DE4341579A1 - Ventilanordnung insbesondere für Kälteanlagen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Ventilanordnung zur Rege­ lung der Durchflußmenge von in einem Strömungskanal strömenden Fluiden, mit einem durch einen Regler nach Maßgabe von Regelabweichungen elektrisch ansteuerbaren, als Magnetventil ausgebildeten Durchflußmengen-Steuer­ ventil.

Ventilanordnungen dieser Art werden vor allem in Kälte­ anlagen oder Wärmepumpen verwendet. In einer Kälteanla­ ge wird das vom Verdampfer kommende gasförmige Kältemit­ tel in einem Verdichter unter Bildung von Heißgas ver­ dichtet und in dieser Form einem Kondensator zugeführt. Mit dem als Expansionsventil wirkenden Durchflußmengen- Steuerventil wird das im Kondensator bei konstantem Druck verflüssigte und etwas unterkühlte Kältemittel auf den Verdampfungsdruck entspannt. Der Massendurchsatz wird über das Expansionsventil dabei so geregelt, daß sich am Ausgang des Verdampfers ein vorgegebener über­ hitzter Zustand einstellt. Als Regelgrößen kommen vor allem die Überhitzungstemperatur am Ausgang des Verdamp­ fers, die Raumtemperatur und die Drücke am Kondensator­ ausgang und im Verdampfer in Betracht. Ziel der Rege­ lung ist eine optimale Füllung des Verdampfers und eine Stabilisierung des zeitlichen Überhitzungstemperaturver­ laufs.

Bei einer bekannten Ventilanordnung dieser Art (DE-A- 34 41 251) ist das Verschlußstück des Expansionsventils gegen die Kraft einer Rückstellfeder vom Ventilsitz ab­ hebbar und die Ventilbewegung über eine Drossel zwi­ schen Eingangsraum des Ventils und einer Dämpfungskam­ mer gedämpft. Auf diese Weise wird vermieden, daß es beim Schließ- und Öffnungsvorgang des Ventils zu Stoß­ belastungen im Kältekreislauf kommt. Weiter wird da­ durch erreicht, daß das Ventil nicht in Resonanz mit vom Verdichter verursachten Druckimpulsen schwingt und Vibrationsgeräusche entstehen. Bei leicht verdampfbaren Flüssigkeiten treten bei der hydraulischen Dämpfung je­ doch Schwierigkeiten auf, die zu einem teilweisen oder vollständigen Ausfall der Dämpfungswirkung führen kön­ nen. Zur Sicherstellung der Dämpfungswirkung muß dort daher die Dämpfungskammer gut gekühlt werden, wozu ein erheblicher konstruktiver und baulicher Aufwand erfor­ derlich ist.

Ventilanordnungen der eingangs angegebenen Art werden auch zur Regelung des Betriebsmitteldurchsatzes in Se­ kundärkreisläufen von Kälteanlagen verwendet. Wenn sich die Strömungsgeschwindigkeit der Wärmeträgerflüssigkeit durch schnell schaltende Ventile plötzlich ändert, tre­ ten Druckstöße auf, die zu Beschädigungen der Rohrlei­ tungen, Ventile und insbesondere der Wärmeaustauscher im Sekundärkreislauf führen können. Wasserschläge wer­ den bisher vor allem durch den Einbau von Luftkammern oder Wasserschlagfangvorrichtungen gemildert, die einen erheblichen baulichen Aufwand erfordern.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zu­ grunde, eine Ventilanordnung der eingangs angegebenen Art zu entwickeln, die ohne eine hydraulische Dämpfung ein stoßfreies Zu- und Abschalten des strömenden Fluids ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung die im Patentanspruch 1 angegebene Merkmalskombination vor­ geschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbil­ dungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Die erfindungsgemäße Lösung geht von dem Gedanken aus, daß der bewegliche Magnetanker eines Magnetventils bei zunehmender Stromzufuhr zwar gezielt nach einer vorge­ gebenen Charakteristik gegen eine Rückstellfeder ange­ zogen werden kann, das Abfallen des Ankers bei abneh­ mendem Strom unter der Einwirkung der Rückstellfeder jedoch meist schlagartig erfolgt. Bei Durchflußmengen- Steuerventilen kommt es vor allem auf einen gedämpften Schließvorgang an. Andererseits ist es aus Sicherheits­ gründen wichtig, daß bei Stromausfall der Fluiddurchsatz selbsttätig gesperrt wird, um ein unerwünschtes Über­ strömen in den Kreislauf zu vermeiden. Um dies zu errei­ chen, wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß das Durchflußmengen-Steuerventil als in stromlosem Zustand offenes und bei Stromzufuhr vorzugsweise bis auf eine einstellbare Restöffnung schließbares Magnetventil aus­ gebildet ist, und daß auf der Ausgangsseite des Durch­ flußmengen-Steuerventils ein durch den Regler elektrisch betätigbares, in stromlosem Zustand gesperrtes und bei Stromzufuhr offenes Absperrventil angeordnet ist. Das Absperrventil ist dabei zweckmäßig ebenfalls als Magnet­ ventil ausgebildet.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das Durchflußmengen-Steuerventil einen in Öffnungs­ richtung federbelasteten, vorzugsweise als konische Ven­ tilnadel ausgebildeten Ventilkörper auf. Der Ventilkör­ per kann über einen den Strömungskanal durchsetzenden Stößel mit einem ferromagnetischen Magnetanker verbun­ den werden, wobei der Magnetanker in einer Schubführung innerhalb eines Spulengehäuses und der Ventilkörper an einem in einer zweiten Schubführung geführten Gleitkör­ per angeordnet sein kann. Zur Einstellung der Restöff­ nung kann in den Verschiebeweg des Ventilkörpers ein vorzugsweise als Stellschraube mit Konusspitze ausgebil­ detes verstellbares Anschlagorgan eingreifen. Der Ma­ gnetanker und der Gleitkörper können in entgegengesetz­ ten Richtungen federbelastet sein, wobei die in Öffnungs­ richtung weisende Federkraft größer als die in Schließ­ richtung weisende Federkraft zu wählen ist.

Das Absperrventil weist zweckmäßig einen in Schließrich­ tung federbelasteten, vorzugsweise tellerförmigen Schließkörper auf.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die beiden Magnetventile mittels nach Maßgabe der Regelabweichungen errechneten, impulsbreitenmodulierten Schaltimpulsen auf- und zugesteuert werden, wobei die Magnetventile über eine vorzugsweise mikroprozessorge­ stützte Folgesteuerung nacheinander angesteuert werden können.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Ventilanordnung zur Regelung des Massendurchsatzes von leicht verdampfbaren Flüssigkei­ ten in einem Kältemittelkreislauf, insbesondere in ei­ ner Kälteanlage oder Wärmepumpe, eingesetzt werden. In diesem Fall ist das Durchflußmengen-Steuerventil als ein in einem Strömungskanal zwischen Kondensator und Verdampfer angeordnetes Expansionsventil ausgebildet, während das Absperrventil saugseitig, also auf der Ver­ dampferseite des Expansionsventils, angeordnet ist.

Beim Anfahren der Anlage werden zunächst beide Ventile geöffnet, bis ein Zustand erreicht ist, bei dem der Re­ gelvorgang einsetzt. Sodann wird zunächst das drucksei­ tige Expansionsventil über eine Schließflanke des Schalt­ impulses mit vorgegebener Schließcharakteristik gedämpft bis zu seiner Restöffnung geschlossen. Nach Erreichen eines Reststroms schließt das saugseitige Ventil dann zeitverzögert den Durchlaß. Beim Öffnungsvorgang kann über eine Öffnungsflanke der Schaltimpulse zunächst das Expansionsventil und anschließend das Absperrventil bei­ spielsweise mit vorgegebener Öffnungscharakteristik auf­ gesteuert werden, so daß auch hierbei eine Dämpfungswir­ kung erzielt wird.

Dem saugseitigen Absperrventil kommt zusätzlich eine Sicherheitsfunktion zu: Es gewährleistet, daß bei Strom­ ausfall der Kältemittelkreislauf im Bereich des Expan­ sionsventils geschlossen ist, obwohl das druckseitige Expansionsventil unter der Einwirkung seiner Rückstell­ feder hierbei selbsttätig aufgesteuert wird. Dadurch wird verhindert, daß flüssiges Kältemittel über den Ver­ dampfer in den Verdichter gelangen und dort zu Funktions­ ausfällen und Beschädigungen führen kann.

Im folgenden wird die Erfindung anhand zweier in der Zeichnung in schematischer Weise dargestellter Ausfüh­ rungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Schema einer Kälteanlage mit einer Ventil­ anordnung zur Regelung des Kältemittelstroms zum Verdampfer;

Fig. 2 ein Schema einer Kühlanlage mit der Ventilan­ ordnung zur Regelung des Betriebsmittelstroms durch ein Kühlmöbel in einem Sekundärkreislauf.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Kälteanlage weist einen Kältemittelkreislauf mit einem Verdampfer 10, ei­ nem mit einem Motor 12 angetriebenen Verdichter 14, ei­ nem Kondensator 16 und einer zwischen Kondensator 16 und Verdampfer 10 angeordneten Ventilanordnung 18 auf. Die Ventilanordnung 18 umfaßt ein druckseitig angeord­ netes Expansionsventil 20 und ein Absperrventil 22, die beide als Magnetventile ausgebildet sind, deren Spulen 20′, 22′ durch einen Regler 24 über Leitungen 26, 28 elektrisch ansteuerbar sind. Der als Mikrocomputer aus­ gebildete Regler 24 wird eingangsseitig über die Tempe­ raturmeßstellen 30, 32, 34 mit der Eingangs- und Aus­ gangstemperatur des Verdampfers und der Raumtemperatur des zu kühlenden Raumes sowie über die Druckmeßstellen 36, 38 mit Druckwerten aus dem Kältemittelkreislauf als Regelgrößen beaufschlagt.

Das druckseitig angeordnete Expansionsventil 20 weist einen im Spulengehäuse 40 geführten, unter der Einwir­ kung einer Druckfeder 42 stehenden Magnetanker 44 auf, dessen stirnseitiges Ende über einen den Strömungskanal 46 und einen Ventilsitz 48 durchdringenden Stößel 50 mit einem konischen Ventilkörper 52 starr verbunden ist, der seinerseits an einem in einem Führungszylinder 54 geführten Kolben 56 stirnseitig angeordnet ist. Der Kolben 56 ist rückseitig mit der Kraft einer Druckfeder 58 in entgegengesetzter Richtung zur ankerseitigen Druck­ feder 42 beaufschlagt. Die Federkraft der Druckfeder 42 ist größer als die der Druckfeder 58, so daß bei strom­ loser Spule 20′ der Magnetanker 44 in Öffnungsrichtung des Ventils 48, 52 abfällt. In den Verschiebeweg des Kolbens 56 greift ein als Verstellschraube mit koni­ scher Spitze ausgebildetes Anschlagorgan 60 ein, über das eine Restöffnung des Ventils 52, 48 in dessen Schließzustand eingestellt werden kann.

Das saugseitig angeordnete Absperrventil 22 der Ventil­ anordnung 18 ist in seinem magnetischen Teil gleich aufgebaut wie das Expansionsventil 20. Es weist einen in einem Spulengehäuse 70 unter der Einwirkung einer Druckfeder 72 verschiebbar angeordneten Magnetanker 74 auf, an dessen Stirnseite ein im Schließzustand gegen den Ventilsitz 76 anliegender tellerförmiger Ventilkör­ per 78 aus elastomerem Material angeordnet ist. Während das Expansionsventil 20 im stromlosen Zustand der Spule 20′ über den vom Ventilsitz 48 abgehobenen Ventilkörper 52 den Flüssigkeitsdurchtritt freigibt, ist das Absperr­ ventil 22 unter der Einwirkung der Druckfeder 72 ge­ sperrt. Zur Regelung des Kältemitteldurchsatzes werden die Magnetventile 20, 22 über den Regler 24 mit nach Maßgabe der Regelabweichungen unter Verwendung eines Regelalgorhythmus impulsbreitenmodulierten Schaltimpul­ sen mit vorgegebener Taktzeit auf- und zugesteuert. Um ein möglichst günstiges Dämpfungsverhalten beim Schalt­ vorgang zu erhalten, werden die beiden Ventile 20, 22 nacheinander oder zeitlich überlappend betätigt.

Der Ventilanordnung mit den zwei Magnetventilen liegt die Erkenntnis zugrunde, daß ein Magnetventil nur in Anzugrichtung eine durch die Stromzufuhr vorgegebene (gedämpfte) Bewegung ausführen kann, und daß dieser Effekt zweckmäßig bei der Schließbewegung des Expan­ sionsventils 20 genutzt wird. Da andererseits bei Stromausfall gewährleistet sein muß, daß der Kältemit­ telkreislauf im Bereich des Expansionsventils geschlos­ sen ist, wurde zusätzlich ein Absperrventil 22 in Form eines Magnetventils üblicher Bauart vorgesehen. Durch zeitverzögertes Öffnen des Expansionsventils und des Absperrventils kann auch beim Öffnungsvorgang ein flüssigkeitsstoßmindernder Dämpfungseffekt erzielt werden.

Fig. 2 zeigt eine Kühlanlage, bei der ein von einer Pumpe 108 umgewälztes Betriebsmittel eines ausschnitts­ weise dargestellten Sekundärkreislaufs 102 über einen zentralen Wärmeaustauscher 106 in thermischem Kontakt mit einem im Primärkreislauf 112 strömenden Kältemittel steht. Die aus dem Durchflußmengen-Steuerventil 20 und dem Absperrventil 22 bestehende Ventilanordnung 18 ist in einem Zweig 100 des Sekundärkreislaufs 102 zur Rege­ lung des Massenstroms des durch einen nachgeordneten Wärmeaustauscher 114 einer Kühlstelle 104 strömenden Betriebsmittels angeordnet, wobei weitere nicht darge­ stellte Kühlstellen und zugehörige Ventilanordnungen in parallel geschalteten Zweigen im Sekundärkreislauf vor­ handen sein können. Die Ventilanordnung 18 dient dabei zur Temperaturregelung der einzelnen Kühlstelle 104.

Zur Temperaturregelung wird der als Mikrocomputer aus­ gebildete Regler 24 eingangsseitig über die Temperatur­ meßstelle 34 mit der Kühlstellentemperatur als Regel­ größe beaufschlagt. In Abhängigkeit von der Regelabwei­ chung werden die Magnetventile 20, 22 der Ventilanord­ nung 18 in der bereits beschriebenen Weise über den Regler 24 auf- und zugesteuert und dadurch die Kühl­ stellentemperatur über den Betriebsmitteldurchsatz durch den Wärmeaustauscher 114 geregelt.

Zusammenfassend ist folgendes festzustellen: Die Erfin­ dung bezieht sich auf eine Ventilanordnung zur Regelung des Durchsatzes von Kältemitteln in einer Kälteanlage mit einem durch einen Regler 24 nach Maßgabe von Regel­ abweichungen elektrisch ansteuerbaren Durchflußmengen- Steuerventil 20. Um eine impulsbreitenmodulierte Ans­ teuerung der Ventilanordnung unter Vermeidung von Flüs­ sigkeitsstößen zu ermöglichen, wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß das Durchflußmengen-Steuerventil 20 als in stromlosem Zustand offenes und bei Stromzufuhr bis auf eine einstellbare Restöffnung schließbares Ma­ gnetventil ausgebildet ist, und daß auf der Ausgangssei­ te des Durchflußmengen-Steuerventils 20 ein durch den Regler elektrisch betätigbares, in stromlosem Zustand gesperrtes und bei Stromzufuhr offenes, als Magnetven­ til ausgebildetes Absperrventil 22 angeordnet ist.

Claims (16)

1. Ventilanordnung zur Regelung der Durchflußmenge von in einem Strömungskanal strömenden Fluiden, mit einem durch einen Regler (24) nach Maßgabe von Regelabweichungen elektrisch ansteuerbaren, als Magnetventil ausgebildeten Durchflußmengen-Steuer­ ventil (20), dadurch gekennzeichnet, daß das Durch­ flußmengen-Steuerventil (20) als in stromlosem Zu­ stand offenes und bei Stromzufuhr zumindest teil­ weise schließbares Magnetventil ausgebildet ist, und daß dem Durchflußmengen-Steuerventil (20) ein durch den Regler (24) elektrisch betätigbares, in stromlosem Zustand gesperrtes und bei Stromzufuhr offenes Absperrventil (22) nachgeordnet ist.

2. Ventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Durchflußmengen-Steuerventil (20) bei Stromzufuhr bis auf eine einstellbare Restöffnung schließbar ist.

3. Ventilanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Absperrventil (22) als Magnetventil ausgebildet ist.

4. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Durchflußmengen- Steuerventil (20) einen in Öffnungsrichtung feder­ belasteten, vorzugsweise als konische Ventilnadel ausgebildeten Ventilkörper (52) aufweist.

5. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Durchflußmengen- Steuerventil (20) einen in einem Spulengehäuse (40) geführten ferromagnetischen Magnetanker (44) und einen mit dem Magnetanker (44) über einen den Strö­ mungskanal (46) durchsetzenden Stößel (50) verbun­ denen, den Ventilkörper (52) tragenden, in einer Schubführung (Führungszylinder 54) geführten Gleit­ körper (Kolben 56) aufweist.

6. Ventilanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß in den Verschiebeweg des Ven­ tilkörpers (52) ein die Restöffnung definierendes, vorzugsweise als Stellschraube mit Konusspitze ausgebildetes verstellbares Anstellorgan (60) ein­ greift.

7. Ventilanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetanker (44) und der Gleitkörper (56) in entgegengesetzten Richtungen federbelastet sind, wobei die in Öffnungsrichtung weisende Federkraft größer als die in Schließrich­ tung weisende Federkraft ist.

8. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Absperrventil (22) einen in Schließrichtung federbelasteten, vorzugs­ weise tellerförmigen Ventilkörper (78) aufweist.

9. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetventile (20, 22) mittels anhand der Regelabweichungen er­ rechneten, impulsbreitenmodulierten Schaltimpulsen auf- und zusteuerbar sind.

10. Ventilanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Magnetventile (20, 22) über eine Folgesteuerung nacheinander ansteuerbar sind.

11. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Durchflußmengen- Steuerventil (20) als in einem zwischen Kondensator und Verdampfer befindlichen Strömungskanal eines Kältemittelkreislaufs einer Kälteanlage oder Wärme­ pumpe angeordnetes Expansionsventil ausgebildet ist.

12. Verfahren zur Betätigung der Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeich­ net, daß über eine Schließflanke der Schaltimpulse zunächst das Durchflußmengen-Steuerventil (20) vor­ zugsweise mit vorgegebener Schließcharakteristik gegebenenfalls bis zu seiner Restöffnung und an­ schließend das Absperrventil (22) zugesteuert wird.

13. Verfahren zum Betrieb der Ventilanordnung nach ei­ nem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß über eine Öffnungsflanke der Schaltimpulse zu­ nächst das Durchflußmengen-Steuerventil (20) und anschließend das Absperrventil (22) vorzugsweise mit vorgegebener Öffnungscharakteristik aufgesteu­ ert wird.

14. Verfahren zum Betrieb der Ventilanordnung nach ei­ nem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei Stromausfall das Durchflußmengen-Steuerven­ til (20) selbsttätig aufgesteuert und das Absperr­ ventil (22) selbsttätig zugesteuert wird.

15. Verwendung der Ventilanordnung nach einem der An­ sprüche 1 bis 10 zur Regelung des Massendurchsat­ zes von leicht verdampfbaren Flüssigkeiten in ei­ nem Strömungskanal (46) zwischen Kondensator (16) und Verdampfer (10) einer Kälteanlage oder Wärme­ pumpe, wobei das Durchflußmengen-Steuerventil (20) als Expansionsventil ausgebildet ist.

16. Verwendung der Ventilanordnung nach einem der An­ sprüche 1 bis 10 zur Regelung der Durchflußmenge eines als Betriebsmittel eines Sekundärkreislaufs zwischen den Wärmeaustauschern einer zentralen Käl­ teanlage und einer externen, beispielsweise als Kühlmöbel ausgebildeten Kühlstelle strömenden Wär­ meträgerfluids.