DE2749240C3 - Regelvorrichtung für das Ventil einer Kälteanlage - Google Patents

Regelvorrichtung für das Ventil einer Kälteanlage

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DE2749240C3
DE2749240C3 DE2749240A DE2749240A DE2749240C3 DE 2749240 C3 DE2749240 C3 DE 2749240C3 DE 2749240 A DE2749240 A DE 2749240A DE 2749240 A DE2749240 A DE 2749240A DE 2749240 C3 DE2749240 C3 DE 2749240C3
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Regelvorrichtung für das Ventil einer Kälteanlage, das in Abhän-
I" gigkeit von einer mittels eines äußeren Temperaturfühlers festgestellten Temperatur geregelt und dessen Stellglied von einem Bezugsdruckgebe' beeinflußt wird.
Die bekannten Ventile von Kälteanlagen, bei- > spielsweise 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 dieer Regelschaltung lassen sich jedoch nur verhältnismäßig einfache Regelprobleme lösen. Beispielsweise ist es nicht möglich, die in einer Kältean-
-v> lage 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.
in 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 beheizbares Bimetall (US-PS 3 872685) oder
r, durch einen Stellmotor (US-PS 3577 743). Hierbei werden Rcgelschaltungen mit einer Brückenschaltung verwendet, die wenigstens ein als äußeren Temperaturfühler dienendes Fühlerelement, das ein mit der Temperatur kontinuierlich änderbares elektrisches
in Signal abgibt, einen Sollwert-Einstellwiderstand sowie einen von der Diagonalspannung gespeisten Verstärker aufweist. Es ist ferner bekannt, den Endverstärker nach Art eines Stromrcglers auszulegen, der in Reihe mit dem elektrisch betriebenen Geber liegt.
π 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 zu bewegenden Teile komplizierter als die seit vielen
in 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
Mt gefüllten Druckbehälter eine Heiz- oder Kühlvorrichtung und einen Rückmelde-Tcmperaturfühler aufweist,
b) durch eine erste Brückenschaltung mit einem als äußerer Temperaturfühler dienenden, ersten
in Fühlerelemcnt, das ein mit der Temperatur kontinuierlich änderbares elektrisches Signal abgibt. und einem Sollwert-Einstcllwiderstand sowie einen ersten, von deren Diagonalspanming gespci-
sten Verstärker,
c) durch eine zweite Briickenschaltung mit einem als Rückmelde-Temperaturfühler dienenden zweiten Fühlerelement, das ein mit der Temperatur kontinuierlich änderbares tiektrisches Signal abgibt, und einem Justiar-Einstellwiderstand sowie einem zweiten, vcy deren Diagonalspannung gespeisten Verstärker,
d) durch eine Summationsschaltung, in der die Ausgangssignale beider Verstärker gen lischt 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 Ventil 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 RückmeJderemperaturfühJer, die zweite Brückenschaltung, die Summationsschaltung und der dritte Verstärker mit Stromregler 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 Bezugsdruck auf einem bestimmten Wert konstant gehalten, der unter dem Einfluß der äußeren Regelsehleife geändert werden kann. In der ersten Brückenschaltung können die verschiedenartigsten äußeren Temperaturfühler angebracht werden, z. B. für einen Saugdruckreglrr 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 eingeführt werden, beispielsweise indem das Ausgangssignal einer weiteren Brückenschaltung zugemischt wird. Darüber hinaus kann durch Eingriffe an zahlreichen Stellen, insbesondere durch Verwendung von Einstellwiderständen, P-, I- und D-Gliedern eine optimale Anpassung der Regelschal'ung 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-Ausgangssignaie einen einstellbaren Eingangswiderstand aufweisen, die beide mit einem Eingang des dritten Verstärkers verbunden „ind. 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 Pl-Verhalten (Proportional- oder Proportional-lnteeral-Verhalten) versehen sein. Während in der kl« ' vü ;legelschleife ein verhältnismäßigrasches Ansprechen erwünscht ist, kann in der größeren Regelschleife das Trägheitsverhalten der Kälteanlage optimal berücksichtigt werden. Dies geschieht am besten in Verbindung mit dem ersten Verstärker.
Besonders pünsiiu ist es hierbei, wenn ein mittels eines Potentiometers wählbarer Teil der Ausgangsspannung des ersten Verstärkers über einen Kondensator an den Abgriff eines von der Eingangsspannung des Verstärkers gespeisten, einstellbaren Spannungs-' teilers gelegt ist. Bei dieser Schaltung kommt man auch bei verhältnismäßig großen Nachstellzeiten mit einem vergleichsweise kleinen Integrationskondensator aus. Die beiden Einstellwiderstände erlauben eine genaue Anpassung des P- und I-Verhaltens der Re-' gelschaltung 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 Leistungen ansistors gebildet. Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 die Anordnungeines als Verdampferdruckregler in einer Kälteanlage angeordneten Ventils, das mit einer Regelschaltung gemäß der Erfindung betätigt wird,
Fig. 2 das Schaltbild einer Ausführungsform der Regelschaltung, und
Fig. 3 ein Blockschaltbild der Regelschaltung.
Fig. ! zeigt ein Ventil 1. das in der Saugleitung 2 einer Kälteanlage angeordnet werden kann. Dit Kälteanlage weist einen Verdichter 3 mit einer Druckleitung 4, einen Verflüssiger 5, einen Sammler ό 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 Verschlußstück ' dienende Membrane 14 ist zwischen einem Flansch 15 am Gehäuse 10 und einem Flansch 16 einer Kapsel 17 befestigt, die oben durch einen schaienförmigen Deckel 18 abgeschlossen ist. Die Kapsel 17, der DeK-kel 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 dei Dampfphase vorliegt. Der Boden 24 des Balges 20 hat die Querschnittsgröße 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 ein Heizwiderstand 29 in der Form eines Wendeis aus, Widerstandsdraht und ein NTC-Temperaturfühler 30 angeordnet. Diese Teile sind mittels Stützdrähten 31 gehalten. Der Heizwiderstand 29 ist mit dem Stift 26 und der Masse 32 des Druckbehälters 21, der Temperaturfühler 30 mit den Stiften 25 und 27 verbunden. Durch vier Leitungen 33 34, 35 und 36 sind die genannten Stifte und Masse mit einer Reglercinheit 37 verbunden. Mit deren Hilfe kann im Druckbehälter 21 ein bestimmter Dampfdruck pt erzeugt werden, der auf die zweite Druckfläche FI wirkt und mit Hilfe • eines Drehknopfes 38 justiert werden kann. In c.-Hgegengesetzter Richtung drückt der Verdampferdruck P11 auf die erste Druckfläche F1, und - wesentlich weniger wirksam - der Saugdruek p% 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 ler Temperatur des gekühlten Mediums eingestellt werden kann. Auf diese Weise kann der Druck p, im Druckbehälter 21 derart geregelt werden, daß die Temperatur des gekühlten Mediums den eingestellten Sollwert beibehält.
Das Medium 23 ist so gewählt, daß 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 an das Kältemittel und die Umgebungsluft eine geringere 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. 2 veranschaulicht. Eine erste Brücke öl ist unter Verwendung von Vorschaltwiderständen Al und Rl zwischen die Klemmen V+ und V— für die positive und negative Spannung gelegt. Die Brücke weist in ihrem einen Zweig einen festen Widerstand R3, ein Potentiometer R4, das mittels des Knopfes 42 verstellbar ist, und einen temperaturabhängigen Widerstand RS, der im Fühler 40 angeordnet ist, auf. Der andere Zweig besteht aus zwei festen Widerständen /?6 und Rl, welche den geerdeten Bezugspunkt der Brücke Bl festlegen.
Die beiden Diagonalspannungen werden über je einen Widerstand R8 und R9 an die beiden Eingänge eines ersten Verstärkers Al gelegt. Der invertierende Eingang ist über einen Widerstand RIO, einen Einstellwiderstand RIl und einen festen Widerstand RIl mit dem geerdeten Bezugspunkt verbunden; diese Widerstände bilden daher einen von der Eingangsspannung gespeisten Spannungsteiler. Am Abgriff zwischen den Widerständen RIO und RIl ist eine Elektrode eines Kondensators Cl angeschlossen, dessen andere Elektrode am Abgriff eines Potentiometers R13 liegt. Dieses bildet zusammen mit einem festen Widerstand R14 einen von der Ausgangsspannung gespeisten Spannungsteiler.
Eine zweite Brücke Bl liegt unter Verwendung von Vorwiderständen RlS und Ä16 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 RIl, das mittels des Drehknopfes 38 justierbar ist, und einen festen Widerstand Rl%. Der andere Zweig besteht aus zwei Widerständen R19 und RIO, zwischen denen sich ein geerdeter Bezugspunkt ergibt. Die Diagonalpunkte sind über die Widerstände RIl und RIl mit den Eingängen eines zweiten Verstärkers Al verbunden, der mit einem Gegenkopplungswiderstand R23 versehen ist.
In einer Summationsschaltung 5, die zwei einstellbare Widerstände R14 und RlS aufweist, über die die Ausgangssignale der beiden Verstärker Al und Al einem dritten Verstärker A3 zugeführt werden, dessen anderer Eingang über einen Widerstand R16 an dem geerdeten Bezugspunkt liegt. Der Ausgang dieses Verstärkers ist über einen Widerstand RIl mil einem aus zwei Transistoren TrI und TrI in Darlington-Schaltung bestehenden Transistorverstärker verbunden. In Reihe mit der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors TrI liegt ein Heizwiderstand /?28, der dem Widerstand 29 entspricht. Das Emitterpotential wird über einen Widerstand R19 an den invertierenden Eingang des Verstärkers A3 rückgeführt.
Diese Schaltung ermöglicht eine proportionale Leistungsverstärkung der am nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers A3 addierten Spannungen aus den beiden Operationsverstärkern Al und Al. Mil Hilfe der veränderbaren Widerstände RIA und /?25 ist es möglich, die Einflüsse aus den beiden Brücken Bl und Bl mit unterschiedlichem Gewicht zu berücksichtigen. Mit Hilfe der Widerstände RW und RM läßt sich der Proportionalitätsfaktor und die Integrationskonstante beim Verstärker Al einstellen. Insgesamt läßt sich auf diese Weise eine Regelung erreichen, bei der der Integrationskondensator Cl keine sehr großen Werte annehmen muß.
Die Regelschaltung der Fig. 2 ergibt zwei Regelschleifen, die kaskadenartig zusammenwirken, nämlich eine kleine Regelschleife I und eine größere Regelschleife II (Fig. 3). Die kleinere Regelschleife umfaßt die Summationsschaltung 5, in der die Ausgangssignale der beiden Regelschleifen summierl werden, den Verstärker A3, in dem die Summe mil einer festen Spannung verglichen wird, die Heizvorrichtung 29 bzw. den Heizwiderstand RlS, die eine quadratische Überführungsfunktion 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 einei gewissen Verzögerung ändert, den Rückmeldetemperaturfühler 30 bzw. /?16, dessen Temperatur und damit dessen Ausgangssignal sich ebenfalls mit einer gewissen Zeitverzögerung ändert, die zweite Brückenschaltung Bl, in der das Temperatursignal mit derr Sollwert verglichen wird, den zweiten Verstärker Al und den Widerstand RlS der Summationsschaltung die beide lediglich eine proportionale Änderung hervorrufen. In die größere Regelschleife geht zwischer dem Ventil 1 und dem äußeren Fühler 40 bzw. Ri die aus der Kälteanlage und der von ihr gekühlter Luft bestehende Regelstrecke 43 ein, wobei eine Störgröße 44, z. B. unterschiedliche Eintrittstemperaturer der zu kühlenden Luft, Einfluß nimmt. Des weiterer gehören zur größeren Regelschleife die erste Brücke Bl, wo das Temperatursignal des Fühlers 40 mit derr am Potentiometer R4 eingestellten Sollwert verglichen wird, der Versiärker Al, der P- und I-Vcrhaiicr aufweist, der Widerstand R24 und dann die mit dei kleineren Schleife gemeinsamen Teile S, A3, 29, 21 und 23.
Es ist ersichtlich, daß die kleinere Regelschleife füi sich optimal abgeglichen werden kann, daß die großer Verzögerungszeiten in der Regelschleife II gut vor 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, wenr in der Brücke Bl noch weitere Fühlerwiderstände vorgesehen werden. Beispielsweise können bei einem Expansionsventil der Fühlerwiderstand RS am Ende
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der Überhitzungsstrecke und ein zweiter Fühlerwi- setzt wird oder wenn der Heizwiderstand 29 durch
derstand /?3 am Verdampfereintritt angeordnet wer- einen Leistungstransistor ersetzt wird. Auch wenn
den. Es ist ferner möglich, das Integrationsverhalten statt einer Heizvorrichtung eine Kühlvorrichtung ver-
temperaturabhängig zu steuern, beispielsweise wenn wendet wird, erfordert dies nur geringfügige Ände-
der Widerstand R14 temperaturabhängig gemacht 5 rungen an der gesamten Schaltung. Als Kühlvorrich-
wird. Auch andere Widerstände können einstellbar tung eignet sich beispielsweise ein Peltier-Element.
gemacht werden oder als Fühler wirken. Die Temperatur der Flüssigkeit 23 muß dann aller-
Es bedarf nur geringfügiger Modifikationen, wenn dings unterhalb derjenigen des Kältemittels oder der
als Temperaturfühler 30 ein Thermoelement einge- Umgebungsluft liegen.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:
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; Rl£) und einen Rückmelde-Temperaturfühler (30) aufweist,
b) eine erste Brückenschaltung (Bl) mit einem als äußerer Temperaturfühler (40) dienenden, ersten Fühlerelement (RS), das ein mit der Temperatur kontinuierlich änderbares elektrisches Signal abgibt, und einem SoIlwert-EinstelJwiderstand (R4) sowie einen ersten, von deren Diagonalspannung gespeisten Verstärker (Al),
c) eine zweite Brückenschaltung (Bl) mit einem als Rückmelde-Temperaturfühler dienenden zweiten Fühlerelement (/?16), das ein mit der Temperatur kontinuierlich änderbares elektrisches Signal abgibt, und einem Justier-Einstellwiderstand (RlI) sowie einem zweiten, von deren Diagonalspannung gespeisten Verstärker (Al),
d) eine Summationsschaltung (S), in der die Ausgangssignale beider Verstärker gemischt werden,
c) einen dritten, von der Summationsschaltung (S) gespeisten Verstärker (A3) mit nachgeschaltetem Stromregler (TrX, TrI), der mit der Heiz- oder Kühlvorrichtung in Reihe liegt.
2. Regelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Summatiorsschaltung (S) für jedes der Brückenverstärkcr-Ausgangssignale einen einstellbaren F.ingangswiderstand (R14, R2S) 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, /?13) für ein P-odcr Pl-Verhalten versehen ist.
4. Regelvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein mittels eines Potentiometers (R13) wählbarer Teil der Ausgangsspannung des ersten Verstärkers (Al) über einen Kondensator (Cl) an den Abgriff eines von der Eingangsspannung des Verstärkers gespeisten, einstellbaren Spannungsteilers (RIO, RIl, RIl) gelegt ist.
5. Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erste bzw. zweite Fühlelement (30, 40) durch einen NTC-Widerstand (RS, R6) gebildet ist.
6. Regelvorrichtung nach einem 'kr Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erste bzw. zweite Fühlerelemente (30, 40) durch ein Thermoelement gebildet ist.
7. Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Filterelement (30) durch die Basis-Emitter-Strecke eines als Heizvorrichtung dienenden Leistungstransistors gebildet ist.
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