DE2627526C2 - Anlage zum Heizen oder Kühlen mit einem umschaltbaren Kältemittelkreislauf - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Anlage zum Heizen oder Kühlen mit einem umschaltbaren Kältemittelkreislauf gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine Anlage diener Gattung ist aus der DE-OS J4 29 009 bekannt. Bei dieser Anlage ist zusätzlich zu dem Drosselkanal des Kolbens der Gehäusekanal ebenfalls als Drossel ausgebildet. Bei Kühlbetrieb (bei •ffenem Ringkanal) bewirkt allein der Gehäusekanal die Drosselung, während bei Heizbetrieb (bei geschlossetem Ringkanal) der Drosselkanal des Kolbens und der Gehäusekanal, die dann in Reihe geschaltet sind, gemeinsam die Drosselung bewirken. Der Gehäusekanal wirkt somit in beiden Strömungsrichtungen bei der Drosselung mit. Aufgrund der Hintereinanderschaltung der beiden Kanäle im Heizbetrieb ergibt sich damit eine relativ große Gesamtlänge der Drossel. Dies kann insofern nachteilig sein, als hierdurch dem Strömungsdurchsatz und somit dem Betriebsbereich, in dem die Anlage arbeiten kann, eine vergleichsweise niedrige Grenze gesetzt wird. Zum anderen ist es auch schwierig, die Drosselstrecke für beide Strömungsrichtungen zu optimieren, da bei Anpassung der Drosselstrecke für die eine Strömungsnchtung auch die Drosselstrecke für die andere Strömungsrichtung beeinflußt wird.

Aus der US-PS 31 ⁷O 304 ist bereits eine Anlage zum Heizen oder Kühlen mit einem umschaltbaren Kältemittelkreislauf bekannt bei der diese Nachteile insofern vermieden sind, als dort für jede Strömungsrichlung ein getrenntes Expansionsventil vorgesehen ist Jedem dieser Expansionsventile muß jedoch eine eigene Bypaß-Leitung mit je einem Rückschlagventil zugeordnet werden, und es ist eine relativ komplizierte Steuerungseinrichtung für die beiden Expansionsventile erforderlich. Dies erhöht den Herstellungsaufwand und macht die Anlage entsprechend störanfällig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anlage zum Heizen oder Kühlen mit einem umschaltbaren Kältemittelkreislauf der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung so weiterzubilden, daß die Drosselung in den beiden Strömungsrichtungen durch verschiedene Bauteile erfolgt, ohne daß die Nachteile einer Steuereinrichtung und des damit verbundenen zusätzlichen konstruktiven Aufwands in Kauf genommen werden müssen.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung erfolgt die Drosselung in beiden Strömungsrichtungen allein durch den Drosselkanal des Kolbens des jeweiligen Expansionsventiles. Die Drosselstrecke kann daher für beide Strömungsrichtungen eine relativ kurze Länge haben. Die Anlage läßt sich somit über einen relativ breiten Betriebsbereich betreiben. Außerdem lassen sich die beiden Drosselkanäle für die beiden Strömungsrichtungen unabhängig voneinander optimieren. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die beiden Expansionsventile getrennt voneinander unmittelbar benachbart am Einlaß des zugehörigen Wärmetauschers angeordnet werden können, so daß die Fxpansion in beiden Strömungsrichtungen unmittelbar vor dem Einlaß zur Wärmetauscherschlange stattfindet. Schließlich zeichnet sich die erfindungsgemäPe Lösung durch konstruktive Einfachheit aus; ein zusätzlicher Steuerungsaufwand ist nicht erforderlich.

Anhand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Anlage zum Heizen oder Kühlen mit einem umschaltbaren Kältemittelkreislauf;

Fig. 2 eine Schnittansicht eines Expansionsventil tür die Anlage gemäß Y i g. I:

F i g. 3 einen Schnitt entlang der Linie 3-3 in F i g. 2.

Die in Fig. I gezeigte Anlage zum Heizen oder Kühlen mit einem umschaltbaren Kältemittelkreislauf besitzt zwei Wärmetauscher 11, 12 mit je einer Kältemittelschlange 13 bzw. 13'. Die Kältemittelschlangen 13, 13' der beiden Wärmetauscher 11, 12 sind miteinander durch eine Kaltemittelleitung 14 verbunden, die zwei Expansionsventile 15 und 16 enthält.

Ein Kompressor 17 ist über eine Auslaßleitung 18 und eine Einlaßleitung 19 mit einem Ventil 20 verbunden, das über Leitungen 22, 23 mit den Kältemittelschlangen 13' bzw. 13 der beiden Wärmetauscher verbunden ist. Durch das umschaltbare Ventil 20 läßt sich die Verbindung zwischen den Wärmetauschern und dem

Einlaß bzw. Auslaß <Λτγ Kompressors 17 umkehren. Bei Kühlbetrieb ist die Einlaßleitung 19 des Kompressors 17 mit dem Wärmetauscher 12 über die Leitung 22 und die Auslaßleitung 18 mit dem Wärmetauscher 11 über die Leitung 23 verbunden. Der Wärmetauscher 11 wirkt dann als Kondensator, während der Wärmetauscher 12 die Funktion eines Verdampfers übernimmt. Hierbei wird das vom Wärmetauscher 11 zum Wärmetauscher 12 strömende Kältemittel gedrosselt.

Bei Heizbetrieb, wenn die Anlage als Wärmepumpe arbeitet, wird Jas Ventil umgeschaltet, wodurch die Richtung der Kältemitteiströmung geändert und die Arbeitsweise der beiden Wärmetauscher durch Drosseln des Kältemittels in der entgegengesetzten Richtung umgekehrt wird. Die aus den beiden Expansionsventilen 15,16 bestehende Expansionseinrichtung ist in der Lage, auf den Richtungswechsel des Kältemittelstromes selbsttätig anzusprechen, um das Kältemittel jeweils in der erforderlichen Richtung zu drosseln. Die Expansionseinrichtung liefert hierbei den über einen extrem großen Betriebsbereich erforderlichen Kältemitteldurchsatz.

Wie bereits erwähnt, sind in der Kältemitteiieitunp 14 zwei Expansionsventile 15 und 16 angeordnet. Beide arbeiten prinzipiell in der gleichen Weise, wobei sie jedoch das Kältemittel in entgegengesetzter Richtung drosseln. Es genügt daher, wenn nur eines der beiden Expar.sionsventile im einzelnen beschrieben wird.

Wie aus F i g. 2 ersichtlich, besitzt das Expansionsventil 15 ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse 30, das w an jedem seiner Enden mit einem Außengewinde versehen ist. mit dem jeweils ein Anschlußteil 31 bzw. 32 (Fig. 1) der Kältemittelleitung 14 verschraubt ist. Ein axial ausgerichteter Gehäusekanal 35 erstreckt sich vom linksseitigen Ende des Expansionsventiles 15 in das is Gehäuse hinein. Der Durchmesser des Gehäusekanales 35 ist im wesentlichen gleich dem Innendurchmesser der Kältemittelleitung 14 und kann daher die Strömung ungedrosselt aufnehmen. Der Gehäusekanal 35 mündet in einen erweiterten Ringkanal 36. der vom entgegengesetzten Ende her in das Gehäuse eingebohrt oder in anderer We.ae hergestellt ist. Das offene Ende des Ringkanales 36 ist mit einem Einsatz 37 versehen, der eine abgeschrägte Innenöffnung 38 enthält, ciie sich auf den Innenquerschnitt der Kältemittclleitung 14 verengt. 4> Ein O-Ring sitzt in einer Ringnut am Außenumfang des Einsatzes 37 und dient zur Abdichtung des Einsatzes 37 gegenüber der Innenwand des Ringkanales 36.

Ein frei verschiebbarer Kolben 45 ist in dem Ringkanal 36 gleitend gelagert. Der Kolben 45 besitzt so einen zentral angeordneten Drosselkanal 46 und mehrere am Außenumfang gebildete, axial verlaufende und als Strömungskanäle dienende Nuten 47. Der Kolben 45 nat eine vorgegebene Länge und kann im eingebauten Zustand in axialer Richtung innerhalb des Ringkanales 36 frei gleiten. Der Kolben 45 ist mit zwei ebenen, parallelen Stirnflächen 48, 49 versehen. Die linksseitige Stirnfläche 48 kann sich gegen eine Ringschultcr 50 des Ringkanales 36 legen, und die rechtsseitige Stirnfläche 48 gegen eine Stirnfläche 52 am M) inneren Ende des Einsatzes 37.

Die Tiefe jeder Nut 47 innerhalb des Kolbens 45 ist kleiner als die ladiale Tiefe der Ringschulter 50, so daß die Nuten 47 geschlossen werden, wenn der Kolben 45 an der Ringschulter 50 anliegt, wie in F i g. 2 dargestellt. *'> Wenn dagegen der Kolben 45 am Einsatz 37 anliegt, ^r.ind die Nuten 47 zu dem konisch verlaufenden Innenkanal des Einsatzes 37 hin offen. Der gemeinsame Strömungsquerschnitt der Nuten ist im wesentlichen gleich oder geringfügig größer sls der Strömungsquerschnitt der Kältemittelleitung 14, so daß die Nuten einen StrcmungFmitteldurchsatz aufnehmen können, der zumindest genau so groß wie der der Kältemiltelleitung 14 ist

An jedem Ende des Kolbens 45 befindet sich ein kegelstumpfförmiger Ansatz. Der linksseitige Ansatz 55 (Fig.2) besitzt eine kreisförmige Grundfläche an der Stirnfläche 49, deren Durchmesser geringfügig kleiner als der Innendurchmesser des Gehäusekanals 35 ist. Der Ansatz, der zum Körper des Kolbens axial ausgerichtet ist, sitzt innerhalb des Gehäusekanals, wenn sich der Kolben in eine Endstellung (wie gezeigt) bewegt hat, wodurch der Kolben 45 innerhalb des Ringkanales 36 korrekt ausgerichtet ist und damit die Nuten 47 an der Ringschulter 50 geschlossen werden.

Der rechtsseitige Ansatz 56 besitzt eine kegelstumpfförmig verlaufende Außenfläche, die an die konisch verlaufende Öffnung 38 des Einsatzes 37 angepaßt ist. Wenn der Kolben in seine durch den Einsatz 37 begrenzte rechte Endstellung bewer. worden ist, ist der Ansatz 56 innerhalb der öffnung 3b a !geordnet und wirkt mit dieser so zusammen, daß ein Ringkanal geschaffen wird, der von einem größeren Durchmesser an den Nuten 47 zu einem kleineren Durchmesser am Einlaß ur Kältemittelleitung 14 schräg verläuft. Als Folge wird das durch die Nuten 47 strömende Kältemittel mit einem Minimum an Turbulenz in die Kältemittelleitung 14 geführt.

Im Betrieb drosselt das Expansionsventil 15 das Kältemittel, während es vom Wärmetauscher 12 in den Wärmetauscher 11 strömt. Unter dem Einfluß des strömenden Kältemittels wird der Kolben 45 in die in F i g. 2 gezeigte Stellung bewegt, wodurch die Nuten 47 an der Ringschulter 50 geschlossen werden, so daß das Kältemittel durch den Drosselkanal 46 strömen muß. Es erfolgt somit eine Drosselung des Kältemittels von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite hin.

Wenn der Kältemittelkreislauf umgekehrt wiid und das Kältemittel in der entgegengesetzten Richtung strömt, wird der Kolben 45 selbsttätig in eine zweite Entstellung bewegt, in der er an dem Einsatz 37 anliegt. Die Nuten 47. die nun zu der Öffnung 38 im Einsatz 37 hin offen sind, bilden nun einen Strörmingskanal geringsten Strömungswiderstandes und ermöglichen somit eine ungedrosselte Strömung am Drosselkanal 46 vorbei zum stromabwärtigen Bereich der Kältemittelleitung 14.

Wie in Fig. 1 zu sehen, sind zwei Expansionsventil in der Kältemittelleitung angeordnet. Die Expansionsventile 15, 16 arbeiten im Gegensinn. Wenn beispielsweise bei Heizbetrieb Kältemittel vom Wärmetauscher 12 zum Wärmetauscher 11 ?trömt. bewegt sich der Kolben 45 dr-, Expansionsventiles 15 selbsttätig unter dem Einfluß der Strömung in eine Schließstellung, um die Nuten 47 zu schliefen, wodurch das Kältt-rrittel vom Drosselkanal 46 zum Wärmetauscher 11 hin gedrosselt wird. Gleichzeitig wird der entgegengesetzt gelagerte Kolben des Expansionsventil 16 selbsttätig in eine Öffnungsstellung oewegt. so daß das Kältemittel ungedrosse!.. durch das Expansionsventil 16 strömen kann. Wenn die Anlagen auf Kühlbetrieb umgeschaltet und die Strömungsrichtung in der Kättemiilelleitung 14 umgekehrt wird, bewegen sich die Kolben der beiden Expansionsventil 15, 16 selbsttätig in die entgegengesetzten Endstellungen. wodurch Kältemittel zum Wärmetauscher 12 hin gedrosselt wird.

Der Drosselkanal 46 des Kolbens 45 stellt eine Fxpansionsvorrichtung festgelegter Geometrie dar. Die Lange des Drosselkanales 46 und somit die Länge des Kolbens 45 kann sehr kurz sein, etwa im Vergleich zu Kapillarröhren.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Anlage zum Heizen oder Kühlen mit einem umschaltbaren Kältemittelkreislauf, bestehend aus s einem Kompressor, zwei Wirmstauschern, deren jeweils eine Seite durch ein umschaltbares und dadurch die Kältemittelströmung umkehrendes Ventil wahlweise mit dem Einlaß oder Auslaß des Kompressors verbunden ist, einer Kältemittelleitung, weiche die jeweils anderen Seiten der beiden Wärmetauscher miteinander verbindet, und aus einer in beiden Strömungsrichtungen drosselnden Expansionseinrichtung mit einem in der Kältemittelleitung angeordneten Expansionsventil mit einem axialen Gehäusekanal und mit einem Kolben, der im Ventilgehäuse abhängig von der Strömungsrichtung des Kältemittels zwischen zwei Endstellungen verschiebbar ist und einen axialen Drosselkanal aufweist der beidseitig in den axialen Gehäusekanal x· mündet, ν * bei zwischen dem Umfang des Kolbens und der öenachbarten Gehäuseinnenwand ein gegenüber dem Drosselkanal erweiterter, nicht als Drossel wirkender Ringkanal ausgebildet ist, der in der einen Endstellung des Kolbens geschlossen und in der anderen offen ist, wodurch das Kältemittel bei geschlossenem Ringkanal insgesamt durch den Drosselkanal strömt, während es bei offenem Ringkanal im wesentlichen und ungedrosselt durch diesen strömt, dadurch gekennzeichnet, daß der axiale Gehäusekanal (35, 36) auf seiner gesamten I.Inge einen gegenüber dem Querschnitt des Drosselkanals (46) wesentlich erweiterten Querschnitt zum Vermeiden einer zusätzlichen Drosselwirkung aufwewt. und daß zur Drosselung bei offenem Ringkanal (36) ein. jm Expansionsventil (15) entgegengesetzt gerichtetes zweites Expansionsventil (16) gleicher Bauart in der Kältemittelleitung (14) angeordnet ist.

2. Anlage nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet. daß jedes der beiden Expansionsventile (15,16) dicht neben dem Einlaß des zugehörigen Wärmetauschers (11, 12). in den hinein die Expansion stattfinden soll, angeordnet ist.

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