DE2134409A1 - Kühlsysteme - Google Patents

Description

PmtiPtanwä/tti

Dipi.-I'n"j. A. Grünecker

Dr.-!nc- .-/. Kinksldey

Dr.-.'ng W. Stockmair

Dr. rer. not. W. Fischer

, 8 München 22, Mavmnianstr.

PH 4089 - 27/Po 9. JuIi 1971

CONTROLS COMPANY OF AMERICA

2001 North Janice Avenue, Melrose Park, Illinois, USA

Zühlsysteme

Die Erfindung "betrifft Kühlsysteme.

Herkömmliche Kühlsysteme weisen einen Verdichter, einen i an den Verdichter angeschlossenen Verflüssiger zur Aufnahme verdichteten Kältemittels aus dem Verdichter, eine Verdampferschlange, ein thermostatisches Expansionsventil zum Regeln des aus dem Verflüssiger zur Verdampferschlange geleiteten Förderstromes, eine Saugleitung zwischen der Verdampferschlange und dem Verdichtereinlaß sowie in der Saugleitung am Verdampferauslaß ein Regelventil auf, welches ein Einfrieren der Schlange durch Regulieren des Abflusses aus der Schlange in Abhängigkeit von einer Regelbedingung verhindert.

109884/ 1277

-JdT-

Es gibt Külilsysteme dieser Art, bei denen die Verdichterkapazität erheblich über der Kapazität oder Belastung des Verdampfers liegt, eine Ausbildung wie sie typisch ist bei Automobil-Klimatisierungsanlagen und hier wiederum bei Anlagen für kontinuierlichen Betrieb. Obgleich hierbei Eisbildung an der Verdampferschlange durch die Verwendung eines dem Temperaturfühlort des thermostatischen Expansionsventils in Strömungsrichtung nachgeschalteten Verdampfer-Auslaß'regelventils verhinderbar ist, muß als typische Folge davon mit bei abnehmender Belastung geringer werdendem Kältemittelförderstrom und somit mit dem Verdichter unter niedrigem Druck zugeführtem v/ärmerem Kältemittel gerechnet werden. Dies führt zu geringerer Kühlung und Schmierung und möglicherweise zu Beschädigungen des Verdichters.

Die Erfindung überwindet diesen Nachteil durch die Schaffung eines kreuzbeaufschlagten Ventils, welches bei abnehmendem Saugleitungsdruck in Abhängigkeit von den in der Saugleitung auf der Saugseite des Verdampfer-Auslaßregelventils herrschenden Temperatur- und.Druckverhältnissen die am Verdampferauslaß auftretende Überhitzung verringert.

Ein übliches thermostatisches Expansionsventil wird mit einem auch als Kältemittel im System verwendeten Medium beaufschlagt. Man spricht in diesem Fall von einem systemgleich beaufschlagten Ventil. Bei einem kreuzbeaufschlagten Expansionsventil wird ein Medium verwendet, dessen Temperaturdruckkurve von der Temperaturdruckkurve des Kältemittels verschieden ist.

Bei einer Anordnung, in welcher ein kreuzbeaufschlagtes Expansionsventil entsprechend den Temperatur- und Druckverhältnissen in dem dem Verdampfer-Auslaßregelventil nachgeschalteten Bereich gesteuert wird, kann das Expansionsventil so ausgebildet sein, daß bei niedrigen Saugdrücken

109884/1277

eine Überhitzung von annähernd O⁰ erreichbar ist. Dadurch tritt entweder flüssiges oder gasförmiges Kältemittel bei Sättigungstemperatur aus der Verdampf er schlange aus und fließt dem Verdichter zur zusätzlichen (und erforderlichen) Kühlung und Schmierung zu. Das Verdampfer-Auslaßregelventil arbeitet sogar als eine. Art Expansionsventil, so daß die in die Saugleitung einfließende Flüssigkeit durch Kühlung der Saugleitung eine künstliche Belastung hervorruft und- (unter Verringerung der Verdichterkapazität) sich im Verdichterzylinder entspannt. Daraus, daß eine Überhitzung von O bei niedrigen Saugdrücken beibehalten v/erden kann, ergibt sich ein sich beschleunigender Öffnungszyklus des thermostatischen Expansionsventils, welches dadurch das Ver- a dampfer-Auslaßregelventil bei der Aufrechterhaltung des gewünschten Druckes in der Verdampferschlange unterstützt.

Durch, die Wahl der Kreuzbeaufschlagung kann der einer Überhitzung von 0° entsprechende Saugdruck an das jeweilige System angepaßt werden. Da die Überhitzungs-Druck-Kurve "umgekehrt" verläuft, werden die Vorteile eines schnellen Abbaues ausgenutzt. Unter normalen Verhältnissen sind normale Betriebsbedingungen möglich.

In der Zeichnung ist:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Kühlsystems mit einem Verdampfer-Auslaßregelventil und einem fühlkolbenlosen thermostatischen Expansionsventil im Vertikalschnitt und

Fig. 2 eine Drucktemperaturkurve eines gemäß der

Beschreibung kreuzbeaufschlagten und in >

das System entsprechend Fig. 1 eingebauten thermostatischen Expansionsventils.

109884/1277

Es sei eingangs daraufjhingewiesen, daß das in der Zeichnung dargestellte fühlkolbenlose thermostatische Expansionsventil die Beschreibung der Einrichtung zur Dru<ik- und Temperaturfühlung in einem dem Verdampferregelventil saugseitig nachgeschalteten Bereich vereinfacht. Die Verwendung eines thermostatischen Expansionsventils mit außerhalb angeordnetem Ausgleicherglied ist möglich, wobei der Fühlkolben an der Saugleitung auf der Saugseite des Verdampfer-Auslaßregelventils und der Anschluß des Ausgleichergliedes ebenfalls in der Saugleitung auf der Saugseite des Regelventils vorgesehen sind..Der Stand der Technik kennt thermostatische Expansionsventile mit außerhalb angeordnetem Ausgleicherglied, so daß eine nähere Beschreibung dieser Variante an dieser Stelle nicht für erforderlich erachtet- wird. Wie nachstehend ausgeführt, ist in diesem System jede Art von thermostatischem Ventil kreuzbeaufschlagt.

Kältemittel fließt aus einem Verdichter TO in einoiVerflüssiger 12 und aus dem Verflüssiger entweder zu einem (nicht gezeichneten) Sammelgefäß oder unmittelbar in einen Einlaß 14 eines thermostatischen Expansionsventils 16. Ein Kugelventil 18 regelt den durch eine Trennwand 20 hindurch zu einem Auslaß 22 fließenden Förderstrom. Das Ventil 18 ruht an einem Federsitz 24 auf und ist nach oben in Anlägestellung mittels einer Feder 26 bewegbar, welche durch Drehen eines Sitzes 28 einstellbar ist (Überhitzunpseinstellung).

Das Ventil ist mittels eines Schubstößels 30 betätigbar, welcher seinerseits mittels eines Membranstößels 32 bewegbar ist, der an einer Membranauflage 34 befestigt ist und mit einem Ende durGh die Auflage und durch eine Membrane 36 hindurch in eine Kopfkammer 38 hineinragt. Der Stößel 30 ist in einer Bohrung 41 mit engem Gleitsitz eingepaßt, um ein Lecken in diesem Bereich auf ein Geringstmaß zu reduzieren, da jede Art Leckage einen Nebenstrang darstellen würde. Vom Ventilauslaß fließt der Förderstrom zu einer Verdampfer-

109884/1277

— 3 —

schlange 39 und anschließend durch ein Verdampfer-Auslaßregelventil AO₁ welches als Verdampfer-Druckregelventil oder als Ventil mit Temperatürfühlblech oder abhängig von der Kältemitteltemperatur am Schlangenauslaß ausgebildet sein kann. Jedes dieser Verdampfer-Auslaßregelventile bewirkt in der einen oder anderen Weise eine Regelung des Förderstroms aus der Verdampferschlange mit dem Ziel, ein Einfrieren der Schlange bei niedriger Belastung und hoher Kapazität zu verhindern. Die Wirkungsweise jedes dieser Ventile ist darauf gerichtet, den Druck (und, da beide zusammenhängen, auch die Temperatur) auf einen Wert zu regeln, der wenig über den Gefrierbedingungen der Schlange liegt. |

Aus dem Kegelventil 40 fließt der Förderstrom über eine Saugleitung 42 zur oberen Rückleitung des Expansionsventils am Einlaß 44 und von'dort weiter durch eine Leitung 46 über den Membranstößel und einen Auslaß 48 in eine zum Verdichtereinlaß führende Saugleitung 50. Wenn gewünscht, ist das Regelventil auch unmittelbar an die Rückleitung 46 des Expansionsventils anschließbar. Der Druck in der Rückleitung des Expansionsventils steht über einen Durchlaß 54 und eine obere Wand 56- des Ventilkörpers mit einer unter der Membrane vorgesehenen Kammer 52 in Verbindung, wobei die Leckage zwischen dem Membranstößel und der Wand 56 gewollt ist. J Zwischen einer Kopfkuppel 58 und einer in das obere Ende des Ventilkörpers eingeschraubten und dieses mittels eines O-Ringes 62 dichtend abschließenden Trägerschale 60 ist eine Membrane 36 angeordnet. Über ein Kapillarrohr 64, welches nach der Füllung verschlossen wird, ist die Kopfkammer mit einem temperaturempfindlichen Medium beaufschlagbar.

Wie bereits oben erwähnt, beinhaltet die Bezeichnung Kreuzbeaufschlagung die Tatsache, daß das Beaufschlagungsmittel gegenüber dem Kältemittel eine unterschiedliche Temperaturdruckkurve aufweist. Bei diesem Beispiel ist es so gewählt,

1098.8 A/1277

daß es sich "bei einem (in der Rückleitung 36 gemessenen) Saugleitungsdruck von annähernd O -kp/cm2 einem ÜberMtzunge-. wert von O⁰ am thermostatischen Expansionsventil nähert.

Aus dqr Zeichnung ist ersichtlich, daß der Membranstößel ein Sackloch 66 aufweist, welches etwa im Mittelpunkt des Rückströmungsweges durch den oberen Teil des Ventilkörpers endet. Das Sackloch stellt im Innern des Membranstößels eine kleine Temperaturfühlkammer 68 dar, welche im Rückströmungsweg des Systems auf der Saugseite des Verdampfer-Auslaßregelventils 40 angeordnet ist.D a die Stößelkammer 68 immer ™ kälter ist als die Kopfkammer 38, neigt das Kältemittel zur Verflüssigung in der Kammer 68, so daß der Reglerpunkt in idealer Weise an dieser Stelle vorgesehen ist. Aufgrund der nicht sehr großen Masse des Membranstößels wäre die Ansprechgeschwindigkeit des Ventils zu groß. Daher ist zur Dämpfung des Pendeleffektes der Membranstößel von einer (selbstschmierenden) Hülse 70 aus Delrin von geringer Wärmeleitfähigkeit umschlossen.

Damit das Ventil in jeder Lage einbaubar ist, ist im oberen Ende des Membranstößels eine Kapillardrossel 72 vorgesehen, welche über eine sehr kleine Kapillaröffnung die Membran-Stößelkammer 68 mit der Kopfkammer 38 verbindet. Dies reicht zur Übertragung von Druckschwankungen aus, verringert andererseits jedoch bei umgedrehtem Einbau des Ventils den Durchfluß verflüssigten Kältemittels aus der Kammer 68 in die Kopfkammer auf ein Geringstmaß. Bei Fehlen einer derartigen Drossel wäre ein solcher Durchfluß möglich, mit dem Ergebnis, daß das in die (wärmere) Kopfkammer eintretende flüssige Kältemittel augenblicklich (unter Erhöhung des Druckes) in gasförmigen Zustand übergehen würde, um augenblicklich in der Kammer 68 wieder verflüssigt zu werden. Dies würde Regelschwankungen im System verursachen. Durch den Einbau der Drossel werden diese Schwankungen auf ein Mindestmaß reduziert.

109884/1277

Fig. 2 zeigt ein Diagramm, · aus welchem für ein kreuzbeaufschlagtes thermostatisches Expansionsventil die Abhängigkeit zwischen Öffnungsüberhitzunp; und dem Saugdjruck hervorgeht. Man erkennt, daß bei fallendem Saugdruck (Druck in der Kammer 52) auch die das Expansionsventil öffnende Übeghitzungstemperatur fällt. Dies ist der Wirkungsweise eines systemgleich beaufschlagten Expansionsventil entgegengesetzt, da bei einem derartigen Ventil Druckabfall ein Ansteigen der Überhitzungstemperatur bewirkt.

Da das bei einem erfindungsgemäßen System verwendete Verdampfer-Auslaßregelventil den Druck (und die Temperatur) in der Verdampferschlange 39 konstant hält und damit eine Ver- " eisung der Schlange auch dann verhindert, wenn die Verdichterkapazität höher ist als die des Verdampfers, neigt der Verdichter 10 dazu, den· Druck in der Saugleitung 42 - 50 auf sehr niedrige Werte abzubauen. Dieser geringe Druck pflanzt sich in die Kammer 52 fort und übt eine Kraft auf die Membrane aus, so daß das Ventil geöffnet wird. Aufgrund der in Fig. dargestellten Betriebscharakteristik, welche sich aus der Kreuzbeaufschlagung der Membran- und Membranstößelkammern ergibt, öffnet das Ventil 18 bei einem gewünschten niedrigen Saugdruck anstatt eine geringere Neigung zum Öffnen aufzuweisen. Fig. 2 zeigt, daß bei einem Saugdruck von etwa 0,80 kp das Ventil bei einer Überwärme von etwa 0 öffnet, also in ä diesem Zustand beginnt, der Verdampferschlange Flüssigkeit zuzuführen, während das Verdampfer-Auslaßregelventil seinerseits öffnet und flüssiges oder gasförmiges Kältemittel (bei Sättigungstemperatur) in die Saugleitung einfließen läßt. Somit hat das Kältemittel in der Saugleitung eine niedrigere Temperatur (als bei anderen Systemen), was die Kühlung des Verdichters erleichtert und bewirkt, daß wirklich flüssiges Kältemittel den Verdichter erreicht und durch Entspannung im Verdichter zusätzliche Kühlung schafft. Außerdem stellt in diesem Fall die gesamte Saugleitung zwischen

109884/1277

dem Regelventil 40 und dem Verdichter eine zusätzliche Schlange dar, wodurch eine künstliche zusätzliche Belastung des Systems erreicht ist. Die Tatsache, daß kälteres und auch vor allem flüssiges Kältemittel den Verdachter erreicht, schließt zusammen mit der künstlichen Belas^xng der Saugleitung im Grunde genommen die Möglichkeit der Beschädigung des Verdichters aus. Aus dem Diagramm der Fig. 2 ist weiterhin ersichtlich, daß Flüssigkeit durch das thermostatische Expansionsventil hindurchfließen kann, lange bevor der Verdichter den Druck in der Saugleitung auf etwa 0 kp/cm2 reduziert. Die Erfahrung hat gezeigt, daß der Verdichter durch die Zufuhr beträchtlicher Mengen Flüssigkeit keinen Schaden erleidet, auch dann nicht, w-enn die Menge so groß ist, daß sie in die zum Verflüssiger führende Leitung überläuft.

Fig. 2 erhellt einen weiteren Vorteil dieses Systems, indem die Überwärmeeinstellung des kreuzbeaufschlagten thermostatischen Expansionsventils mit höheren Drücken in der Saugleitung ebenfalls ansteigt. Auch mit diesem Merkmal steht ein solches Ventil im Gegensatz zu systemgleich beaufschlagten Ventilen. Ist der anfängliche Betriebszustand daher durch einen hohen Druck in der Saugleitung bestimmt, arbeitet das Ventil mit erhöhter Überhitzung , so daß ein schneller Abbau des Druckes erleichtert und damit verstärkte schnelle Kühlung bewirkt wird.

Dieses System bringt daher einen Schutz für den Verdichter und bessere Leistung während des Druckabbaus. Besonders vorteilhaft ist das System, wenn es bei geringer Belastung und gleichzeitig hoher Kapazität oder unter hoher Belastung während des Druckabbäues arbeiten muß. Unter normalen Belastungsverhältnissen sind Überwärme und Betrieb normal.

109884/1277

Claims (8)

1. PATENTANSPRÜCHE

   Kühlsystem, mit einem Verdichter, einem an den Verdichter angeschlossenen Verflüssiger zur Aufnahme verdichteten Kältemittels aus dem Verdichter, einer Verdampferschlange, einem thermostatischen Expansionsventil zum Regeln des aus dem Verflüssiger zur Verdampferschlange geleiteten Förderstromes, einer Saugleitung zwischen der Verdampferschlange und dem Ver- λ dichtereinlaß und einem Regelventil in der Saugleitung am Verdampferauslaß, welches ein Einfrieren der Schlänge durch Regulieren des Abflusses aus der Schlange in Abhängigkeit von einer Regelbedingung verhindert, dadurch gekennzeichnet, daß das thermostatische Expansionsventil kreuzbeaufschlagt ist und bei abnehmendem Saugleitungsdruck in Abhängigkeit von den in der Saugleitung auf der Saugseite des Verdampfer-Auslaßregelventils herrschenden Temperatur- und Druckverhältni-ssen die am Verdampferauslaß auftretende Überhitzung verringert.
2. 2. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn- f

   zeichnet, daß das thermostatische Expansionsventil ein den Förderstrom zur Schlange regulierendes Ventil aufweist, welches mittels einer Membrane betätigbar ist, wobei sich auf eine Seite der Membrane ein Druck auswirkt, den ein in eine kreuzbeaufschlagte Kammer eingefülltes und auf die in der Saugleitung auf der Saugseite des Verdampfer-Auslaßregelventils herrschende Temperatur ansprechendes Medium überträgt, während in einer anderen Kammer auf eine andere Seite der Membrane Druck wirkt, der eine Funktion des in der Saugleitung auf der Saugseite des Verdampfer-Auslaßregelventils herrschenden Druckes ist.

   109884/1277

   - ίο -
3. 3. Kühlsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdampfer-Auslaßregelventil temperatur- oder druckabhängig ausgebildet ist und den aus der Schlange austretenden Förderstrom so drosselt, daß in der Schlange Mindest-Temperatur- und Druckbedingungen herrschen und ein Einfrieren verhindert wird.
4. 4. Kühlsystem nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß das Verdampfer-Auslaßregelventil abhängig vom Verdampferdruck betätigbar ist.
5. 5. Kühlsystem nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß das Verdampfer-Auslaßregelventil abhängig von der Temperatur der Schlangenrippen betätigbar ist.
6. 6. Kühlsystem nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß das Verdampfer-Auslaßregelventil abhängig von der Temperatur des Kältemittels in der Schlange betätigbar ist.
7. 7. Kühlsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kältemittelstrom aus dem Verdampfer-Auslaßregelventil unmittelbar über den Temperaturfühlort des thermostatischen Expansionsventils geführt ist.
8. 8. Kühlsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das thermostatische Expansionsventil einen die Membrane mit dem Ventil verbindenden Ventilbetätigungsstößel aufweist, welcher.eine Höhlung besitzt und mit der Kammer auf einer Seite der Membrane in Verbindung steht, wobei der hohle Teil des Stößels in einer Teil der Saugleitung bildenden Rückleitung

   109884/1277

   — Ii —

   angeordnet ist, wodurch die Temperatur am Stößel abfühlbar und der Druck in der Rückleitun^ in die Kammer an der anderen Seite der Membrane übertragbar ist.

   109884/1277

   Al

   Lee r s e i t e