DE2749250A1

DE2749250A1 - Ventil fuer die fluessigkeitseinspritzung in einen kaeltemittelverdampfer

Info

Publication number: DE2749250A1
Application number: DE19772749250
Authority: DE
Inventors: Zbigniew Ryszard Dr Ing Huelle; Jakob Steen Jakobsen; Leif Nielsen
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1977-11-03
Filing date: 1977-11-03
Publication date: 1979-05-10
Also published as: CH637203A5; SE437424B; SE7811363L; AU525688B2; US4475686A; AU4128878A; DK150250B; DE2749250C3; CA1091940A; DK478278A; IT7869511A0; FR2408101A1; IT1160902B; DE2749250B2; GB2008799A; DK150250C; GB2008799B; JPS5813821B2; DD139640A5; JPS5474548A

Description

DR.-ING. ULRICH KNOBLAUCH PATENTANWALT ^β "ankfurt/main 1, den ο MQ\!. ffl?

KÜHHORNSHOFWEG 10 .

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DA 454

DANFOSS A/S, Nordborg (Dänemark)

Ventil für die Flüssigkeitseinspritzung in einen Kältemittelverdampfer

Die Erfindung bezieht sich auf ein Ventil für die Flüssigkeitseinspritzung in einen Kältemittelverdampfer, dessen Verschlußglied in Abhängigkeit von einem auf eine einen Druckbehälter abschließende, verlagerbare erste Druckfläche wirkenden, von einer Kenngröße des Verdampfers abhängigen, kontinuierlich änderbaren Dampfdruck eines Mediums und von einer in Gegenrichtung wirkenden Kraft einer Feder, gegebenenfalls auch dem auf eine zweite Druckfläche wirkenden Verdampferdruck, einen Gleichgewichtszustand einnimmt.

Es ist ein thermostatisches Expansionsventil bekannt, das einen -teilweise mit einer dampfbildenden Flüssigkeit gefüllten Fühler aufweist. Dieser ist am Ende der Überhitzungsstrecke am Verdampferaustritt angebracht. Infolgedessen stellt sich im Fühler ein der gemessenen Temperatur entsprechender Dampfdruck ein. Dieser Dampfdruck wirkt auch in dem Druckbehälter, der an dem am Verdampfereintritt angeordneten Ventil angebracht ist, und damit auf die erste Druckfläche, die als Membran oder Balgboden ausgebildet sein kann. Auf der anderen Seite wirkt eine einstellbare Feder und der Verdampferdruck.

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Bei einem solchen Expansionsventil wird die Größe der statischen Überhitzung, also diejenige Temperatu^^e£e?^zder das Ventil zu öffnen beginnt, mit Hilfe der Feder eingestellt. Eine Anpassung der Überhitzung kann aber nur an der Einbaustelle vorgenommen werden. Will man eine andere Öffnungskennlinie erhalten, also insbesondere eine Kennlinie mit anderer Neigung, so muß die Einspritzdüse mit dem Ventilsitz geändert werden, was entweder einen Austausch des gesamten Ventils oder wenigstens des Düseneinsatzes zur Folge hat.

Bekannt ist ferner ein thermostatischer Niveauregler für Kälteanlagen, bei dem ein in den Sammler eines Überfluteten Verdampfers eingesetzter Fühler einen Heizkörper aufweist, der eine dampfbildende Flüssigkeit beheizt. Wird der Fühler von flüssigem Kältemittel benetzt, wird in erheblichem Maße Wärme abgeführt. Infolgedessen stellen sich in Abhängigkeit von der Füllstandshöhe zwei unterschiedliche Dampfdrücke im Fühler und damit im Druckbehälter des thermostatischen Ventils ein. Hiermit ist jedoch nur eine Zweipunktregelung möglich.

Des weiteren ist ein thermohydraulisches Ventil für Heizungsanlagen o. dgl. bekannt, bei dem ein mit einem Ausdehnungsfluid gefüllter Ausdehnungsraum einseitig durch einen mit dem Ventilschaft verbundenen Kolben abgeschlossen ist. In das Fluid tauchen Heiz- und/oder Kühlelemente, die zum Beeinflussen der Temperatur und damit des Volumens des Ausdehnungsfluids über eine Steuereinheit von einem Raumthermostaten mit Energie versorgt werden. Die Temperatur des Ausdehnungsfluids wird durch einen Temperaturfühler gemessen und an die Steuereinheit zurUckgemeldet. Die Rückstellung des Ventils erfolgt mittels einer Feder.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ventil der eingangs beschriebenen Art anzugeben, das eine wesentlich freiere Anpassung an verschiedene Betriebsbedingungen gestattet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dem Druckbehälter zur Festlegung des Dampfdruckes eine Heizvorrichtung, die von einer Steuereinheit mit Strom versorgt ist, und zur Rückmeldung der für den Dampfdruck verantwortlichen Temperatur ein Temperaturfühler zugeordnet ist, daß das Medium so gewählt ist, daß seine Temperatur bei einem einen Gleichgewichtszustand hervorrufenden Dampfdruck höher liegt als die Temperatur des Kältemittels im Ventil und/oder der Umgebungsluft und daß das Steuergerät Mittel zur Änderung des Funktionszusammenhangs zwischen der einen Verdampfer-Kenngröße und dem Dampfdruck im Druckbehälter aufweist.

Während bei den bekannten, kontinuierlich verstellbaren thermostatischen Ventilen mit Flüssigkeits-Dampf-Füllung ein fester Funkti ons Zusammenhang zwischen dem Dampfdruck und der gemessenen Temperatur besteht, ist es mit der Steuereinheit als Zwischenglied möglich, einen für den jeweiligen Anwendungszweck besser geeigneten FunktionsZusammenhang zwischen der gemessenen Temperatur und dem Dampfdruck im Druckbehälter zu schaffen. Dies ergibt vielfältige Möglichkeiten, die Ventilkennlinie zu ändern, sei es ihre Neigung oder die statische Überhitzung. Es ist auch möglich, das Ventil in Abhängigkeit von mehr als der einen Verdampfer-Kenngröße zu steuern, wodurch sich völlig neuartige Regelmöglichkeiten ergeben, insbesondere solche, die zu einer optimalen Füllung des Verdampfers führen. Weitere Möglichkeiten liegen in der Änderung des Einflusses des Rückmelde-Temperaturfühlers im Druckbehälter, der Änderung der Breite des Proportionalbereichs des Regelkreises und dergleichen. Wesentlich ist hierbei, daß all diese Eingriffe fernbedient werden können und daß der Abstand zwischen dem Ventil und dem zugehörigen Fühler, der bisher durch die zulässige Länge des Kapillarrohres begrenzt war, völlig beliebig gewählt werden kann.

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Große Vorteile werden in der Herstellung dadurch erzielt, daß ein einziger Ventiltyp in Verbindung mit einer Steuereinheit sich für eine viel größere Anzahl von Verwendungszwecken als früher eignet, z. B. dadurch, daß ein und dieselbe Düsengröße für einen größeren Leistungsbereich oder ein und dasselbe Ventil für mehrere verschiedene Kältemittel verwendet werden kann. Auch läßt sich ein und derselbe Druckbehälter für verschiedene Ventile anwenden. Im Ganzen genommen erreicht man höhere Produktionszahlen und einen kleineren Lagerbestand.

Zweckmäßigerweise liegt die Temperatur des Mediums im Arbeitsbereich 25° bis 45° C, vorzugsweise 30° bis 40° C, höher als die des Kältemittels. Insbesondere sollte sie auch etwas über der Umgebungstemperatur liegen. Hiermit ergibt sich eine große Reaktionsgeschwindigkeit. Trotzdem ist die zügeführte Wärmemenge nicht größer als unbedingt notwendig. Die Reaktionsgeschwindigkeit kann noch dadurch erhöht werden, daß der Druckbehälter über eine metallische WärmeleltbrUcke mit dem Ventilgehäuse verbunden ist. Des weiteren kann der Druckbehälter außen mit Kühlrippen versehen sein.

Die Heizvorrichtung kann durch eine Spirale aus Widerstandsdraht gebildet sein. Dieser Draht hat eine verhältnismäßig große Oberfläche zur Wärmeabgabe. Statt dessen oder zusätzlich kann ein PTC-Widerstandskörper verwendet werden. Dieser hat den Vorteil, daß bei zu hoher Leistungszufuhr eine automatische Strombegrenzung erfolgt. Des weiteren kann auch ein Leistungstransistor verwendet werden, der das Medium durch seine Verlustleistung beheizt. Weitere Möglichkeiten bestehen darin, um den Druckbehälter eine Hochfrequenzspule anzuordnen und das Medium induktiv zu beheizen. Bei einem elektrisch leitenden Medium kann man als Heizvorrichtung auch zwei Elektroden verwenden, die mit einem veränderbaren Wechselstrom belastet werden.

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In ähnlicher Weise kann statt der Heizvorrichtung auch eine Kühlvorrichtung vorgesehen werden, z. B. ein Peltier-Element, dessen kalte Lötstelle im Druckbehälter angeordnet ist. Es muß dann dafür gesorgt werden, daß die Temperatur des Mediums im Druckbehälter tiefer liegt als die Temperatur des Kältemittels oder der Umgebungsluft. Auch in diesem Zusammenhang empfiehlt sich eine WärmeleitbrUcke zum Ventil und/oder Außenrippen am Druckbehälter.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist dafür gesorgt, daß das Medium eine Flüssigkeits- und eine Dampfphase aufweist, auch die FlUssigkeitsphase sich im Druckbehälter befindet und die Heiz- oder Kühlvorrichtung und der RUckmelde-Temperaturfühler vollständig in der Flüssigkeitsphase angeordnet sind. Die Temperatur an der Flüssigkeitsoberfläche ist dann diejenige Temperatur, die für den Dampfdruck verantwortlich ist, gleichgültig wie groß der Dampfraum ist. Durch Anordnung der Teile in der Flüssigkeit ist ein besserer Wärmeübergang gewährleistet.

Ferner kann man den Druckbehälter zu erheblich mehr als der Hälfte, insbesondere zu etwa 70 %, mit der Flüssigkeitsphase füllen. Auf diese Weise ist es möglich, das Ventil in beliebiger Position anzuordnen, wobei sich Heiz- oder Kühlvorrichtung und Temperaturfühler, wenn sie etwa in der Mitte angeordnet sind, immer innerhalb der Flüssigkeitsphase befinden. Günstig ist beispielsweise ein Druckbehälter mit einem Rauminhalt von ca. 20 - 25 cm . Er kann insbesondere annähernd Kugelform haben.

Das Medium kann auch ein festes Adsorbens und ein gasförmiges Adsorbat aufweisen. Bei einer solchen Adsorptionsfüllung wird das Gas in Abhängigkeit von der Temperatur aus dem Adsorbens ausgetrieben. Auch hierbei ist der Dampfdruck im wesentlichen nur von der Temperatur abhängig.

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Als Rückmelde-Temperaturfühler empfiehlt sich ein NTC-Widerstand oder ein Thermoelement. Hierdurch wird die Steuereinheit gegengekoppelt, so daß Störeinflüsse vom Kältemittel oder von der Umgebungsluft rasch berücksichtigt werden.

Mit besonderem Vorteil wird die Basis-Emitter-Strecke des Leistungstransistors als Rückmelde-Temperaturfühler verwendet, weil dann Heizvorrichtung und Temperaturfühler in einem Element kombiniert werden. Dies ergibt eine einfachere Montage, eine noch sicherere Temperaturmessung und außerdem auch eine Sicherung gegen eine zu große Leistungszufuhr .

Bei einem Ausführungsbeispiel weist der Druckbehälter eine mehrpolige Durchführung auf, wobei der Temperaturfühler mit dem ersten Pol und dem zweiten Pol und der Heizwiderstand mit dem dritten Pol und dem vierten Pol oder der Masse des Druckbehälters verbunden ist. Insbesondere kann die mehrpolige Durchführung Steckstifte aufweisen, die - durch einen Isolierstoff, wie Glas, isoliert - einen schalenförmigen Deckel des Druckbehälters durchsetzen. Dies ergibt eine einfache Montage, da alle Bauteile an diesen Steckstiften befestigt werden können und dann der Deckel mit der Wand des Druckbehälters verschweißt werden kann.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist an die Steuereinheit ein äußerer Temperaturfühler angeschlossen, der am Verdampferaustritt anliegt und ein sich mit ändernder Temperatur kontinuierlich änderndes elektrisches Signal abgibt. Dieses Signal kann in der Steuereinheit unmittelbar elektrisch verarbeitet werden.

Des weiteren kann die Steuereinheit einen Einstellwiderstand aufweisen, mit dem der Anfangspunkt der Öffnungskennlinie des Ventils verschiebbar ist. Des weiteren kann sie einen Einstellwiderstand aufweisen, mit dem die Neigung der öffnungs-

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kennlinie des Ventils veränderbar ist. Dies ergibt bereits zahlreiche Anpaßmöglichkeiten.

Mit besonderem Vorteil ist an die Steuereinheit ein zweiter äußerer Temperaturfühler angeschlossen, der am Verdampfereintritt anliegt. Wenn in der Steuereinheit die Temperaturdifferenz zwischen diesen beiden Fühlern ausgewertet wird, braucht auf der zweiten Druckfläche kein Verdampfungsdruck zu wirken; auf eine entsprechende Leitung, die diesen Verdampferdruck zuführt, kann daher verzichtet werden.

Des weiteren kann der erste äußere Temperaturfühler am Ende und ein weiterer äußerer Temperaturfühler, der ein Gegenkopplungssignal abgibt, am Anfang der Uberhitzungsstrecke am Verdampferaustritt angeordnet sein. Auf diese Weise wird etwaige Flüssigkeit am Verdampferaustritt früher festgestellt. Durch Gegenkopplung können etwaige Pendelungen gedämpft werden.

Außerdem kann an die Steuereinheit wenigstens ein in der Sauggasleitung am Verdampferaustritt angeordneter Flüssigkeits-Dampf-FUhler angeschlossen sein. Vorzugsweise geschieht dies dadurch, daß in einem Austrittsrohr hinter dem Verdampfer am Anfang der uberhitzungsstrecke ein erster und an deren Ende ein zweiter Flüssigkeits-Dampf-Fühler, der bei nassem Dampf ein anderes Signal als bei überhitztem Dampf abgibt, und dazwischen ein Temperaturfühler angeordnet ist.

Als äußerer Temperaturfühler können übliche Widerstand«fühler, z. B. Ni- oder Pt-FUhler, oder auch Thermoelemente verwendet werden. Für die Verwendung im Saugrohr eignen sich NTC-Wlderstände und kleine Ni-Fühler.

Bei überfluteten Verdampfern ist es zweckmäßig, wenn an die Steuereinheit ein Niveaufühler angeschlossen ist, der den Flüssigkeitsstand im Verdampfer mißt und ein sich mit änderndem Flüssigkeitsstand kontinuierlich änderndes elektrisches

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Signal abgibt. Auf diese Weise läßt sich die Öffnungsstellung des Ventils in Abhängigkeit vom Flüssigkeitsstand einstellen.

Des weiteren kann an die Steuereinheit ein Positionsfühler angeschlossen sein, der die Lage des Verschlußgliedes des Ventils feststellt und ein sich mit ändernder Lage kontinuierlich änderndes elektrisches Signal abgibt. Auf diese Weise erhält man eine Rückkopplung, welche die Regelung stabilisiert.

Niveaufühler und Positionsfühler können bezüglich des Signalgebers gleich aufgebaut sein. Beispielsweise kann ein Potentiometer verstellt werden oder eine Selbstinduktion o. dgl.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist dafür gesorgt, daß der Druckbehälter mit einem Oberteil des Ventilgehäuses eine Einheit bildet und lösbar mit einem einen auswechselbaren Ventilsitz-Einsatz versehenen Ventilgehäuse-Unterteil verbunden ist. Auf diese Weise läßt sich ein und derselbe Druckbehälter mit verschiedenen Ventilsitz- oder DUseneinsätzen oder mit verschiedenen Ventilgehäuse-Unterteilen kombinieren.

Es besteht auch die Möglichkeit, daß der Druckbehälter unterhalb der Membran ein Schraubgewinde zur Verbindung mit dem Ventilgehäuse aufweist. Auch auf diese Weise läßt sich ein und derselbe Druckbehälter in Verbindung mit verschiedenen Ventilen anwenden. All dies ergibt erhebliche Rationalisierungsvorteile.

Mit Vorteil dient das Ventil als Pilotventil für ein Hauptventil. Hierbei kann es auf dem Deckel des Hauptventils montiert sein, wobei Pilotkanäle im Gehäuse und im Deckel des Hauptventils vorgesehen sind.

Die Steuereinheit kann einen beliebigen Aufbau haben. Besonders empfehlenswert ist aber eine Steuereinheit mit den

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folgenden Bestandteilen:

a) eine erste Brückenschaltung mit einem äußeren Temperaturfühler-Widerstand und einem Potentiometer sowie einem ersten von deren Diagonalspannung über einen Einstellwiderstand gespeisten Verstärker,

b) eine zweite Brückenschaltung mit einem Rückmelde-Temperaturfühler-Widerstand und einem Justier-Potentiometer sowie einem zweiten, von deren Diagonalspannung gespeisten Verstärker,

c) einer zwei einstellbare Widerstände aufweisenden Summationsschaltung, in der die Ausgangssignale des ersten und zweiten Verstärkers summiert werden, und

d) einen dritten, hiervon gespeisten Verstärker mit nachgeschaltetem Stromregler, der mit der Heiz- oder Kühlvorrichtung in Reihe liegt.

Mit den genannten Einstellmöglichkeiten läßt sich eine Anpassung an die wichtigsten Regelprobleme erzielen. Ein Eingriff an weiteren Stellen, zur Berücksichtigung weiterer Gesichtspunkte, ist ebenfalls möglich.

Die Erfindung wird nachstehend anhand in der Zeichnung dargestellter Ausfuhrungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein thermostatisches Expansionsventil gemäß der Erfindung mit Steuereinheit und zugehörigen Fühlern für einen Zwangsdurchlauf verdampfer,

Fig. 2 eine abgewandelte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ventils,

Fig. 3 ein erfindungsgemäßes Ventil als Pilotventil für ein servogesteuertes Hauptventil eines Zwangsdurch-

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laufverdampfers,

Fig. 4 ein erfindungsgemäßes Ventil als Pilotventil für ein servogesteuertes Hauptventil eines überfluteten Verdampfers,

Fig. 5 Ventilkennlinien für den Betrieb eines Zwangsdurchlaufverdampfers und

Fig. 6 eine AusfUhrungsform einer Schaltung für die Steuereinheit.

Ein thermostatisches Expansionsventil 1 ist am Eintritt 2 eines Verdampfers 3 einer Kälteanlage angeordnet, dessen Austritt durch eine Überhitzungsstrecke 4 gebildet ist, die über eine Saugleitung 5 mit einem Verdichter 6 verbunden ist. Dieser führt über einen Kondensator 7 wieder zum Expansionsventil .

Dieses Ventil weist ein Gehäuse 8 mit einem Eintrittsraum 9 und einem Austrittsraum 10 auf, zwischen denen sich ein auch als Düse bezeichneter Ventilsitz 11 befindet. Das zugehörige Verschlußstuck 12 steht einerseits unter dem Einfluß einer Feder 13, die mit Hilfe eines Schraubstutzens 14 justierbar ist und stützt sich andererseits unter Zwischenschaltung einer Druckplatte 15 an einer Membran 16 ab, die vom Dampfdruck p~ in einem Druckbehälter 17 belastet ist. Der Raum 18 unterhalb der Membran ist mit einem Balgelement 19 versehen, das den Ventilschaft 20 derart abschließt, daß der· Kondensator druck keinen Einfluß auf die Ventilfunktion hat.

Der Druckbehälter 17 ist einstückig mit der Membran 16 und einem Flansch 21 mit Schraubgewinde 22 ausgebildet. Er kann daher vom Ventilgehäuse 8 abgeschraubt und auf ein anderes Ventilgehäuse aufgeschraubt werden. Der Druckbehälter 17 weist eine Kapsel 23 auf, die oben durch eine Schale 24

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abgeschlossen ist. Diese wird von drei Stiften 25, 26 und durchsetzt, welche mittels einer Glasisolierung 28 in Durchbrüchen der Schale gehalten sind, so daß sich eine elektrische Durchführung 29 ergibt. Im Druckbehälter 17 befindet sich ein zweiphasiges Medium 30 mit einer Flüssigkeitsphase 30a und einer Dampfphase 30b. In der Flüssigkeitsphase ist ein Heizwiderstand 31 in der Form eines Heizwendeis untergebracht, der von Drahtträgern 32 gehalten wird. Außerdem befindet sich in der Flüssigkeitsphase ein NTC-Widerstand 33, der als Rückmelde-Temperaturfühler dient. Dieser Fühler ist mit den Stiften 25 und 26 verbunden, der Heizwiderstand mit dem Stift 27 und der Masse des Druckbehälters 17.

Masse und Stifte sind über vier Leitungen 34 mit einer Steuereinheit 35 verbunden, die einen Drehknopf 36 zur Sollwerteinstellung aufweist. Des weiteren sind an die Steuereinheit drei äußere Temperaturfühler angeschlossen. Ein Fühler 37 liegt am Ende, ein weiterer Fühler 38 am Anfang der Uberhitzungsstrecke h. Noch ein anderer Fühler 39 ist am Eintritt des Verdampfers vorgesehen. Hiermit läßt sich folgende Betriebsweise erreichen: Die Differenz der von den Fühlern und 39 gemessenen Temperaturen ist ein genaues Maß für die Überhitzungstemperatur. Mit Hilfe der Steuereinheit 35 wLrd die Temperatur der Füllung 30 durch Beheizen des Heizwiderstandes 31 und damit der Dampfdruck p_f auf einem solchen Wert gehalten, daß das Expansionsventil 1 eine Öffnungsstellung einnimmt, bei der die gewünschte überhitzungstemperatur annähernd konstant gehalten wird. Mit Hilfe des Fühlers 38 wird erreicht, daß bei einem plötzlichen Kältebedarf und einem entsprechenden Öffnen des Ventils 1 der Schließvorgang bereits beginnt, wenn dieser Fühler 30 abgekühlt wird, weil am Beginn der Überhitzungsstrecke h vom Kältemitteldampf noch flüssige Kältemitteltröpfchen mitgeführt werden. Zur Anpassung an unterschiedliche Ventilgrößen, unterschiedliche Einbauorte und unterschiedliche Kältemittel können verschiedene Einstellungen an der Steuer-

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einheit 35 vorgenommen werden, auf die in Verbindung mit den Fig. 5 und 6 hingewiesen wird. Besonders wichtig ist in diesem Zusammenhang, daß es unnötig ist, die Membran 16 von unten durch den Verdampferdruck zu belasten, weil der Fühler 39 einen ähnlichen Einfluß nimmt.

In Fig. 2 ist eine abgewandelte AusfUhrungsform dargestellt, bei der für entsprechende Teile dieselben Bezugseeichen wie in Fig. 1 verwendet werden. Das thermostatische Expansionsventil 40 weist ein Gehäuse-Unterteil 41 auf, in welches ein den Ventilsitz 42 tragender DUseneinsatz 43 eingesetzt und mittels eines GehäuseOberteils 44 festgehalten ist. An diesem Gehäuseoberteil ist mittels eines Flansches 45 der Druckbehälter 17 einstückig verbunden. Ein solches Oberteil kann demnach für verschiedene DUseneinsätze 43 und verschiedene Gehäuseunterteile 41 verwendet werden. Das VerschlußstUck 46 weist einen Schaft 47 auf, der unter dem Einfluß einer Feder 48 steht und unter Zwischenschaltung eines Druckschuhs 49 an der Membran 16 anliegt. Diese steht von oben unter dem Dampfdruck p- im Behälter 17 und unten unter dem Druck ρ im Raum 50, der über einen Anschlußstutzen 44a mit dem Verdampfer verbunden ist.

Der Verdampferaustritt wird durch ein Rohr 51 gebildet, in welchem drei Fühler 52, 53 und 54 angeordnet sind, die über eine Leitungsverbindung 55 mit der Steuereinheit 35 verbunden sind. Die Fühler 52 und 54 stellen mit reinem Zweipunktverhalten fest, ob das Kältemittel überhitzt oder naß ist. Der Fühler 53 stellt die Temperatur des Kältemittels fest. Aus den Meßergebnissen und den Einstellungen in der Steuereinheit 35 läßt sich für jeden Betriebszustand ein Dampfdruck p_f erzeugen, der eine optimale Füllung des Verdampfers 3 zur Folge hat.

Bei dieser AusfUhrungsform ist in der Flüssigkeitsphase 30a ein Leistungstransistor 56 angeordnet, der so mit Strom

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beschickt wird, dai3 seine Verlustleistung die Beheizung der Füllung 30 besorgt. Gleichzeitig dient der Spannungsabfall an der Basis-Emitter-Strecke dieses Transistors als Temperaturfühler, da sich dieser Spannungsabfall z. B. bei einem Siliziumtransistor mit 0,02 V/°C ändert.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 wird ein servogesteuertes Hauptventil 57 von einem erfindungsgemäß ausgebildeten Pilotventil 58 gesteuert, wobei diese Anordnung beispielsweise an Stelle des Ventils 1 in Fig. 1 in eine Kälteanlage eingeschaltet werden kann. Der Druckbehälter 17 bildet eine Einheit mit dem Gehäuseoberteil 59 des Pilotventils 58. Zwischen dieses Oberteil und ein Gehäuseunterteil 60 ist ein Düseneinsatz 61 geschaltet, der einen Ventilsitz 62 für das Verschlußstück 63 trägt. Der zugehörige Ventilschaft 64 steht unter der Belastung einer Feder 65, wird oben von einem Balg 66 umschlossen und liegt unter Zwischenschaltung des Druckschuhs 46 an der Membran 16 an. Ein Anschlußstutzen 67 verbindet den Ausgang des Pilotventils mit dem Verdampfer.

Das Hauptventil 57 weist ein Gehäuse 68 auf, das oben durch das Gehäuse-Unterteil 60 des Pilotventils 58 abgedeckt ist und einen DUseneinsatz 69 mit Ventilsitz 70 für ein Verschlußglied 71 aufweist. Dieses ist mit einem Kolben 72 ver bunden, der unter dem Einfluß einer Feder 73 und des Druckunterschiedes zwischen den Räumen 74 und 75 steht. Der Raum 75 steht über eine Drossel 76 mit dem Eintrittsraum 9 und über eine weitere Drossel 77 mit dem Raum 74 in Verbindung. Dieser bildet gleichzeitig den Eintrittsraum für das Pilotventil. Zwischen die Feder 73 und das Verschlußglied 63 ist eine Stützplatte 78 gelegt.

Wenn durch einen vorgegebenen Dampfdruck p_f im Druckbehälter 17 dem Verschlußglied 63 eine bestimmte Stellung gegeben ist, strömt Kältemittel über die Drosselstellen 76, 77 und den Ventilsitz 62 des Pilotventils 58 in den Verdampfer.

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Die Menge des Kältemittels und damit der Druckabfall an der Drossel 77 hängt von der öffnungsstellung des Pilotventils ab. Der Kolben 72 nimmt eine Gleichgewichtsstellung ein, in der dieser Druckabfall multipliziert mit der Kolbenfläche der Kraft der Feder 73 entspricht. Infolgedessen wird das Hauptventil 57 dem Pilotventil 58 nachgeführt.

Der Druckbehälter 17 ist außen mit Kühlrippen 17a versehen. Zum Zweck der Abkühlung kann daher nicht nur Wärme über die Wärmeleitbrücke an das Pilotventil 58, sondern auch an die Umgebungsluft abgeführt werden.

Bei der AusfUhrungsform nach Fig. 4 ist ein servogesteuertes Hauptventil 79 mit einem Pilotventil 80 zur Speisung eines überfluteten Verdampfers 81 vorgesehen. Sowohl der Flüssigkeitsraum 82 als auch der Dampfraum 83 sind über je eine Leitung mit einem Niveaufühler 84 verbunden, der einen Schwimmer 85 mit einem Anker 86 aufweist. Dieser greift in einen Signalgeber 87 in der Form einer Magnetspule, die über eine Leitung 88 mit der Steuereinheit 35 verbunden ist. Ein ähnlicher Signalgeber 89 wird von einem mit dem VerschlußstUck 90 des Hauptventils 79 verbundenen Anker 91 betätigt. Er dient als Positionsgeber 92 und ist über eine Leitung 93 mit der Steuereinheit 35 verbunden. Im übrigen ist das Hauptventil 79 recht ähnlich aufgebaut wie das Hauptventil 57. Es gibt demnach ein Gehäuse 94, einen DUseneinsatz 95 mit Ventilsitz 96, einen Kolben 97, eine Feder 98 und zwei Drosselstellen 99 und 100. Der Raum 101 oberhalb des Kolbens ist gleichzeitig der Eintrittsraum des Pilotventils 80. Er wird durch einen Deckel 102 abgeschlossen, in welchem ein Pilotkanal 103 vorgesehen ist, der über einen Pilotkanal 104 im Ventilgehäuse 94 mit dem Ausgangsraum 10 verbunden ist.

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Im Gehäuse 105 des Pilotventils, das in den Deckel 102 einschraubbar ist, befinden sich exzentrische Kanäle und ein zentrischer Kanal 107, der vom Ventilschaft durchsetzt wird. Das Verschlußstuck 108 wirkt mit einem Ventilsitz 109 zusammen. Eine Feder 110 belastet den Ventilschaft.

Auch bei dieser Anordnung folgt das Hauptventil Änderungen des Pilotventils. Dieses verstellt sich in Abhängigkeit vom Dampfdruck p- im Behälter 17, vom Verdampferdruck ρ unterhalb der Membran 16 und von der Feder 110. Insgesamt ergeben sich mehrere Rückkopplungen im Sinne einer Kaskadenregelung. Zunächst bildet die Feder 98 eine Rückkopplungsfeder zwischen dem Kolben 97 des Hauptventils 79 und dem Verschlußglied 108 des Pilotventils 80. Des weiteren gibt der Positionsfühler 92 ein Lagesignal und der Niveaufühler 84 ein Füllstandssignal an die Steuereinheit 35. Schließlich ist eine dritte Rückkopplung mit Hilfe des Temperaturfühlers 33 gegeben, die solche Störungen kompensiert, die von der Umgebungstemperatur oder geänderten Abkühlungsverhältnissen aufgrund des durch das Ventil fließenden Kältemittels verursacht sind.

Geht man bei der Ausführungsform der Fig. 1 von der vereinfachenden Annahme aus, daß lediglich die Fühler 37 und 39 vorhanden sind, dann kann man Ventilkennlinien auftragen, in denen die Durchflußmenge Q über der Überhitzungstemperatur Δι aufgetragen ist. Für eine bestimmte Einstellung ergibt sich eine Kennlinie A mit einer vorgegebenen statischen Überhitzung a. Durch eine Einstellung an der Steuereinheit 35 läßt sich diese statische Überhitzung verkleinern (b) oder vergrößern (c), wodurch sich parallel verschobene Kennlinien B bzw. C ergeben.

Darüber hinaus läßt sich mittels der Steuereinheit 35 auch die Neigung der Kennlinien verändern, so daß sich die Kennlinien D und E einstellen lassen. Selbstverständlich kann auch gleichzeitig die statische Überhitzung und die Neigung der Kennlinie geändert werden.

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Ein Schaltungsbeispiel für die Steuereinheit der Fig. 1 ist in Fig. 6 veranschaulicht. Eine erste Brücke B1 ist unter Verwendung von Vorschaltwiderständen R1 und R2 zwischen die Klemmen V+ und V- für die positive und negative Spannung gelegt. Die Brücke weist in ihrem einen Zweig einen temperaturabhängigen Widerstand R3_f der dem Fühler 39 entspricht, ein Potentiometer R4, das zur Einstellung der statischen Überhitzung dient, und einen temperaturabhängigen Widerstand R5, der dem Fühler 37 entspricht, auf. Der andere Zweig besteht aus zwei festen Widerständen R6 und R7, welche den geerdeten Bezugspunkt der Brücke B1 festlegt. Die beiden Diagonalspannungen werden über je einen Widerstand R8 und R9 an die beiden Eingänge eines ersten Verstärkers A1 gelegt. Der Widerstand R8 ist einstellbar, um auf diese Weise den Verstärkungsfaktor zu ändern und damit die Neigung der Kennlinie zu ändern. Der invertierende Eingang ist über einen Widerstand R1O, einen Einstellwiderstand R11 und einen festen Widerstand R12 mit dem geerdeten Bezugspunkt verbunden. Zwischen den Widerständen R1O und R11 zweigt die Reihenschaltung eines Kondensators C1, eines Einstellwiderstandes R13 und eines festen Widerstandes R14 ebenfalls zum geerdeten Bezugspunkt ab.

Eine zweite Brücke B2 liegt unter Verwendung von Vorwiderständen R15 und R16 zwischen den Spannungsquellen V+ und V-. Sie weist in dem einen Zweig einen temperaturabhänglgen Widerstand R16 auf, der dem FUhlerwiderstand 30 entspricht, ferner ein PotentiometerRi7, mit dem eine Justierung möglich ist, und einen festen Widerstand R18. Der andere Zweig besteht aus zwei Widerständen R19 und R20, 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 R23 versehen ist.

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In einer Summationsschaltung S, die zwei einstellbare Widerstände R24 und R25 aufweist, über die die Ausgangssignale der beiden Verstärker A1 und A2 einem dritten Verstärker A3 zugeführt werden, dessen anderer Eingang über einen Widerstand R26 an dem geerdeten Bezugspunkt liegt. Der Ausgang dieses Verstärkers ist über einen Widerstand R27 mit einem aus zwei Transistoren Tr1 und Tr2 in Darlington-Schaltung bestehenden Transistorverstärker verbunden. In Reihe mit der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors Tr2 liegt ein Heizwiderstand R28, der dem Widerstand entspricht. Das Emitterpotential wird über einen Widerstand R29 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 A1 und A2. Mit Hilfe der veränderbaren Widerstände R24 und R25 ist es möglich, die Einflüsse aus den beiden Brücken B1 und B2 mit unterschiedlichem Gewicht zu berücksichtigen. Mit Hilfe der Widerstände R11 und R13 läßt sich der Proportionalitätsfaktor und die Integrationskonstante beim Verstärker A1 einstellen. Insgesamt läßt sich auf diese Weise eine Regelung erreichen, bei der der Integrationskondensator C1 keine sehr großen Werte annehmen muß.

Der Drehknopf 36 kann dem Potentiometer R4 zugeordnet werden. Für den Einstellwiderstand R8 kann ein zweiter Drehknopf vorgesehen werden. Auch fr die Änderung der Reglerkonstanten mit den Widerständen R11 und R13 können entsprechende Stellknöpfe vorgesehen werden, es besteht aber auch die Möglichkeit, diese Verstellung automatisch im Sinne einer adaptiven Regelung vorzunehmen. Es bedarf nur geringfügiger Modifikationen, wenn als Temperaturfühler 33 ein Thermoelement eingesetzt wird oder wenn der Heizwiderstand 32 durch einen Leistungstransistor 56 ersetzt wird. Auch wenn statt einer Heizvorrichtung eine Kühlvorrichtung verwendet wird, erfordert dies nur geringfügige Änderungen an der gesamten Schaltung. Das gleiche gilt, wenn zur Beeinflussung des Regelverhaltens

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weitere Fühler vorhanden sind, diese können gleichsinnig mit den Widerständen R11 und R13 wirken.

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Claims

Patentansprüche

1.; Ventil für die Flüssigkeitseinspritzung in einen Kältemittel- ^^ verdampfer, dessen Verschlußglied in Abhängigkeit von einem auf eine einen Druckbehälter abschließende, verlagerbare erste Druckfläche wirkenden, von einer Kenngröße des Verdampfers abhängigen, kontinuierlich änderbaren Dampfdruck eines Mediums und von einer in Gegenrichtung wirkenden Kraft einer Feder, gegebenenfalls auch dem auf eine zweite Druckfläche wirkenden Verdampferdruck, einen Gleichgewichtszustand einnimmt, dadurch gekennzeichnet, daß dem Druckbehälter (17) zur Festlegung des Dampfdruckes eine Heizvorrichtung (31, 56), die von einer Steuereinheit (35) mit Strom versorgt ist, und zur Rückmeldung der für den Dampfdruck (p_f) verantwortlichen Temperatur ein Temperaturfühler (33, 56) zugeordnet ist, daß das Medium (30) so gewählt ist, daß seine Temperatur bei einem einen Gleichgewichtszustand hervorrufenden Dampfdruck höher liegt als die Temperatur des Kältemittels im Ventil und/oder der Umgebungsluft und daß das Steuergerät Mittel (R5, R8) zur Änderung des Funktionszusammenhangs zwischen der einen Verdampfer-Kenngröße und dem Dampfdruck im Druckbehälter aufweist.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Mediums (30) im Arbeitsbereich 25° bis 45⁰C, vorzugsweise 30° bis 40°C, höher liegt als die Temperatur des Kältemittels.

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3. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Mediums (30) im Arbeitsbereich etwas über der Umgebungstemperatur liegt.

4. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung durch einen Wendel (31) aus Widerstandsdraht gebildet ist.

5. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung durch einen PTC-Widerstandskörp^r gebildet ist.

6. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung durch einen Leistungstransistors (56) gebildet ist.

7. Ventil für die Flüssigkeitseinspritzung in einen Kältemittelverdampfer, dessen Verschlußglied in Abhängigkeit von einem auf eine einen Druckbehälter abschließende, verlagerbare erste Druckfläche wirkenden, von einer Kenngröße des Verdampfers abhängigen, kontinuierlich änderbaren Dampfdruck eines Mediums und von einer in Gegenrichtung wirkenden Kraft einer Feder, gegebenenfalls auch dem auf eine zweite Druckfläche wirkenden Verdampferdrucfc einen Gleichgewichtszustand einnimmt, dadurch gekennzeichnet, daß dem Druckbehälter (17) zur Festlegung des Dampf drucks (p_f) eine Kühlvorrichtung, die von einer Steuereinheit (35) mit Strom versorgt ist, und zur Rückmeldung der für den Dampfdruck verantwortlichen Temperatur ein Temperaturfühler (33) zugeordnet ist, daß das Medium (30) so gewählt ist, daß seine Temperatur bei einem einen Gleichgewichtszustand hervorrufenden Dampfdruck tiefer liegt als die Temperatur des Kältemittels im Ventil und/oder der Umgebungsluft und daß das Steuergerät Mittel (R5, R8) zur Änderung des FunktionsZusammenhangs zwischen der einen Verdampfer-Kenngröße und dem Dampfdruck im Druckbehälter aufweist.

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8. Ventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung durch ein Peltierelement gebildet ist.

9. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium (30) eine Flüssigkeits- und eine Dampfphase (30a, 30b) aufweist, auch die Flüssigkeitsphase sich im Druckbehälter (17) befindet und die Heizoder Kühlvorrichtung (31» 56) und der Rückmelde-Temperaturfühler (33t 56) vollständig in der Flüssigkeitsphase angeordnet sind.

10. Ventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckbehälter (17) zu erheblich mehr als der Hälfte, insbesondere zu etwa 70 %, mit der Flüssigkeitsphase (30a) gefüllt ist.

11. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium ein festes Adsorbens und ein gasförmiges Adsorbat aufweist.

12. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückmelde-Temperaturfühler (33) ein NTC-Widerstand ist.

13. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückmelde-Temperaturfühler (33) ein Thermoelement ist.

14. Ventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückmelde-Temperaturfühler durch die Basis-Emitter-Strecke des Leistungstransistors (56) gebildet ist.

15. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckbehälter (17) über eine metallische Wärmeleitbrücke mit dem Ventilgehäuse (8, 44, 59, 105) verbunden ist.

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16. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckbehälter (17) außen mit Kühlrippen (17a) versehen ist.

17. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckbehälter (17) eine mehrpolige Durchführung (29) aufweist, wobei der Temperaturfühler (33) mit dem ersten Pol und dem zweiten Pol und der Heizwiderstand (31) mit dem dritten Pol und dem vierten Pol oder der Masse des Druckbehälters verbunden ist.

18. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die mehrpolige Durchführung (29) Steckstifte (25, 26, 27) aufweist, die - durch einen Isolierstoff (28), wie Glas, isoliert - einen schalenförmigen Deckel/aes Druckbehälters (17) durchsetzen.

19. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß an die Steuereinheit (35) ein äußerer Temperaturfühler (37) angeschlossen ist, der am Verdampferaustritt (4) anliegt und ein sich mit ändernder Temperatur kontinuierlich änderndes elektrisches Signal abgibt.

20. Ventil nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (35) einen Einstellwiderstand (R4) aufweist, mit dem der Anfangspunkt der Öffnungskennlinie (A, B, C) des Ventils verschiebbar ist.

21. Ventil nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (35) einen Einstellwiderstand (R8) aufweist, mit dem die Neigung der Öffnungskennlinie (C, D, E) des Ventils veränderbar ist.

22. Ventil nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß an die Steuereinheit (35) ein zweiter äßerer Temperaturfühler (39) angeschlossen ist, der am Verdampfereintritt (2) liegt.

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23. Ventil nach eines der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (35) den Dampfdruck (p_f) im Druckbehälter (17) als Funktion der Temperaturdifferenz zwischen den beiden Temperaturfühlern (37, 39) einstellt.

24. Ventil nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der erste äußere Temperaturfühler (37) am Ende und ein weiterer äußerer Temperaturfühler (38), der ein Gegenkopplungssignal abgibt, am Anfang der Überhitzungsstrecke am Verdampferaustritt (4) angeordnet 1st.

25. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß an die Steuereinheit (35) wenigstens ein in der Sauggasleitung (51) am Verdampferaustritt angeordneter Flüssigkeits-Dampf-Fühler (52, 54) angeschlossen ist. '

26. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß am Anfang der Überhitzungestrecke ein erster (54) und an deren Ende ein in einem Austrittsrohr (51) hinter dem Verdampfer zweiter (52) Flüssigkeits-Dampf-Fühler, der bei nassem Dampf ein anderes Signal als bei überhitztem Dampf abgibt, und dazwischen ein Temperaturfühler (53) angeordnet ist.

27. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß an die Steuereinheit (35) ein Niveaufühler (84) angeschlossen ist, der den Flüssigkeitsstand im Verdampfer (81) mißt und ein sich mit änderndem Flüssigkeitsstand kontinuierlich änderndes elektrisches Signal abgibt.

28. Ventil nach Anspruch 27« dadurch gekennzeichnet, daß an die Steuereinheit (35) ein Positionsfühler (92) angeschlossen ist, der die Lage des Verschlußgliedes (90) des Ventils feststellt und ein sich mit ändernder Lage kontinuierlich änderndes elektrisches Signal abgibt.

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29. Ventil nach Anspruch 27 und 28, dadurch gekennzeichnet,

daß Niveaufühler (84) und Positionsfühler (92) bezüglich des Signalgebers (87, 89) gleich aufgebaut sind.

30. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckbehälter (17) mit einem Oberteil (44) des Ventilgehäuses eine Einheit bildet und lösbar mit einem einen auswechselbaren Ventilsitz-Einsatz (43) versehenen Ventilgehäuse-Unterteil (41) verbunden ist.

31. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckbehälter (17) unterhalb der Membran (16) ein Schraubgewinde (22) zur Verbindung mit dem Ventilgehäuse (8) aufweist.

32. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 31» dadurch gekennzeichnet, dsß es als Pilotventil (58, 80) für ein Hauptventil/dienx.

33. Ventil nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß es auf dem Deckel (102) des Hauptventils (79) montiert ist und Pilotkanäle (103, 104) im Gehäuse (94) und im Deckel des Hauptventils vorgesehen sind.

34. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (35) aufweist

a) eine erste Brückenschaltung (B1) mit einem äußeren Temperaturfühler-Widerstand (R5) und einem Potentiometer (R4) sowie einem ersten von deren Diagonalspannung über einen Einstellwiderstand (R8) gespeisten Verstärker (A1),

b) eine zweite Brückenschaltung (B2) mit einem Rückmelde-Temperaturfühler-Widerstand (R16) und einem Justier- ι Potentiometer (R17) sowie einem zweiten, von deren Diagonalspannung gespeisten Verstärker (A2),

c) einer zwei einstellbare Widerstände (R24, R25) aufweisen-; den Summationsschaltung (S), in der die Ausgangssignale j des ersten und zweiten Verstärkers (A1, A2) summiert werden*

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d) einen dritten, hiervon gespeisten Verstärker (A3) mit nachgeschaltetem Stromregler (Tr1, Tr2), der mit der Heiz- oder Kühlvorrichtung (R28) in Reihe liegt.

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