven Aufbau klein. Das Ventilgehäuse kann relativ einfach gefertigt werden. Die einzelnen Ventilfunktionen, d.h. die Funktion des Regelventils und die Funktion des Abtauventils, werden durch Ventileinsätze realisiert.

Bevorzugterweise ist, das Ventilgehäuse zumindest im Hinblick auf Anschlußgeometrien für die beiden Ventileinsätze symmetrisch ausgebildet. Auch diese Maßnahme hält den Fertigungsaufwand klein. Man muß bei der Fertigung nicht mehr darauf achten, den Ventileinsatz für das Regelventil einerseits und den Ventileinsatz für das Abtauventil andererseits an jeweils bestimmten Positionen anzuordnen. Man kann das Ventilgehäuse vielmehr beliebig halten, vorausgesetzt, daß für jeden Einsatz eine Montageposition zur Verfügung steht. Eine Unterscheidung der Montagepositionen muß hingegen nicht getroffen werden.

Vorzugsweise sind die Ventileinsätze von einander gegenüberliegenden Seiten in das Ventilgehäuse eingesetzt. Damit steht an den verbleibenden Flächen genügend Raum zur Verfügung, um die beiden Eingänge bzw. den einen Ausgang unterzubringen.

Bevorzugterweise wirkt jeder Ventileinsatz mit einer in das Ventilgehäuse eingesetzten Düse zusammen, deren Eingangsöffnung einen Ventilsitz bildet. Damit wird sowohl im Regelventil als auch im Abtauventil ein Bauelement bereitgestellt, das zur Erzeugung eines Druckabfalls verwendet werden kann. Gleichzeitig dient dieses Bauelement noch als Ventilsitz. Man kann daher dieses Bauelement aus einem anderen Material fertigen als beispielsweise das Ventilgehäuse, so daß man eine hohe Lebensdauer erzielen kann, ohne den Aufwand für das Ventilgehäuse insgesamt zu hoch treiben zu müssen.

Vorzugsweise sind die beiden Düsen gleich. Dies hält den Fertigungsaufwand klein. Da das Regelventil, das den Hochdruck in der Anlage regelt, auch einen unterkritischen Betrieb der Kälteanlage zulassen muß, ist die Düse des Regelventils ausreichend groß zu dimensionieren. Damit kann man aber davon ausgehen, daß das Regelventil zumindest im Hinblick auf die Düse mit identischen Dimensionen versehen werden kann, wie das Abtauventil, das zur Heißgasabtauung vorgesehen ist.

Vorzugsweise weist jeder Ventileinsatz ein Einsatzgehäuse mit einer Federanordnung auf, die auf ein Ventilelement wirkt, wobei die Einsatzgehäuse innerlich gleich sind und die Ventilelemente beider Ventileinsätze gleich sind, die Federanordnung des Abtauventils auf eine vorbestimmte Kraft vorgespannt ist und die Federanordnung des Regelventils eine durch eine Verstelleinrichtung veränderbare Federkraft aufweist. Auch dies hält den Fertigungsaufwand klein. Die Bauelemente, die zur Bildung des Regelventils einerseits und des Abtauventils andererseits verwendet werden, sind im großen Umfang gleich. Unterschiede ergeben sich lediglich bei den Federanordnungen. Die Federanordnung des Abtauventils ist auf eine vorbestimmte Kraft vorgespannt. Diese Kraft definiert den Öffnungsdruck, bei dem das Abtauventil öffnet. Beim Regelventil ist die Federanordnung hingegen so ausgebildet, daß sie eine veränderliche Federkraft aufweist. Mit Hilfe der veränderlichen Federkraft lassen sich unterschiedliche Drücke in der Kälteanlage einstellen, so daß man immer einen optimalen Wirkungsgrad erreichen kann.

Hierbei ist bevorzugt, daß die Federanordnung des Regelventils 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. Die beiden Federn können parallel zueinander auf das Ventilelement wirken. Sie können beispielsweise als konzentrisch zueinander angeordnete Schraubenfedern ausgebildet sein. Die erste Feder kann auch stärker als die zweite Feder sein. Die erste Feder ist dabei so ausgelegt, daß sie eine feste Vorspannung erzeugt. Diese Vorspannung definiert dann einen Arbeitsbereich oder einen Arbeitspunkt, also ein Kraftniveau, dem die von der zweiten Feder erzeugte Kraft hinzugefügt wird. Die zweite Feder definiert also den dynamischen Bereich während des Be triebs, also die Bewegungsmöglichkeit des Ventilelements in dem Arbeitsbereich oder gegenüber dem Arbeitspunkt. 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 Regelventils möglich. Das Regelventil kann hier auch als Expansionsventil bezeichnet werden.

Vorzugsweise sind die Federkraft der ersten Feder und die Federkraft der Federanordnung des Abtauventils jeweils einstellbar. Da beide Ventileinsätze weitgehend gleich ausgebildet sind, läßt sich für das Verstellen der Federkräfte auch jeweils der gleiche Mechanismus verwenden, beispielsweise ein Anschlag, der in das Einsatzgehäuse eingeschraubt ist.

Bevorzugterweise liegt beim Regelventil die erste Feder an einem in das Einsatzgehäuse eingeschraubten Anschlag an und beim Abtauventil ist ein entsprechender Anschlag in das Einsatzgehäuse eingeschraubt, an dem die Federanordnung des Abtauventils anliegt. Damit wird ein weitgehend gleicher Aufbau der beiden Ventileinsätze erreicht.

Vorzugsweise ist beim Regelventil die zweite Feder an einer von der Verstelleinrichtung bewegbaren Spindel abgestützt, deren Bewegungshub durch den Anschlag begrenzt ist, an dem die erste Feder abgestützt ist. Damit wird eine definierte Ausgangslage für beide Federn des Regelventils 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 des Regelventils vom Ventilsitz abheben können, wenn der Druck groß genug ist. Mit anderen Worten kann in dieser Position das Regelventil 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.

Bevorzugterweise wirkt sowohl beim Abtauventil als auch beim Regelventil 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. Dies gilt sowohl für das Regelventil als auch für das Abtauventil.

Hierbei ist bevorzugt, daß bei beiden Ventilen 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.

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 Fläche am Ventilelement 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 dem Ventilelement angeordnet ist, keine Störungen des Betriebes erfolgen können.

Bevorzugterweise ist bei beiden Ventilen 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 der Ventile, d.h. man erzeugt mit der Membran gleichzeitig eine Dichtfläche, mit der das Ventilelement auf den Ventilsitz wirkt.

Hierbei ist bevorzugt, daß die Membran jeweils zwischen dem Einsatzgehäuse und dem Ventilgehäuse eingespannt ist. Damit wird das Ventilgehäuse dicht und es wird sichergestellt, daß der Druck sich nicht weiter nach außen verpflanzt. Es sind keine weiteren Dichtungen im Ventileinsatz notwendig. Gleichzeitig ist die Membran in beiden Ventilen zuverlässig befestigt.

Vorzugsweise weist das Einsatzgehäuse eine Anlagefläche für die Membran auf, an der die Membran im geöffneten Zustand des jeweiligen Ventils anliegt. Da bei beiden Ventilen im geöffneten Zustand ein relativ hoher Druck an der Membran anliegt, 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.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Hierin zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Hochdruck-Kälteanlage und
2 einen schematischen Schnitt durch eine Ventilanordnung der Hochdruck-Kälteanlage.
1 zeigt schematisch eine Hochdruck-Kälteanlage 50, die beispielsweise Kohlendioxid (CO₂) als Kältemittel verwendet. Die Kälteanlage 50 weist einen Verdichter 51 auf, dessen Ausgang mit einem Wärmeaustauscher 52 verbunden ist. Der Wärmeaustauscher 52 kann auch als Gaskühler oder Gasverflüssiger (je nach Betriebspunkt) bezeichnet werden. Der Wärmeaustauscher 52 wirkt bei überkritischer Wärmeabgabe als Gaskühler. Der Ausgang des Wärmeaustauschers 52 ist mit einem Regelventil 60 verbunden, dessen Ausgang mit einem Verdampfer 53 verbunden ist. Der Ausgang des Verdampfers 53 ist mit einem Sammelgefäß 54 verbunden. Das Sammelgefäß 54 wiederum ist mit dem Eingang des Verdichters 51 verbunden. Unter Umständen kann auch vorgesehen sein, daß der Aus gang des Verdampfers 53 unmittelbar mit dem Eingang des Verdichters 51 verbunden ist, oder die Sammlerfunktion im Verdampfer 53 integriert ist.
Der Ausgang des Verdichters 51 ist über eine Bypaßleitung 55 auch unmittelbar mit dem Eingang des Verdampfers 53 verbunden. In der Bypaßleitung 55 ist ein Abtauventil 70 angeordnet.
Das Abtauventil 70 ist als normalerweise geschlossenes Ventil ausgebildet, das bei Überschreiten eines vorbestimmten Öffnungsdrucks öffnet. Es sind also keine externen Antriebe vorgesehen, die das Abtauventil 70 öffnen. Der Öffnungsvorgang selbst wird vielmehr durch das in der Kälteanlage 50 unter Druck stehende Gas selbst bewirkt.
Bei der Verwendung von CO₂ als Kältemittel ist eine Regelung des Hochdrucks zum Erzielen eines maximalen Wirkungsgrads der Kälteanlage 50 erforderlich. Gleichzeitig sind die Arbeitsdrücke des CO₂-Prozesses deutlich höher, als dies bei Niederdruck-Kältemitteln der Fall ist. Die hochdruckseitigen Arbeitsdrücke können durchaus Werte in der Größenordnung über 120 bar erreichen. Die hochdruckseitigen Arbeitsdrücke werden durch das Regelventil 60 geregelt.
Man kann nun das Regelventil 60 so ausbilden, daß es noch höhere Drücke auf der Ausgangsseite des Verdichters 51 zuläßt, beispielsweise mehr als 130 bar, und bei diesen Drücken auch geschlossen bleibt. Wenn man nun den Öffnungsdruck des Abtauventils 70 auf einen dieser größeren Drücke einstellt, beispielsweise auf 130 bar, dann wird durch das Zusammenwirken von Regelventil 60 und Abtauventil 70 bei Erreichen dieses hohen Druckes die Bypassleitung 55 geöffnet und der Abtauvorgang beginnt, weil heißes Kältemittelgas vom Ausgang des Verdichters 51 unmittelbar dem Eingang des Verdampfers 53 zugeführt wird. Ermöglicht wird dies praktisch ausschließlich über das Regelventil 60, das nicht nur den Betriebsdruck regelt, sondern gleichzeitig zur Steuerung der Verdampferabtauung eingesetzt werden kann.
Natürlich muß der Öffnungsdruck des Abtauventils 70 so gewählt werden, daß die Sicherheit der Kälteanlage 50 oder die Zuverlässigkeit der Komponenten nicht gefährdet wird.
Da das Regelventil 60 und das Abtauventil 70 einen gemeinsamen Ausgang haben, der mit dem Eingang des Verdampfers 53 verbunden ist, ist es von Vorteil, beide Ventilfunktionen in einem Gehäuse zu integrieren, wie dies in 2 dargestellt ist.
2 zeigt nun eine Ventileinheit 80 mit dem Regelventil 60 und dem Abtauventil 70. Wie aus der nachfolgenden Erläuterung erkennbar wird, sind das Regelventil 60 und das Abtauventil 70 in weiten Bereichen identisch ausgebildet. Es wird daher zunächst das Regelventil 60 beschrieben. Auf Unterschiede zum Abtauventil 70 wird nachfolgend hingewiesen werden.
Das Regelventil 60 weist einen Einlaß 2 und einen Auslaß 3 auf, die in einem gemeinsamen Ventilgehäuse 4 angeordnet sind. Im Ventilgehäuse 4 ist ein Ventilsitz 5 vorgesehen. Der Ventilsitz 5 ist dabei an einem Düseneinsatz 6 angeordnet, der in das Gehäuse 4 eingesetzt ist. Der Ventilsitz 5 ist durch die Eingangsöffnung einer im Düseneinsatz 6 angeordneten Düse gebildet.
In das Ventilgehäuse 4 ist ein Ventileinsatz 61 mit einem Einsatzgehäuse 7 eingeschraubt. Zwischen dem Ventilgehäuse 4 und dem Einsatzgehäuse 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.
Das Einsatzgehäuse 7 ist als Hohlzylinder ausgebildet. In dem Hohlzylinder ist eine Federanordnung mit einer ersten Feder 11 und einer zweiten Feder 12 angeordnet. Beide Federn 11, 12 sind als Schraubendruckfedern ausgebildet und konzentrisch zueinander angeordnet. Die Federanordnung aus den beiden Federn 11, 12 stützt sich an einer Druckplatte 13 ab, d.h. die Druckplatte 13 bildet ein bewegliches Widerlager für beide Federn 11, 12. 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, die als Kugelpfanne ausgebildet ist. Das Kugelelement 15 ist in einer Bohrung 16 am Fuß des Einsatzgehäuses 7 seitlich, d.h. in Radialrichtung geführt (bezogen auf die Bewegungsrichtung des Ventilelements 9a. Das Kugelelement 15 ist in Öffnungsrichtung des Ventilelements 9 bewegbar.
Die Druckplatte 13 weist eine Kugelpfanne 17 und das Ventilelement 9 eine Kugelpfanne 18 auf, in denen das Kugelelement 15 gelagert ist. Dadurch ist die Druckplatte 13 in gewissen Grenzen kippbeweglich gegenüber dem Ventilelement 9 gelagert.
Die erste Feder 11 ist an einer Verstellschraube 19 abgestützt, die in das Einsatzgehäuse 7 hineingeschraubt ist. Die Verstellschraube 19 weist Drehmomentangriffsflächen 20 auf, beispielsweise zwei Bohrungen, so daß sie innerhalb des Einsatzgehäuses 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 Verstellschraube 19 und der Druckplatte 13 eingespannt ist, verändert werden kann.
Die zweite Feder 12 liegt hingegen an einem Vorsprung 21 einer Spindel 22 an, die von einem Antrieb 23 in Bewegungsrichtung des Ventilelements 9 verschoben wird. Durch eine Betätigung des Antriebs 23 läßt sich also die Vorspannung der zweiten Feder 12 im Betrieb verändern.
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.
Das Abtauventil 70 ist in vielerlei Hinsicht gleich aufgebaut wie das Regelventil 60. Gleiche Teile sind daher mit gestrichenen Bezugszeichen versehen. Das Abtauventil weist einen Ventileinsatz 71 auf.
Das Abtauventil weist einen Eingang 2' auf, der im gleichen Ventilgehäuse 4 angeordnet ist, wie der Eingang 2 des Regelventils. Der Eingang 2' ist mit dem Druckraum 10' des Abtauventils 70 verbunden. Das Abtauventil 70 weist einen Kanal 25 auf, der sich bis zum Regelventil 60 erstreckt und auch mit dem Auslaß 3 verbunden ist. Dementsprechend münden sowohl das Regelventil 60 als auch das Abtauventil 70 in den gleichen Auslaß 3 im Ventilgehäuse 4.
Der Regel-Ventileinsatz 61 und der Abtau-Ventileinsatz 71 sind von einander gegenüberliegenden Seiten an das Ventilgehäuse 4 angesetzt. Dementsprechend stehen Flächen 26, 27 im rechten Winkel zu dem Regelventil 60 und dem Abtauventil 70 zur Verfügung, in die die beiden Einlässe 2, 2' und der Auslaß 3 eingebracht sein können.
Beim Abtauventil sind der Ventilsitz 5' im Düseneinsatz 6', der Düseneinsatz 6', das Einsatzgehäuse 7', die Membran 8', das Ventilelement 9' und der Druckraum 10' identisch ausgebildet wie beim Regelventil 60. Auch die Druckplatte 13', die Gelenkverbindung 14' mit dem Kugelelement 15', der Bohrung 16', den beiden Kugelpfannen 17', 18', und die Verstellschraube 19' mit den Drehmomentangriffsflächen 20' sind identisch zu den entsprechenden Teilen im Regelventil 60. Dies erleichtert die Fertigung. Es müssen nur wenige unterschiedliche Teile hergestellt werden.
Anstelle der Federanordnung aus der ersten Feder 11 und der zweiten Feder 12 beim Regelventil ist eine Feder 24 vorgesehen, die zwischen der Verstellschraube 19' und der Druckplatte 13' angeordnet ist. Die Vorspannung dieser Feder 24 wird durch die Position der Verstellschraube 19' im Einsatzgehäuse 7' bestimmt. Sie ist zwar einstellbar, kann aber im Betrieb normalerweise nicht ohne weiteres verändert werden. Dies ist normalerweise auch nicht notwendig.
Die Ventileinheit 80 arbeitet nun wie folgt:
Das Abtauventil 70 ist normalerweise geschlossen, solange die Kälteanlage normal arbeitet und das Regelventil 60 die Drücke in der Anlage so regelt, wie dies für einen Kühlbetrieb der Kälteanlage 50 erforderlich ist.
In diesem Zustand wirkt im Druckraum 10 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.
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 Regelventils 60 vorgenommen. Die Kraft der Feder 11 reicht aus, um das Regelventil 60 bei einem Druck am unteren Ende des Anwendungsbereichs vollständig zu schließen, beispielsweise bei einem Druck von 50 bar. Zweckmäßigerweise wird die Einstellung der Verstell schraube 19 daher vorgenommen, wenn die Spindel 22 mit ihrem Vorsprung 21 an der Verstellschraube 19 anliegt.
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 Feder 12, die schwächer als die erste Feder 11 sein kann. 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.
Damit ist es möglich, während des Betriebs den gewünschten Öffnungsdruck einzustellen, unter dem das Kohlendioxid-Gas steht. Mit anderen Worten wird durch die Kraft, mit der die beiden Federn 11, 12 auf das Ventilelement 9 wirken, der Druck bestimmt, der im Wärmeaustauscher 52 und hinter dem Verdichter 51 herrscht.
Die Kraft der Feder 24 ist so groß, daß sie die Summe der Kräfte der Federn 11, 12 im Normalbetrieb übersteigt. Da der Druck, der im Druckraum 10 herrscht, praktisch auch im Druckraum 10' des Abtauventils 70 herrscht, reicht die der Kraft der Feder 24 entgegenwirkende Kraft des Drucks im Druckraum 10' nicht aus, um das Abtauventil 70 zu öffnen.
Man kann nun allerdings in der Ventileinheit 80 dafür sorgen, daß auch das Abtauventil 70 öffnen kann. Hierzu wird der Antrieb 23 betätigt und die Spindel 22 in Richtung auf das Ventilelement 9 verfahren, so daß die zweite Feder 12 komprimiert wird. Diese Kompression ist stärker als die Kompression im Normalbetrieb. Dadurch erhöht sich der Druck in der Druckkammer 10, der zum Öffnen des Ventilelements 9 erforderlich wäre. Der Druck im Druckraum 10 herrscht aber auch im Druckraum 10' des Abtauventils 70. Wenn nun dieser Druck beispielsweise 130 bar erreicht, dann öffnet das Abtauventil 70, während das Regelventil 60 noch geschlossen bleibt. Damit gelangt heißes CO₂-Gas vom Ausgang des Verdichters 51 zum Eingang des Verdampfers 53. Der Verdampfer wird abgetaut.
Wenn man die Spindel 22 wieder zurückfährt, so daß die Feder 12 entlastet wird, dann öffnet das Regelventil 60 und der Druck in der Druckkammer 10' reicht nicht mehr aus, um das Abtauventil 70 geschlossen zu halten. In diesem Fall schließt das Abtauventil 70 wieder und die Kälteanlage 50 kann im Normalbetrieb betrieben werden.
Wenn die Gefahr besteht, daß Kältemittel im Wärmeaustauscher kondensiert, dann muß man durch geeignete Maßnahmen dafür sorgen, daß der Hochdruck der Kälteanlage trotzdem mit der notwendigen Sicherheit über den Öffnungsdruck des Abtauventils gesteigert werden kann. Dies kann beispielsweise durch eine Reduzierung der hochdruckseitigen Wärmeabfuhr oder durch ein ventilgesteuertes Verschließen des Einlasses zum Wärmeaustauscher erreicht werden.

Claims

Abtauventil für eine Kälteanlage, insbesondere Hochdruck-Kälteanlage, mit einem Verdichter, einem Wärmeaustauscher, einem Regelventil und einem Verdampfer, wobei zwischen dem Ausgang des Verdichters und dem Eingang des Verdampfers eine Bypaßleitung mit einem Abtauventil angeordnet ist, das als normalerweise geschlossenes Ventil ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtauventil (70) bei Überschreiten eines vorbestimmten Öffnungsdrucks selbsttätig öffnet.
Abtauventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es mit dem Regelventil (60) in einem gemeinsamen Ventilgehäuse (4) mit zwei Eingängen (2, 2') und einem Ausgang (3) zusammengefaßt ist.
Abtauventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelventil (60) auf einen Schließdruck einstellbar ist, der den Öffnungsdruck überschreitet.
Abtauventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelventil (60) einen Regel-Ventileinsatz (61) und das Abtauventil (70) einen Abtau-Ventileinsatz (71) aufweist, wobei beide Ventileinsätze (61, 71) in das Ventilgehäuse (4) eingesetzt sind.
Abtauventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilgehäuse (4) zumindest im Hinblick auf Anschlußgeometrien für die beiden Ventileinsätze (6l, 71) symmetrisch ausgebildet ist.
Abtauventil nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventileinsätze (61, 71) von einander gegenüberliegenden Seiten in das Ventilgehäuse (4) eingesetzt sind.
Abtauventil nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Ventileinsatz (61, 71) mit einer in das Ventilgehäuse eingesetzten Düse zusammenwirkt, deren Eingangsöffnung einen Ventilsitz (5) bildet.
Abtauventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Düsen gleich sind.
Abtauventil nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Ventileinsatz (61, 71) ein Einsatzgehäuse (7, 7') mit einer Federanordnung (11, 12; 24) aufweist, die auf ein Ventilelement (9, 9') wirkt, wobei die Einsatzgehäuse (7, 7') innerlich gleich sind und die Ventilelemente (9, 9') beider Ventileinsätze (7, 7') gleich sind, die Federanordnung (24) des Abtauventils (70) auf eine vorbestimmte Kraft vorgespannt ist und die Federanordnung (11, 12) des Regelventils (60) eine durch eine Verstelleinrichtung (23) veränderbare Federkraft aufweist.
Abtauventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Federanordnung (11, 12) des Regelventils (60) mindestens eine erste Feder (11) und eine zweite Feder (12), die auf das Ventilelement (9) wirken, aufweist, wobei die erste Feder (11) einen Arbeitsbereich definiert und die zweite Feder (12) eine durch die Verstelleinrichtung (23) veränderbare Federkraft aufweist.
Abtauventil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Federkraft der ersten Feder (11) und die Federkraft der Federanordnung (24) des Abtauventils (70) jeweils einstellbar sind.
Abtauventil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß beim Regelventil (60) die erste Feder (11) an einem in das Einsatzgehäuse (7) eingeschraubten Anschlag (19) anliegt und beim Abtauventil (70) ein entsprechender Anschlag (19') in das Einsatzgehäuse (7') eingeschraubt ist, an dem die Federanordnung (24) des Abtauventils (70) anliegt.
Abtauventil nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß beim Regelventil (60) die zweite Feder (12) an einer von der Verstelleinrichtung (23) bewegbaren Spindel (22) abgestützt ist, deren Bewegungshub durch den Anschlag (19) begrenzt ist, an dem die erste Feder (11) abgestützt ist.
Abtauventil nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl beim Abtauventil (70) als auch beim Regelventil (60) die Federanordnung über eine Gelenkverbindung (14, 14') auf das Ventilelement (9, 9') wirkt, die ein Kugelelement (15, 15') zwischen dem Ventilelement (9, 9') und der Federanordnung (11, 12; 24) aufweist.
Abtauventil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß bei beiden Ventilen (60, 70) das Kugelelement (15, 15') zwischen einer Druckplatte (13, 13'), an der die Federanordnung (11, 12; 24). abgestützt ist, und einer Fläche am Ventilelement (9, 9') angeordnet ist.
Abtauventil nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckplatte (13, 13') und/oder die Fläche am Ventilelement (9, 9') eine Kugelpfanne (17, 18; 17', 18') aufweisen, in der das Kugelelement (15, 15') angeordnet ist.
Abtauventil nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß bei beiden Ventilen (60, 70) zwischen dem Ventilelement (9, 9') und dem Ventilsitz (5, 5') eine Membran (8, 8') angeordnet ist, die eine Wand eines Druckraums (10, 10') bildet.
Abtauventil nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (8, 8') jeweils zwischen dem Einsatzgehäuse (7, 7') und dem Ventilgehäuse (4) eingespannt ist.
Abtauventil nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Einsatzgehäuse (7, 7') eine Anlagefläche für die Membran (8, 8') aufweist, an der die Membran (8, 8') im geöffneten Zustand des jeweiligen Ventils (60, 70) anliegt.