DE1751826C2

DE1751826C2 - Kühleinrichtung

Info

Publication number: DE1751826C2
Application number: DE1751826A
Authority: DE
Inventors: Alan Arthur Milwaukee Wis. Matthies
Original assignee: Controls Company of America
Current assignee: Controls Company of America
Priority date: 1967-08-11
Filing date: 1968-08-05
Publication date: 1982-08-19
Also published as: GB1226452A; DE1751826A1; FR1586910A; US3478534A; NL6811346A; ES357109A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung der im Oberbegriff des Hauptanspruchs angegebenen Art.

Bei einer aus der US-PS 25 34 455 bekannten Kühleinrichtung werden zwei wärmeempfindliche Widerstände im Verdampfer verteilt eingesetzt. Jeder Widerstand ist in einer Isolierung eingebettet, welche ein Heizelement enthält Die Baueinheit Widerstand/ Heizelement ist nach außen abgekapselt. Ober diese beiden Baueinheiten wird das Expansionsventil gesteuert, und zwar bei Auftreten einer Temperaturdifferenz an der einen Baueinheit gegenüber der anderen Baueinheit. Bei dieser Kühleinrichtung ist es nachteilig, daß normalerweise' eine 5°-Überhitzung bzw. nur maximal eine 2°-Überhitzung eingesteuert werden kann, was andauernde Energieverluste infolge der nicht vollständig ausgenutzten Energie des Kältemittels bedingt. Ungünstig ist ferner, daß das Ansprechen der temperaturempfindlichen Widerstände verhältnismäßig verzögert erfolgt, da die Isolierung, die die Heizeinrichtung enthält und den Widerstand abschirmt, Temperaturänderungen naturgegeben nur verzögert übertragen kann.

Aus der US-PS 33 24 674 ist eine Kühleinrichtung bekannt, bei der zwei Thermistoren für die Regelung verwendet werden, wobei der eine Thermister die Motortemperatur abfühlt und bei einer Überhitzung infolge eines festgegangenen Rotors oder einer Überlastung des Motors diesen abstellt, während der zweite Thermister die Umgegungstemperatur ermittelt und den Bedarf an zu verdampfendem Kältemittel bestimmt. Die Kühleinrichtung wird mit normaler Überhitzung, d. h. zwischen 2° und 7° liegender Überhitzung, betrieben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kühleinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, in der unter normalen Betriebsbedingungen eine 0° -Überhitzung aufrechterhalten werden kann.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebene Merkmale gelöst

Der temperaturempfindliche ujid zudem wärmeisoliert im Kältemittelstrom angeordnete Thermister vermag genau abzugreifen, wenn die gasförmige Phase des Kältemittels beginnt in die flüssige Phase zu wechseln bzw. wenn in der gasförmigen Umgebung bereits ein geringfügiger Flüssigkeitsanteil vorliegt

m Dabei spielt es keine Rolle, daß die Umgebungstemperatur für den Thermister absolut gleich bleibt Vielmehr wird sein Effekt der Selbsterwärmung eingesetzt durch welchen der Thermister in gasförmiger Umgebung eine höhere Temperatur erreicht, als in einer Umgebung, in

is der flüssige Bestandteile da sind oder eine reine Flüssigkeit vorliegt Der Wärmeübergang zu Flüssigkeitspartikeln oder in eine Flüssigkeit ist wesentlich größer, als zu der gasförmigen Umgebung, so daß ein auf einer bestimmten Temperatur befindlicher Thermister sofort abgekühlt wird, wenn seine Oberfläche benetzt wird. Daraus läßt sich ein unmittelbarer Steuerimpuls für das Expansionsventil ableiten, der einen entsprechenden Regelvorgang einleitet. Das feinfühlige Reagieren des Thermistors läßt sich jedoch

2'} nur dann zum Regeln einer Kühleinrichtung einsetzen, wenn dieser wärmeisoliert und gleichzeitig dem Kältemittel bzw. der kältcmittelhaltigen Umgebung unmittelbar ausgesetzt ist.

Es ist zwar aus der Zeitschrift »Funk-Technik«,

ω 15/1951, Seiten 419 bis 421, bekannt, einen Thermistor zum Regeln eines Flüssigkeitsniveaus einzusetzen und dabei seine Selbsterwärmung auszunutzen, so daß er bei Eintauchen in die Flüssigkeit abkühlt und bei Kontakt mit der freien Atmosphäre sich selbst erwärmt. Der

\-< Thermistor reagiert also auf den Phasenwechsel zwischen nur flüssiger und nur gasförmiger Umgebung. Voraussetzung ist dabei allerdings nicht, daß die Flüssigkeit und die gasförmige Umgebung jeweils die gleiche Temperatur haben.

■tu Eine zweckmäßige Ausführungsform der Erfindung geht im weiteren aus Anspruch 2 hervor. Die Reihenschaltung aus Thermistor und elektrischer Heizeinrichtung schafft eine direkte elektrische Abhängigkeit zwischen den Thermistor und der Heizeinrichtung, wie sie für ein feinfühliges Reagieren zweckmäßig ist.

Eine weitere, wichtige Ausführungsform der Erfindung geht schließlich aus Unteranspruch 3 hervor. Da bei Kühleinrichtungen mit einem Expansionsventil unter bestimmten Bedingungen, z. B. bei einer deutlich überhöhten und nicht ausgenutzten Kapazität der Kühleinrichtung, die akute Gefahr besteht, daß der Verdampfer einfriert, ist es zweckmäßig, den Thermistor für solche Betriebszustände neutralisieren zu können. Sobald die Nebenschluß-Schalteinrichtung geschlossen ist, steuert der Thermistor das Expansionsventil nicht mehr an, sondern die Heizeinrichtung, die für das öffnen und Schließen des Expansionsventil verantwortlich ist, wird unmittelbar mit der vollen Leistung beaufschlagt. Als Folge davon bleibt das

Expansionsventil offen und der Verdampfer wird ständig mit wärmerem Kältemittel überflutet, das die Eisbildung unterbindet. Dabei kann die Schalteinrichtung auch von Hand betätigt werden. Günstiger ist natürlich eine automatische Betätigung, die in Abhängigkeit von der Verdampfertemperatur anspricht. Insbesondere in Kühleinrichtungen für Fahrzeuge, z. B. in einer Klimaanlage, ist diese zusätzliche Steuermöglichkeit wichtig.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung erläutert

Die Kühleinrichtung weist einen Verdichter 10 herkömmlicher Bauart, einen Kondensator 12, einen Verdampfer 14 und ein Expansionsventil 16 auf, das zwischen dem Kondensator 12 und dem Verdampfer 14 eingeordnet ist Mit dem Expansionsventil 16 läßt sich die Menge des Kältemittels regulieren, die im Verdampfer 14 expandieren kann. Im Expansionsventil 16 liegt zwischen einem Kältemittel-Einlaß 18 und einem Kältemittel-Auslaß 20 ein Ventileinsatz 22 mit einem Ventilsitz 24, dem als Schließglied eine Ventilnadel 26 zugeordnet ist Die Ventilnadel 26 ist in einer Bohrung 28 des Ventilgehäuses 29 verschiebbar geführt und ragt in eine Kammer 30, die durch einen Deckel 34 begrenzt ist In der Kammer 30 ist ein Ventilbetätigungsglied 36 enthalten, das temperaturempfindlich ist. In einer Wand 32 der Kammer 30 ist ein Anschlußstück 43 angebracht, das isoliert zwei Anschlußleitungen 54, 62 von außen in das Innere der Kammer 30 führt. Das Ventilbetätigungsglied ist eine Bimetallplatte, die eine Heizvorrichtung 36, z. B. Heizdrähte, umfaßt. In Öffnungsrichtung wird die Ventilnadel von einer Druckfeder 40 belastet, welche sich mit ihren Enden auf einer Schulter 42 des Ventilgehäuses und einem Bund 44 der Ventilnadel abstützt Die Heizvorrichtung kann beispielsweise aus einem Nickelchromdraht oder einem ähnlichen Metalldraht bestehen, der mit einer geeigneten Isolierung um die Metallplatte gewickelt ist. Die Feder 40 übt auf die Ventilnadel eine Kraft in Öffnungsrichtung aus. In der dargestellten Lage befindet sich das Expansionsventil in seiner Stellung »Kalt«, in der der Durchgang vom Einlaß 18 zum Auslaß 20 gesperrt ist. Es strömt kein Kältemittel zum Verdampfer 14.

Durch das Anschlußstück 48 führen die Leitungen 54 und 62 von der Heizvorrichtung 36 zu einem Steuerstromkreis, der aus einer Stromquelle 66 mit Strom versorgt wird.

Unmittelbar im Auslaß des Verdampfers 14 ist ein Rohrstück 78 angebracht, das einen seitlichen Anschlußstutzen 76 besitzt. In den Anschlußsiutzen 76 ist eine Buchse 74 eingeschraubt, die eine Bohrung 72 besitzt In der Bohrung 72 befindet sich ein Einsatz 70 aus einem wärmeisolierenden Material wie Glas oder Keramik. In dem Einsatz 70 sind Metallrohre 80 enthalten, durch welche sich Anschlußleitungen 52 und 60 ins Innere des Rohrstücks 78 erstrecken, die Anschlüsse für einen dort wärmeisoliert abgestützten Thermistor 50 bilden. Der Thermistor 50 befindet sich dadurch im unmittelbaren Strömungsbereich des den Verdampfers 14 verlassenden Kältemittels und wird von diesem unter unmittelbarer Berührung umströmt.

Die Leitung 60 steht über eine Verbindungs'eitung 64 mit der Stromquelle 66 in Verbindung, während die Leitung 52 über eine Verbindungsleitung 58 mit der Anschlußleitung 54 zur Heizeinrichtung 36 verbunden ist. Die Anschlußleitung 62 der Heizeinrichtung ist hingegen über einen Hauptschalter 68 und einen weiteren Schalter 88, der durch einen einstellbaren Widerstand 86 überbrückt ist, mit der Stromquelle 66 in Verbindung.

Zwischen den Leitungen 64 und 58 ist ein fester Widerstand 82 eingeordnet, der mit dein Thermistor 50 parallel geschaltet ist. Je höher der Wert dieses Widerstandes 82 ist, desto größer ist die Ansprechempfindlichkeit des Thermistors. Ferner ist im .Steuerstromkreis zwischen den Leitungen 64 und 58 eine

Nebenschluß-Schalteinrichtung 84 vorgesehen, die über eine strichliert dargestellte Leitung mit einem Temperaturfühler 85 verbunden ist, der sich im Inneren des Verdampfers 14 befindeL Die Nebenschluß-Schalteinrichtung 84 kann durch den Temperaturfühler 85 geschlossen werden, wodurch der Thermistor 50 neutralisiert wird und die Heizeinrichtung 36 ständig mit dem vollen zur Verfügung stehenden Strom beaufschlagt wird. Die Heizvorrichtung 36 bewirkt bei Beaufschlagung mit Strom eine Erwärmung der Bimetallplatte, wodurch sich diese nach oben biegt und. die Ventilnadel 26 vom Ventilsitz 24 abhebt und Kältemittel durchläßt. Wenn die Stromzufuhr zur Heizeinrichtung 36 herabgesetzt wird, kühlt sich die Bimetallplatte ab und geht in die Stellung zurück, in der die Ventilnadel auf dem Ventilsitz aufliegt. Ein Kontakt zwischen der Bimetallplatte und dem Ring 46 schafft einen Wärmeübergang von der Bimetaüplatte zum Ventilgehäuse.

Die Strombeaufschlagung für die Heizvorrichtung wird bei geöffneter Nebenschluß-Schalteinrichtung 84 durch den Thermistor 50 gesteuert, da dessen Durchgangswidarstand sich mit seiner Temperatur verändert. Der Schalter 68 kann ein handbetätigter oder thermostatgesteuerter Hauptschalter sein, der gleichzeitig den Verdichter 10 oder eine Luft über die Verdampferschlange leitende Einrichtung steuert.

Der Thermistor 50 hat einen negativen Temperaturwiderstandskoeffizier.ten, so daß sich bei Ansteigen seiner Temperatur sein Widerstand vermindert und dadurch der durchfließende Strom ansteigt.

Bei geschlossenem Stromkreis erwärmt sich der Thermistor 50, wobei sein Durchgangswiderstand absinkt und dadurch der Strom zur Heizvorrichtung 36 ansteigt. Die Ventilnadel 26 wird abgehoben. Wenn dann das Kältemi'.tel in Überschuß in den Verdampfer strömt und darin nicht vollständig verdampft werden kann, treten im Rohrstück 78 im ansich gasförmigen Kältemittel auch flüssige Anteile auf. Der Thermistor 50 reagiert auf diese flüssigen Bestandteile sofort mit einer sprungartigen Abkühlung und einer gleichzeitigen Widerstandserhöhung. Die Stromstärke für die Heizvorrichtung vermindert sich, so daß die Ventilnadel 26 auf den Ventilsitz 24 gelangt und den Kältemitteldurchsatz unterbricht bzw. in einer Zwischenstellung entsprechend verringert, bis der Thermistor 50 wiederum nur vollständig verdampftem Kältemittel ausgesetzt ist. In der Praxis wird die Regelung so vorgenommen, daß bei normalem Betrieb gerade noch feine Flüssigkeitspartikel zum Thermistor 50 gelangen und diesem dadurch angezeigt wird, daß das gesamte Kältemittel verdampft ist. Es ergibt sich dadurch der positive Effekt einer 0°-Überhitzung, bei der die im Kältemittel enthaltene Energie nahezu vollständig ausgenutzt werden kann. Der Thermistor arbeitet dabei so empfindlich, daß mit der durch die Heizvorrichtung 36 integrierten Verzögerung des Systems Überkorrekturen des Expansionsventils weitgehend vermieden werden.

Ein besonders befriedigendes Steuerverhalten wird erreicht, wenn der Thermistor stabförmige Gestalt mit einem Durchmesser von etwa 5,2 bis 7,5 mm und einer Dicke von etwa 0.8 mm besitzt.

L/er Temperaturfühler 85, der zweckmäßigerweise mit einem Thermostat-Betätigungselement zusammenwirkt, ist beispielsweise auf eine Temperatur von O⁰C im Verdampfer 14 eingestellt. Sobald diese Temperatur erreicht wird, schließ', der Temperaturfühler 85 die

Nebenschluß-Schalteinrichtung 84, so daß der Thermistor 50 neutralisiert ist und auch der Betriebszustand mit 0°-Überhitzung unterbrochen wird. Der Heizvorrichtung 36 wird die maximalmögliche Strommenge zugeführt, so daß die Ventilnadel 26 vollständig abgehoben bleibt und flüssiges Kältemittel die Rohrschlange des Verdampfers 14 durchflutet. Dies hat eine sofortige Zunahme des Druckes und der Temperatur im Verdampfer zur Folge und verhindert das Einfrieren des Verdampfers. Mit ansteigender Temperatur in der Rohrschlange des Verdampfers öffnet der Temperaturfühler 85 die Nebenschluß-Schalteinrichtung 84 wieder, worauf der Thermistor seine Arbeit wieder aufnimmt.
Der verstellbare Widerstand 86 dient ebenfalls zur Regelung der Stromstärke für die Heizeinrichtung 36.

Der Steuerstromkreis könnte auch so ausgebildet sein, daß in ihm Regelelemente zur Begrenzung der Temperatur und des Druckes im Verdampfer 14 wirksam sind. Eine weitere Verbesserung des Ansprechverhaltens ist auch durch geeignete elektrische Verstärker für Regelimpulse möglich. Beispielsweise könnte der Thermistor einen mit der Heizvorrichtung im gleichen Stromkreis befindlichen Transistor ansteuern, der dann den Impuls so weit verstärkt, daß die Heizvorrichtung bei geringsten Temperaturschwankungen das Expansionsventil entweder völlig öffnet oder völlig schließt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kühleinrichtung mit einem Verdampfer und einem Expansionsventil zur Regelung des Kältemittelflusses in den Verdampfer, und mit einem über einen Thermistor gesteuerten Betätigungsglied für das Expansionsventil, wobei das Ventilbetätigungsglied eine elektrische Heizvorrichtung sowie einen von der Heizvorrichtung beheizten, wärmeempfindlichen Ventilbetätiger aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der nach dem Prinzip der Selbsterwärmung arbeitende Thermistor (50) im Strömungsweg des Kältemittels am Ausgang des Verdampfers (14) so angeordnet ist, daß er in unmittelbarer Berührung mit dem Kältemittel steht und gegenüber den benachbarten Bauteilen der Kälteeinrichtung wärmeisoliert ist

2. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Thermistor (50) und die Heizvorrichtung (36) in Reihe geschaltet sind.

3. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Thermistor (50) eine, vorzugsweise von der Verdampfertemperatur abhängige, Nebenschluß-Schalteinrichtung (84) zugeordnet ist, in deren Schließstellung das Expansionsventil (24) in seiner Offenstellung haltbar ist.