DE3027559A1

DE3027559A1 - Expansionsventil

Info

Publication number: DE3027559A1
Application number: DE19803027559
Authority: DE
Inventors: Bruce Ward Jennings
Original assignee: United Gas Industries Ltd
Current assignee: United Gas Industries Ltd
Priority date: 1979-07-26
Filing date: 1980-07-21
Publication date: 1981-02-12
Also published as: NL8004181A

Description

UNITED GAS INDUSTRIES LIMITED, London, England

Die Erfindung betrifft ein Expansionsventil zur Verwendung in einem Kälteerzeugungskreislauf oder Wärmepumpenkreislauf mit einem Nadelventil mit einer Ventilnadel, die mit einem Ventilteller zusammenwirkt, und einer Einrichtung zum Bewegen der Nadel relativ zum Ventilteller entsprechend dem Verlauf eines Überwärme-Wertes, wobei das Nadelventil geöffnet wird, wenn die Überwärme ansteigt. Die Erfindung betrifft somit ein Expansionsventil oder allgemein ein Expansions-Absperrorgan zur Verwendung in einer Kühlanlage oder einer Wärmepumpenanlage.

Expansionsventile sprechen üblicherweise auf einen momentanen Überwärme - Wert an, der von dem Verdampfer des Systems abgeleitet wird, und öffnen sich weiter, wobei ein erhöhter Kühlmittelfluß Nutzen aus einer erhöhten Überwärme zieht (d.h. aus der erhöhten Möglichkeit des Systems, Umgebungswärme zu gewinnen). Normalerweise arbeiten Kühlsysteme unter Bedingungen, die von einem Normalzustand nur geringfügig abweichen, und die üblichen Ventile arbeiten dabei zufriedenstellend. Bei bestimmten Systemen, insbesondere,jedoch nicht ausschließlich bei Wärmepumpen, variieren die Betriebsbedingungen in großem Maße, wobei die Arbeitsweise der bekannten Expansionsventile nunmehr einen Begrenzungsfaktor des Systems darstellen. Wenn beispielsweise ein geringes Druckgefälle durch das Ventil herrscht, dann kann dieses keinen großen Kühlmittelfluß liefern, wobei der Kühlmittelfluß die tatsächliche Wärmegewinnungsleistung des Systems bestimmt. Wenn demnach eine große Überwärme in Verbindung mit einem geringen Druckgefälle durch das Ventil auftritt, dann ist

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dieses nicht fähig, genügend Kühlmittel zu liefern, um den entsprechenden Nutzen aus dem Überwärme-Wert zu ziehen. Solche Umstände sind beispielsweise gegeben, wenn die Verdampfer-Temperatur hoch und die Kühl temperatur niedrig ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Expansionsventil oder allgemein Expansions-Absperrorgan zu schaffen, das auch in solchen Fällen einen optimalen Kühlmittelfluß ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bei einem Expansionsventil mit einem Nadelventil mit einer Ventilnadel, die mit einem Ventilteller zusammenwirkt, und einer Einrichtung zum Bewegen der Nadel relativ zum Ventilteller entsprechend dem Verlauf eines Überwärme-Wertes, wobei das Nadelventil geöffnet wird, wenn die Überwärme ansteigt, erfindungsgemäß durch eine Hilfsdurchlaßöffnung, die parallel zum Nadelventil in der Strömungsleitung des Kühlmittels durch das Ventil angeordnet ist, und eine Einrichtung zum Öffnen der Hilfsdurchlaßöffnung beim Ansteigen des Überwärme-Wertes über eine vorherbestimmte Höhe, bei der das Nadelventil im wesentlichen vollständig offen ist, gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind durch die Unteransprüche gekennzeichnet.

Demnach weist das erfindungsgemäße Expansionsventil, das insbesondere zur Verwendung in Wärmepumpenanlagen geeignet ist, ein Nadelventil auf, das durch eine Ventilstoßstange entsprechend den Messwerten der Überwärme in einem Verdampfer der Anlage bewegbar ist. Um Nutzen aus Witterungsbedingungen ziehen zu können, bei denen die Wärmeaufnahmekapazität der Anlage die maximale Kapazität des Nadelventils übersteigt, wird eine Hilfsdurchlaßöffnung frei-

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gelegt, wenn das Nadelventil vollständig geöffnet ist und die Überwärme weiter ansteigt. Beispielsweise kann diese Öffnung bei einem Überwärme-Wert von ungefähr 7° C geöffnet werden.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:

F i g. 1 einen Querschnitt durch einen Teil eines thermostatischen Expansionsventils zur Verwendung in einer Wärmepumpenanlage, und

F i g. 2 ein Diagramm, das die Betriebskennlinien des Ventils gemäß Fig. 1 darstellt.

Das Ventil ist dazu vorgesehen, bei 12 in eine Strömungsleitung eines Kühlfluids zu einem Verdampfer (nicht dargestellt) eingeschaltet zu werden, in dem Wärme aus der umgebenden Umwelt absorbiert wird. Das Ventil hat eine Ventilnadel 13, die mit einem kegelförmigen Ventil-Verschlußteil 13' versehen ist, das mit einer zylindrischen Ventilöffnung in einem feststehenden Ventilteller oder Ventilsitz 14 zusammenarbeitet. Eine Ventilstoßstange 15 steht mit der Nadel in Verbindung und drückt sie nach unten, um das Ventil zu öffnen, oder läßt sie sich nach oben bewegen, um das Ventil zu schließen, wobei die Stange selbst von einer flexiblen Membran (nicht dargestellt) gesteuert wird. Die Membran wird einem Druckunterschied zwischen dem Fluiddruck in dem Verdampfer und einem Druck, der auf die Temperatur an dem Auslaßende des Verdampfers bezogen ist, unterworfen. Dieser Unterschied bzw. dieses Differential ist ein Maß für den "Überwärme"-Wert, der ein Anhaltspunkt für die Leistungsfähigkeit bzw. das Vermögen des Verdampfers ist, unter den Umgebungsbedingungen Wärme

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aufzunehmen. Wenn die Überwärme ansteigt, wird die Ventilnadel 13 weiter herabgedrückt, wodurch der offene Bereich des Ventils ansteigt und damit der Kühlmittelfluß wächst, sodaß aus der erhöhten Wärmekapazität Nutzen gezogen wird.

Bei einer Wärmepumpe hängt die Leistungsfähigkeit des Kreislaufs von den Betriebsbedingungen ab, und die Umgebungsbetriebsbedingungen können über längere Zeitspannen weitgehend variieren, beispielsweise mit den Änderungen der Witterungsbedingungen. Beispielsweise kann eine Wärmepumpe, die Wärme aus der umgebenden Luft gewinnt, um ein Schwimmbecken zu heizen * . eine hohe Verdampfertemperatur (Lufttemperatur) und eine niedrige •Kühltemperatur (Wassertemperatur) antreffen, wobei das Druckgefälle oder der Druckabfall durch das Ventil dann gering und der Überwärme-Wert hoch ist. Unter solchen Bedingungen kann mehr Wärme durch eine große Ventilöffnung gewonnen werden, die einen größeren Kühlmittelfluß ermöglicht.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein größerer Kühlmittelfluß bei großen Überwärme-Werten, beispielsweise oberhalb 7° C oder 8° C, durch eine zusätzliche Öffnung ermöglicht, die eine Durchlaßöffnung 17 in dem Ventilkörper 18 bildet, wobei die Durchlaßöffnung parallel in die gleiche Kühlmittelfluß-Leitung wie das Nadelventil eingeschaltet ist.

Ein am Ende flacher, zylindrischer Nadelschlitten 20 gleitet axial in dem Ventilkörper und wird von einer Ventil-Rückstellfeder 21 nach oben beaufschlagt-. In Achsrichtung sich erstreckende Öffnungen 22 ermöglichen einen Kühlmittelfluß von einem Ende des Nadelschlittens zum anderen Ende. Die Nadel 13 ist in einer Blindbohrung 23 in der Oberfläche des Nadelschlittens befestigt. In einer anderen Ausführungsform kann die Nadel einstückig mit demNadel-

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schlitten ausgebildet sein. Eine Durchlaufkammer ist zwischen dem Ende des Nadelschlittens und dem Ventilteller 14 ausgebildet, und die Durchlaßöffnung 17 erhält das Kühlfluid aus dieser Kammer, wenn der Nadelschlitten sich weit genug nach unten bewegt hat, um die Durchlaßöffnung freizulegen.

Wenn die Nadel 13 von der Ventilstoßstange 15 nach oben und unten bewegt wird, dann bewegt der Schlitten sich ebenso und gleitet in dem Ventilkörper auf und ab. Die Durchlaßöffnung 17 ist so angeordnet, daß in dem unteren Überwärme-Bereich der Bewegung der Ventilstoßstange, in der Punkt A auf der Ventilstoßstange Punkt B erreichen kann, die Durchlaßöffnung 17 nicht von dem Nadelschlitten freigelegt ist. Die Anpasssung des Durchflußes an die Überwärme wird in diesem Bereich vollständig durch die Öffnung des Nadelventils gesteuert.

Bei Zuständen größerer Überwärme bewegt sich die Ventilstoßstange weiter, und Punkt A auf der Ventilstoßstange bewegt sich in den Bereich zwischen B und C. Bei dieser Bewegung wird die Durchlaßöffnung 17 freigelegt, wodurch ein größerer Kühlmittelfluß hervorgerufen wird.

Fig. 2 zeigt die Arbeitsweise des Expansionsventils gemäß Fig. 1 in einem Wärmepumpensystem. Das Leistungsvermögen des Ventils hinsichtlich des Kühlmittelflußes ist gegen die Überwärme, die in dem Verdampfer gemessen wird, aufgetragen. Ein unterer Überwärme-Bereich, beispielsweise bis etwa 7° C, ist als AB dargestellt, dem die Bewegung einer Nadel 13 entspricht, bei der Punkt A auf der Ventilstoßstange sich zu Punkt B hinbewegt. Bei dieser Bewegung steigt die Kapazität bzw. Leistung des Expansionsventils auf einer geraden Linie an, bis das Nadelventil vollständig geöffnet ist und das Ventil die "Nennleistung" des Nadelventils, die als 100?6 dargestellt ist, erreicht hat.

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Ein weiterer Anstieg der Überwärme über diese Höhe hinaus würde ohne die Durchlaßöffnung 17 nur einen begrenzten Kapazitätsanstieg bzw. Leistungsanstieg mit sich bringen, der durch die gestrichelte Linie dargestellt ist. Bei Punkt B beginnt jedoch die Durchlaßöffnung 17 freigelegt zu werden, und die Kapazität des Expansionsventils steigt infolgedessen bei relativ geringem Anstieg der Überwärme schnell an, wobei die Stabilität oder Sicherheit der Steuerung bis zu einer maximal nutzbaren Kapazität von 180% der Nennleistung aufrechterhalten wird. Auf diese Weise kann die große Überwärme ausgenutzt werden. Dabei wird in dem Bereich AB die Wirkungsweise des Expansionsventiles nicht verändert, und die Durchlaßöffnung 17 wirkt sich auf die Kapazität nur oberhalb der Nennleistung bei großen Überwärme-Werten, beispielsweise oberhalb etwa 7° C,-aus.

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Leerseite

Claims

Reichel u. Reichel

6 Prankfurt a. M. 1

Paikstraße 13

UNITED GAS INDUSTRIES LIMITED, London, England

Patentansprüche

f 1.) Expansionsventil zur Verwendung in einem Kälteerzeugungskreislauf oder Wärmepumpenkreislauf mit einem Nadelventil mit einer Ventilnadel, die mit einem Ventilteller zusammenwirkt, und einer Einrichtung zum Bewegen der Nadel relativ zum Ventilteller entsprechend dem Verlauf eines Überwärme-Wertes, wobei das Nadelventil geöffnet wird, wenn die Überwärme ansteigt, gekennzeichnet durch eine Hilfsdurchlaßöffnung (17), die parallel zum Nadelventil in der Strömungsleitung des Kühlmittels durch das Ventil angeordnet ist, und eine Einrichtung (20) zum Öffnen der Hilfsdurchlaßöffnung (17) beim Ansteigen des Überwärme-Wertes über eine vorbestimmte Höhe, bei der das Nadelventil im wesentlichen vollständig offen ist.
2. Expansionsventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (20) zum Öffnen der Hilfsdurchlaßöffnung (17) an der Ventilnadel (13) befestigt oder mit dieser einstückig ist, um sich mit ihr zu bewegen, und daß die Durchlaßöffnung (17) so angeordnet ist, daß die Einrichtung (20) zum Öffnen nicht wirksam ist, bevor eine vorherbestimmte Höhe der Überwärme erreicht ist.
3. Expansionsventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsdurchlaßöffnung (17) ein Schlitz in der Seitenwand des Ventilkörpers (18) ist, und daß die Einrichtung (20) zum Öffnen ein Bauteil ist, das in dem Ventilkörper (18) gleitet, um den Schlitz freizulegen.

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4. Expansionsventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (20) zum Öffnen ein Zylinder mit axialen Öffnungen (22) ist, durch die Kühlmittel in eine Strömungskammer in dem Ventilkörper (18)fließt, die sowohl mit dem Nadelventil als auch mit der Hilfsdurchlaßöffnung in Verbindung steht.
5. Expansionsventil nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Nadel (13) in die Einrichtung (20) eingebaut ist, sodaß beide sich entsprechend dem Verlauf des Überwärme-Wertes zusammen bewegen.
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