DE3601817A1 - Regelvorrichtung fuer den kaeltemittelzustrom zum verdampfer von kaelteanlagen oder waermepumpen sowie im kaeltemittelstrom angeordnete expansionsventile - Google Patents

Regelvorrichtung fuer den kaeltemittelzustrom zum verdampfer von kaelteanlagen oder waermepumpen sowie im kaeltemittelstrom angeordnete expansionsventile

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Description

Die Erfindung betrifft eine Regelvorrichtung für den Kältemittelzustrom zum Verdampfer von Kälteanlagen bzw. Wärmepumpen entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie im Kältemittelstrom angeordnete Expansionsventile entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 18.
Bei typischen bekannten Regelvorrichtungen wird das Expansionsventil thermostatisch gesteuert, etwa derart, daß eine zur Betätigung des Schließorganes des Expansionsventiles dienende Membrane auf einer Seite vom vor oder hinter dem Verdampfer anstehenden Kältemitteldruck der Anlage und auf der anderen Seite mittels eines Fluides beaufschlagt wird, welches sein Volumen bzw. seinen Druck temperaturabhängig mittels eines Temperaturfühlers ändert, der mit wärmeleitendem Kontakt hinter dem Verdampfer angebracht ist. Dementsprechend bewegt sich die Membrane in der einen oder anderen Richtung, je nachdem, ob auf ihrer einen oder anderen Seite ein höherer Druck ansteht. Die auf diese Weise ausgeführte Stellbewegung bewirkt wiederum eine Änderung des freien Durchflußquerschnittes (Drosselquerschnitt) und somit eine Änderung des Massenstromes. Darüber hinaus gibt es auch Anordnungen, bei denen das Fluid auf der einen Seite der Membrane mittels einer elektrischen Heizung mehr oder weniger stark erhitzt wird, um den Druck des Fluides bzw. dessen Volumen zu verändern.
Bei derartigen Regelvorrichtungen müssen die Expansionsventile dem jeweils verwendeten Kältemittel angepaßt sein, d.h. die Hersteller sind gezwungen, eine Vielzahl von gleichartigen Geräten vorzusehen. Um gute Regeleigenschaften zu erzielen, ist es außerdem notwendig, das Expansionsventil vom Durchflußquerschnitt her möglichst genau auf die jeweilige Anlage abzustimmen. Außerdem können die Kapilarleitungen, welche üblicherweise zwischen den Fühlern und dem Expansionsventil angeordnet sind, nicht beliebig lang angeordnet werden.
Schließlich kann das Zeit- und Ansprechverhalten des Expansionsventiles nicht nachträglich dem Zeitverhalten unterschiedlicher Anlagen angepaßt werden, statt dessen muß das gewünschte Zeitverhalten durch konstruktiv anders ausgeführte Expansionsventile bereits im Planungsstadium der Anlage berücksichtigt werden.
Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, eine Steuervorrichtung zu schaffen, die bei geringem konstruktiven Aufwand eine besonders flexible Anpassung an unterschiedliche Einsatzbedingungen und insbesondere auch an Kälteanlagen unterschiedlicher Leistung gestattet.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Expansions­ ventil mittels eines den - vorzugsweise elektrischen - Stellmotor desselben steuernden Rechners in Abhängigkeit der Signale von eingangs- und ausgangsseitig an der Kältemittelleitung des Verdampfers angeordneten temperaturempfindlichen Sensoren sollwertabhängig regelbar ist.
Da der Rechner jederzeit umprogrammiert werden kann, kann die Steuerung des jeweiligen Expansionsventiles praktisch allen denkbaren Betriebsbedingungen angepaßt werden, ohne die Ventilkonstruktion abändern zu müssen. Somit kann ein einziger Ventiltyp praktisch universell eingesetzt werden. Da die Regelung in Abhängigkeit von temperaturempfindlichen Sensoren erfolgt, brauchen am Kältemittelkreislauf keinerlei Abzweigungen bzw. Öffnungen vorgesehen zu werden. Im übrigen können als Sensoren handelsübliche Fühler verwendet werden, die beispielsweise mittels Thermowiderständen eine temperaturabhängige elektrische Spannung erzeugen und dementsprechend gegebenenfalls auch über sehr lange elektrische Signalleitungen mit dem Rechner verbunden sein können, welcher somit praktisch beliebig angeordnet werden kann. Dies bringt den weiteren Vorteil mit sich, daß gegebenenfalls auch ein für andere Zwecke bereits vorhandener Rechner, beispielsweise ein Prozeßrechner zur Steuerung einer Gesamtkälteanlage od.dgl., auch zur Steuerung des Expansionsventiles mitverwendet werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß der Rechner, falls die Eingangstemperatur am Verdampfer unterhalb eines ersten Stellwertes liegt, das Expansionsventil im Sinne einer zunehmenden Öffnung ansteuert, wenn die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangstemperatur am Verdampfer einen Sollwert überschreitet, bzw. im Sinne einer zunehmenden Schließung, wenn die Differenz den Sollwert unter­ schreitet. Da die Temperaturdifferenz zwischen Eingang und Ausgang bei einer vorgegebenen Anlage eine Aussage über den Füllungsgrad des Verdampfers darstellt (zu hoher Massenstrom ergibt eine geringe, ein kleiner Massenstrom eine große Temperaturdifferenz), läßt sich dieses Signal als Eingangsgröße (Regelgröße)der Regler­ vorrichtung verwenden.
Des weiteren ist zweckmäßigerweise vorgesehen, daß der Rechner das Expansionsventil im Sinne einer vollständigen Schließung ansteuert, wenn die Eingangstemperatur am Verdampfer oberhalb eines zweiten Schwellwertes liegt. Bei dieser Steuerungsweise wird berücksichtigt, daß nach längerem Stillstand einer Kälteanlage aufgrund der dann vorhandenen vergleichsweise hohen Verdampfertemperatur, welche gegebenenfalls der Umgebungstemperatur entsprechen kann, im Verdampfer ein Dampf hoher Dichte und hohen Druckes vorliegt, welcher zu einem entsprechend hohen Druck saugseitig des Kompressors führt. Wenn nun die Kälteanlage in Betrieb gesetzt wird, so muß der den Kompressor treibende Motor eine große Verdichtungsarbeit verrichten, weil die Verdichtung eines Dampfes großer Dichte eine wesentlich höhere Leistung erfordert als die Verdichtung von Dämpfen mit geringerer Dichte. Durch die Erfindung kann nun die Phase hohen Leistungs­ bedarfs für den Kompressor wesentlich verkürzt werden, da aufgrund des zunächst geschlossen gehaltenen Expansionsventiles kein zusätzliches Kältemittel in den Verdampfer strömen kann.
Bei der vorgenannten Betriebsphase mit geschlossenem Expansionsventil müssen notwendigerweise zwischen Eingangs- und Ausgangstemperatur des Verdampfers Temperaturdifferenzen auftreten, die den oben angegebenen Sollwert deutlich überschreiten. Aus diesem Grunde ist es zweckmäßigerweise vorgesehen, zwischen der Betriebs­ phase mit geschlossenem Expansionsventil und der Betriebsphase mit Ventilsteuerung in Abhängigkeit von der Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangstemperatur am Verdampfer eine besondere Betriebsart vorzusehen.
Dabei ist es zweckmäßig, als zweiten Schwellwert eine relativ dicht oberhalb des ersten Schwellwertes liegende Temperatur zu wählen und das Expansionsventil ausschließ­ lich in Abhängigkeit von der Eingangstemperatur am Verdampfer zu steuern, solange die Eingangstemperatur zwischen den beiden Schwellwerten liegt.
Um die Steuerung in möglichst einfacher Weise an unterschiedliche Kälteanlagen anpassen zu können, ist gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, am Rechner einen Vorwahl­ schalter, beispielsweise in Form eines Potentiometers und zweckmäßigerweise mit feinstufiger Unterteilung, zur Ein- und Verstellung des Sollwertes für die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangstemperatur und/oder zumindest einen weiteren derartigen Schalter zur Ein- bzw. Verstellung zumindest eines der genannten Schwellwerte anzuordnen. Zusätzlich oder alternativ kann der Rechner auch bevorrechtigte Digitaleingänge zur Soll- und/oder Schwellwertvorgabe mittels eines übergeordneten Rechners besitzen.
Im übrigen können am Rechner weitere bevorrechtigte Eingänge vorgesehen sein.
Dabei kann ein solcher bevorrechtigter Eingang durch Ein- bzw. Ausschalten des Kompressors erregbar sein, mit der Folge, daß der Rechner das Expansionsventil bei stillstehendem Kompressor im Sinne einer voll­ ständigen Schließung ansteuert. Bei einer derartigen Anordnung erübrigen sich gesonderte Absperrventile, welche bei bisherigen Kälteanlagen oftmals in Reihe zum Expansionsventil angeordnet sind und simultan mit dem Einschalten des Kompressors geöffnet bzw. mit dem Ausschalten desselben geschlossen werden.
Ein weiterer bevorrechtigter Eingang kann erregt werden, wenn der Verdampfer abgetaut werden soll, d.h. beim sogenannten Defroster-Betrieb. Falls der Verdampfer mittels einer gesonderten elektrischen oder sonstigen Heizung abgetaut wird, kann der Rechner das Expansions­ ventil im Sinne einer vollständigen Schließung ansteuern. Wird dagegen der Verdampfer durch sogenannte Heißgas­ abtauung abgetaut oder zur Enteisung im Umkehrbetrieb betrieben, so wird der Rechner das Expansionsventil im Sinne einer vollständigen Öffnung ansteuern.
Der Rechner arbeitet zweckmäßigerweise als sogenannter Proportional-Integral-Regler mit einstellbarem Proportional- und/oder Integralanteil. Dabei ist ein digitaler Rechner bevorzugt, d.h. die temperaturabhängigen Ausgangsspannungen der Sensoren werden dem Rechner über entsprechende Analog-Digital-Wandlung digitalisiert zugeführt, wobei die Analog-Digital-Wandler einerseits direkt als Teil des Rechners oder andererseits als separate Glieder an den Sensoren angeordnet sein können.
Um Inspektions- bzw. Einstellarbeiten zu erleichtern, kann der Rechner Meßausgänge besitzen, an denen ein die Eingangs- und/oder Ausgangstemperatur bzw. ganz allgemein die von den zur Steuerung bzw. Regelung der Kälteanlage oder Wärmepumpe dienenden Sensoren ermittelten Meßgrößen wiedergebendes Signal, beispielsweise eine temperatur­ proportionale Spannung, abgreifbar ist. Damit genügt es, gegebenenfalls am Rechner und dementsprechend unter Umständen in größerer Entfernung von der Kälteanlage ein elektrisches Meßgerät, beispielsweise einen Spannungs­ messer, anzuschließen, dessen Anzeige dann unmittelbar die Meßgröße darstellt, beispielsweise eine Temperatur.
Schließlich ist vorzugsweise vorgesehen, daß der Rechner Ausgänge für Zustandsanzeigen, insbesondere für als Zustandsanzeigen angeordnete Lampen, zum Beispiel Leuchtdioden od.dgl., aufweist, welche zum Beispiel erregbar sind, wenn Stellmotor und Rechner mit ihrer Speisespannung versorgt sind, das Expansionsventil öffnet oder schließt, am Regler das Signal "Abtauen" vorliegt und/oder Fehler an den Sensoren oder deren Zuleitungen oder auch Fehler in der Elektronik aufgetreten sind.
Als Stellmotor ist vorzugsweise ein Elektromotor, insbesondere ein zweiphasig bipolarer Schrittmotor, vorgesehen, dessen Drehbewegung in bevorzugter Weise derart in eine Linearbewegung umgewandelt wird, daß der Motor in einem Gehäuse axial verschiebbar, jedoch undrehbar gelagert ist und ein mit der Motorwelle verbundenes Gewindeteil treibt, welches in bzw. an einem stationär angeordneten Gegengewindeteil schraub­ verschiebbar angeordnet ist und sich dementsprechend bei laufendem Motor je nach dessen Drehrichtung zusammen mit dem Motor in der einen oder anderen Richtung zum unmittelbaren Antrieb des Verschlußgliedes des Expansionsventiles verschiebt oder zum mittelbaren Antrieb desselben mit einem weiteren Gewindeteil als Differential-Schraubgetriebe ausgebildet ist.
Das Verschlußglied des Expansionsventiles ist zweck­ mäßigerweise mittels Balges nach außen abgedichtet. Damit besteht die Möglichkeit, den Stellmotor zusammen mit dem das Verschlußglied betätigenden Stellglied als demontierbare Einheit am Ventilgehäuse anzubringen und gegebenenfalls ohne Öffnung des Kältemittelkreislaufes auszutauschen.
In diesem Zusammenhang ist des weiteren bevorzugt vorgesehen, daß der Stellmotor in einem dichten Gehäuse angeordnet ist, welches mit dem Ventilgehäuse dicht verbindbar ist, so daß der Stellantrieb nicht durch vereisendes Kondenswasser blockiert werden kann.
Der bereits erwähnte Schrittmotor ist als Stellmotor besonders bevorzugt, weil durch seine Anordnung der elektronische Aufwand wesentlich vermindert werden kann. Ein elektrischer Schrittmotor wird mit elektrischen Impulsen, im allgemeinen Rechteckimpulsen, angesteuert, wobei der Motor bei jedem Impuls eine Stellbewegung vorgegebener Größe in der einen oder anderen Richtung, je nach Art des Impulses, ausführt. Dementsprechend bestimmt die Zahl der Impulse den Gesamtverstellweg, während die zeitliche Aufeinanderfolge der Impulse die Verstellgeschwindigkeit bestimmt. Damit erübrigen sich gesonderte Elemente zur Überwachung des Verstellweges bzw. der Verstellgeschwindigkeit. Besonders bevorzugt ist nun eine Anordnung, bei der mittels des Schrittmotors eine vielstufige und dementsprechend feine Steuerung des Verschlußorganes des Expansionsventiles möglich ist, d.h. das Verschlußorgan des Expansionsventiles führt bei jedem Bewegungsschritt des Schrittmotors einen relativ geringen Hub aus. Damit ist auch im Teillast­ bereich, wenn das Verschlußorgan nur einen geringen Anteil des je nach Ventilkonstruktion konstruktiv möglichen maximalen Öffnungsquerschnittes freigibt, eine besonders feinfühlige Beeinflussung des Kälte­ mittelstromes im Expansionsventil möglich. Dies bringt den weiteren Vorteil mit sich, daß das Expansionsventil ohne konstruktive Abänderung für unterschiedliche Kälte­ mittel eingesetzt werden kann. Die Verwendbarkeit eines Expansionsventiles ist damit praktisch unabhängig von der Art des jeweiligen Kältemittels.
Die Verwendung weitestgehend beliebiger, gegebenenfalls bereits vorhandener Rechner zur Regelung der Kälteanlage wird wesentlich erleichtert, wenn eine als Schnittstelle zwischen dem Rechner sowie dem Stellmotor angeordnete motoreigene Steuerelektronik, welche übliche digitale Eingangssignale zu verarbeiten vermag, im bzw. am Gehäuse des Stellmotors untergebracht ist.
Im übrigen wird bezüglich bevorzugter Merkmale der Erfindung auf die Unteransprüche sowie die nachfolgende Beschreibung verwiesen, in der die Erfindung anhand der Zeichnung genauer erläutert wird, in der bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt sind. Dabei zeigen
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Wärmepumpe mit erfindungsgemäßer Regelung,
Fig. 2 ein Datenflußdiagramm zur Veranschaulichung der Rechnerarbeit,
Fig. 3 ein Diagramm, welches die Verdampfereingangs­ temperatur in Abhängigkeit von der Laufzeit t des Kompressors wiedergibt,
Fig. 4 ein leicht schematisiertes Schnittbild des Expansionsventiles zusammen mit dem zugehörigen Stellmotor und
Fig. 5 eine gegenüber Fig. 4 abgeänderte Konstruktion.
Gemäß Fig. 1 besteht die Kälteanlage im wesentlichen aus einem Kältemittelkreislauf mit einem Kompressor 1, einem druckseitig desselben angeordneten Kondensator 2 sowie einem saugseitig des Kompressors angeordneten Verdampfer 3, dessen Eingang mit dem Ausgang des Kondensators 2 über ein durch einen Stellmotor 4 gesteuertes Expansionsventil 8 sowie einen zwischen dasselbe und den Kondensator geschalteten Sammler 7 für kondensiertes Kältemittel verbunden ist.
Am Eingang und Ausgang des Verdampfers sind Temperaturfühler 5 und 6 angeordnet, die jeweils eine elektrische Spannung mit von der gemessenen Temperatur abhängigem Pegel erzeugen. Diese Spannungen werden mittels Analog-Digital-Wandler 9 in digitale Eingangssignale T E bzw. T A für einen Rechner 10 umgewandelt und demselben als Eingangssignale zugeleitet.
Der Rechner 10 erhält von einem ein- bzw. verstellbaren Sollwertgeber 11 Sollwerte T Dsoll für die Temperatur­ differenz T D =T E -T A . Im übrigen kann der Sollwertgeber 11 gegebenenfalls auch weitere Sollwerte für besondere Betriebsphasen und/oder Schwellwerte - vorzugsweise veränderbar - vorgeben. Darüber hinaus besitzt der Rechner 10 bevorrechtigte Eingänge, welche zur Eingabe von Signalen dienen, die ihrerseits wiedergeben, ob der Motor 12 des Kompressors 1 läuft und/oder ob ein Defrosterbetrieb zum Abtauen des Verdampfers 3 eingeschaltet ist.
In Abhängigkeit von den Eingangssignalen steuert bzw. regelt der Rechner 10 den Stellmotor 4, indem entsprechende Ausgangssignale vom Rechner an eine dem Stellmotor 4 vorgeschaltete, dieselben steuernde Steuerelektronik 13 gegeben werden.
Der Rechner 10 arbeitet bevorzugt digital, dementsprechend sind alle Eingangs- und Ausgangssignale des Rechners 10 digitalisiert.
Gemäß Fig. 2 überprüft der Rechner 10 bei Position 100 zunächst, ob ein Defrosterbetrieb zum Abtauen des Verdampfers eingeschaltet ist. Ist dies der Fall, so wird das Expansionsventil entweder geöffnet oder geschlossen, je nachdem, in welcher Weise der Verdampfer beim Defrosterbetrieb zum Abtauen erwärmt wird. Erfolgt die Erwärmung mittels einer gesonderten, in der Regel elektrischen Heizung, so wird das Expansionsventil geschlossen. Erfolgt die Erwärmung des Verdampfers dadurch, daß der Verdampfer durch entsprechende Verstellung von Umschaltventilen (in Fig. 1 nicht dargestellt) unmittelbar an die Druckseite des Kompressors 1 angeschlossen wird (Umkehrbetrieb), so wird das Expansionsventil 8 geöffnet, um eine vom Verdampfer 3 zum Kondensator 2 führende, gegenüber dem normalen Kühlbetrieb umgekehrte Strömungsrichtung zu ermöglichen, bei der der Verdampfer die Funktion eines Kondensators übernimmt und dementsprechend erwärmt wird, während der Kondensator als Verdampfer arbeitet und abkühlt.
In gleicher Weise wird das Expansionsventil 8 bei Heißgasabtauung geöffnet, bei der durch Verstellung von Umschaltventilen die Druckseite des Kompressors 1 direkt mit dem Eingang des Expansionsventiles 8 verbunden wird.
Danach überprüft der Rechner 10 gemäß Position 101, ob der Kompressor 1 bzw. dessen Motor 12 laufen. Bei Stillstand wird das Expansionsventil 8 geschlossen.
Wenn der Defrosterbetrieb nicht eingeschaltet ist und der Kompressor 1 läuft, werden gemäß Position 102 die von den Temperaturfühlern 5 und 6 erzeugten, die Eingangs- und Ausgangstemperatur am Verdampfer 3 wiedergebenden Signale T E sowie T A gelesen.
Sodann wird zunächst bei Position 103 überprüft, ob das Eingangssignal T E kleiner ist als ein erster Schwellwert T′ max ist.
Falls dies der Fall ist, wird bei Position 104 die Differenz T D zwischen den Eingangssignalen T E sowie T A gemäß T D =T A -T E berechnet und mit einem Sollwert T Dsoll verglichen.
Dazu wird bei Position 105 überprüft, ob T D - innerhalb eines vorgegebenen Intervalles - mit T Dsoll übereinstimmt. Ist dies der Fall, wird der Stellmotor 4 des Expansionsventiles nicht betätigt, d.h. die Stellung des Expansionsventiles bleibt unverändert.
Wenn T D und T Dsoll nicht hinreichend übereinstimmen, wird bei Position 106 überprüft, ob T D kleiner (oder größer) als der Sollwert T Dsoll ist. Ist dies der Fall, d.h. liegt T D unterhalb seines Sollwertes, so wird der Stellmotor 4 des Expansionsventiles 8 im Sinne einer Öffnung desselben angesteuert. Im anderen Fall, d.h. wenn der Wert von T D oberhalb des zugehörigen Sollwertes liegt, wird der Stellmotor 4 des Expansionsventiles 8 im Sinne einer zunehmenden Öffnung desselben angesteuert.
Falls sich bei Position 103 ergibt, daß die Eingangstemperatur T E nicht kleiner ist als der angegebene Schwellwert T′ max , so wird zunächst bei 107 überprüft, ob T E oberhalb eines weiteren Schwellwertes T max liegt, der größer als T′ max liegt. Ist dies der Fall, so wird der Stellmotor 4 des Expansionsventiles im Sinne einer vollständigen Schließung desselben angesteuert.
Im anderen Falle, der gleichbedeutend damit ist, daß die Eingangstemperatur T E zwischen den beiden Schwellwerten liegt, erfolgt eine Steuerung bzw. Regelung des Stellmotores 4 des Expansionsventiles 8 ausschließlich in Abhängigkeit von der Eingangstemperatur bzw. dem entsprechenden Signal T E , bis T E unterhalb des ersten Schwellwertes T′ max liegt bzw. mit diesem Schwellwert hinreichend übereinstimmt. Sodann erfolgt die oben bereits beschriebene Signalverarbeitung entsprechend den Positionen 104 bis 106.
Nach Durchführung der vorbeschriebenen Signalverarbeitung wird der gleiche Vorgang wiederholt, wobei nunmehr aufgrund des in der Regel verstellten Expansionsventiles 8 veränderte Werte von T E sowie T A verarbeitet werden.
Aufgrund der beschriebenen Signalverarbeitung ergibt sich der in Fig. 3 dargestellte zeitliche Verlauf der Verdampfer­ eingangstemperatur bzw. des dieselbe wiedergebenden Signales T E . Im übrigen ergibt sich auch ein entsprechender Verlauf des Eingangsdruckes am Verdampfer 3, weil sich Druck und Temperatur am bzw. im Verdampfer simultan und gleichgerichtet ändern.
Die den Verlauf der Eingangstemperatur darstellende Kurve besitzt die Abschnitte 20, sowie 20′ und 20′′. Hat T E einen sehr hohen Wert, so sinkt derselbe bei laufendem Kompressor 1 sehr schnell und stark ab, weil das Expansionsventil gemäß den Ausführungen zu Fig. 2 geschlossen ist, solange T E oberhalb des Schwellwertes T max liegt. Entsprechend dem starken Temperaturabfall im Bereich 20′ der Kurve sinkt auch der Kältemitteldruck saugseitig des Kompressors stark ab, so daß derselbe nur kurzzeitig im Bereich hoher Saugdampfdichte arbeiten muß.
Sobald T E auf den Schwellwert T max abgesunken ist, wird das Expansionsventil 8 geöffnet, wobei der Öffnungsquerschnitt in Abhängigkeit von der Verdampfereingangstemperatur und damit in Abhängigkeit vom Signal T E geregelt wird. Dabei sinkt T E nur langsam ab bzw. bleibt eine gewisse Zeit annähernd konstant. Diese Betriebsphase dient vor allem dazu, die Differenz T D , welche bei der mit dem Abschnitt 20′ dargestellten Betriebsphase angestiegen ist, zu vermindern.
Sobald T E auf den weiteren Schwellwert T′ max abgesunken ist, erfolgt die weitere Regelung des Expansionsventiles 8 sollwertabhängig, d.h. in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz T D zwischen T A und T E . Dabei sinkt T E entsprechend einem Kurvenabschnitt 20 ab.
Die Kurve 21 zeigt die Verhältnisse, welche sich ergeben, wenn die Regelung des Expansionsventiles 8 ausschließlich in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz T D vorgenommen wird. Man erkennt, daß der Kompressor 1 verhältnismäßig lange Zeit bei relativ hoher Verdampfereingangstemperatur und damit bei hohem saugseitigen Druck arbeiten müßte.
Das in Fig. 4 dargestellte Expansionsventil 8 besitzt ein Ventilgehäuse 80 mit einem mit dem Sammler 7 (vgl. Fig. 1) verbundenen Eingang 82 sowie einem zum Verdampfer 3 führenden Ausgang 81, wobei die Eingangs- und die Ausgangsleitung wie dargestellt, einen etwa rechten Winkel bilden. Zwischen Eingang 82 und Ausgang 81 ist eine düsenförmige Öffnung 83 angeordnet, deren Öffnungsquerschnitt mittels eines nadelartigen Verschlußorgans 84 steuerbar und gegebenenfalls vollständig absperrbar ist. Das Verschlußorgan 84 ist in einer zur Eingangsleitung etwa gleichachsigen Bohrung des Ventilgehäuses 80 verschiebbar gelagert und auf der Außenseite dieser Bohrung mittels eines Balges 85 nach außen abgedichtet, welcher einerseits mit dem Verschlußorgan 84 und andererseits mit dem Ventilgehäuse 80 dicht verbunden ist. Das Verschlußorgan 84 durchsetzt den Balg 85, derart, daß ein von der Öffnung 83 abgewandtes Ende des Verschlußorganes 84 zur Verstellung desselben zugänglich ist. Der Stellmotor 4 ist in einem Gehäuse 40 angeordnet, welches mittels eines Stutzens 41 sowie einer Überwurfmutter 42 sowie unter Zwischenschaltung einer Dichtung 43 in der dargestellten Weise in Verlängerung des Verschlußorganes 84 angeordnet ist. Das Gehäuse 40 ist zweckmäßigerweise gas- und dampfdicht ausgebildet, so daß keinerlei Feuchtigkeit eindringen und gegebenenfalls vereisen kann, wenn das Gehäuse 40 entsprechend dem Ventilgehäuse 80 abkühlt.
Innerhalb des Gehäuses 40 ist der Stellmotor 4 undrehbar jedoch axial entsprechend dem Doppelpfeil S verschiebbar gelagert, indem ein oder zwei am Motor angeordnete Zapfen 44 verschiebbar in Sackbohrungen eines Bodens des Gehäuses 40 verschiebbar eingesetzt sind. Die Abtriebswelle 45 des Motors 4 ist unmittelbar mit einer Schraubspindel 46 verbunden, welche in einem Gegengewinde innerhalb des Stutzens 41 schraubverschiebbar angeordnet ist. Bei Drehung der Schraubspindel 46 durch den Motor 4 bewegen sich also die Spindel 46 sowie der Motor 4 entsprechend dem Doppelpfeil S nach oben oder nach unten, wobei das an der Spitze der Schraubspindel 46 anliegende Verschlußorgan 84 eine entsprechende Bewegung unter Veränderung des freien Querschnittes der Öffnung 83 ausführt.
Zweckmäßigerweise ist die Steuerelektronik (nicht dargestellt) des Motors 4 am oder im Gehäuse 40 untergebracht, so daß keinerlei zusätzliche Schnittstellenschaltungen angeordnet werden müssen, um die digitalen Ausgangssignale des Rechners 10 in zur Steuerung des Motors 4 geeignete Stellsignale umzusetzen.
Die Ausführungsform nach Fig. 5 entspricht im wesentlichen der Konstruktion, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist. Im Unterschied dazu wird hier der Stellmotor 4 in Pfeilrichtung S heb- und senkbar, jedoch undrehbar ge­ führt, indem am Gehäuse 40 zumindest eine Ausbuchtung in Form einer vertikalen Rippe 40′angeordnet ist, welche mit Führungsnocken 4′ od.dgl. am Stellmotor 4 zusammen­ wirken. Im übrigen ist anstelle der Schraubspindel 46 eine Schraubhülse 47 vorgesehen, welche ein Außen- sowie ein Innengewinde aufweist. Mit dem Außengewinde ist die Hülse 47 in gleicher Weise wie die Schraubspindel 46 im Stutzen 41 schraubverschiebbar geführt. Das Innen­ gewinde besitzt eine dem Außengewinde entgegengesetzte Steigung, dessen Steilheit von der Steilheit des Außen­ gewindes abweicht. Das Innengewinde wirkt mit einer Gewindestange 48 zusammen, die als Teil des Verschluß­ organs 84 bzw. mit demselben fest verbunden angeordnet ist. Diese Gewindestange 48 wird mittels des Balges 85 zusammen mit dem Verschlußorgan 84 undrehbar, jedoch axial verschiebbar gehaltert.
Aufgrund der beschriebenen Gewindeanordnung bewegt sich beispielsweise die Schraubhülse 47 bei laufendem Stell­ motor 4 relativ zum Stutzen 41 in Abwärtsrichtung, während sich die Gewindestange 48 relativ zur Schraubhülse 47 in Aufwärtsrichtung bewegt. Damit ergibt sich der Verstellweg des Verschlußorgans 84 als Differenz zwischen dem Verstellweg der Schraubhülse 47 relativ zum Stutzen 41 und dem Verstellweg der Gewindestange 48 relativ zur Schraubhülse 47. Damit wird die Möglichkeit geschaffen, Gewinde großer Steilheit und großer Tragkraft zu verwenden; gleichwohl kann eine hohe Übersetzung erreicht werden, d.h. für einen relativ geringen Verstellhub des Verschluß­ organes 84 ist ein relativ großer Drehhub des Stellmotors 4 notwendig.

Claims (19)

1. Regelvorrichtung für den Kältemittelzustrom zum Verdampfer von Kälteanlagen bzw. Wärmepumpen mit einem im Kältemittelkreislauf angeordneten Kompressor, welcher druckseitig mit dem Eingang eines Kondensators und saugseitig mit dem Ausgang eines Verdampfers verbunden bzw. verbindbar ist, der eingangsseitig über ein hinsichtlich seines Öffnungsgrades steuerbares Expansionsventil mit dem Ausgang des Kondensators bzw. eines Sammlers verbindbar ist, der zwischen das Expansionsventil und den Kondensator geschaltet bzw. als Ausgang des Kondensators angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Expansionsventil (8) mittels eines den - bevorzugt elektrischen - Stellmotor (4) desselben steuernden Rechners (10) in Abhängigkeit der Signale (T E , T A ) von eingangs- und ausgangsseitig an der Kältemittelleitung des Verdampfers (3) angeordneten temperaturempfindlichen Sensoren (5, 6) sollwertabhängig regelbar ist.
2. Regelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner (10), falls die Eingangstemperatur (T E ) am Verdampfer (3) unterhalb eines ersten Schwellwertes (T′ max ) liegt, das Expansionsventil (8) im Sinne einer zunehmenden Öffnung ansteuert, wenn die Differenz (T D ) zwischen Eingangs- und Ausgangstemperatur (T E , T A ) am Verdampfer (3) einen Sollwert (T Dsoll ) überschreitet, bzw. im Sinne einer zunehmenden Schließung, wenn die Differenz den Sollwert unterschreitet.
3. Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner (10) das Expansionsventil (8) im Sinne einer vollständigen Schließung ansteuert, wenn die Eingangstemperatur (T E ) am Verdampfer (3) oberhalb eines zweiten Schwellwertes (T max ) liegt.
4. Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schwellwert (T′ max ) kleiner als der zweite Schwellwert (T max ) ist und der Rechner (10) bei zwischen den Schwellwerten liegender Eingangstemperatur (T E ) am Verdampfer (3) das Expansionsventil (8) ausschließlich in Abhängigkeit von der Eingangstemperatur steuert.
5. Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß am Rechner (10) ein Vorwahlschalter zur Ein- bzw. Verstellung des Sollwertes, insbesondere für die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangstemperatur am Verdampfer (3), angeordnet ist.
6. Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß am Rechner (10) Schalter zur Ein- bzw. Verstellung von Schwellwerten (T max′ T′ max ) angeordnet sind.
7. Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner bevorrechtigte Digitaleingänge zur Soll- und/oder Schwellwertvorgabe mittels eines übergeordneten Rechners besitzt.
8. Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner als Proportional-Integral-Regler mit einstellbarem Proportional- und/oder Integralanteil arbeitet.
9. Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner (10) einen durch Ein- bzw. Ausschalten des Kompressors (1) erregbaren Eingang besitzt und das Expansionsventil (8) bei stillstehendem Kompressor (1) im Sinne einer vollständigen Schließung ansteuert.
10. Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner (10) einen bei Einschaltung eines Abtaubetriebes (Defroster) erregten Eingang besitzt und das Expansionsventil (8) je nach Art des Abtaubetriebes öffnet oder schließt.
11. Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner (10) Meßausgänge besitzt, an denen ein die Eingangs- und/oder Ausgangstemperatur wiedergebendes Signal, z.B. eine temperaturproportionale Spannung, bzw. ein die Meßgröße der Sensoren (5, 6) wiedergebendes Signal abgreifbar sind.
12. Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner (10) Ausgänge für Zustandsanzeigen, insbesondere für als Zustandsanzeigen angeordnete Lampen, z.B. Leuchtdioden od.dgl., aufweist.
13. Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellmotor (4) in einem Gehäuse (40) axial verschiebbar, jedoch undrehbar gelagert und direkt ein mit der Motorwelle verbundenes Gewindeteil (Spindel 46) treibt, welches in bzw. an einem stationären Gegengewindeteil (Stutzen 41) angeordnet ist und das Verschlußorgan (84) des Expansionsventiles (8) antreibt (Fig. 4).
14. Regelvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewindeteil (46) zusammen mit dem Verschlußorgan (84) bzw. einem dasselbe antreibenden Element ein Differential- Schraubgetriebe bildet (Fig. 5).
15. Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschlußorgan (84) des Expansionsventiles (8) mittels Balges (85) nach außen abgedichtet ist und der Stellmotor (4) zusammen mit dem das Verschlußorgan (84) betätigenden Stellglied (Spindel 46) als demontierbare Einheit am Ventilgehäuse (80) anbringbar ist.
16. Regelvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellmotor (4) in einem dichten Gehäuse angeordnet ist, welches mit dem Ventilgehäuse (80) dicht verbindbar ist.
17. Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine als Schnittstelle zwischen Rechner (10) und Stellmotor (4) angeordnete Steuerelektronik (13) im bzw. am Gehäuse (40) des Motors (4) untergebracht ist.
18. Expansionsventil von Kälteanlagen bzw. Wärmepumpen mit Stellmotor zur Steuerung des Ventil- Öffnungsgrades, insbesondere zur Kombination mit einer Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß als Stellmotor ein elektrischer Schrittmotor zur inkrementalen Änderung des Öffnungsgrades angeordnet ist.
19. Expansionsventil nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Schrittmotor zweiphasig bipolar ist.
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