DE2749240B2 - Regelvorrichtung für das Ventil einer Kälteanlage - Google Patents
Regelvorrichtung für das Ventil einer KälteanlageInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Regelvorrichtung für das Ventil einer Kälteanlage, das in Abhängigkeit
von einer mittels eines äußeren Temperaturfühlers festgestellten Temperatur geregelt und dessen
Stellglied von einem Bezugsdruckgeber beeinflußt wird.
Die bekannten Ventile von Kälteanlagen, beispielsweise thermische Expansionsventile, haben eine
sehr einfache Regelvorrichtung. Am Verdampferaustritt liegt ein Fühler an, der teilweise mit einer verdampfbaren
Flüssigkeit gefüllt ist. Infolgedessen wird ein temperaturabhängiger Dampfdruck erzeugt, der
im Ventil gegen die Kraft einer einstellbaren Feder und gegebenenfalls gegen den Verdampferdruck
wirkt. Mit diieer Regelschaltung lassen sich jedoch nur
verhältnismäßig einfache Regelprobleme lösen. Beispielsweise iist es nicht möglich, die in einer Kälteanlage
vorhandenen Verzögerungszeiten zu berücksichtigen oder die Regelung in Abhängigkeit von
mehreren Kenngrößen oder von außerhalb der Kälteanlage auftretenden Kenngrößen durchzuführen.
Auch eine Fernbedienung stößt auf Schwierigkeiten.
Es ist auch schon bekannt, das Stellglied des Ventils durch einen elektrisch betriebenen Geber zu beeinflussen,
sei es durch einen Elektromagneten (US-PS 3914952), durch ein von einem elektrischen Widerstand
behebbares Bimetall (US-PS 3 872685) oder durch einen Stellmotor (US-PS 3577743). Hierbei
werden Regelschaltungen mit einer Brückenschaltung verwendet, die wenigstens ein als äußeren Temperaturfühler
dienendes Fühlerelement, das ein mit der Temperatur kontinuierlich änderbares elektrisches
Signal abgibt, einen Sollvvert-Lfn;tellwiderstand sowie
einen von der Diagonalspannung gespeisten Verstärker aufweist. Es ist ferner bekannt, den Endverstärker
nach Art eines Stromreglers auszulegen, der in Reihe mil dem elektrisch betriebenen Geber liegt.
Aufgrund der elektrischen Regelschaltung ist beispielsweise eine Fernsteuerung möglich. Es läßt sich
eine Regelabhängigkeit von mehr als einer Temperatur erzielen. Die Geber sind jedoch aufgrund der τ\χ
bewegenden Te'le komplizierter als die seit vielen Jahrzehnten bewährten Geber, die allein in Abhängigkeit
vom Dampfdruck arbeiten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regelvorrichtung anzugeben, die es erlaubt, bei einem
von einem Bezugsdruckgeber beeinflußten Ventil in stärkerem Maße als bisher auf das Regelverhalten
Einfluß zu nehmen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst
a) durch einen Bezugsdruckgeber, der in einem teilweise mit einer verdampfbaren Flüssigkeit
gefüllten Druckbehälter eine Heiz- oder Kühlvorrichtung und einen Rückmelde-Temperaturfühler
aufweist,
b) durch eine erste Brückenschaltung mit einem als äußerer Temperaturfühler dienenden, ersten
Fühlerclement, das ein mit der Temperatur kontinuierlich änderbares elektrisches Signal abgibt,
und einem Sollwert-Einstellwiderstand sowie einen ersten, von deren Diagonalspannung gespei-
sten Verstärker,
c) durch eine zweite Brückenschaltung mit einem als Rückmelde-Temperaturfühler dienenden
zweiten Fühlerelement, das ein mit der Temperatur kontinuierlich änderbares elektrisches Signal
abgibt, und einem Justier-Einstellwiderstand sowie einem zweiten, von deren Diagonalspannung
gespeisten Verstärker,
d) durch eine Summationsschaltung, in der die Ausgsngssignale beider Verstärker gemischt
werden,
e) und durch einen dritten, hiervon gespeisten Verstärker mit nachgeschaltetem Stromregler, der
mit der Heiz- oder Kühlvorrichtung in Reihe liegt.
Bei dieser Regelschaltung wird das Vent:! mit Hilfe eines Bezugsdruckes eingestellt, der gleich dem
Dampfdruck der verdampfbaren Flüssigkeit ist und durch eine Temperaturregelung im Bezugsdruckgeber
genau kontrolliert wird. Hierbei bildet die Heiz- oder Kühlvorrichtung, der Rückme'detemperaturfühler,
die zweite Brückenschaltung, die Summationsschaltung und der dritte Verstärker mit Strumregler eine
kleine Regelschleife, während das Ventil, zumindest ein Teil der Kälteanlage, eventuell ein von der Kälteanlage
beeinflußter Teil der Regelstrecke, der äußere Temperaturfühler, die erste Brückenschaltung, die
Summationsschaltung und der dritte Verstärker mit Stromregler eine große Regelschleife bilden. Mit Hilfe
der kleinen Regelschleife wird der ßezugsdruck auf einem bestimmten Wert konstant gehalten, der unter
dem Einfluß der äußeren Regelschleife geändert werden kann. In der ersten Brückenschaltung können die
verschiedenartigsten äußeren Temperaturfühler angebracht werden, z. B. für einen Saugdruckregler ein
in dem gekühlten Medium angebrachter Fühler, für ein Expansionsventil ein an der Überhitzungsstrecke
anliegender Fühler. Es können auch mehrere Temperaturfühler vorgesehen werden, beispielsweise für ein
Expansionsventil ein erster Fühler am Verdampfereintritt und ein zweiter Fühler am Ende der Überhitzungsstrecke.
Weitere Einflußmöglichkeiten können über die Summationsschaltung eingerührt werden,
beispielsweise indem das Ausgangssignal einer weiteren Brückenschaltung zugemischt wird. Darüber hinaus
kann durch Eingriffe an zahlreichen Stellen, insbesondere durch Verwendung von Einstellwiderständen,
P-, 1- und D-Gliedern eine optimale Anpassung der Regelschaltung an die jeweilige Kälteanlage erfolgen,
sei es bezüglich der Nachstellzeiten, der Düsengröße des Ventils oder des verwendeten Kältemittels.
Die Summationsschaltung kann für jedes der Brükkenverstärker-Ausgangssignale
einen einsteilbaren Eingangswiderstand aufweisen, die beide mit einem
Eingang des dritten Verstärkers verbunden sind. Dies ergibt eine sehr einfache Stromsummenbildung, wobei
der jeweilige Einfluß des ersten und zweiten Verstärkers optimal einstellbar ist.
Des weiteren sollte der erste Verstärker mit Einstellmitteln
für ein P- oder PI-Verhalten (Proportional- oder Proportional-Integral-Verhalten) versehen
sein. Während in der kleinen Regelschleife ein verhältnismäßig rasches Ansprechen erwünscht ist, kann
in der größeren Regelschleife das Trägheitsverhalten der Kälteanlage optimal berücksichtigt werden. Dies
geschieht am besten in Verbindung mit dem erslen Verstärker.
Besonders günstig ist es hierbei, wenn ein mittels eines Potentiometers wählbarer Teil der Ausgangsspannung
des ersten Verstärkers über einen Kondensator an den Abgriff eines von der Eingangsspanr.ung
des Verstärkers gespeisten, einstellbaren Spannungsteilers gelegt ist. Bei dieser Schaltung kommt man
auch bei verhältnismäßig großen Nachstellzeiten mit einem vergleichsweise kleinen Integrationskondensptoraus.
Die beiden Einstellwiderstände erlauben eine genaue Anpassung des P- und !-Verhaltens der Regelschaltung
an die Kälteanlage.
Für das erste bzw. zweite Fühlerelement kommt insbesondere ein NTC-Widerstand in Betracht. Es
kann aber auch ein Thermoelement verwendet werden. Manchmal eignet sich hierfür auch ein Ni- oder
Pt-Fühler.
Mit besonderem Vorteil wird das zweite Fühlerelement durch die Basis-Emitter-Strecke eines als Heizvorrichtung
dienenden Leistungstransistors gebildet.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es zeigt
Fig. i die Anordnung eines ais ' erdampferdruckregler
in einer Kälteanlage angeordneten Ventils, das mit einer Regelschaltung gemäß der Erfindung betätigt
wird,
F;g. 2 das Schaltbild einer Ausführungsform der
Regelschaltung, und
Fig. 3 ein Blockschaltbild der Regelschaltung.
Fig. 1 zeigt ein Ventil 1, das in der Saugleitung 2 einer Kälteanlage angeordnet werJen kann. Die Kälteanlage
weist einen Verdichter 3 mit einer Druckleitung 4, einen Verflüssiger 5, einen Sammler 6 und einen
Verdampfer 7 auf. Ein Expansionsventil 8 wird von einem Fühler 9 in Abhängigkeit von der Sauggastemperatur
gesteuert.
Das Ventil 1 weist ein Gehäuse 10 mit einem ringförmigen Einlaßkanal 11 und einem zentrischen Auslaßkanal
12 auf, die durch einen Ventilsitz 13 voneinander getrennt sind. Eine auch als Verst'slußstück
ι dienende Membrane 14 ist zwischen einem Flansch 15 am Gehäuse 10 und einem Flansch 16 einer Kapsel
Ά 7 befestigt, die oben durch einen schalenförmigen
Deckel 18 abgeschlossen ist. Die Kapsel 17, der Dekkel
18, eine Ringscheibe 19 und ein Balg 20 bilden
■ einen Druckbehälter oder Bezugsdruckgeber 21. Dieser
ist' über ein Füllrohr 22 mit einem zweiphasigen
Medium 23 gefüllt, das im unteren Teil in der Flüssigkeitsphase und dem oberen Teil in der Dampfphase
vorliegt. Der Boden 24 des Balges 20 hat die Quer-
i schnittsgröße des Ventilsitzes 4 und liegt auf der
Membran 14 auf. Durch den Deckel 18 gehen drei Stifte 25, 26 und 27. Eine Glasisolation 28 dient
gleichzeitig als Dichtung. In der Flüssigkeitsphase ist ei!1 Heizwiderstand 29 in der Form eines Wendeis aus
■ Widerstandsdraht und ein NTC-Temperaturfühler 30
angeordnet. DLse Teile sind mittels Scr.tzdrähten 31
gehalten. Der Heizwiderstand 29 isi mit dem Stift 26 und der Masse 32 des Druckbehälters 21, der Temperaturfühler
30 mit den Stiften 25 und 27 verbunden.
ι Durch vier Leitungen 33 34, 35 und 36 sind die genannten Stifte und Masse mit einer Reglereinheit 37
verbunden. Mit deren Hilfe kann im Druckbehälter 21 ein bestimmter Dampfdruck pf erzeugt werden,
der auf die zweite Druckfläche Fl wirkt und mit Hilfe
i eines Drehknopfes 38 justiert werden kann. In entgegengesetzter
Richtung drückt der Verdampferdruck po auf die erste Druckfläche F0 und-wesentlich weniger
wirksam - der Saugdruck ps auf eine Fläche F1.
Hierbei stellt sich ein Gleichgewichtszustand ein.
In der Strömung 39 des vom Verdampfer 7 gekühlten Mediums liegt ein äußerer Temperaturfühler 40,
der über Signalleitungen 41 ein elektrisches Temperatursignal an die Reglereinheit 37 abgibt. Diese weist
einen weiteren Drehknopf 42 auf, mit dessen Hilfe der Sollwert der Temperatur des gekühlten Mediums
eingestellt werden kann. Auf diese Weise kann der Druck /;,im Druckbehälter 21 derart geregelt werden,
daß die Temperatur des gekühlten Mediums den eingestellten Sollwert beibehält.
Das Medium 23 ist so gewählt, dati es beim Gleichgewichtszustand
eine höhere Temperatur hat als das Kältemittel und als die Umgebungstemperatur. Wenn
der Verdampferdruck erhöht werden soll, wird durch stärkere Beheizung die Temperatur des Mediums 23
erhöht. Soll dagegen der Verdampferdruck gesenkt werden, kann das Medium 23 durch Wärmeabgabe
gCiiürigSrui ΐ CiPC gC
ringere Temperatur annehmen. Der Dampfdruck bleibt dann immer derselbe, gleichgültig wie weit das
Ventil öffnen muß, um den gewünschten Verdampferdruck aufrechtzuerhalten.
Eine in diesem Zusammenhang verwendbare Regelschaltung
ist in Fig. 1 veranschaulicht. Eine erste Brücke B\ ist unter Verwendung von Vorschaltwiderständen
R\ und Rl zwischen die Klemmen I' + und I- für die positive und negative Spannung gelegt.
Die Brücke weist in ihrem einen Zweig einen festen Widerstand Ri, ein Potentiometer R4. das mittels
des Knopfes 42 verstellbar ist, und einen temperaturabhängigen Widerstand R5. der im Fühler 40 angeordnet
ist. auf. Der andere Zweig besteht aus zwei festen Widerständen R6 und RT. welche den geerdeten
Bezugspunkt der Brücke B\ festlegen.
Die beiden Diagonalspannungen werden über je einen Widerstand RS und R9 an die beiden Eingänge
eines ersten Verstärkers A 1 gelegt. Der invertierende Hingang ist über einen Widerstand R\0. einen F.instellwiderstand
RW und einen festen Widerstand R\2 mit dem geerdeten Bezugspunkt verbunden; diese
Widerstände bilden daher einen von der Eingangsspannung gespeisten Spannungsteiler. Am Abgriff
zwischen den Widerständen Λ10 und RW ist eine Elektrode eines Kondensators Cl angeschlossen,
dessen andere Elektrode am Abgriff eines Potentiometers R\2i liegt. Dieses bildet zusammen mit einem
festen Widerstand /?14 einen von der Ausgangsspannung gespeisten Spannungsteiler.
Eine zweite Brücke Bl liegt unter Verwendung von
Vorwiderstär'den R\S und R16 zwischen den Spannungsquellen
V+ und V-. Sie weist in dem einen Zweig einen temperaturabhängigen Widerstand /?16
auf, der dem Fühlerwiderstand 30 entspricht, ferner ein Potentiometer RlT, das mittels des Drehknopfes
38 justierbar ist, und einen festen Widerstand RlS. Der andere Zweig besteht aus zwei Widerständen Ä19
und Λ20, zwischen denen sich ein geerdeter Bezugspunkt ergibt. Die Diagonalpunkte sind über die
Widerstände R21 und R22 mit den Eingängen eines
zweiten Verstärkers A2 verbunden, der mit einem Gegenkopplungswiderstand R2i versehen ist.
In einer Summationsschaltung S, die zwei einstellbare Widerstände R24 und Λ25 aufweist, über die
die Ausgangssignale der beiden Verstärker Al und Al einem dritten Verstärker /43 zugeführt werden,
dessen anderer Eingang über einen Widerstand /?26 an dem geerdeten Bezugspunkt liegt. Der Ausgang
dieses Verstärkers ist über einen Widerstand RIl mit
einem aus zwei Transistoren TrI und 7>2 in Darlington-Schaltung
bestehenden Transistorverstärker verbunden. In Reihe mit der Kollektor-Emitter-Strecke
des Transistors 7>2 liegt ein Heizwiderstand W28, der
dem Widerstand 29 entspricht. Das Emitterpotential wird über einen Widerstand R19 an den invertierenden
Eingang des Verstärkers Ai rückgeführt.
Diese Schaltung ermöglicht eine proportionale Leistungsverstärkung
der am nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers /13 addierten Spannungen aus
den beiden Operationsverstärkern AX und ,12. Mit Hilfe der veränderbaren Widerstände R24 und R2S
ist es möglich, die Einflüsse aus den beiden Brücken Hl und /42 mit unterschiedlichem Gewicht zu berücksichtigen.
Mit Hilfe der Widerstände RIl und R13
läßt sieh der Proportionalitätsfaktor und die Integrationskonstante
beim Verstärker Al einstellen Insgesamt iiiui sici'i suf diese Weise eine Regelung erreichen,
bei der der Integrationskondensator ("1 keine sehr großen Werte annehmen muß.
Die Regelschaltung der Fig. 2 ergibt zwei Rcgelschleifen,
die kaskadenartig zusammenwirken, nämlich eine kleine Regelschlcife I und eine größere RegcKchlcife
II (Fig. 3). Die kleinere Regelschleifc umfaßt die Summationsschaltung .V, in der die Ausgangssignale
der beiden Regelschleifen summiert we; Jen, den Verstärker Ai, in dem die Summe mit
einer festen Spannung verglichen wird, die Heizvorrichtung 29 bzw. den Heizwiderstand /?28. die eine
quadratische Oberführungsfjnktion hat, den Bezugsdruckgeber
21, in welchem von der zugeführten Wärmeleistung die an das Kältemittel und die Umgebung
abgeführte Wärmeleistung abgezogen wird, das zweiphasige Medium 23, dessen Temperatur sich mit einer
gewissen Verzögerung ändert, den Rückmeldetemperaturfühler 30 bzw. RIb, dessen Temperatur und damit
dessen Ausgangssignal sich ebenfalls mit einer gewissen Zeitverzögerung ändert, die zweite Brückenschaltung
B2, in der das Temperatursignal mit dem Sollwert verglichen wird, den zweiten Verstärker A2
und den Widerstand RlS der Summationsschaltung, die beide lediglich eine proportionale Änderung hervorrufen.
In die größere Regelschleife geht zwischen dem Ventil 1 und dem äußeren Fühler 40 bzw. RS
die aus der Kälteanlage und der von ihr gekühlten Luft bestehende Regelstrecke 43 ein, wobei eine Störgröße
44, z. B. unterschiedliche Eintrittstemperaturen der zu kühlenden Luft. Einfluß nimmt. Des weiteren
gehören zur größeren Regelschleife die erste Brücke ßl, wo das Temperatursignal des Fühlers 4v>
mit dem am Potentiometer A4 eingestellten Soliwert verglichen
wird, der Verstärker Al, der P- und I-Verhalten
aufweist, der Widerstand R24 und dann die mit der kleineren Schleife gemeinsamen Teile S, Ai, 29, 21
und 23.
Es ist ersichtlich, daß die kleinere Regelschleife für sich optimal abgeglichen werden kann, daß die großen
Verzögerungszeiten in der Regelschleife II gut von den P- und I-Einstellmöglichkeiten des Verstärkers
A1 berücksichtigt werden können und daß die Anpassung der Schleifen aneinander mit Hilfe der Einstellwiderstände
der Summationsschaltung möglich ist.
Weitere Einflußmöglichkeiten sind gegeben, wenn in der Brücke Bl noch weitere Fühlerwiderstände
vorgesehen werden. Beispielsweise können bei einem Expansionsventil der Fühlerwiderstand RS am Ende
der Uberhitzungsstrecke und ein zweiter lühlcrwidcrstand
R3 am Verdampfereintritt angeordnet werden.
Hs ist ferner möglich, das Integrationsverhalten temperaturabhängig zu steuern, beispielsweise wenn
der Widerstand R14 temperaturabhängig gemacht
wird. Auch andeie Widerstünde können einstellbar gemacht werden oder als Fühler wirken.
Ms bedarf nur geringfügiger Modifikationen, wenn
als Temperaturfühler 30 ein Thermoelement einge-
setzt wird oder wenn der Heizwiderstund 29 durch einen l.eisUingstransistor ersetzt wird. Auch wenn
statt einer Heizvorrichtung eine Kühlvorrichtung verwendet wird, erfordert dies nur geringfügige Änderungen
an der gesamten Schaltung. Als Kühlvorrichtung eignet sich beispielsweise ein Peltier-Element.
Die Temperatur der Flüssigkeit 23 muß dann allerdings unterhalb derjenigen des Kältemittels oder der
Umgebungsluft liegen.
2 MIaII /.en.
Claims (7)
1. Regelvorrichtung für das Ventil einer Kälteanlage,
das in Abhängigkeit von einer mittels eines äußeren Temperaturfühlers festgestellten Temperatur
geregelt und dessen Stellglied von einem Bezugsdruckgeber beeinflußt wird, gekennzeichnet
durch
a) einen Bezugsdruckgeber (21), der in einem teilweise mit einer verdampfbaren Flüssigkeit
(23) gefüllten Druckbehälter eine Heizoder Kühlvorrichtung (29; R28) und einen
Rückmelde-Temperaturfühler (30) aufweist,
b) eine erste Brückenschaltung (Bl) mit einem
als äußerer Temperaturfühler (40) dienenden, ersten Fühlerelement (ÄS), das ein mit
der Temperatur kontinuierlich änderbares elektrisches Signal abgibt, und einem SoIlwerr-Einstellwiderstand
(A4) sowie einen ersten, von deren üiagonalspannung gespeisten
Verstärker (Al),
c) eine zweite Brückenschaltung (Bl) mit einem als Rückmelde-Temperaturfühler dienenden
zweiten Fühlerelement (Ä16), das ein mit der Temperatur kontinuierlich änderbares
elektrisches Signal abgibt, und einem Justier-Einstellwiderstand (RVl) sowie
einem zweiten, von deren Diagonalspannung gespeisten Verstärker (Al),
d) eine öummationsschaltung (S), in der die AusgangssignaJe beic*-.r Verstärker gemischt
werden,
e) einen dritten, von der Tummationsschaltung
(S) gespeisten Verstärker (A3) mit nachgeschaltetem Stromregler (TrI, TrI), der mit
der Heiz- oder Kühlvorrichtung in Reihe liegt.
2. Regelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Summationsschaltung (S)
für jedes der Brückenverstärker-Ausgangssignale einen einstellbaren Eingangswiderstand (R14,
RlS) aufweist, die beide mit einem Eingang des dritten Verstärkers (A3) verbunden sind.
3. Regelvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Verstärker
(Al) mit Einstellmitteln (All, R13) für ein P-
oder PI-Verhalten versehen ist.
I. Regelvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein mittels eines Potentiometers
(R 13) wählbarer Teil der Ausgangsspannung des ersten Verstärkers (Al) über einen Kondensator
((.'I) an den Abgriffeines von der Eingangsspannung des Verstärkers gespeisten, einstellbaren
Spannungsteilers (RIO, RIi, RIl) gelegt
ist.
5. Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erste
bzw. zweite Fühlerelement (30. 40) durch einen NTC-Widerstand (RS, /?6) gebildet ist,
6. Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erste
bzw. zweite Fühlerelemente (30, 40) durch ein Thermoelement gebildet ist.
7. Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das
zweite Fühlerelement (30) durch die Basis-Emitter-Strecke eines als Heizvorrichtung dienenden
Leistungstransistors gebildet ist.
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