DE3419666C2

DE3419666C2 -

Info

Publication number: DE3419666C2
Application number: DE3419666A
Authority: DE
Inventors: David Paul Webster Groves Mo. Us Hargraves
Original assignee: Emerson Electric Co
Current assignee: Emerson Electric Co
Priority date: 1984-05-25
Filing date: 1984-05-25
Publication date: 1989-07-27
Also published as: DE3419666A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Regelanordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

In vielen herkömmlichen Kälteanlagen ist das Expansionsventil ein sogenanntes Thermostatexpansionsventil. Ein Thermostatexpansionsventil hat eine Expansionsöffnung und ein Verschlußteil zum Regeln des Kältemitteldurchflusses durch die Expansionsöffnung. Eine Feder drückt das Verschlußteil in seine geschlossene Stellung. Ein Membranstellantrieb ist vorgesehen. Eine Seite der Membran ist dem Sauggasdruck ausgesetzt, während die andere Seite über ein Kapillarrohr mit einer Thermostatkugel verbunden ist, die in Wärmeaustauschbeziehung mit dem Sauggas aus dem Verdampfer steht. Die Thermostatkugel ist mit flüchtigem Kältemittel gefüllt und übt daher eine Druckkraft auf das Verschlußteil über den Membranstellantrieb aus, die der Kraft der Feder und dem Sauggasdruck entgegenwirkt. Wenn die Thermostatkugel eine Temperaturzunahme des Sauggases in bezug auf dessen Druck abfühlt, wird die Gesamtdruckkraft, die auf den Membranstellantrieb ausgeübt wird, entsprechend vergrößert, wodurch das Expansionsventil weiter geöffnet und mehr Kältemittel der Durchfluß durch den Verdampfer gestattet wird, was zu einer Verringerung der Sauggastemperatur führt. Beim Abfühlen einer Abnahme der Sauggastemperatur wird die Thermostatkugel die Druckkraft verringern, die auf den Membranstellantrieb ausgeübt wird, und wird somit der Feder gestatten, das Ventil wenigstens teilweise zu schließen, wodurch der Strom von Kältemittel in den Verdampfer verringert und dadurch wiederum die Temperatur des Sauggases erhöht wird.

Im allgemeinen wird ein Thermostatexpansionsventil so eingestellt, daß das Sauggas auf einer vorbestimmten Überhitzungstemperatur gehalten wird. Überhitzungstemperatur ist ein Ausdruck, der im allgemeinen als die Temperatur des Kältemitteldampfes oberhalb der Temperatur, bei der das Kältemittel bei seinem besonderen Druck verdampft ist, definiert ist. In vielen Kälteanlagen wird das Thermostatexpansionsventil in der Fabrik so voreingestellt, daß eine vorbestimmte Überhitzungstemperatur aufrechterhalten wird, und es ist unmöglich oder unpraktisch, diese Überhitzungstemperatur während des Betriebes der Kälteanlage zu verändern, um dadurch den Durchfluß von Kältemittel durch den Verdampfer bei Änderungen in den Betriebsbedingungen der Kälteanlage zu verändern und dadurch den Betriebswirkungsgrad der Kälteanlage zu maximieren.

Zur Überwindung der Nachteile der bekannten Thermostatexpansionsventile, bei denen die Überhitzungseinstellung während des Betriebes der Kälteanlage bei sich ändernden Betriebsbedingungen (z. B. Änderungen in der Kältemittelwärmebelastung oder in der Temperatur der äußeren Umgebungsluft) nicht verändert werden kann, sind bereits elektrisch betätigte, durchflußregelnde Expansionsventile entwickelt worden.

Aus der DE-OS 27 57 832 ist eine Regelanordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art bekannt, die das Expansionsventil mittels Pulsbreitenmodulation steuert. Diese bekannte Regelanordnung ist eine Proportionalregelanordnung. Sie muß also mit einem Temperaturwert arbeiten, der von dem Sollwert beträchtlich abweicht, da ein Fehlersignal zum Betätigen einer solchen P-Regelanordnung benötigt wird und da dieses Fehlersignal beträchtlich sein muß. Das führt zu beträchtlichen Regelschwankungen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Regelanordnung dahingehend zu verbessern, daß mit einem kleineren Fehlersignal eine geringere Regelschwankung der Verdampferüberhitzungstemperatur erzielt wird.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei der Regelanordnung nach der Erfindung wird die Temperatur in einem zu kühlenden Raum nicht wie bei der aus der DE-OS 27 57 832 bekannten Regelanordnung direkt gemessen, sondern indirekt über die Verdampferüberhitzungstemperatur. Außerdem wird bei der Regelanordnung nach der Erfindung der rasch ansprechenden Proportionalregelung eine gleitende Integralregelung additiv überlagert. Die PI-Regelung durch die Regelanordnung nach der Erfindung verändert den Kältemitteldurchfluß durch das Expansionsventil in regelmäßigen, kleinen Inkrementen, wenn ein Fehlersignal als Differenz zwischen Ist- und Sollwert festgestellt wird. Das gestattet, das Fehlersignal ab dem Sollwert der Überhitzungstemperatur auf etwa null zu verringern und Regelschwankungen klein zu halten. Außerdem ermöglicht die PI-Regelung durch die Regelanordnung nach der Erfindung eine enge Regelung der Verdampferüberhitzungstemperatur über einem breiten Bereich von Betriebsbedingungen, wobei nur ein sehr kleines Fehlersignal für den Betrieb und den Regelvorgang erforderlich ist, und der Regelvorgang trotzdem stabil ist.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung bildet den Gegenstand des Anspruchs 2. Das steilflankige Ansprechen des Expansionsventils auf das Stellsignal bedeutet, daß der Durchfluß des Kältemittels durch das Expansionsventil einer Rechteckkurve folgt, also etwa denselben Verlauf wie der dem Spulenstrom des Hubmagnets des Expansionsventils zugeführte Spulenstrom hat, der nämlich ebenfalls vorzugsweise Rechteckform aufweist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild einer kompressorbetriebenen Kälteanlage mit der Regelanordnung nach der Erfindung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild der Regelanordnung nach der Erfindung,

Fig. 3 ein Diagramm der Überhitzungstemperatur des Verdampfers der Kälteanlage über dem Tastverhältnis, mit dem der Hubmagnet eines Expansionsventils durch die Regelanordnung betätigt wird,

Fig. 4 ein Diagramm des in der Spule des Hubmagnets des Expansionsventils fließenden Stroms über der Zeit,

Fig. 5 ein elektrisches Schaltbild der Regelanordnung nach der Erfindung,

Fig. 6 eine Schnittansicht des Expansionsventils, das durch die Regelanordung nach der Erfindung gesteuert wird,

Fig. 7 ein elektrisches Schaltbild des PI-Teils der Regelanordnung nach der Erfindung und

Fig. 8 ein Diagramm des Tastverhältnisses in Abhängigkeit von der überwachten Überhitzungstemperatur, wobei das Expansionsventil durch den PI-Teil der Regelanordnung nach Fig. 7 gesteuert wird.

In Fig. 1 ist eine Kälteanlage in ihrer Gesamtheit mit der Bezugszahl 1′ bezeichnet und enthält einen Kompressor 3′ mit einem Einlaß 5′ und einem Auslaß 7′. Der Auslaß 7′ des Kompressors 3′ ist mit einem Vierwege-Umschaltventil 9′ verbunden. Ein Auslaß des Umschaltventils 9′ ist mit einem Wärmetauscher 11′ verbunden, der außerhalb eines Gebäuses angeordnet ist. Der Auslaß des Wärmetauschers 11′ ist mit dem Einlaß eines weiteren Wärmetauschers 13′ verbunden, der innerhalb des Gebäudes angeordnet ist, und ein Expansionsventil 15′ zum Steuern der Strömung von Kältemittel von dem äußeren Wärmetauscher 11′ zu dem inneren Wärmetauscher 13′ oder umgekehrt, ist zwischen den Wärmetauschern 11′ und 13′ vorgesehen. Der Auslaß des inneren Wärmetauschers 13′ ist mit der anderen Seite des Umschaltventils 9′ verbunden, und die mittige Saugöffnung des Umschaltventils 9′ ist mit dem Kompressoreinlaß 5′ über eine Saugleitung 17′ verbunden. Im Betrieb kann durch Umschalten der Stellung des Umschaltventils 9′ die Kälteanlage 1′ entweder im Kühl- oder im Heizbetrieb arbeiten. Im Kühlbetrieb arbeitet sie wie eine Klimaanlage, in der der äußere Wärmetauscher 11′ als Kondensator und der innere Wärmetauscher 13′ als Verdampfer arbeitet. Im Heizbetrieb fließt das Kältemittel in umgekehrter Richtung durch die Wärmetauscher 11′, 13′, so daß der innere Wärmetauscher 13′ als Kondensator und der äußere Wärmetauscher 11′ als Verdampfer arbeitet. In der folgenden Beschreibung ist angenommen, daß die Kälteanlage 1′ im Kühlbetrieb arbeitet, so daß der äußere Wärmetauscher 11′ als Kondensator und der innere Wärmetauscher 13′ als Verdampfer fungiert.

Gemäß Fig. 6 ist das Expansionsventil 15′ ein Magnetventil. Wenn dessen Hubmagnet 33′ erregt ist, ist es voll geöffnet, und wenn er entregt ist, ist sämtlicher Kältemitteldurchfluß durch das Ventil blockiert. Das Expansionsventil 15′ hat ein Ventilgehäuse 19′ mit einem Durchflußkanal F′, welcher einen Einlaß 21′ und einen Auslaß 23′ und dazwischen eine Expansionsöffnung 25′ hat. Ein senkrechter Kanal 29′ ist konzentrisch innerhalb eines Ventilsitzes 27′ angeordnet. Ein schräger Kanal 31′ ist stromaufwärts der Expansionsöffnung 25′ vorgesehen und gestattet den Durchfluß von Kältemittel über die Expansionsöffnung 25′ zu dem Auslaß 23′.

Der Hubmagnet 33′ betätigt ein Verschlußteil 35′, das um einen Hub S zwischen einer geschlossenen Stellung (in Fig. 6 gezeigt), in der es dicht auf dem Ventilsitz 27′ sitzt und dadurch den Kältemitteldurchfluß durch den Durchflußkanal F′ blockiert, und einer offenen Stellung (nicht dargestellt) axial verschiebbar ist, in der es von dem Ventilsitz 27′ abgehoben ist, um dadurch den Kältemitteldurchfluß durch den Durchflußkanal F zu gestatten. Der Hub S ist auf eine kurze Strecke begrenzt, beispielsweise 0,5 mm, um dadurch die Verschlußteilgeschwindigkeit bei der Betätigung und Stoßkräfte beim Öffnen und Schließen des Expansionsventils 15′ zu begrenzen.

Am unteren Ende des Verschlußteils 35′ ist eine elastomere Dichtung 39′ vorgesehen. Die tragende Fläche des Ventilsitzes 27′ ist relativ groß, so daß, wenn die elastomere Dichtung 39′ auf dem Ventilsitz sitzt, ein nennenswertes Eindrücken derselben verhindert wird. Darüber hinaus werden durch das Vorhandensein der elastomeren Dichtung 39′ die Stoßkräfte des Verschlußteils 35′ verringert, wenn dieses sich in seine Schließstellung bewegt und mit dem Ventilsitz 27′ in Berührung kommt.

Der Hubmagnet 33′ weist ein axiales Rohr 41′ auf, in welchem ein Kern 43′ aus ferromagnetischem Material befestigt ist. Das untere Ende 44′ des Rohres 41′ ist an dem Ventilgehäuse 19′ dicht befestigt.

Eine konische Feder 47′ ist zwischen dem Verschlußteil 35′ und dem Kern 43′ angeordnet und drückt das Verschlußteil 35′ in seine geschlossene Stellung auf dem Ventilsitz 27′. Die Feder 47′ ist in einem Sackloch 49′ in dem oberen Ende des Verschlußteils 35′ und in einem Sackloch 51′ in dem unteren Ende des Kerns 43′ aufgenommen. Die konische Feder 47′ übt eine maximale Druckkraft auf das Verschlußteil 35′ aus, wenn dieses vollständig in das Rohr 41′ hineingezogen ist. Eine Spule 53′ umgibt das Rohr 41′ und ist von einem Gehäuse 55′ umgeben. Elektrische Anschlußdrähte (nicht dargestellt) erstrecken sich aus dem Gehäuse 55′ und ermöglichen dadurch das wahlweise Erregen und Entregen der Spule 53′.

Gemäß Fig. 6 steht der schräge Kanal 31′, der von dem Einlaß 21′ wegführt, mit einer Kammer C in Verbindung, die das untere Ende des Verschlußteils 35′ umgibt. Das Kältemittel kann frei zwischen dem Rohr 41′ und dem Verschlußteil 35′ strömen und so einen auf Grund des Hubes S zwischen dem Kern 43′ und dem Verschlußteil 35′ vorhandenen Zwischenraum füllen. Der Kältemitteldruck in der Kammer C wirkt daher der Schließkraft der Feder 47′ nicht entgegen und somit wird das Verschlußteil 35′ zwangsläufig geschlossen gehalten. Der senkrechte Kanal 29′ weist eine schmale Drosselöffnung O auf. Bei Erregung der Spule 53′ und daher axialem Wegbewegen des Verschlußteils 35′ von dem Ventilsitz 27′ wird die Querschnittsfläche der Ventilöffnung zwischen der unteren Stirnfläche der elastomeren Dichtung 39′ und dem Ventilsitz 27′ fast augenblicklich größer als die Querschnittsfläche der Drosselöffnung O. Sobald sich das Verschlußteil 35′ aus seiner geschlossenen Stellung herausbewegt, wird daher das durch das Expansionsventil 15′ fließende Kältemittel einen maximalen Strömungszustand durch die Drosselöffnung O ungeachtet des Hubes S des Verschlußteils 35′ erreichen. Durch das Vorsehen der Drosselöffnung O wird demgemäß die Empfindlichkeit des Kältemitteldurchsatzes in dem Expansionsventil 15′ bezüglich der Länge des Hubes S des Verschlußteils 35′ wesentlich verringert. Ein Abschirmband SB ist vorgesehen, um die magnetische Zugkraft, die auf das Verschlußteil 35′ wirkt, und die Ruhe im Betrieb bei Erregung der Spule 53′, wenn letztere mit Wechselstrom aus der Regelanordnung 57′ versorgt wird, zu verbessern.

Eine Regelanordnung 57′ ist vorgesehen, die auf einen oder mehrere Kälteanlagenparameter anspricht und den Betrieb des Ein/Aus-Expansionsventils 15′ steuert, um den Kältemitteldurchfluß durch die Kälteanlage 1′ zu regeln. Die Regelanordnung 57′ hat eine Stromversorgung zum periodischen Erregen und Entregen des Hubmagnets 33′ des Ventils 15′, wobei das Verhältnis der Erregungszeit (Offenzeit des Ventils) zu der Entregungszeit (Schließzeit des Ventils) dem Kälteanlagenparameter entspricht, der überwacht wird, um dadurch den Kältemitteldurchfluß in der Kälteanlage 1′ so zu regeln, daß die Temperatur des Kältemittels, welches den Verdampfer 13′ verläßt und durch die Saugleitung 17′ strömt, innerhalb eines vorbestimmten Überhitzungsbereiches gehalten wird.

Die Regelanordnung 57 arbeitet ständig und vergleicht den Kälteanlagenparameter, der überwacht wird, mit einem bekannten Wert. Beim Erkennen eines Fehlers zwischen dem überwachten Parameter und dem Sollwert wird das Ausgangsspannungssignal, das an den Hubmagnet 33′ des Expansionsventils 15′ angelegt wird, entsprechend verändert, um dadurch den Fehler zwischen dem Sollwert und dem überwachten Parameter zu eliminieren. Es können zwar viele Systemparameter überwacht werden, wie beispielsweise die Umgebungslufttemperatur oder die Temperatur des Schmiermittels in dem Schmiermittelsumpf des Kompressors 3′, ein bevorzugter Systemparameter ist jedoch die Überhitzungstemperatur des von dem Verdampfer 13′ abgegebenen Sauggases in der Saugleitung 17′.

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild der Hauptfunktionsaspekte der Regelanordnung 57′. In Fig. 5 ist das elektrische Schaltbild für dieses Blockschaltbild dargestellt. Die Werte für die Schaltungselemente der Schaltungsanordnung nach Fig. 5 sind in den folgenden Tabellen angegeben.

Widerstände
Bezugszeichen
Widerstand

(Ohm)
R 1, R 25\|4,02 K
R 3	4,22 K
R 4	2,21 K
R 5, R 19	8,25 K
R 6, R 18	1,96 K
R 7	1,62 K
R 9	330 K
R 10	100 K
R 11	43
R 12	164,8 K
R 22, R 23	6,19 K
R 15, R 44, R 46	2,49 K
R 16	1,5 K
R 17	10 K
R 26	24,9 K
R 27, R 29	49,9 K
R 28	16,4 K
R 30, R 31, R 32, R 42	1 K
R 33, R 34	11 K
R 38, R 39	3,16 K
R 41	280 K
R 43	123 K
R 13	2,2 K
R 14	6,02 K
R 35, R 37	10 K
R 36	3,3 K
R 47	100 K
R 48	100
R 49	1,5 K
R 2, R 8, R 21 (Trimpot)	500
R 20, R 24, R 40 (Trimpot)	1 K
R 45 (Trimpot)	500
R 50	430
R 51	560

Kondensatoren
Bezugszeichen
Kapazität

(Mikrofarad)
C 1, C 2
330
C 3, C 4	0,01
C 7	0,33
C 6, C 8	0,1
C 5	10

Dioden
Bezugszeichen
Bezeichnung
D 1, D 2, D 3, D 5, D 6, D 9
IN 4001
D 7, D 8	IN 4149
D 4 (LED)	MV 5055

Transistoren

Bezugszeichen

Bezeichnung

Q 1, Q 2, Q 3, Q 5, Q 6

NPN 2N3904

Operationsverstärker
Bezugszeichen
Bezeichnung
U 1, U 2
CA 324
U 3	CA 358
U 4	NE 5553U

Weitere Bauelemente

Anhand der obigen Beschreibung und der in den Fig. 2 und 5 dargestellten Schaltbilder könnte der Fachmann die Regelanordnung 57′ bauen und betreiben, weshalb eine ausführliche Beschreibung des Aufbaus und der Arbeitsweise der Regelanordnung in dieser gezeigten Ausbildung als unnötig weggelassen wird.

Wie erwähnt, wird der Hubmagnet des Expansionsventils 15′ periodisch erregt und entregt. Der hier verwendete Begriff "periodisch" bedeutet, daß die Regelanordnung 57′ kontinuierlich arbeitet (zumindest während der Kompressor 3′ in Betrieb ist), daß sie aber in einer Serie von kontinuierlichen Taktperioden t _P gleicher oder konstanter Zeit arbeitet, wie es in Fig. 4 dargestellt ist. Jede Taktperiode t _P hat eine zeitliche Länge, die beträchtlich kürzer ist als die normale Ansprechzeit des Verdampfers 13′. Beispielshalber sei angenommen, daß der Parameter, der geregelt wird, die Überhitzungstemperatur ist. Wenn das Expansionsventil 15′ öffnet, beginnt die Überhitzungstemperatur zu sinken. Die Ansprechzeit eines typischen Verdampfers ist so, daß, wenn das Expansionsventil 15′ voll offen bliebe, etwa 20 s erforderlich wären, damit ein nennenswerter Überhitzungstemperaturabfall stattfinden könnte. Da das Expansionsventil üblicherweise für weniger als 4 s offen ist, ist der Effekt eine relativ gleichmäßige Regelung der Überhitzungstemperatur. Die thermische Masse oder andere Kenndaten des Verdampfers 13′ sind so, daß der Verdampfer nicht so schnell anspricht, daß der geregelte Parameter jedem Impuls des Expansionsventils 15′ folgen kann.

Die Regelanordnung 57′ hat einen Pulsbreitenmodulator mit einer Triggerschaltung, die automatisch das Ausgangssignal der Wechselstromquelle am Beginn jeder Taktperiode t _P einleitet und wahlweise die Stromabgabe in einem Punkt jeder Taktperiode t _P auf den überwachten Kälteanlagenparameter und die beim Vergleichen des Sollanlagenparameters mit dem gewählten Referenzwert erzeugten Fehlersignale hin beendet oder unterbricht. Die Regelanordnung 57′ verändert das Verhältnis der Erregungszeit des Hubmagnets 33′ des Expansionsventils 15′ zur Entregungszeit des Hubmagnets während jeder Taktperiode t _P auf das obenerwähnte Fehlersignal hin. Wenn das Fehlersignal null ist oder irgendeinen anderen vorgewählten Wert hat, wird das Spannungsausgangssignal, das an den Hubmagnet 33′ angelegt wird, zur Zeit null während jeder Taktperiode t _P beendet und der Hubmagnet wird überhaupt nicht erregt. Das Expansionsventil 15′ bleibt daher geschlossen und blockiert den Durchfluß sämtlichen Kältemittels in der Kälteanlage 1′. Wenn das Fehlersignal einen anderen vorgewählten Wert erreicht oder überschreitet, bleibt das Spannungsausgangssignal während der gesamten Taktperiode t _P angelegt, so daß das Expansionsventil 15′ ständig offen bleibt und einen maximalen Kältemitteldurchfluß in der Kälteanlage 1′ gestattet. Durch proportionales Verändern der Erregungszeit zur Entregungszeit während jeder Taktperiode t _P zwischen der oberen und der unteren Fehlersignalgrenze auf oben beschriebene Weise arbeitet das diskret ein- und ausschaltende Expansionsventil 15′ als ein stufenlos einstellbares, durchflußregelndes Kältemittelsteuerventil.

Für den Fall, in welchem die Überhitzungstemperatur des Kältemittels in der Saugleitung 17′ der geregelte Anlagenparameter ist und auf einem vorbestimmten Wert von z. B. 4,4°C gehalten werden soll, zeigt Fig. 3, daß das Tastverhältis, mit dem der Hubmagnet 33′ des Expansionsventils 15′ angesteuert wird, etwa gleich 0,7 ist, damit die gewünschte Überhitzungstemperatur des Kältemittels aufrechterhalten wird. In Fig. 4 ist gezeigt, daß das Verhältnis der Einschaltzeit des Expansionsventils 15′ im Verhältnis zu der gesamten Taktperiode etwa 0,7 beträgt. Wenn beispielsweise die Taktperiode t _P etwa 4 s beträgt, wird die EIN-Zeit des Expansionsventils 15′ ungefähr 2,8 s und die AUS-Zeit des Expansionsventils 1,2 s betragen.

Wenn die durch die Regelanordnung 57′ abgefühlte Überhitzungstemperatur über dem vorgewählten Wert von 4,4°C ist, wird die Regelanordnung 57′ die EIN-Zeit des Expansionsventils vergrößern. Wenn dagegen die abgefühlte Überhitzungstemperatur zu niedrig ist, verringert die Regelanordnung entsprechend die EIN-Zeit, um dadurch die Überhitzungstemperatur auf den gewünschten vorbestimmten Wert zu bringen.

Die Taktperiode t _P ist, wie oben erwähnt, hinsichtlich der Zeitkonstante oder Ansprechzeit der Kälteanlage 1′ relativ klein. Die Regelanordnung 57′ integriert daher die Ein-Aus- Schritte des Expansionsventils 15′ zu einem im wesentlichen stationären Betriebszustand. Wenn beispielsweise das Verhältnis der EIN-Zeit zu der Taktperiode t _P gleich 0,5 ist, würde das der Drosselung des Expansionsventils 15′ auf eine Zwischenstellung zwischen seiner geschlossenen und seiner voll offenen Stellung entsprechen, also etwa der Hälfte des Kältemitteldurchsatzes, der im voll offenen Zustand vorhanden ist. Wenn das Verhältnis der EIN-Zeit zu der Taktperiode P null ist, ist das Expansionsventil 15′ selbstverständlich geschlossen und der Durchfluß sämtlichen Kältemittels ist blockiert, und, wenn das Verhältnis 1 beträgt, bleibt das Expansionsventil 15′ für die gesamte Taktperiode offen, weshalb der maximale Kältemitteldurchsatz durch das Expansionsventil hindurchgehen kann.

Die Schaltungsanordnung für die Regelanordnung 57′ ist schematisch in Fig. 5 gezeigt. Die in Fig. 5 gezeigte Schaltungsanordnung verändert das Verhältnis der Ventiloffenzeit zu der Taktperiode t _P proportional zu der überwachten Überhitzungstemperatur, d. h. der Differenz zwischen der Verdampferauslaßtemperatur T _b und der Verdampfereinlaßtemperatur T _a. Bei einer anderen Art einer Regelanordnung kann eine Tastspeichertechnik oder integrierende Regelung benutzt werden. Dabei wird der geregelte Anlagenparameter auf einer Augenblicksbasis abgetastet, und eine endliche Sprungänderung in dem Verhältnis der EIN-Zeit zu der Taktperiode t _P wird auf der Basis einer vorbestimmten Programmbeziehung zwischen dem Augenblickswert und dem geregelten Parameter und der Sprungänderung in dem EIN-Zeit/Taktperiode- Verhältnis gemacht. Die Richtung (d. h. positiv oder negativ) der Sprungänderung in dem EIN-Zeit/Taktperiode-Verhältnis ist also eine Funktion des Wertes des geregelten Parameters.

Fig. 7 zeigt die Ausbildung der Regelanordnung 57′, in der ein proportionales Ausgangssignal durch eine erste Einrichtung 101 erzeugt und mit dem Ausgangssignal einer integrierenden zweiten Einrichtung 102 verknüpft wird. Die Regelanordnung 57′ ist daher eine PI-Regelanordnung. Eine Proportionalregelanordnung, wie sie in der Regelanordnung 57′ nach Fig. 6 enthalten ist, ist allein nicht sehr geeignet, wenn das durch die geregelte Überhitzungstemperatur erzeugte Fehlersignal auf oder in die Nähe von null reduziert werden muß, da das Expansionsventil 15′ nur durch das Fehlersignal gesteuert wird. In einer Proportionalregelanordnung ist ein gewisser Fehlergrad gegenüber dem Sollwert normalerweise erforderlich, um das Expansionsventil steuern zu können. Selbstverständlich können kleine Fehler erzielt werden, indem die Verstärkung der Regelanordnung groß gemacht wird, das führt aber üblicherweise zur Instabilität und zum unregelmäßigen Arbeiten der Regelanordnung.

Bei einer bloßen Integralregelanordnung werden andererseits regelmäßige Verstellungen des gesteuerten Expansionsventils vorgenommen, solange irgendein Fehler, d. h. eine Abweichung von dem Sollwert in der geregelten Überhitzungstemperatur vorhanden ist. Bei der hier beschriebenen Kälteanlage 1′ wird die Überhitzungstemperatur Δ T des Verdampfers 13′ auf regelmäßiger Basis in gleichen Zeitintervallen bestimmt. Wenn das Fehlersignal als positiv erkannt wird, d. h., wenn die Temperaturdifferenz T _b-T_a über dem Sollwert ist und so eine unzulängliche Kältemittelspeisung anzeigt, wird die Taktperiode des Expansionsventils 15′ um einen kleinen Schritt vergrößert (vielleicht 1% der Taktperiode t _P). Nach dem nächsten Zeitintervall wird der Regelparameter wieder abgetastet, und wenn der Fehler noch positiv ist, wird die Taktperiode des Ventils 15′ weiter vergrößert, beispielsweise um weitere 1%. Wenn dagegen ein negatives Fehlersignal erkannt wird, wird die Länge der Taktperiode, während der das Ventil 15′ offen blieb, in einem vorbestimmten Ausmaß verkleinert, z. B. um 1%, und dieser Prozeß wird so lange fortgesetzt, wie ein negatives Fehlersignal vorhanden ist. Eine solche I-Regelanordnung spricht jedoch manchmal auf plötzliche Übergangsvorgänge in der Kälteanlage langsam an. Die hier beschriebene und in Fig. 7 gezeigte Regelanordnung 57′ ist deshalb eine Kombination aus einem P- und einem I-Regler. Auf diese Weise wird das schnelle Ansprechen auf Übergangsvorgänge eines P-Regelsystems mit der Fähigkeit eines I-Regelsystems, den Fehler der geregelten Überhitzungstemperatur auf null zu verringern, kombiniert. In der Regelanordnung 57′ ist die Öffnung des Ventils 15′, d. h. die Länge der EIN-Zeit , die Summe aus einem P-Anteil und einem I-Anteil.

Gemäß der Darstellung in Fig. 7 liegen an den Eingängen der Regelanordnung 57′ zwei Temperaturfühler, welche die Temperaturen T _a und T _b des Kältemittels an dem Einlaß bzw. an dem Auslaß des Verdampfers 13′ messen. Ein dritter Parameter T _s ist der Sollwert der Temperatur des den Verdampfer 13′ verlassenden Kältemittels minus der Temperatur des in den Verdampfer eintretenden Kältemittels (d. h. T _b-T_a). Die Regelanordnung 57′ arbeitet weiter mit einem vierten Parameter, der als integraler Anteil I bezeichnet wird und numerisch gleich einem Wert der Öffnung des Ventils 15′ ist, d. h. gleich dem Verhältnis der Offenzeit zur Gesamtzeit der Taktperiode t _P, und zwar ausgedrückt in Prozent. Bei der ersten Versorgung der Regelanordnung 57′ mit elektrischem Strom ist dieser I-Anteil auf einem gewissen Wert, um dadurch sicherzustellen, daß das Ventil 15′ am Anfang zumindest etwas geöffnet ist. Ein Anfangswert des Verhältnisses der Offenzeit zur Gesamtzeit der Taktperiode t _P von 20% wäre für den I-Anteil typisch. Ein Wert von 2,2°C wird für den dritten Parameter T _s, d. h. für den Überhitzungstemperatursollwert angenommen.

Der Wert des integralen Anteils I wird durch den Regler 57′ gemäß den folgenden Beziehungen geändert. In einem ersten Fall, wenn T _b-T_a kleiner als 2,2°C, dem Wert der Solltemperatur T _s, ist, subtrahiert die Regelanordnung 57′ ein Inkrement von z. B. 1% von dem I-Anteil in jedem Zeitintervall t. In einem zweiten Fall, wenn T _b-T_a größer als der gewählte Sollwert T _s von z. B. 2,2°C ist, addiert die Regelanordnung 57′ ein Inkrement von z. B. 1% zu dem I-Anteil in jedem Zeitintervall t. Das Zeitintervall t wird üblicherweise etwa 1 min betragen. Der P-Anteil zur Ventilöffnung, d. h. das Verhältnis der Offenzeit des Ventils 15′ zur Gesamtzeit der Taktperiode t _P ist gleich ([T _b-T_a]-T _s)×G, wobei G der Verstärkungsfaktor des P-Teils, d. h. der ersten Einrichtung 101 der Regelanordnung 57′ ist. Es beträgt der Zahlenwert der Verstärkung G etwa 3 bei optimaler Regelung der Kälteanlage 1′. Wenn die P- und I-Anteile in der Regelanordnung 57′ verknüpft werden, ist die Ventilposition, ausgedrückt in Prozent, als Verhältnis der Offenzeit zu der Gesamtlänge der Taktperiode t _P durch folgenden Ausdruck gegeben:
Offenzeit = I + ([T _b-T_a] - T _s) × G.

Beispielshalber ist aus Fig. 8 zu erkennen, daß, wenn die Kälteanlage 1′ so betrieben wird, daß die Istüberhitzungstemperatur etwa 2,2°C beträgt, gilt: (T _b-T_a)-T _s = 0. Daher ist das Signal, das durch den Proportionalteil der Regelanordnung 57′ geliefert wird, null, aber der Prozentsatz der Offenzeit zu der Taktperiode t _P des Ventils 15′ bleibt etwa 17%. Das stellt den I-Anteil dar, den die Regelanordnung 57′ liefert und der den Überhitzungstemperatursollwert von 2,2°C aufrechterhält. Solange die Istüberhitzungstemperatur auf etwa 2,2°C bleibt, wird der I-Teil, d. h. die zweite Einrichtung 102 der Regelanordnung 57′ nicht betätigbar sein, und der Wert des I-Anteils bleibt konstant auf 17%. Wenn jedoch (T _b-T_a)-T _s größer als null wird, beginnt der I-Teil der Regelanordnung 57′, ein Inkrement zu dem Verhältnis der Ventilöffnungszeit zur Taktperiode t _P zu addieren, und die Proportionalregelung wird wirksam, wodurch der Kältemitteldurchfluß in dem Verdampfer 13′ vergrößert und dessen Überhitzungstemperatur Δ T reduziert wird. Die Regelanordnung hat daher die Stabilität von I-Reglern und die schnelle Ansprechzeit von P-Reglern.

Das Schaltbild der Regelanordnung 57′ in Fig. 7 und die folgende Aufstellung der verwendeten Materialien werden den Fachmann in die Lage versetzen, die Regelanordnung 57′ herzustellen und zu benutzen.

Widerstände
Bezugszeichen
Widerstand

(Ohm)
R 1′\|4,02 K
R 3′	4,22 K
R 5′, R 14′, R 66′, R 67′	1,5 K
R 6′, R 58′	1,96 K
R 7′	6,19 K
R 9′, R 10′, R 23′	10,0 K
R 11′	1,62 K
R 12′	8,25 K
R 13′	1,58 K
R 16′, R 70′	348,0 K
R 17′	43
R 18′, R 19′, R 20′, R 47′, R 52′, R 62′	100,0 K
R 21′	9,1 K
R 22′	3,33 K
R 24′, R 72′	6,48 K
R 25′	1,5 K
R 26′	620
R 27′, R 31′, R 71′, R 73′, R 74′	4,99 K
R 29′, R 43′	9,09 K
R 30′	1,78 K
R 32′, R 33′	1,1 K
R 34′, R 49′, R 50′, R 53′, R 55′, R 57′, R 63′	2,05 K
R 35′, R 36′	215 K
R 37′, R 38′	4,42 K
R 39′, R 40′	8,87 K
R 41′, R 42′	1 K
R 44′, R 45′	2,49 K	R 46′, R 51′\|619 K
R 48′	110,0 K
R 54′	20,0 K
R 56′	1,02 K
R 61′	576
R 64′, R 65′	2,05 K
R 68′	3,48 K
R 69′	649,0 K
R 4′, R 8′, R 15′ (Trimpot)	500
R 28′ (Trimpot)	5 K
R 60′ (Trimpot)	1 K

Kondensatoren
Bezugszeichen
Kapazität

(Mikrofarad)
C 1, C 2′
330
C 3′	100
C 4′, C 5′	0,22
C 6′, C 7′, C 16′	0,1
C 8′	10
C 9′	0,68
C 10′, C 11′, C 12′, C 14′	1
C 13′	3,3
C 15′	0,047
C 17′	1

Operationsverstärker

Weitere Bauelemente

Das Expansionsventil 15′, dessen ausführlicher Aufbau oben beschrieben ist, eignet sich besonders zur Verwendung als ein kontinuierlich verstellbares Ein/Aus-Durchflußventil, das mit der Regelanordnung 57′ benutzt wird, weil es eine lange Lebensdauer hat, selbst wenn es auf oben beschriebene Weise wiederholt geöffnet und geschlossen wird. Wegen der speziellen Merkmale des Ventils 15′ hinsichtlich des Verkleinerns des Öffnungs- und Schließstoßes des beweglichen Verschlußteils 35′ und wegen der relativ großen Kontaktfläche der elastomeren Dichtung 39′ auf dem Ventilsitz 27′ hat das Ventil 15′ eine lange Lebensdauer, und es ist wenig oder keine Wartung erforderlich.

Der I-Teil der Regelanordnung 57′ wird verwendet, um die Verdampferüberhitzungstemperatur Δ T auf einem vorbestimmten Sollwert T _s von beispielsweise 2,2°C zu halten. Auf eine größere Belastung des Verdampfers 13′ hin wird die Überhitzungstemperatur Δ T, d. h. die Temperaturdifferenz T _b-T_a ansteigen und so die Größe (T _b-T_a)-T _s größer als null machen. Das wiederum bewirkt, daß der P-Teil der Regelanordnung 57′ zusammen mit dem I-Teil der Regelanordnung 57′ das Verhältnis der EIN-Zeit/Taktperiode t _P vergrößert und so eine Vergrößerung des Kältemitteldurchflusses bewirkt. Wenn die tatsächliche Überhitzungstemperatur (T _b-T_a) kleiner als null wird, wird der P-Teil der Regelanordnung 57′ passiv bleiben, es wird aber ein Inkrement von dem I-Anteil entfernt und so das Verhältnis der Öffnungszeit zu der Periode P und somit der Kältemitteldurchfluß verringert.