DE2134409C3 - Thermostatisches Expansionsventil für ein Kühlsystem - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein thermostatisches Expansionsventil für ein Kühlsystem, mit einem von einem Kompressor über einen Kondensor, das thermostatische Expansionsventil, einen Verdampfer und eine Saugleitung zum Kompressoreinlaß zurückgeführten Kältemittelkreislauf, wobei zwischen dem Verdampferauslaß und der Saugleitung ein Regelventil angeordnet ist, welches ein Vereisen der Verdampferschlange durch Regulieren des Kältemittelabflusses aus der Schlange in Abhängigkeit von einer Regelbedingung verhindert.

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

Aus dem »Handbuch der Kältetechnik. R. Plank. 6. Band, 1969, S 74 - 79« ist bekannt, thermostatische Expansionsventil mit einer Kreuzfüllung zu versehen. Unter Kreuzfüllung wird dabei eine Steuerfüllung im Thermostat-Teil des Expansionsventils verstanden, die ein Kältemittel ist, dessen Druck-Temperaturkurven einen flacheren Verlauf als die des Betriebskältemittels aufweisen. Die Kurven von Steuerfüllung und Betriebskältemittel kreuzen sich in einem Punkt. Bei einem mit einer Kreuzfüllung versehenen thermostatischen Expansionsventil bleibt die Überhitzung über einen weiten Bereich der Verdampfungstemperatur konstant, wobei unter Überhitzung die Temperaturdifferenz zwischen dem Steuermittel und dem Kältemittel bei gleichem Druck verstanden wird.

Es ist ferner bekannt, thermostatischen Expansionsventilen eine Überhitzungscharakteristik zu geben, nach der mit abnehmender Verdampfertemperatur die am Verdampferauslaß auftretende Überhitzung verringert wird.

Trotz der bekannten Maßnahmen und der verschieden ausgebildeten thermostatischen Expansionsventile traten insbesondere bei Kühlsystemen, die z.B. in Automobil-Klimaanlagen eingesetzt sind, Schäden am Kompressor auf, da dieser bei lange andauernden Phasen niedriger Verdampferbelastung durch den angesaugten Kältemittelstrom nicht ausreichend gekühlt und geschmiert wurde.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kühlsystem so auszubilden, daß der Kompressor auch bei geringer Kühlleistung des Verdampfers im Betrieb zuverlässig gekühlt und geschmiert wird.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe in einem Kühlsystem der eingangs genannten Art dadurch, daß das thermostatische Expansionsventil in an sich bekannter Weise mit einer Kreuzfüllung versehen ist, die eine Überhitzungs-Charakteristik aufweist, bei der die Überhitzung mit sinkendem Steuerdruck verringert wird, und daß das thermostatische Expansionsventil in Abhängigkeit von den in einer das Verdampferauslaß-Regelventil mit dem Kompressor verbindenden Saugleitung herrschenden Temperatur- und Druckverhältnissen gesteuert ist.

Mit Hilfe des kreuzgefüllten, thermostatischen Expansionsventils und seiner Steuerung wird eine große und genaue Ansprechempfindliclikeit mit exakt einstellbaren Schaltpunkten erreicht, aufgrund derer der Kompressor zuverlässig geschmiert und gekühlt wird. Auch eine unerwünschte Vereisung des Verdampfers kann einwandfrei verhindert werden.

Eine bevorzugte Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes ist dadurch gekennzeichnet, daß das thermostatische Expansionsventil ein von einer Membrane über einen Ventilbetätigungsstößel betätigbares Ventil aufweist und der Ventilbetätigungsstößel in einem Teil seiner Längserstreckung einen Hohlraum enthält, der mit einer auf einer Seite der Membrane angeordneten, mit einem temperaturempfindlichen Steuermedium gefüllten Kammer in Verbindung steht, und daß der Teil des Ventilbetätigungsstößels in einem Abschnitt der Saugleitung angeordnet ist, der mit einer auf lier anderen Seite der Membrane angeordneten Kammer verbunden ist, derart, daß die Temperatur des in der Saugleitung strömenden Kältemittels den Teil des Ventilbetätigungsstößels und der Druck des Kältemit-

tels die andere Seite der Membrane beaufschlagt

Mit dieser Ausbildung ist das Expansionsventil in der Lage, bei niedrigen Saugdrücken eine Überhitzung von annähernd 0° einzusteuern. Dadurch tritt entweder flüssiges oder gasförmiges Kältemittel bei Sättigungs- temperatur aus der Verdampferschlange aus und fließt dem Verdichter zur zusätzlichen (und erforderlichen) Kühlung und Schmierung zu. Das Verdampfer-Auslaßventil arbeitet sogar als eine Art Expansionsventil, so daß die in die Saugleitung einfließende Flüssigkeit durch Kühlung der Saugleitung eine künstliche Betastung hervorruft und (unter Verringerung der Kompressorka pazität) sich im Zylinder des Kompressors entspannt. Dadurch, daß eine Überhitzung von 0° bei niedrigen Saugdrücken beibehalten werden kann, wird auch das thermostatisch*.· Expansionsventil häufig geöffnet und das Verdampfer-Auslaßregelventil bei der Aufrechterhaltung des gewünschten Druckes in der Verdampferschlange unterstützt.

Durch die Wahl der Kreuzbeaufschk,iung kann der einer Überhitzung von 0° entsprechende Saugdruck an das jeweilige System angepaßt werden.

In der Zeichnung ist

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

Fig.2 eine Drucktemperaturkurve des gemäß der Beschreibung kreuzgefüllten und in das System entsprechend Fig. 1 eingebauten thermostatischen 3" Expansionsventils.

Es sei eingangs darauf hingewiesen, daß das in der Zeichnung dargestellte fühlkolbenlose thermostatische Expansionsventil die Beschreibung der Einrichtung zur Druck- und Temperaturfühlung in einem dem Verdamp- fer-Auslaßregelventil saugseitig nachgestalteten Bereich vereinfacht. Die Verwendung eines thermostatischen Expansionsventils mit außerhalb angeordneten Ausgleicherglied ist möglich, wobei der Fühlkolben an der Saugleitung auf der Saugseite des Verdampfer-Aus- laßregelventils und der Anschluß des Ausgleichsgliedes 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 mit eine." Kreuzfüllung versehen.

Kältemittel fließt aus einem Kompressor 10 in einen Kondensor 12 und dann entweder zu einem (nicht gezeichneten) Sammelgefäß oder unmittelbar in einen Einlaß 14 eines thermostatischen Expansionsventils 16. Ein Kugelventil 18 regelt den durch eine Tiennwand 20 hindurch zu einem Auslaß 22 fließenden Fnrderstrom. Das Ventil 18 ruht an einem Federsitz 24 auf und ist nach oben in Anlagestellung mittels einer Feder 26 bewegbar, welche durch Drehen eines Sitzes 28 einstellbar ist. Durch Verändern der Federvorspannung kann die Überhitzung reguliert werden.

Das Ventil 18 ist mittels eines Stößels 30 betätigbar, welcher seinerseits mittels eines Membranstößels 32 bewegbar ist, der an einer Membranauflage 34 befestigt ist und mit einem Ende durch die Auflage und durch eine Membrane 36 hindurch in eine Kammer 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 wurde. Vom Ventilauslaß 22 fließt der Förderstrom zu einer Verdampferschlange 39 und anschließend durch ein Verdampfer-Auslaßregelventil 40, welches als Verdampfer-Druckregelventil oder als Ventil mit Temperaturfühlblech oder abhängig von der Kältemitteltemperatur am Schlangenausiaß ausgebildet sein kann. Jedes Verdampfer-Auslaßregelventil bewirkt in der einen oder anderen Weise eine Regelung des Förderstroms aas der Verdampferschlange mit dem Ziel, ein Einfrieren der Schlage 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 Verdampfer-Auslaßregelventil 40 fließt der Förderstrom über eine Saugleitung 42 zur oberen Rückleitung des Expansionsventils 16 am Einlaß 44 und von dort weiter durch einen Abschnitt 46 über den Membranstößel 32 und einen Auslaß 48 in eine zum VerdichtereinJaß führende Saugleitung 50. Wenn gewünscht, ist das Verdampfer-Auslaßregelventil auch unmittelbar am Abschnitt 46 des Expansionsventils 16 anschließbar. Der Abschnitt 46 im Expansionsventil steht über einen Durchlaß 54 in einer oberen Wand 56 des Ventilkörpers mit einer unter der Membrane 36 vorgesehenen Kammer 52 in Verbindung. 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 die Membrane 36 angeordnet. Über ein Kapillarrohr 64, welches nach der Füllung verschlossen wird, ist die Kammer 38 mit einem temperaturempfindlichen Medium gefüllt.

Wie bereits oben erwähnt, betrifft die Bezeichnung Kreuzfüllung die Tatsache, daß das Medium in der Kammer 38 gegenüber dem Kältemittel im Kühlsystem eine unterschiedliche Temperaturdruckkurve aufweist. Bei diesem Beispiel ist es so gewählt, daß es sich bei einem in der Rückleitung 46 gemessenen Saugleitungsdruck (Manometerdruck, gegenübergestellt dem absoluten Druck) von annähernd 0 kg/cm² einem Überhitzungswert von 0° am thermostatischen Expansionsventil nähert.

Aus der Zeichnung ist ersichtlich, daß der Membranstößel 32 ein Sackloch 66 aufweist, welches etwa in der Mitte des Abschnitts 46 durch den oberen Teil des Ventilkörpers endet. Das Sackloch stellt im Innern des Membranstößels eine kleine Kammer 68 zur Temperaturfühlung dar, welche im Abschnitt 46 der Saugseite des Verdampfer-Auslaßregelventils 40 zugeordnet ist. Da die Kammer 68 immer kälter ist als die Kammer 38, neigt das Medium, das ebenfalls ein Kältemittel ist, zur Verflüssigung in der Kammer 68, so daß der Reglerpuniü in idealer Weise an dieser Stelle vorgesehen ist. Aufgrund der nicht sehr großen Masse des Membranstößels wäre die Ansprechegeschwindigkeit des Ventils zu groß. Daher ist zur Dämpfung des Pendeleffektes der Membranslößel 32 von einer (selbstschmierenden) Hülse 70 aus kältefestem Kunststoff von geringer Wärmeleitfähigkeit umschlossen.

Damit das Ventil in jeder Lage einbaubar ist, ist im oberen Ende des Membranstößels 32 eine Kapillardrossel 72 vorgesehen, welche über eine sehr kleine Kapillaröffnung die Kammer 68 mit der Kammer 38 verbindet. Dies reicht zur Übertragung von Druckschwankungen aus, verringert andererseits jedoch bei Überkopfeinbau des Expansionsventils den Durchfluß

verflüssigten Mediums aus der Kammer 68 in die Kammer 38 auf ein Geringstmaß. Bei Fehlen einer derartigen Drossel wäre ein solcher Durchfluß möglich, mit dem Ergebnis, daß das in die (wärmere) Kammer 38 eintretende flüssige Medium 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.

F i g. 2 zeigt ein Diagramm, aus welchem für ein mit einer Kreuzfüllung versehenes thermostatisches Expansionsventil die Abhängigkeit zwischen öffnungsüberhitzung und dem Saugdruck hervorgeht. Man erkennt, daß bei fallendem Saugdruck (Druck in der Kammer 52) auch die das Expansionsventil öffnende Überhitzungstemperatur fällt. Dies ist der Wirkungsweise eines systemgleich beaufschlagten Expansionsventils 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 Verdampferschlagen 39 konstant hält und damit eine Vereisung der Schlange auch dann verhindert, wenn die Verdichterkapazität höher ist als die des Verdampfers, neigt der Kompressor 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 36 aus, so daß das Ventil 18 geöffnet wird. Aufgrund der in F i g. 2 dargestellten Betriebscharakteristik, welche sich aus der Kreuzfüllung der der Membrane benachbarten Kammern 52 und 38 ergibt, öffnet das Ventil 18 bei einem gewünschten niedrigen Saugdmck anstatt dann eine geringere Neigung zum öffnen aufzuweisen. Fig.2 zeigt, daß bei einem Saugdmck von etwa 0,80 kp das Ventil bei einer Überhitzung von etwa 0° öffnet, also in diesem Zustand beginnt, der Verdampferschlagen 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 Kompressors erleichtert und bewirkt, daß wirklich flüssiges Kältemittel den Kompressor erreicht und dann durch Entspannung im Kompressor zusätzliche Kühlung schafft. Außerdem stellt in diesem Fall die gccamte Saugleitung zwischen dem Verdampfer-Auslaßregelventil 40 und dem Kompressor 10 eine zusätzliche Schlange dar, wodurch eine künstliche zusätzliche Belastung des Systems erreicht ist. Die Tatsache, daß kälteres und auch vor allem flüssiges Kältemittel den Kompressor erreicht, schließt zusammen mit der künstlichen Belastung der Saugleitung im Grunde genommen die Möglichkeit der Beschädigung des Verdichters aus. Aus dem Diagramm der F i g. 2 ist weiterhin ersichtlich, daß Flüssigkeit durch das iherrnostatische Expansionsventil hindurchfließen kann, lange bevor der Kompressor den Druck in der Saugleitung auf etwa 0 kp/cm² reduziert. Die Erfahrung hat gezeigt, daß der Kompressor durch die Zufuhr beträchtlicher Mengen Flüssigkeit keinen Schaden erleidet, auch dann nicht, wenn die Menge so groß ist, daß sie in die zum Kondensor 12 führende Leitung überläuft

F i g. 2 erhellt einen weiteren Vorteil dieses Systems, in dem die Überhitzungseinstellung des kreuzgefüllten thermostatischen Expansionsventils mit höheren Drükken 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 der Kompressor und bessere Leistung während des Druckabbaus. Besonders vorteilhaft ist das System wenn es bei geringer Belastung und gleichzeitig hohei Kapazität oder unter hoher Belastung während des Druckabbaues arbeiten muß. Unter normalen Belastungsverhältnissen sind Überhitzung und Betrieh normal.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Thermostatisches Expansionsventil für ein Kühlsystem, mit einem von einem Kompressor über einen Kondensor, das thermostatische Expansions- S ventil, einen Verdampfer und eine Saugleitung zum Kompressoreinlaß zurückgeführten Kältemittelkreislauf, wobei zwischen dem Verdampferauslaß und der Saugleitung ein Regelventil angeordnet ist, welches ein Vereisen der Verdampferschlange durch Regulieren des Kältemittelabflusses aus der Schlange in Abhängigkeit von einer Regelbedingung verhindert, dadurch gekennzeichnet, daß das thermostatische Expansionsventil (16) in an sich bekannter Weise mit einer Kreuzfüllung versehen ist, die eine Überhitzungs-Charakteristik aufweist bei der die Überhitzung mit sinkendem Steuerdruck verringert wird, und daß das thermostatische Expansionsventil in Abhänigkeii von den in einer das Verdampferauslaß-Regelventil (40) mit dem Kornpressor (10) verbindenden Saugleitung (42) herrschenden Temperatur- und Druckverhältnissen gesteuert ist.

2. Expansionsventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es ein von einer Membrane (36) über einen Ventilbetätigungsstößel (30, 32) betätigbares Ventil (18, 24) aufweist und der Ventilbetätigungsstößel in einem Teil (32) seiner Längserstrekkung einen Hohlraum (66, 68) enthält, der mit einer auf einer Seite der Membrane (36) angeordneten, mit einem temperaturempfindlichen Steuermedium gefüllten Kammer (38) in Verbindung steht, und daß der Teil (32) des Ventilbetätigungsitößels in einem Abschnitt (46) der Saugleitung (42) angeordnet ist, der mit einer auf der anderen Seite der Membrane (36) angeordneten Kammer (52) verbunden ist, derart, daß die Temperatur des in der Saugieitung (42, 46) strömenden Kältemittels den Teil (32) des Ventilbetätigungsstößels und der Druck des Kältemittels die andere Seite der Membrane (36) beaufschlagt.