DE4036059A1 - Kaelteanlage sowie expansionsventil fuer insbesondere eine solche - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kälteanlage mit einem Kältemittel, das von einem Verflüssiger kommend in flüssiger Form über eine erste Leitung einem Expansionsventil zuführbar ist, welches in einem Ventilgehäuse eine von einem Federelement betätigbare gegen einen Ventilsitz verschiebbare Ventilnadel aufweist, und das bei reduziertem Druck über eine von dem Ventilgehäuse ausgehende zweite Leitung einem Verdampfer zuführbar ist, wobei das Federelement in einem Ventilgehäuseabschnitt angeordnet ist, der von dem den reduzierten Druck aufweisenden Kältemittel beaufschlagbar ist und in dem gegebenenfalls in dem Kältemittel vorhandene Medien wie Schmierstoffe aus­ scheidbar sind. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Expansionsventil für ins­ besondere Kühlanlagen mit in einem Ventilgehäuse verschiebbar angeordneter, von einem Federelement beaufschlagter Ventilnadel und dieser zugeordnetem Ventilsitz, einem ersten Anschluß zur Zuführung von flüssigem, gegebenenfalls ausscheidbare Medien wie Schmierstoffe enthaltendem Kühlmittel und einem zweiten Anschluß für druckreduziertes Kühlmittel, wobei das Federelement in einem Ventilgehäuseabschnitt verläuft, der von dem druckreduzierten Kühlmittel beaufschlagbar ist.

In Kälteanlagen, durch die tiefe Temperaturen im Bereich von ohne weiteres z. B. -40°C oder weniger wie z. B. -80°C erzeugt werden und innerhalb vorgegebener Grenz­ werte haltbar sind, gelangen automatische und thermostatische Expansionsventile zum Einsatz, die die Aufgabe von Proportionalreglern ausüben und in der Kälteanlage die Aufgaben der Kältemitteldrosselung und der Regelung des Kältemittelmassenstroms im Verdampfer erfüllen.

Bei den automatischen Expansionsventilen handelt es sich um druckgesteuerte Expan­ sionsventile, durch die der Kältemittelmassenstrom im Verdampfer so geregelt wird, daß im Verdampfer ein konstanter Verdampfungsdruck während des Kühlbetriebs aufrech­ terhalten wird.

Thermostatische Expansionsventile regulieren den Kältemittelmassenstrom im Ver­ dampfer in Abhängigkeit von der Größe der Überhitzung des Kältemittels. Dabei wird dem Verdampfer durch das thermostatische Expansionsventil derjenige Kältemittel­ massenstrom zugeführt, der unter den jeweiligen Betriebsbedingungen verdampfbar ist, so daß die Wärmeaustauschflächen des Verdampfers möglichst optimal ausgenutzt werden.

Bei thermostatischen Expansionsventilen mit innerem Druckausgleich wirkt der am Verdampferanfang herrschende Druck auf eine Steuerorgan, wohingegen bei Expan­ sionsventilen mit äußerem Druckausgleich der um den Druckabfall des Verdampfers reduzierte, am Verdampferende herrschende Druck auf das Steuerorgan einwirkt.

Das Steuerorgan ist dabei eine Membran, die über ein Übertragungselement - wie Stift - auf eine federbeaufschlagte Ventil- oder Düsennadel einwirkt, um in Abhängigkeit von zum einen den auf die Membran einwirkenden Drücken und zum anderen dem Druck des Federelementes die Ventilnadel oder -düse von dem Ventilsitz des Expansions­ ventiles abhebt oder an diesem anliegt, also das Ventil schließt. Dabei wirken auf die Membran einerseits ein Fühlerdruck, der von der Temperatur des verdampften Kälte­ mittels und von der Fühlerfüllung abhängig ist und andererseits der am Verdampfer­ anfang oder Verdampferende herrschende Druck.

In Abhängigkeit von der Druckbilanz ist das Ventil mehr oder weniger geöffnet, so daß infolge dessen mehr oder weniger flüssiges Kältemittel über das Ventil strömen und sodann entspannen kann.

Als Kühlmittel wurden in früherer Zeit Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) ver­ wendet, die jedoch möglicherweise zu einem Ozonabbau beitragen. Daher werden in jüngster Zeit immer mehr chloratomfreie Kühlmittel wie Fluorkohlenwasserstoffe (FKW) benutzt. Mit diesen Kühlstoffen können durch Kaskadenschaltungen Temperatu­ ren von z. B. -40°C und niedriger erzielt werden.

In den Kühlmitteln sind Fremdstoffe wie für die Schmierung von Kompressoren erfor­ derliche Öle vorhanden, die die Kühlanlagen dann nicht beeinflussen, wenn die Kühl­ mittel in flüssiger Form vorliegen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß insbesondere bei chloratomfreien Kühlmitteln ein Ausscheiden dieser Fremdstoffe unmittelbar nach der Expansion des Kühlmittels, also im Expansionsventil selbst erfolgt. Hierdurch können sich die Fremdstoffe, also insbesondere Schmierstoffe wie Öl in dem Bereich des Ventilgehäuses ansammeln, in dem das auf die Ventil- oder Düsennadel einwirkende Federelement verläuft. Bei den in diesem Bereich herrschenden tiefen Temperaturen erstarrt jedoch ausgeschiedenes Öl, wodurch das Federelement blockiert wird. Dies führt zu einer Fehlfunktion des Expansionsventils dahingehend, daß ein unregelmäßiger Temperaturanstieg in der Kühlanlage und damit in dem mit dieser zu kühlenden Raum auftritt.

Mit der vorliegenden Erfindung soll das Problem gelöst, eine Kühlanlage bzw. ein mechanisch betätigbares Expansionsventil der zuvor beschriebenen Art so weiterzubil­ den, daß das Federelement durch ausgeschiedene Medien wie insbesondere Schmier­ stoffe in seiner Funktion nicht beeinflußt werden kann.

Das Problem wird durch Weiterbildung einer Kälteanlage der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daß die das verdampfte Kühlmittel führende zweite Leitung derart von dem das Federelement aufnehmenden Ventilgehäuseabschnitt weggeführt ist, daß in diesem ein Ansammeln von ausgeschiedenen Medien verhindert oder weitgehend verhindert ist. Insbesondere geht die zweite Leitung von einem tiefstliegenden, insbeson­ dere einem unteren horizontal oder im wesentlichen horizontal verlaufendem Ventilge­ häusewandabschnitt aus.

Durch diese Maßnahmen ist gewährleistet, daß sich gegebenenfalls im Bereich des Federelementes ausgeschiedene Medien wie Schmierstoffe nicht in dem das Feder­ element aufnehmenden Gehäuseabschnitt ansammeln, sondern aus diesem abfließen können. Hierdurch wird ein Erstarren der Medien um das Federelement herum ausge­ schlossen, so daß dessen Funktionstüchtigkeit nicht beeinflußt werden kann.

Ein weiterer Lösungsvorschlag sieht vor, daß die mit der Verschieberichtung der Ventil­ nadel zusammenfallende Längsachse des Ventilgehäuses horizontal oder im wesentlichen horizontal verläuft und die zweite Leitung senkrecht nach unten von dem Ventilgehäuse­ abschnitt wegführt.

Alternativ verläuft die mit der Verschieberichtung der Ventilnadel zusammenfallende Längsachse des Ventilgehäuses vertikal oder im wesentlichen vertikal, wobei die zweite Leitung vom Bodenbereich des Ventilgehäuseabschnittes ausgeht.

Auch wenn die erste Alternative als bevorzugte Ausführungsform anzugeben ist, so besteht selbstverständlich die Möglichkeit, die Längsachse des Ventilgehäuses, entlang der sich das Federelement erstreckt, unter einem beliebigen Winkel zwischen 0° und 180° zur Horizontalen geneigt verlaufen zu lassen, sofern nur sichergestellt ist, daß die das verdampfte Kühlmittel wegführende zweite Leitung von einem Ventilgehäuse­ abschnittbereich ausgeht, der im tiefsten oder weitgehend im tiefsten Bereich liegt, in dem ansonsten ausgeschiedene Medien angesammelt werden könnten.

Ein Expansionsventil für insbesondere Kühlanlagen mit in einem Ventilgehäuse ver­ schiebbar angeordneter, von einem Federelement beaufschlagter Ventilnadel und dieser zugeordnetem Ventilsitz, einem ersten Anschluß zur Zuführung von flüssigen, gegebe­ nenfalls ausscheidbaren Medien wie Schmierstoffe enthaltendem Kühlmittel und einem zweiten Anschluß für druckreduziertes Kühlmittel, wobei das Federelement in einem Ventilgehäuseabschnitt verläuft, der von dem druckreduzierten Kühlmittel beaufschlag­ bar ist, zeichnet sich dadurch aus, daß der das Federelement aufnehmende Ventilgehäu­ seabschnitt in bezug auf den zweiten Anschluß derart verläuft, daß ein Ansammeln von ausgeschiedenen Medien ausgeschlossen ist.

Insbesondere ist vorgesehen, daß die mit der Bewegungsrichtung der Ventilnadel zusammenfallende Längsachse des Ventilgehäuseabschnitts horizontal oder im wesentli­ chen horizontal verläuft und daß der zweite das druckreduzierte Kühlmittel wegführende Anschluß von einer weitgehend tiefstliegenden Begrenzung des Ventilgehäuseabschnittes ausgeht.

Ein weiterer Lösungsvorschlag liegt vor, daß die Längsachse des Ventilgehäuses, entlang dessen sich das auf die Ventilnadel einwirkende Federelement erstreckt, vertikal verläuft, wobei der zweite Anschluß vom Bodenbereich des Ventilgehäuseabschnitts ausgeht.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kom­ bination - ,sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispielen.

Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines thermostatischen Expansionsventils mit äuße­ rem Druckausgleich und

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform eines thermostatischen Expansionsventils mit äußerem Druckausgleich.

In den Figuren, in denen gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, sind thermostatische Expansionsventile (10) bzw. (12) dargestellt, die für Kälteanlagen insbesondere zum Kühlen von Räumen auf niedrigere Temperaturen kleiner als z. B. -40°C bestimmt.

Die thermostatischen Expansionsventile (10) und (12) sind rein mechanischer Bauart und sind in einem Kühlkreislauf angeordnet, in dem ein Kühlmittel wie insbesonder ein Fluorkohlenwasserstoff strömt, in dem Schmiermittel gelöst sind. Der Kühlmittel­ kreislauf umfaßt in bekannter Bauweise als wesentliche Elemente einen Verdichter, einen Verflüssiger, einen das verflüssigte Kühlmittel aufnehmenden Sammler, ein Expansionsventil und einen Verdampfer.

Die zum Einsatz gelangenden Expansionsventile regulieren den Kältemittelmassenstrom im Verdampfer in Abhängigkeit von der Größe der Überhitzung des Kältemittels. Dem Verdampfer wird durch das thermostatische Expansionsventil derjenige Kältemittel­ massenstrom zugeführt, welcher unter den jeweiligen Betriebsbedingungen verdampfbar ist, so daß die Wärmeaustauschflächen des Verdampfers möglichst optimal ausgenutzt werden.

Der Aufbau eines entsprechenden thermostatischen Expansionsventiles entspricht grundsätzlich dem der in den Fig. 1 und 2 rein schematisch dargestellten Expansions­ ventilen (10) und (12).

Das Expansionsventil (10) bzw. (12) weist ein Ventilgehäuse (14) mit einem ersten Anschluß (16) und einem zweiten Anschluß (18) (Bezugszeichen (58) in Fig. 2) auf. Über den ersten Anschluß (16) strömt flüssiges Kühlmittel von dem Verflüssiger bzw. Sammler kommend in das Ventilgehäuse (14).

In dem Ventilgehäuse (14) befindet sich eine Trennwand (24) mit einer Öffnung oder Düse (20), die von einer Ventilnadel bzw. Düsennadel (22) verschließbar ist. Hierzu legt sich ein vorzugsweise kegelförmig ausgebildeter Endabschnitt der Düsen- bzw. Ventilna­ del (22) an einen nicht näher bezeichneten Ventilsitz an. Auf der in bezug auf die Trennwand (24) zu dem ersten Anschluß (16) gegenüberliegenden Seite geht von dem Ventilgehäuse (14) der zweite Anschluß (18) aus, über den druckreduziertes Kühlmittel zu dem Verdampfer strömt.

Die Ventilnadel (22) wird von einem Federelement wie Regulierfeder (26) beaufschlagt. Die Federkraft wird durch eine Regulierschraube (28) und ein Stiftelement (30) einge­ stellt. Das Stiftelement (30) ist durch Dichtungen (32) gegenüber dem Ventilgehäuse abgedichtet.

Das Federelement (26) befindet sich folglich in einem Ventilgehäuseabschnitt (34), in dem sich über den zweiten Anschluß (18) der Druck am Verdampfereingang einstellt.

Der das verflüssigte Kühlmittel führende Anschluß (16) mündet in einem Ventilge­ häuseabschnitt (36), in dem folglich der Druck am Verdichter bzw. im Sammler herrscht (Druckverlust der Flüssigkeitsleitung nicht berücksichtigt).

Der Ventilgehäuseabschnitt (36) ist von einem von einer Membran (38) ausgehendem Übertragungselement wie Stift (40) durchsetzt, das auf die Ventil- bzw. Düsennadel (22) einwirkt.

Die Membran (38) unterteilt ein Gehäuse (42) in Bereiche (44) und (46), die zum einen mit einem Fühler (48) (Bereich 44) und zum anderen mit dem Verdampferausgang über einen Anschluß (61) verbunden sind. Folglich herrscht in dem Gehäuseabschnitt (46) der Druck am Verdampferausgang und in dem Gehäuseabschnitt (44) der Druck des Fühlers (48), der von der Temperatur der verdampften Kältemittels und von der Füh­ lerfüllung abhängig ist.

Mit dem Bezugszeichen (50) ist eine Abdichtung versehen, die die Übertragungsstifte (40) umgeben, um das Membrangehäuse gegenüber dem Ventilgehäuseabschnitte (36) abzudichten.

Die Funktionsweise des thermostatischen Expansionsventils (10) bzw. (12) ist die folgende: In Ventilöffnungsrichtung wirkt der Fühlerdruck (Druck im Membrangehäuseabschnitt 44), der erwähntermaßen von der Temperatur des verdampften Kältemittels und von der Fühlerfüllung abhängig ist. In Schließrichtung des Ventils wirken zum einen der Druck am Verdampferausgang (Druck im Membrangehäuseabschnitt 46) und der von dem Federelement (26) mittels der Regulierschraube (28) eingestellte Druck.

Solange diese drei Drücke im Gleichgewicht stehen, bleibt die Öffnungsstellung und somit auch der freigegebene Durchflußquerschnitt des Ventils unverändert. Erhält der Verdampfer jedoch zu wenig Kältemittel, so erwärmt sich der Fühler (48), der Fühler­ druck steigt an und bewirkt ein weiteres Öffnen des Ventils und somit eine Vergröße­ rung des Durchflußquerschnittes.

Im gleichen Sinn wirkt sich ein Sinken des Verdampferdruckes aus. Fallende Füh­ lertemperatur oder steigender Verdampferdruck bewegen das Ventil in Schließrichtung.

Das über die Ventilöffnung bzw. -düse (20) strömende Kühlmittel wird in dem Ventilge­ häuseabschnitt (34) entspannt und druckreduziert. Hierbei können in dem flüssigen Kühlmittel vorhandene Medien wie Schmierstoffe ausgeschieden werden, die bei den in dem Ventilgehäuseabschnitt (34) herrschenden Temperaturen von gegebenenfalls - 40°C oder weniger wie z. B. -80°C erstarren können.

In dem Gehäuseabschnitt (34) können sich jedoch die gegebenenfalls ausgeschiedenen Stoffe nicht ansammeln, da erfindungsgemäß vorgesehen ist, daß der das verdampfte Kühlmittel abführende Anschluß (18) von einer unteren, also tiefstliegenden Wandfläche (52) des Ventilgehäuseabschnitts (34) ausgeht.

Diese Wandfläche (52) verläuft horizontal, also parallel zu der Längsachse (54) des Ventilgehäuses (14), entlang der die Ventilnadel (22) verschiebbar ist und entlang der sich das vorzugsweise als Schraubenfeder ausgebildete Federelement (26) erstreckt.

Das Ausführungsbeispiel der Fig. 2 unterscheidet sich von dem der Fig. 1 dahingehend, daß die Längsachse (56) des Ventilgehäuses (14) vertikal verläuft. Um auch bei dieser Ausbildung sicherzustellen, daß sich in dem Ventilgehäuseabschnitt (34), in dem sich das Federelement (26) erstreckt, gegebenenfalls ausgeschiedene Medien wie Schmierstoffe nicht abscheiden können, geht der das druckreduzierte Kühlmittel zu dem zum Ver­ dampfer führende Anschluß (58) vom Bodenbereich (60) des Ventilgehäuses (14) und damit des Ventilgehäuseabschnittes (34) aus. Ansonsten zeigt das thermostatische Expansionsventil (12) der Fig. 2 einen Aufbau und eine Funktionsweise, die dem der Fig. 1 entspricht.

Ist die erfindungsgemäße Lehre zwar an Hand eines thermostatischen Expansionsventils mit äußerem Druckausgleich beschrieben worden, so ist eine Realisierung der Erfindung selbstverständlich auch bei anderen in eine Kälteanlage einzubauenden Expansions­ ventilen möglich.

Claims (7)

1. Kälteanlage mit einem Kältemittel, das von einem Verflüssiger kommend in flüssiger Form über eine erste Leitung einem Expansionsventil zuführbar ist, welches in einem Ventilgehäuse eine von einem Federelement betätigbare gegen einen Ventilsitz verschiebbare Ventilnadel aufweist, und das in druckreduzierter Form über eine von dem Ventilgehäuse ausgehende zweite Leitung einem Verdampfer zuführbar ist, wobei das Federelement in einem Ventilgehäuse­ abschnitt angeordnet ist, der von dem druckreduzierten Kältemittel beaufschlag­ bar ist und in dem gegebenenfalls in dem Kältemittel vorhandene Medien wie Schmierstoffe ausscheidbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die das druckreduzierte Kühlmittel führende zweite Leitung (18, 58) derart von dem das Federelement (26) aufnehmenden Ventilgehäuseabschnitt (34) weggeführt ist, daß in diesem ein Ansammeln von ausgeschiedenen Medien verhindert oder weitgehend verhindert ist.

2. Kälteanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Leitung (18) von einem im wesentlichen tiefstliegenden, vorzugs­ weise unterem horizontal oder im wesentlichen horizontal verlaufenden Ventilge­ häusewandabschnitt (52) ausgeht.

3. Kälteanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Verschieberichtung der Ventilnadel (22) zusammenfallende Längsachse (54) des Ventilgehäuses (14) horizontal oder im wesentlichen hori­ zontal verläuft und daß die zweite Leitung (18) senkrecht nach unten von dem das Federelement (26) aufnehmenden Ventilgehäuseabschnitt (34) weggeführt ist.

4. Kälteanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Verschieberichtung der Ventilnadel (22) zusammenfallende Längsachse (56) des Ventilgehäuses (14) vertikal oder im wesentlichen vertikal verläuft und daß die zweite Leitung (58) vom Bodenbereich (60) des das Feder­ element (26) aufnehmenden Ventilgehäuseabschnitts (34) ausgeht.

5. Expansionsventil für insbesondere Kühlanlagen mit in einem Ventilgehäuse verschiebbar angeordneter, von einem Federelement beaufschlagter Ventilnadel und dieser zugeordnetem Ventilsitz, einem ersten Anschluß zur Zuführung von flüssigem, gegebenenfalls ausscheidbaren Medien wie Schmierstoffe enthaltendem Kühlmittel und einem zweiten Anschluß für druckreduziertes Kühlmittel, wobei das Federelement in einem Ventilgehäuseabschnitt verläuft, der von dem druck­ reduzierten Kühlmittel beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der das Federelement (26) aufnehmende Ventilgehäuseabschnitt (34) in bezug auf den zweiten Anschluß (18, 58) derart verläuft, daß ein Ansammeln von ausgeschiedenen Medien ausgeschlossen ist.

6. Expansionsventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Bewegungsrichtung der Ventilnadel (22) zusammenfallende Längsachse (54) des Ventilgehäuses (14) horizontal oder im wesentlichen hori­ zontal verläuft und daß der zweite Anschluß (18) von einer im wesentlichen tiefstliegenden Begrenzung (52) des Ventilgehäuseabschnittes (34) ausgeht.

7. Expansionsventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Verschieberichtung der Ventilnadel (22) zusammenfallende Längsachse (56) des Ventilgehäuses (14) vertikal oder im wesentlichen vertikal verläuft und daß der zweite Anschluß (58) vom Bodenbereich (60) des Ventilge­ häuseabschnittes (34) ausgeht.